一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，包括轉軸，轉軸上套裝有正常運行密封系統和啟停密封系統兩部分，正常運行密封系統為在正常運行時利用壓力平衡和螺旋泵送原理，采用液體工質、隔離氣與高沸點密封液三種介質來封堵透平內的氣體工質，而在啟動和停機時采用啟停密封系統；兩種密封系統可自動無縫切換，本實用新型采用上述方案，在正常運行時采用正常運行密封系統，減少功耗并提高密封的壽命和可靠性；在啟動、停機過程和停機后采用啟停密封系統，確保工質無泄漏。
【專利說明】一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種針對低沸點氣體工質的非接觸式無泄漏螺旋泵送密封，具體的說涉及一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，屬于流體機械領域。
【背景技術】
[0002]隨著我國經濟的快速發展，能源需求急劇增長。據統計，我國2012年的一次能源消費已達到36.2億噸標準煤當量，石油的對外依存度已超過56%，急劇膨脹的能源消耗對國家的能源安全、環境控制和可持續發展都構成了巨大的挑戰。然而，到目前為止，工業生產中大量的余熱，特別是低品質余熱得不到充分的利用，直接排入大氣，不僅污染環境，而且浪費能源。這些余熱也是非常寶貴的財富，對其進行回收利用已勢在必行，并且刻不容緩。
[0003]已有研究和工程實踐表明，有機工質朗肯循環(ORC)是回收低品位余熱的最有效途徑，它利用有機工質的低沸點、高密度等特點，不僅能高效回收低品位余熱，將其熱能轉化為機械能或電能，而且設備非常緊湊，便于在各種場合使用。然而，由于ORC大多為正壓運行，有機工質易泄漏，且價格昂貴、有毒性、對環境有害，部分工質還易燃易爆，必須做到工質無泄漏，也不允許其他氣體或者液體進入循環內。因此，如何解決轉軸的密封問題成為ORC余熱發電技術成敗的關鍵。
[0004]近幾年，以美國Calnetix公司和Concepts NREC公司為代表的ORC設備制造商米用全封閉系統方案，即將高速電機和高速透平安裝在一個密閉容器內，通過無潤滑的磁懸浮軸承提供軸系支撐，解決了轉軸的密封問題。但由于磁懸浮軸承技術復雜，成本過高，導致該方案的初投資太大，投資回收期需要6?10年以上，并不適合我國的國情；此外，受磁懸浮軸承和高速電機技術的限制，目前全封閉ORC系統的單機功率大多在300kW以下。
[0005]以奧瑪特公司為代表的ORC設備制造商采用傳統的機械密封方案，通過引入一種潤滑性能良好的中間封液，既堵塞了氣體介質向外部的泄漏，又能在密封面建立液膜，對接觸面進行潤滑、冷卻和沖洗，基本解決了氣體工質泄漏問題，其密封系統成本較低，單機發電功率的限制也較小，在地熱ORC發電領域獲得了一些應用。然而，由于采用接觸式密封，其功耗高、壽命短，正常運行壽命一般在一年以內，且在運行時有封油內漏，影響工質純度。西安交通大學的溫樞剛、沈祖達等與航天部11所合作，對用于ORC的機械密封進行了 303個小時的性能考核，在較理想工作狀態下，封油平均外漏率為3.5ml/h,內漏率為0.52ml/h，密封面磨損率約為0.013mm/100h。在實際運行中，尤其是在高速大功率透平中，由于軸向振動大，最高可超過100 μ m，機械密封的動、靜環在振動中存在相位差，導致動、靜分離和高頻撞擊，大大降低了密封裝置的壽命，還會導致嚴重的泄漏。在一些國際會議上，包括奧瑪特公司在內的ORC設備制造商，都認為機械密封并不是ORC軸封的最佳方案。
[0006]本公司基于近10年的探索研究，提出一種融合非接觸式螺旋泵送密封與啟停機械密封的新型混合密封方案。啟動、停機過程和停機后采用機械密封技術，確保工質無泄漏，而在正常運行時采用非接觸式密封，減少功耗并提高機械密封的壽命和可靠性，是目前有機工質動力循環高速透平軸封的最佳選擇。
實用新型內容
[0007]本實用新型要解決的問題在于提供一種防止透平內氣體介質的外漏，也阻止其他氣體或者液體進入透平的用于有機工質動力循環高速透平的軸封系統。
[0008]為了解決上述問題，本實用新型采用以下技術方案。
[0009]一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，包括轉軸，轉軸上套裝有可自動無縫切換的正常運行密封系統和啟停密封系統兩部分。
[0010]正常運行密封系統為在正常運行時利用壓力平衡和螺旋泵送原理，采用液體工質、隔離氣與高沸點密封液三種介質來封堵透平內的氣體工質，而在啟動和停機時采用啟停密封系統；兩種密封系統可自動無縫切換。
[0011]以下是本實用新型對上述方案的進一步優化:
[0012]正常運行密封系統包括套裝在轉軸外部的液體工質螺旋泵送動環和高沸點密封液螺旋泵送動環，所述液體工質螺旋泵送動環的外圓周上和高沸點密封液螺旋泵送動環的外圓周上分別設有螺旋密封槽。
[0013]進一步優化:所述液體工質螺旋泵送動環的外側套裝有液體工質螺旋泵送靜環；液體工質螺旋泵送靜環上設有與螺旋密封槽連通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通過管路連通有液體工質壓力平衡裝置。
[0014]進一步優化:高沸點密封液螺旋泵送動環的外側套裝有高沸點密封液螺旋泵送靜環，高沸點密封液螺旋泵送動環上設有與螺旋密封槽連通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通過管路連通有高沸點密封液壓力平衡裝置。
[0015]進一步優化:啟停密封系統包括設置在液體工質螺旋泵送動環和高沸點密封液螺旋泵送動環之間的啟停機械密封動環，啟停機械密封動環的一側設有啟停機械密封靜環，啟停機械密封靜環的外側設有浮環，所述浮環與高沸點密封液螺旋泵送靜環之間形成與高沸點密封液螺旋泵送動環上的螺旋密封槽連通的III腔，所述III腔與高沸點密封液壓力平衡裝置連通。
[0016]進一步優化:111腔內設有可推動浮環使得啟停機械密封靜環與啟停機械密封動環緊密貼合的彈簧或波紋管。
[0017]進一步優化:浮環與液體工質螺旋泵送靜環之間具有與II腔連通的間隙。
[0018]進一步優化:液體工質壓力平衡裝置包括液體工質壓力平衡箱，所述液體工質壓力平衡箱上設有液體工質平衡箱出液口、液體工質平衡箱回液口，所述液體工質平衡箱出液口通過管路與I腔連通；液體工質平衡箱回液口通過液體工質散熱器與II腔連通。
[0019]進一步優化:高沸點密封液壓力平衡裝置包括高沸點密封液壓力平衡箱，所述高沸點密封液壓力平衡箱上設有高沸點密封液平衡箱回液口、高沸點密封液平衡箱出液口和隔離氣接口 ；高沸點密封液平衡箱回液口通過高沸點密封液散熱器與IV腔連通；高沸點密封液平衡箱出液口與V腔連通，隔離氣接口與III腔連通。
[0020]進一步優化:液體工質壓力平衡箱與高沸點密封液壓力平衡箱之間通過壓力自動平衡滑閥連通，壓力自動平衡滑閥上設有隔離氣釋放口和高壓隔離氣進口。
[0021]本實用新型采用上述方案，在正常運行時采用正常運行密封系統，減少功耗并提高密封的壽命和可靠性；在啟動、停機過程和停機后采用啟停密封系統，確保工質無泄漏；兩種密封方式可自動無縫切換。
[0022]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]附圖1本實用新型實施例中有機工質透平軸封系統示意圖； [0024]附圖2本實用新型實施例中螺旋槽的結構示意圖；
[0025]附圖3本實用新型實施例中壓力調節滑閥的結構示意圖。
[0026]圖中:1-液體工質壓力平衡箱；2-壓力自動平衡滑閥；3_高沸點密封液壓力平衡箱；4_液體工質散熱器；5_高沸點密封液散熱器；6_液體工質液位控制器；7_高沸點密封液位控制器；8_液體工質螺旋泵送靜環；9_浮環；10_高沸點密封液螺旋泵送靜環；11_液體工質螺旋泵送動環；12_啟停機械密封動環；13_啟停機械密封靜環；14_彈簧或波紋管；15-高沸點密封液螺旋泵送動環；a-液體工質外接口 ；b-壓力控制工質氣接口 ；c-隔離氣釋放口 ；d-高壓隔離氣進口 ；e-液體工質平衡箱出液口 ；f_液體工質平衡箱回液口 ；g-隔離氣接口 ；h_高沸點密封液平衡箱回液口 ；k-高沸點密封液平衡箱出液口 ；m-高沸點密封液外接口 ；ν1~ν7是控制閥。
【具體實施方式】
[0027]實施例，如圖1、圖2所示，一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，包括轉軸，轉軸上套裝有正常運行密封系統和啟停密封系統兩部分，正常運行密封系統為在正常運行時利用壓力平衡和螺旋泵送原理，采用液體工質、隔離氣與高沸點密封液三種介質來封堵透平內的氣體工質，而在啟動和停機時采用啟停密封系統；兩種密封系統可自動無縫切換。
[0028]正常運行密封系統包括套裝在轉軸外部的液體工質螺旋泵送動環11和高沸點密封液螺旋泵送動環15，所述液體工質螺旋泵送動環11的外圓周上和高沸點密封液螺旋泵送動環15的外圓周上分別設有螺旋密封槽。
[0029]所述液體工質螺旋泵送動環11的外側套裝有液體工質螺旋泵送靜環8 ;液體工質螺旋泵送靜環8上設有與螺旋密封槽連通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通過管路連通有液體工質壓力平衡裝置。
[0030]高沸點密封液螺旋泵送動環15的外側套裝有高沸點密封液螺旋泵送靜環10，高沸點密封液螺旋泵送動環15上設有與螺旋密封槽連通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通過管路連通有高沸點密封液壓力平衡裝置。
[0031]啟停密封系統包括設置在液體工質螺旋泵送動環11和高沸點密封液螺旋泵送動環15之間的啟停機械密封動環12，啟停機械密封動環12的一側設有啟停機械密封靜環13，啟停機械密封靜環13的外側設有浮環9，所述浮環9與高沸點密封液螺旋泵送靜環10之間形成與高沸點密封液螺旋泵送動環15上的螺旋密封槽連通的III腔，所述III腔與高沸點密封液壓力平衡裝置連通。
[0032]III腔內設有可推動浮環9使得啟停機械密封靜環13與啟停機械密封動環12緊密貼合的彈簧或波紋管14。[0033]浮環9與液體工質螺旋泵送靜環8之間具有與II腔連通的間隙。
[0034]液體工質壓力平衡裝置包括液體工質壓力平衡箱1，所述液體工質壓力平衡箱I上設有液體工質平衡箱出液口 e、液體工質平衡箱回液口 f，所述液體工質平衡箱出液口 e通過管路與I腔連通；液體工質平衡箱回液口 f通過液體工質散熱器4與II腔連通。液體工質壓力平衡箱I的上方設有壓力控制工質氣接口 b。
[0035]液體工質平衡箱出液口 e與I腔之間的連通管路上還通過控制閥Vl連通有液體工質外接口 a。所述液體工質壓力平衡箱I上設有液體工質液位控制器6，液體工質液位控制器6與控制閥Vl連通。
[0036]高沸點密封液壓力平衡裝置包括高沸點密封液壓力平衡箱3，所述高沸點密封液壓力平衡箱3上設有高沸點密封液平衡箱回液口 h、高沸點密封液平衡箱出液口 k和隔離氣接口 g ;高沸點密封液平衡箱回液口 h通過高沸點密封液散熱器5與IV腔連通；高沸點密封液平衡箱出液口 k與V腔連通，隔離氣接口 g與III腔連通。
[0037]高沸點密封液平衡箱出液口 k與V腔連通的管路上還通過控制閥V7連通有高沸點密封液外接口 m，所述高沸點密封液壓力平衡箱3上設有高沸點密封液位控制器7，高沸點密封液位控制器7與控制閥V7連通。
[0038]液體工質壓力平衡箱I與高沸點密封液壓力平衡箱3之間通過壓力自動平衡滑閥2連通，如圖3所示，壓力自動平衡滑閥2上設有隔離氣釋放口 c和高壓隔離氣進口 d。
[0039]泵送方向由螺紋旋向決定，而泵送壓力和流量由軸的轉速、直徑以及螺紋頭數、動靜間隙等因素決定。為便于說明，本實用新型定義工質側為內側，大氣側為外側，向工質側方向泵送為內泵送，而向大氣側方向泵送為外泵送，附圖2中的箭頭表示液體工質、隔離氣和密封液的流向。
[0040]所述正常運行密封的工作原理是:來自液體工質壓力平衡箱I液體工質平衡箱出液口 e的低勢能液體工質經控制閥V2進入液體工質螺旋泵送靜環8的I腔，其壓力高于內側氣體工質的壓力，阻止氣體工質的外漏；而在I腔內側螺紋的外泵送作用下，液體工質也不會向工質側泄漏，實現內密封。
[0041]在I腔外側螺紋的外泵送作用下，液體工質從I腔進入II腔并且壓力升高，經控制閥V3、散熱器4后從液體工質平衡箱回液口 f回流到液體工質壓力平衡箱I的高勢能區，形成一個循環，密封過程產生的熱能也被循環的液體工質帶走；在II腔外側螺紋的內泵送作用下，II腔的液體工質也不會外漏。
[0042]在隔離氣III腔的另一側，來自高沸點密封液壓力平衡箱3的高沸點密封液平衡箱出液口 k的低勢能密封液經控制閥V6進入高沸點密封液螺旋泵送靜環10的V腔，其壓力高于外側的大氣壓力，阻止空氣進入密封系統；而在V腔外側螺紋的內泵送作用下，密封液也不會外漏，實現外密封。
[0043]在V腔內側螺紋的內泵送作用下，密封液從V腔進入IV腔并且壓力升高，經控制閥V5、散熱器5后從高沸點密封液平衡箱回液口 h回流到密封液壓力平衡箱3的高勢能區，形成一個循環，密封過程產生的熱能也被循環的密封液帶走；在IV腔內側螺紋的外泵送作用下，IV腔的液體工質也不會漏入III腔。
[0044]在理想設計工況下，II腔和IV腔的液體都不會進入III腔，但是，若III腔的壓力降低如III腔氣體外漏或II腔、IV腔液體壓力升高如工況變化超過設計值一定范圍時，II腔和IV腔的液體將漏人III腔，導致密封失效。
[0045]為了確保密封系統的可靠性，本實用新型將高沸點密封液壓力平衡箱3內的隔離氣通入III腔，由于勢能差和螺旋泵送作用，III腔的壓力低于II腔和IV腔，但能隨II腔和IV腔的壓力同步變化。為了實現這一功能，在液體工質壓力平衡箱I和高沸點密封液壓力平衡箱3之間安裝了一套壓力自動平衡滑閥2。
[0046]當液體工質壓力平衡箱I壓力升高時，在壓差作用下滑閥右移，高沸點密封液壓力平衡箱3與高壓隔離氣進口 d的高壓隔離氣導通，隔離氣經滑閥內孔進入高沸點密封液壓力平衡箱3并使高沸點密封液壓力平衡箱3的壓力升高，與此同時，滑閥左移，當壓力與液體工質壓力平衡箱I相同時，滑閥回到中間位置。
[0047]當液體工質壓力平衡箱I的壓力降低時，在壓差作用下滑閥左移，高沸點密封液壓力平衡箱3與隔離氣釋放口 c導通，高沸點密封液壓力平衡箱內的部分氣體經隔離氣釋放口 c排出，高沸點密封液壓力平衡箱3的壓力降低，滑閥隨之右移，當壓力與液體工質壓力平衡箱I相同時，滑閥回到中間位置。因此，高沸點密封液壓力平衡箱3內的隔離氣壓力能隨時響應并跟隨液體工質壓力平衡箱I內氣體壓力的變化。
[0048]浮環9與液體工質螺旋泵送靜環8的間隙與II腔連通，因此其壓力與II腔始終保持一致。透平停機和啟動沖轉時，控制閥V2~V6處于關閉狀態，II腔和III腔的壓力基本相同，啟停機械密封動環12與啟停機械密封靜環13靠彈簧或波紋管14的預緊力貼合在一起，可密封透平內工質。
[0049]當透平轉速升高到螺旋泵送密封的設計閾值一般為額定轉速的50%~90%時，控制閥V2~V6同時開啟， 由于II腔壓力大于III腔壓力，使啟停機械密封動環12與啟停機械密封靜環13的貼合壓力變小，但仍起密封作用。隨著轉速或負荷的進一步提高，II腔與III腔壓差越來越大，將克服彈簧或波紋管14的預緊力并推動浮環9外移，啟停機械密封動環12與啟停機械密封靜環13脫開，實現啟停密封與正常運行密封的自動切換。停機過程中兩種密封的切換與上述過程正好相反。
【權利要求】
1.一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，包括轉軸，其特征在于:轉軸上套裝有可自動無縫切換的正常運行密封系統和啟停密封系統兩部分。
2.根據權利要求1所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:正常運行密封系統包括套裝在轉軸外部的液體工質螺旋泵送動環(11)和高沸點密封液螺旋泵送動環(15)，所述液體工質螺旋泵送動環(11)的外圓周上和高沸點密封液螺旋泵送動環(15)的外圓周上分別設有螺旋密封槽。
3.根據權利要求2所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:所述液體工質螺旋泵送動環(11)的外側套裝有液體工質螺旋泵送靜環(8);液體工質螺旋泵送靜環(8)上設有與螺旋密封槽連通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通過管路連通有液體工質壓力平衡裝置。
4.根據權利要求3所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:高沸點密封液螺旋泵送動環(15)的外側套裝有高沸點密封液螺旋泵送靜環(10)，高沸點密封液螺旋泵送動環(15)上設有與螺旋密封槽連通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通過管路連通有高沸點密封液壓力平衡裝置。
5.根據權利要求4所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:啟停密封系統包括設置在液體工質螺旋泵送動環(11)和高沸點密封液螺旋泵送動環(15)之間的啟停機械密封動環(12)，啟停機械密封動環(12)的一側設有啟停機械密封靜環(13)，啟停機械密封靜環(13)的外側設有浮環(9)，所述浮環(9)與高沸點密封液螺旋泵送靜環(10)之間形成與高沸點密封液螺旋泵送動環(15)上的螺旋密封槽連通的III腔，所述III腔與高沸點密封液壓力平衡裝置連通。
6.根據權利要求5所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:III腔內設有可推動浮環(9)使得啟停機械密封靜環(13)與啟停機械密封動環(12)緊密貼合的彈簧或波紋管(14)。
7.根據權利要求6所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:浮環(9)與液體工質螺旋泵送靜環(8)之間具有與II腔連通的間隙。
8.根據權利要求7所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:液體工質壓力平衡裝置包括液體工質壓力平衡箱(1)，所述液體工質壓力平衡箱(I)上設有液體工質平衡箱出液口(e)、液體工質平衡箱回液口(f)，所述液體工質平衡箱出液口Ce)通過管路與I腔連通；液體工質平衡箱回液口(f)通過液體工質散熱器(4)與II腔連通。
9.根據權利要求8所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:高沸點密封液壓力平衡裝置包括高沸點密封液壓力平衡箱(3)，所述高沸點密封液壓力平衡箱(3)上設有高沸點密封液平衡箱回液口(h)、高沸點密封液平衡箱出液口(k)和隔離氣接口(g);高沸點密封液平衡箱回液口(h)通過高沸點密封液散熱器(5)與IV腔連通；高沸點密封液平衡箱出液口(k)與V腔連通，隔離氣接口(g)與III腔連通。
10.根據權利要求9所述的一種用于有機工質動力循環的高速透平軸封系統，其特征在于:液體工質壓力平衡箱(I)與高沸點密封液壓力平衡箱(3)之間通過壓力自動平衡滑閥(2)連通，壓力自動平衡滑閥(2)上設有隔離氣釋放口(c)和高壓隔離氣進口(d)。
【文檔編號】F01D11/04GK203796332SQ201420071559
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】王順森, 陳有濱, 王淑芹, 楊志 申請人:山東青能動力股份有限公司