CN117468996B - 干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统。干气密封结构包括密封壳以及设置于密封壳内部的密封组件，密封组件包括密封圈以及依次连接的动环、静环和弹簧座，密封圈设置于静环和所述弹簧座之间；静环和弹簧座中的至少一者中设置有冷却部，冷却部靠近密封圈设置，冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道，因而通过冷却流道的冷却工质可利用对密封圈进行冷却，无需在涡轮系统的外壳上设置冷却结构，因而不会影响外壳的结构强度，可以保证涡轮系统的可靠性。

Description

干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统

技术领域

本申请属于发电技术领域，尤其涉及一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统。

背景技术

超临界二氧化碳涡轮系统是以超临界二氧化碳作为工质进行发电的发电设备，由于其工作在转速高、温度高和压力大的严苛作业环境中，因此，为了保证超临界二氧化碳涡轮系统可以长期稳定的运行，需要对涡轮系统的各方面性能进行不断优化，其中，涡轮系统的动密封是至关重要的一个环节。

目前，超临界二氧化碳涡轮系统通常采用干气密封结构作为动密封，但是，由于现有的干气密封结构的密封圈不耐高温，其只能工作在中低温运行环境中，因此，如果需要在超临界环境中使用干气密封结构作为动密封，通常需要在涡轮系统中设置相应的冷却结构来对其进行冷却。

现有的涡轮系统的冷却结构一般设置于涡轮系统的外壳上，对干气密封结构的整体进行冷却，此时，该冷却结构的设置会降低涡轮系统的外壳的结构强度，使系统的薄弱部位增多，影响系统的可靠性。

发明内容

本申请实施例提供一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统，能够至少解决涡轮系统的外壳由于设置冷却结构而降低结构强度，进而导致系统的可靠性降低的问题。

一方面，本申请实施例提供一种干气密封结构，包括密封壳以及设置于密封壳内部的密封组件，密封组件包括密封圈以及依次连接的动环、静环和弹簧座，密封圈设置于静环和所述弹簧座之间；静环和弹簧座中的至少一者中设置有冷却部，冷却部靠近密封圈设置，冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道。

在一些实施例中，冷却部中形成有多个微型腔，多个微型腔沿静环的轴向和/或径向间隔设置，相邻的两个微型腔相互连通，以形成冷却流道。

在一些实施例中，冷却部和冷却流道分别沿静环的周向环绕设置，多个微型腔沿静环的周向间隔设置。

在一些实施例中，冷却部朝向冷却流道的内壁面的平均曲率为0。

在一些实施例中，密封组件还包括涡流发生器，涡流发生器设置于冷却部朝向冷却流道的内壁面。

在一些实施例中，静环或者弹簧座沿所述静环的轴向的宽度H1与冷却流道沿静环的轴向至密封圈的距离H2的比值满足：0.1≤H2/H1≤0.3。

在一些实施例中，弹簧座包括座本体、止推环以及连接于座本体和止推环之间的弹簧，止推环位于静环背离动环的一侧，座本体的两端朝向静环延伸并与静环连接，密封圈位于静环、止推环和座本体之间，冷却部位于止推环和座本体中的至少一者上。

在一些实施例中，冷却部中的冷却流道为多个，多个冷却流道在冷却部中均匀分布。

在一些实施例中，静环和弹簧座中的至少一者设置有工质入口和工质出口，工质入口用于连通冷却流道以及外部工质设备的出口，工质出口的一端与冷却流道连通，另一端与密封壳中的工质通道或者外部工质设备的入口连通。

另一方面，本申请实施例提供一种超临界二氧化碳涡轮系统，包括上述任一项所述的干气密封结构。

本申请提供了一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统。干气密封结构包括密封壳以及设置于密封壳内部的密封组件，密封组件包括密封圈以及依次连接的动环、静环和弹簧座，密封圈设置于静环和弹簧座之间，以保证静环与弹簧座之间的密封性能；由于静环和弹簧座中的至少一者中设置有冷却部，冷却部靠近密封圈设置，且冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道，因而通过冷却流道的冷却工质可利用对密封圈进行冷却，无需在涡轮系统的外壳上设置冷却结构，因而不会影响外壳的结构强度，可以保证涡轮系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一些实施例提供的干气密封结构的剖视图；

图2是图1中的A-A放大图；

图3是本申请一些实施例提供的冷却部朝向冷却流道的内壁面的曲面形状的结构示意图；

图4是本申请一些实施例提供的冷却部朝向冷却流道的内壁面的另一曲面形状的结构示意图。

附图标号说明：

密封壳100；密封圈101；动环102；静环103；弹簧座104；冷却流道105；容纳腔106；密封工质入口107；密封工质出口108；微型腔109；座本体110；止推环111；弹簧112。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了解决现有技术问题，本申请实施例提供了一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统。下面首先对本申请实施例所提供的干气密封结构进行介绍。

图1是本申请一些实施例提供的干气密封结构的剖视图。

如图1所示，一方面，本申请实施例提供一种干气密封结构，包括密封壳100以及设置于密封壳100内部的密封组件，密封组件包括密封圈101以及依次连接的动环102、静环103和弹簧座104，密封圈101设置于静环103和所述弹簧座104之间；静环103和弹簧座104中的至少一者中设置有冷却部，冷却部靠近密封圈101设置，冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道105。

需要明确的是，本申请的干气密封结构在超临界环境下作为设备的轴端密封，例如，可以在超临界环境中作为透平、压缩机等旋转设备的轴端密封，当然，也可以作为轴端密封用于其他环境下，在此不作具体限定。

密封壳100中可以用于保护动环102、静环103、弹簧座104和密封圈101。密封壳100中可以形成用于容纳动环102、静环103、弹簧座104和密封圈101的容纳腔106，容纳腔106中可能形成用于供密封工质流通的工质通道，密封壳100上可以开设连通工质通道的密封工质入口107和密封工质出口108，以供密封工质流入和流出容纳腔106。

密封组件用于实现轴端密封。具体地，密封组件中的动环102朝向静环103的一侧可以开设螺旋槽，动环102和静环103之间具有密封间隙，密封间隙中形成密封隔膜，当动环102高速转动时，密封工质自螺旋槽外周流入螺旋槽的根部，螺旋槽的根部以外的无槽区域形成密封坝，密封坝对密封工质产生阻碍作用，此时，密封工质对密封坝的反作用力可以作为动压力，分别与动环102和静环103所受到的静压力在密封隔膜处平衡，进而实现轴端密封。

密封圈101设置于静环103和弹簧座104之间，用于密封静环103。可选地，为了保证密封圈101的密封效果，密封圈101被配置为采用聚四氟乙烯材料制造，可以理解的是，由于聚四氟乙烯不耐高温，因此，当动环102高速转动时，容纳腔106内温度升高，容易导致密封圈101失效。

在本申请实施例中，通过在静环103和弹簧座104中的至少一者中设置冷却部，冷却部靠近密封圈101设置，冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道105，从而通过冷却流道105中的冷却工质可以实现对密封圈101的冷却，此时，无需在涡轮系统的外壳上设置冷却结构，因而不会影响外壳的结构强度，可以保证涡轮系统的可靠性。

本申请实施例提供的干气密封结构在保证对密封圈101的冷却效果的同时，由于无需再涡轮系统的外壳设置冷却结构，因而无需在涡轮系统中增设用于辅助该冷却结构的冷却辅助系统，在变工况尤其是系统启动时，可以避免其影响系统的快速机动，同时，设备的减少还可以降低涡轮系统的复杂性，保证系统的体积优势。

可选地，冷却部可以形成于静环103中，也可以形成于弹簧座104中，当然，也可以在静环103和弹簧座104中同时形成冷却部，以保证对密封圈101的冷却效果。

图2是图1中的A-A放大图。

在一些实施例中，冷却部中形成有多个微型腔109，多个微型腔109沿静环103的轴向和/或径向间隔设置，相邻的两个微型腔109相互连通，以形成冷却流道105。

多个微型腔109可以沿静环103的轴向间隔设置，也可以沿静环103的径向间隔设置，优选地，多个微型腔109可以在沿静环103的轴向间隔设置的同时还沿静环103的径向间隔设置。相邻的两个微型腔109相互连通，其中，一个微型腔109可以与其相邻的多个微型腔109连通。

在本申请实施例中，通过在冷却部中设置多个微型腔109，且每个微型腔109与相邻的微型腔109相互连通以形成该冷却流道105，从而在形成冷却流道105的同时可以降低冷却流道105对静环103或弹簧座104的结构强度的影响。

可以理解的是，相邻两个微型腔109之间可以形成连通过孔，从而通过连通过孔连通。

可选地，连通过孔沿静环103的轴向和/或径向的尺寸不等于微型腔109沿静环的轴向和/或径向的尺寸，例如，连通过孔沿静环103的轴向和/或径向的尺寸可以小于微型腔109沿静环的轴向和/或径向的尺寸，从而可以增大冷却部朝向冷却流道105的内壁面与冷却工质接触的面积，提高冷却工质的冷却效果。

可以理解的是，在本实施例中，单位容积的冷却流道105中容纳的冷却工质与冷却部的接触面积增大，因此，在保证冷却工质对密封圈101的冷却效果的前提下，可以在一定程度上缩小冷却流道105的容积，进一步降低由于形成冷却流道105而对静环103和/或弹簧座104的结构强度的影响。

可选地，微型腔109与连通过孔之间可以呈弧线形过渡，以使冷却流道105中的冷却介质的流通更加顺滑。

可以理解的是，多个微型腔109可以在冷却部中分别沿静环103的轴向和/或径向间隔设置，此时，多个微型腔109相对于在冷却部中呈点阵式排布，相邻的两个微型腔109相互连通以形成冷却流道105，此时，相邻两个微型腔109之间的壁部可以在一定程度上对支撑冷却流道105，以保证冷却部的结构强度。

可选地，微型腔109可以为圆形，也可以为方形，或者，该微型腔109也可以为不规则形状的腔室，在此不作具体限定。

在一些实施例中，冷却部和冷却流道105分别沿静环103的周向环绕设置，多个微型腔109沿静环103的周向间隔设置。

在干气密封结构中，密封圈101沿静环103的周向环绕设置，此时，设置冷却部沿静环103的周向环绕设置，且每个冷却流道105均沿静环103的周向延伸，可以提高冷却流道105中的冷却工质对密封圈101的冷却效果。

在一些实施例中，冷却部朝向冷却流道105的内壁面的平均曲率为0。

冷却部朝向冷却流道105的内壁面的平均曲率为0，即，多个微型腔109的内壁面以及相邻两个微型腔109之间的连通过孔的内壁面的整体平均曲率为0，此时，冷却流道105的内壁面可以为极小曲面，冷却部可以为三周期极小曲面结构，具有比强度高、应力分布均匀等特点，同时，其还具有自支撑特性，因而可以保证静环103和/或弹簧座104在形成冷却部后的结构强度。

可选地，冷却部朝向冷却流道105的内壁面的平均曲率也可以为一个特定的常数，即，保证冷却部朝向冷却流道105的内壁面的平均曲率恒定，以保证静环103和/或弹簧座104的结构强度。

图3是本申请一些实施例提供的冷却部朝向冷却流道的内壁面的曲面形状的结构示意图，图4是本申请一些实施例提供的冷却部朝向冷却流道的内壁面的另一曲面形状的结构示意图。

可选地，冷却部朝向冷却流道105的各内壁面的曲面形状相同。并且，冷却部朝向冷却流道105的内壁面的曲面形状为多种，在实际应用中，可以根据需求合理选取其中一种曲面形状作为冷却部朝向冷却流道105的内壁面的曲面形状。例如，图3和图4示出的各曲面形状均可以作为本申请实施例提供的干气密封结构中的冷却部朝向冷却流道105的内壁面的曲面形状。

可选地，可以采用3D打印技术加工冷却部，以保证冷却部加工后的曲面精度以及加工成形后冷却部的结构强度。

在一些实施例中，密封组件还包括涡流发生器，涡流发生器设置于冷却部朝向冷却流道105的内壁面，从而通过涡流发生器控制冷却工质在冷却流道105中的流动。

可选地，涡流发生器的数量可以为多个，多个涡流发生器间隔设置于冷却部朝向冷却流道105的内壁面。可选地，涡流发生器可以与冷却部一体化成形，具体可以为冷却部朝向冷却流道105的内壁面向冷却流道105中凸起以形成该涡流发生器。

可选地，当冷却部设置在静环103上时，静环103沿其径向的横截面积S1与冷却流道105沿静环103的径向的横截面积S2的比值满足0.5≤S2/S1≤0.7，当冷却部设置在弹簧座104上时，弹簧座104沿静环103的径向的横截面积S1与冷却流道105沿静环103的径向的横截面积S2的比值满足0.5≤S2/S1≤0.7，从而可以在保证冷却流道105中的冷却工质对密封圈101的冷却效果的同时，避免静环103或者弹簧座104由于形成冷却流道105而影响其自身结构强度。

在一些实施例中，静环103或者弹簧座104沿静环103的轴向的宽度H1与冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的距离H2的比值满足：0.1≤H2/H1≤0.3。

可以理解的是，当冷却部设置在静环103上时，静环103沿其轴向的宽度H1与冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的距离H2的比值满足0.1≤H2/H1≤0.3；当冷却部设置在弹簧座104上时，弹簧座104沿静环103的轴向的宽度H1与冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的距离H2的比值满足0.1≤H2/H1≤0.3。冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的距离H2可以为冷却流道105沿静环103的轴向靠近密封圈101的一侧至密封圈101沿静环103的轴向靠近冷却流道105的一侧的距离，即，冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的最小距离。

在本实施例中，通过合理设置静环103或者弹簧座104沿所述静环103的轴向的宽度H1与冷却流道105沿静环103的轴向至密封圈101的距离H2的比值，可以保证冷却流道105中的冷却工质对密封圈101的冷却效果，同时，还可以避免静环103或者弹簧座104由于形成冷却流道105而影响其自身结构强度。

请继续参照图1，在一些实施例中，弹簧座104包括座本体110、止推环111以及连接于座本体110和止推环111之间的弹簧112，止推环111位于静环103背离动环102的一侧，座本体110的两端朝向静环103延伸并与静环103连接，密封圈101位于静环103、止推环111和座本体110之间，冷却部位于止推环111和座本体110中的至少一者上。

在弹簧座104中，由于止推环111和座本体110均与密封圈101接触，因此，冷却部可以设置于止推环111中，也可以设置于座本体110中，当然，还可以在止推环111和座本体110中均设置冷却部，以保证对密封圈101的冷却效果。

在一些实施例中，冷却部中的冷却流道105为多个，多个冷却流道105在冷却部中均匀分布，从而保证对密封圈101的冷却效果。

可选地，多个冷却流道105在冷却部中可以沿静环103的轴向和/或径向间隔设置。可选地，多个冷却流道105之间可以相互连通，也可以彼此隔离。可选地，冷却部朝向同一个冷却流道105的内壁面的平均曲率恒定或者为0，冷却部朝向不同冷却流道105的不同内壁面的平均曲率可以不同。并且，冷却部朝向同一个冷却流道105的各内壁面的曲面形状相同，而冷却部朝向不同冷却流道105的内壁面的曲面形状可以不同。

进一步地，冷却部的数量可以为多个，当静环103中形成冷却部时，多个冷却部在静环103中均匀分布，当弹簧座104中形成冷却部时，多个冷却部在弹簧座104中均匀分布。

在一些实施例中，静环103和弹簧座104中的至少一者设置有工质入口和工质出口，工质入口用于连通冷却流道105以及外部工质设备的出口，工质出口的一端冷却流道105连通，另一端与密封壳100的工质通道或者外部工质设备的入口连通。

可以理解的是，当静环103中形成有冷却部时，可以在静环103上分别设置工质入口和工质出口；当弹簧座104中形成有冷却部时，可以在弹簧座104上分别设置工质入口和工质出口。在本实施例中，通过设置连通冷却流道105和外部工质设备的工质入口和工质出口，保证冷却流道105中的冷却工质处于流通状态，进而保证该冷却工质对密封圈101的冷却效果。

可选地，工质出口可以与密封壳100内的工质通道连通，因此，位于冷却流道105中的冷却工质可以通过该工质出口流入工质通道，并通过该工质通道流向干气密封结构周围的叶轮处，对叶轮进行冷却。

可选地，工质出口也可以直接与外部工质设备的入口连通，外部工质设备通过其上的出口以及与该出口连通的工质入口向冷却流道105中输送冷却工质，冷却工质在冷却流道105中对密封圈101冷却后，再从工质出口流向工质设备的入口，从而实现冷却循环。

在一些实施例中，密封壳100内部形成有用于容纳动环102、静环103、弹簧座104和密封圈101的容纳腔106，动环102和静环103将容纳腔106分隔为高温子腔和低温子腔，密封圈101和弹簧座104位于低温子腔中。可以理解的是，密封圈101位于低温子腔中，相较于位于高温子腔而言，其环境温度较低，因而可以在一定程度上防止密封圈101由于高温而失效。

另一方面，本申请实施例提供一种超临界二氧化碳涡轮系统，包括上述任一项所述的干气密封结构。

本申请提供了一种干气密封结构和超临界二氧化碳涡轮系统。干气密封结构包括密封壳100以及设置于密封壳100内部的密封组件，密封组件包括密封圈101以及依次连接的动环102、静环103和弹簧座104，密封圈101设置于静环103和弹簧座104之间，以保证静环103与弹簧座104之间的密封性能；由于静环103和弹簧座104中的至少一者中设置有冷却部，冷却部靠近密封圈101设置，且冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道105，因而通过冷却流道105的冷却工质可利用对密封圈101进行冷却，无需在涡轮系统的外壳上设置冷却结构，因而不会影响外壳的结构强度，可以保证涡轮系统的可靠性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种干气密封结构，其特征在于，包括密封壳以及设置于所述密封壳内部的密封组件，所述密封组件包括密封圈以及依次连接的动环、静环和弹簧座，所述密封圈设置于所述静环和所述弹簧座之间；所述静环和所述弹簧座中的至少一者中设置有冷却部，所述冷却部靠近所述密封圈设置，所述冷却部中形成有供冷却工质流通的冷却流道；

所述冷却部中形成有多个微型腔，多个所述微型腔沿所述静环的轴向和/或径向间隔设置，相邻的所述微型腔相互连通，以形成所述冷却流道；

相邻所述微型腔之间形成连通过孔，并通过所述连通过孔连通，所述连通过孔沿所述静环的轴向和/或径向的尺寸不等于所述微型腔沿所述静环的轴向和/或径向的尺寸；

当所述冷却部设置在静环上时，所述静环沿其径向的横截面积S1与所述冷却流道沿所述静环的径向的横截面积S2的比值满足：0.5≤S2/S1≤0.7，当所述冷却部设置在所述弹簧座上时，所述弹簧座沿所述静环的径向的横截面积S1与所述冷却流道沿所述静环的径向的横截面积S2的比值满足0.5≤S2/S1≤0.7。

2.根据权利要求1所述的干气密封结构，其特征在于，所述冷却部和所述冷却流道分别沿所述静环的周向环绕设置，多个所述微型腔沿所述静环的周向间隔设置。

3.根据权利要求1所述的干气密封结构，其特征在于，所述冷却部朝向所述冷却流道的内壁面的平均曲率为0。

4.根据权利要求1所述的干气密封结构，其特征在于，所述密封组件还包括涡流发生器，所述涡流发生器设置于所述冷却部朝向所述冷却流道的内壁面。

5.根据权利要求1~4任一项所述的干气密封结构，其特征在于，所述静环或者所述弹簧座沿所述静环的周向的宽度H1与所述冷却流道沿所述静环的轴向至所述密封圈的距离H2的比值满足：0.1≤H2/H1≤0.3。

6.根据权利要求1~4任一项所述的干气密封结构，其特征在于，所述弹簧座包括座本体、止推环以及连接于所述座本体和所述止推环之间的弹簧，所述止推环位于所述静环背离所述动环的一侧，所述座本体的两端朝向所述静环延伸并与所述静环连接，所述密封圈位于所述静环、所述止推环和所述座本体之间，所述冷却部位于所述止推环和所述座本体中的至少一者上。

7.根据权利要求1~4任一项所述的干气密封结构，其特征在于，所述冷却部中的所述冷却流道为多个，多个所述冷却流道在所述冷却部中均匀分布。

8.根据权利要求1~4任一项所述的干气密封结构，其特征在于，所述静环和所述弹簧座中的至少一者设置有工质入口和工质出口，所述工质入口用于连通所述冷却流道以及外部工质设备的出口，所述工质出口的一端与所述冷却流道连通，另一端与所述密封壳中的工质通道或者外部工质设备的入口连通。

9.一种超临界二氧化碳涡轮系统，其特征在于，包括如权利要求1~8任一项所述的干气密封结构。