CN115875457B - 一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构 - Google Patents

Abstract

一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，包括密封环，密封环端面一侧为高压即上游，密封环端面另一侧为低压即下游；所述密封环端面上游侧设有多个沿端面周向均布的动压槽，密封环端面下游侧设有多个沿端面周向均布的疏液功能表面织构，动压槽与疏液功能表面织构径向间设有不开槽的密封坝；疏液功能表面织构在逆着转速方向依次设有集液表面织构和疏液导流沟槽，疏液导流沟槽与密封环下游侧端面边界相连通；集液表面织构包括靠近上游侧的集水表面织构和靠近下游侧的集烃类表面织构。本发明将集液表面织构和疏液导流沟槽相结合，集液表面织构收集液滴汇聚后流向疏液导流沟槽并最终排出密封端面，避免析液在密封端面铺展所引起的性能劣化问题。

Description

一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构

技术领域

本发明涉及密封介质为天然气的干气密封技术领域，尤其涉及一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构。

背景技术

天然气作为一种介于传统化石能源如石油、煤炭及可再生能源之间的低碳清洁能源，其单位热值高，碳排放低于煤炭和石油，但比可再生能源便宜。2020年9月，中国提出二氧化碳排放力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”，这就要求我国尽快实现由传统化石能源向天然气等低碳能源的转型，推动天然气业务的高质量发展，有助于我国调整能源结构、促进经济发展、保护生态环境和实现可持续发展。

离心压缩机和膨胀机作为天然气开采、储运和发电过程中的核心动力设备，其轴端一般需采用密封以实现内部腔室流动流体与外界环境或轴承腔的隔离。干气密封因具有低泄漏、低磨损和低能耗的显著优点而成为天然气管输压缩机和透平膨胀发电机的首选型式。不过天然气作为一种多组分介质，其中的水和烃类物质容易发生相变，在密封间隙内因压力和温度的变化会析出液体，破坏端面气膜的连续性，进而导致密封的过早失效。同时，不同于常规单组分介质的相变凝析，多组分介质的相变会在干气密封坝区的不同位置凝析出不同的组分，使得密封间隙的流体流动和动压成膜更为复杂。现有的干气密封因光滑密封坝处无法快速地收集和除去不同组分的析液而容易出现失效事故，有必要对光滑密封坝进行处理，以实现其收集不同组分凝析液且能汇聚及快速除液的功能，提高干气密封在密封多组分天然气介质时的可靠性和稳定性。

发明内容

为克服多组分天然气介质凝析使干气密封失效的问题，本发明提供一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构。针对天然气组分复杂的特性，在密封坝表面不同位置分别增设集水和集烃类的表面织构，并通过疏液导流沟槽使凝析液快速流出密封端面。

本发明采用的技术方案是：一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，包括密封环，所述密封环端面一侧为高压即上游，密封环端面另一侧为低压即下游；所述密封环端面上游侧设有多个沿端面周向均布的动压槽，密封环端面下游侧设有多个沿端面周向均布的疏液功能表面织构，动压槽与疏液功能表面织构径向间设有不开槽的密封坝；

所述疏液功能表面织构在逆着转速方向依次设有集液表面织构和疏液导流沟槽；所述疏液导流沟槽的数量为多个且每个疏液导流沟槽在密封端面上以内径边缘为起点向外径延伸，疏液导流沟槽与密封环下游侧端面边界相连通；

所述集液表面织构包括靠近上游侧的集水表面织构和靠近下游侧的集烃类表面织构；所述集水表面织构包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅰ，环向沟槽Ⅰ的一端与疏液导流沟槽连通、另一端沿周向延伸；每一列环向沟槽Ⅰ槽底设有若干亲水微凸体织构，亲水微凸体织构将天然气中的水捕捉到环向沟槽Ⅱ中并通过疏液导流沟槽排出密封端面；

所述集烃类表面织构包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅱ，环向沟槽Ⅱ的一端与疏液导流沟槽连通、另一端沿周向延伸；每一列环向沟槽Ⅱ的槽底设有若干亲烃微凸体织构，亲烃微凸体织构将天然气中的烃类物质捕捉到环向沟槽Ⅱ中并通过疏液导流沟槽排出密封端面。

进一步，所述环向沟槽Ⅰ的深度逆着转速方向逐渐增加，所述环向沟槽Ⅱ深度逆着转速方向逐渐增加。

进一步，所述疏液导流沟槽的深度从上游侧至下游侧逐渐增加。

进一步，所述疏液导流沟槽的尺寸满足以下条件

式中，b为疏液导流沟槽周向宽度，h为疏液导流沟槽径向高度，ω为密封环转速，r为密封环半径，V_r为液滴径向流速。

本发明的原理是：多组分天然气在内外径压差及流体动压效应共同作用下，沿着外径螺旋槽流入密封间隙内，且产生的流体膜动静压承载力平衡密封闭合力以实现密封端面的非接触运行。一层完整的流体膜对于保证干气密封气膜承载力和气膜刚度至关重要。随着天然气向内径密封坝处的进一步流动，密封流体膜的压力和温度都逐渐降低，因为天然气中的主要组分为轻烃(戊烷及以下)，其露点均低于水蒸汽，所以在流动过程中天然气中露点较高的水汽可能会首先发生凝析生成细小的水珠。随着介质向内径侧的流动，温度和压力的进一步降低，露点较低的烃类组分也可能会发生凝析而生成小液滴。对于常规光滑表面密封坝的干气密封而言，水汽和烃类组分凝析生成的小液滴会在密封坝表面铺展而破坏流体膜的连续性，进而造成流体膜剪切作用增强、气膜温度升高和气膜承载力、气膜刚度下降等性能劣化，最终造成干气密封的过早失效。本发明在密封环内径侧表面增设亲液结构和疏液结构，常用亲液结构和疏液结构的制备方法有：层层自组装技术、刻蚀法、溶液浸泡法等。亲液表面针对水及烃类液滴具有不同的几何结构，但凝析的液滴均处于Wenzel状态；凝析液滴在疏液结构处于Cassie状态，且由于沟槽几何形状对液滴的排水行为有着显著影响，液滴的滑动呈现出明显的各向异性，因此将沟槽便于液滴流动的方向指向密封环内径处。当采用本发明所述的带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，密封介质在流动过程中，密封端面内径侧凝析生成的水分会被亲水表面织构捕集，并逆着转速方向沿环向沟槽流向疏液功能表面织构，在疏液功能表面织构的作用下使水珠沿疏液表面沟槽快速流出密封端面；在更靠近密封环内径处，沸点较低的烃类组分发生凝析生成小液滴，被亲烃微织构捕集，并逆着转速方向沿环向沟槽汇集到疏液功能表面织构，并快速排出密封端面，从而避免了天然气介质凝析液在干气密封环端面铺展而导致的早期失效事故。

本发明的有益效果是：

(1)根据天然气组分复杂的特性，针对组分中较容易发生相变的水及烃类物质，在密封坝不同位置处设计了润湿特性不同的表面织构，可将水和烃类物质分别捕集到不同的沟槽中，使集液效果更好。

(2)将集液表面织构和疏液导流沟槽相结合，集液表面织构可以起到收集液滴的作用，汇聚后流向疏液导流沟槽并最终排出密封端面，从而最大程度地避免析液在密封端面铺展所引起的性能劣化问题。通过将集液环向沟槽的周向深度逆着转速方向逐渐加深，将疏液导流沟槽的深度从外径向内径侧逐渐加深，可进一步强化表面织构对析液的流动导向和排出效果。

附图说明

图1是本发明实施例的干气密封环正视图。

图2是本发明实施例的疏液功能表面织构和集液表面织构的三维结构示意图。

图3是本发明实施例的疏液功能表面织构和集液表面织构的二维局部放大图。

图4是图3中B-B向的剖视图，即本发明实施例的集液表面织构径向剖视图。

图5是图3中C-C向的剖视图，即本发明实施例的疏液表面织构径向剖视图。

图6是图3中D-D向的剖视图，即本发明实施例的集液表面织构周向剖视图。

图7是本发明实施例的疏液沟槽尺寸及凝析液滴速度示意图。

附图标记说明：1、动压槽；2、密封坝；3、疏液功能表面织构；4、集液表面织构；41、集水表面织构；411、第一环向沟槽；412、亲水微凸体织构；42、集烃类表面织构；421、第二环向沟槽；422、亲烃微凸体织构；5、疏液导流沟槽；6、密封环下游侧端面边界。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，包括密封环，所述密封环端面一侧为高压即上游，密封环端面另一侧为低压即下游；所述密封环端面上游侧设有多个沿端面周向均布的动压槽1，密封环端面下游侧设有多个沿端面周向均布的疏液功能表面织构3，动压槽1与疏液功能表面织构3径向间设有不开槽的密封坝2；

所述疏液功能表面织构3在逆着转速方向依次设有集液表面织构4和疏液导流沟槽5；所述集液表面织构4与疏液导流沟槽5沿周向相连通，所述疏液导流沟槽5与密封环下游侧端面边界6相连通；

具体的，所述疏液导流沟槽5的数量为多个且每个疏液导流沟槽5在密封端面上以内径边缘为起点向外径延伸，即疏液导流沟槽5与密封环下游侧端面边界6相连通；所述疏液导流沟槽5的深度从上游侧至下游侧逐渐增加。

所述集液表面织构4包括靠近上游侧的集水表面织构41和靠近下游侧的集烃类表面织构42；所述集水表面织构41包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅰ411，环向沟槽Ⅰ411的一端与疏液导流沟槽5连通、另一端沿周向延伸；所述环向沟槽Ⅰ411的深度逆着转速方向逐渐增加，每一列环向沟槽Ⅰ411槽底设有若干亲水微凸体织构412，亲水微凸体织构412将天然气中的水捕捉到环向沟槽Ⅱ421中并通过疏液导流沟槽5排出密封端面；

所述集烃类表面织构42包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅱ421，环向沟槽Ⅱ421的一端与疏液导流沟槽5连通、另一端沿周向延伸；所述环向沟槽Ⅱ421深度逆着转速方向逐渐增加，每一列环向沟槽Ⅱ421的槽底设有若干亲烃微凸体织构422，亲烃微凸体织构422将天然气中的烃类物质捕捉到环向沟槽Ⅱ421中并通过疏液导流沟槽5排出密封端面。

为保证疏液表面沟槽内的液体顺利排出密封端面，而不会因为沟槽的疏液功能流出槽区，进一步在密封端面扩展。所述疏液导流沟槽的尺寸满足以下条件

式中，b为疏液导流沟槽周向宽度，h为疏液导流沟槽径向高度，ω为密封环转速，r为密封环半径，V_r为液滴径向流速。

参照图1、图2，当所述密封环沿顺时针方向旋转时，天然气在内外径压差和螺旋槽的流体动压效应的作用下，从外径侧向内径侧流动。当流动到集水表面织构41处时，由于压力和温度降低，天然气中沸点较高的水可能会发生相变，凝析出小水珠，并向第一列亲水表面织构412聚集，凝成液滴，沿环向沟槽411流向疏液功能表面织构3，最终在疏液导流沟槽5的作用下，从下游侧端面边界6流出密封端面，因为天然气中水的含量越来越少，沟槽宽度沿内径减小方向逐渐减小；凝析水分后的天然气继续向内径方向流动，也即向集烃类表面织构42流动，由于温度和压力继续降低，沸点较低的烃类物质也相继发生凝析，各种烃类物质的液滴汇聚到亲烃表面织构422，沿环向沟槽421流向疏液功能表面织构3，最后沿疏液导流沟槽5从下游侧端面边界6流出密封端面，同样因为天然气中分子质量较重、易发生相变的烃类组分含量越来越少，沟槽宽度沿内径减小方向逐渐减小。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，其特征在于：包括密封环，所述密封环端面一侧为高压即上游，密封环端面另一侧为低压即下游；所述密封环端面上游侧设有多个沿端面周向均布的动压槽(1)，密封环端面下游侧设有多个沿端面周向均布的疏液功能表面织构(3)，动压槽(1)与疏液功能表面织构(3)径向间设有不开槽的密封坝(2)；

所述疏液功能表面织构(3)在逆着转速方向依次设有集液表面织构(4)和疏液导流沟槽(5)；所述疏液导流沟槽(5)的数量为多个且每个疏液导流沟槽(5)在密封端面上以内径边缘为起点向外径延伸，疏液导流沟槽(5)与密封环下游侧端面边界(6)相连通；

所述集液表面织构(4)包括靠近上游侧的集水表面织构(41)和靠近下游侧的集烃类表面织构(42)；所述集水表面织构(41)包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅰ(411)，环向沟槽Ⅰ(411)的一端与疏液导流沟槽(5)连通、另一端沿周向延伸；每一列环向沟槽Ⅰ(411)槽底设有若干亲水微凸体织构(412)，亲水微凸体织构(412)将天然气中的水捕捉到环向沟槽Ⅱ(421)中并通过疏液导流沟槽(5)排出密封端面；

所述集烃类表面织构(42)包括多列在密封环端面上沿径向间隔分布的环向沟槽Ⅱ(421)，环向沟槽Ⅱ(421)的一端与疏液导流沟槽(5)连通、另一端沿周向延伸；每一列环向沟槽Ⅱ(421)的槽底设有若干亲烃微凸体织构(422)，亲烃微凸体织构(422)将天然气中的烃类物质捕捉到环向沟槽Ⅱ(421)中并通过疏液导流沟槽(5)排出密封端面。

2.如权利要求1所述的一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，其特征在于：所述环向沟槽Ⅰ(411)的深度逆着转速方向逐渐增加，所述环向沟槽Ⅱ(421)深度逆着转速方向逐渐增加。

3.如权利要求1所述的一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，其特征在于：所述疏液导流沟槽(5)的深度从上游侧至下游侧逐渐增加。

4.如权利要求1所述的一种带疏液功能表面的天然气干气密封环结构，其特征在于：所述疏液导流沟槽(5)的尺寸满足以下条件

式中，b为疏液导流沟槽周向宽度，h为疏液导流沟槽径向高度，ω为密封环转速，r为密封环半径，V_r为液滴径向流速。