一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构的制作方法

1.本发明涉及超临界二氧化碳旋转机械技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构。


背景技术：

2.密封件是旋转机械中的关键部件，可以减小旋转机械流体泄露，随着旋转机械转速和介质压力的提高，转子柔性的增加和密封间隙的减小，密封腔内流体激振会引发转子强烈振动，甚至失稳。研究表明，密封气流失稳主要是由密封内流体的周向速度产生的交叉刚度引起的。密封内流体的周向速度主要由以下两个方面产生：一是在进入密封前的流体具有较大入口预旋速度：二是密封内流体在旋转转子的粘性摩擦带动下产生周向流动。流体在密封间隙的周向流动，使得密封间隙流体周向压力不均匀，由不均匀的压力分布产生气流失稳力，进而产生交叉刚度引起密封失稳。
3.超临界二氧化碳旋转机械主要包括超临界二氧化碳压缩机和涡轮机，其转速高、轴系细长，介质压力大、温度高、密度大。以10mw透平压缩一体机为例，工作转速27000rpm，轴颈尺寸76mm，轴承跨距914mm，压力8～25mpa，温度高达715℃，机组内部密封体两端压差高，为了减小密封泄露量以及节约轴向布置空间，一般会采用碳环加迷宫密封的组合密封形式，转子周向速度高，碳环密封间隙小，一般小于0.1mm，这导致超临界二氧化碳在密封间隙处流动时带来的激振更剧烈。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，保证减小密封泄露量的同时降低密封气流的周向速度，从而减小密封交叉耦合刚度，防止出现密封激振导致转子振动大乃至失稳现象。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，包括壳体、主轴，
7.所述主轴上从高压侧到低压侧依次套设有阻旋密封环、通气密封环、低压密封环，所述通气密封环固定安装在壳体上，所述通气密封环分别与阻旋密封环、低压密封环固定连接，所述阻旋密封环、低压密封环的内圆面上分别设置有迷宫密封齿；
8.所述通气密封环的内圆面上沿周向设有阻旋腔，通气密封环上设有多个喷嘴孔，多个喷嘴孔沿通气密封环周向均匀分布，各喷嘴孔均沿主轴切向延伸，所述壳体上设有壳体进气孔，所述壳体进气孔通过壳体上设置的环形槽与所有喷嘴孔连通，用于通过壳体进气孔、喷嘴孔向阻旋腔内喷入阻旋气，阻旋气的流向与主轴旋向相反，用于降低阻旋腔内的周向气流速度，以及使阻旋腔内的周向压力均匀分布。
9.优选地，超临界二氧化碳旋转机械包括超临界二氧化碳压缩机、超临界二氧化碳涡轮机。
10.优选地，所述通气密封环的内圆面两端分别设置有迷宫密封齿，迷宫密封齿之间
形成所述阻旋腔。
11.优选地，所述阻旋密封环、低压密封环通过孔轴配合安装在通气密封环上，并通过螺钉固定。
12.优选地，所述阻旋密封环的高压侧设有多个阻旋栅，多个阻旋栅沿阻旋密封环周向均匀分布，超临界二氧化碳介质从高压侧进入阻旋密封环时，阻旋栅用于打断超临界二氧化碳介质圆周方向的旋转流，减小进入阻旋密封环迷宫密封齿时的入口预旋速度。
13.优选地，所述通气密封环与阻旋密封环、低压密封环之间分别设有呈环形的安装槽，各安装槽内分别设有三瓣式碳环，所述三瓣式碳环通过拉伸弹簧箍紧，使三瓣式碳环抱合在主轴上，三瓣式碳环通过防转销周向定位。
14.优选地，所述三瓣式碳环的外周面为斜面，拉伸弹簧与阻旋密封环/低压密封环配合，使三瓣式碳环轴向抵触在阻旋密封环/通气密封环的端面上，形成碳环小间隙密封。
15.优选地，所述壳体进气孔通过进气管路与超临界二氧化碳发电系统的高压储罐相连，所述进气管路上设置有流量调节阀，所述主轴上布置有转速传感器，所述转速传感器、流量调节阀与plc控制器信号连接，所述plc控制器用于根据主轴转速控制进气量。
16.优选地，根据主轴转速、喷嘴孔流速的关系进行仿真计算，得到主轴转速、进气量的关系，所述plc控制器根据主轴转速、进气量的关系设置流量调节阀的控制算法。
17.由于采用了上述技术方案，本发明保证减小密封泄露量的同时降低密封气流的周向速度，从而减小密封交叉耦合刚度，防止出现密封激振导致转子振动大乃至失稳现象。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图；
19.图2是通入阻旋气的结构示意图；
20.图3是阻旋栅的结构示意图。
21.附图标记
22.附图中，1—阻旋密封环；1-1—阻旋栅；2—弹垫；3—螺钉；4—防转销；5—三瓣式碳环；6—拉伸弹簧；7—通气密封环；7-1—喷嘴孔；7-2—阻旋腔；8—防转销；9—三瓣式碳环；10—拉伸弹簧；11—弹垫；12—螺钉；13—低压密封环；14—壳体；14-1—壳体进气孔；15—进气管路；16—流量调节阀；17—高压储罐；18—转速传感器；19、21—信号线；22—主轴。
具体实施方式
23.参见图1-图3，为一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，包括设置有迷宫密封齿的阻旋密封环1，通过孔轴配合安装在通气密封环7上，并通过弹垫2和螺钉3压紧，阻旋密封环1前部设置有一圈均布的阻旋栅1-1，超临界二氧化碳介质从高压侧进入阻旋密封环1时，阻旋栅1-1可以打断其圆周方向的旋转流，减小进入密封时的入口预旋速度。
24.三瓣式碳环5通过拉伸弹簧6周向箍紧，并依靠三瓣式碳环5上的斜面与通气密封环7的端面，把三瓣式碳环5轴向抵紧在阻旋密封环1的端面上，并设置防转销4防止三瓣式碳环5转动，使得超临界二氧化碳介质只能从三瓣式碳环5与主轴22的径向小间隙通过，不能从端面泄露，减小泄露量。
25.通气密封环7安装在壳体14上，内部左右两侧设置有迷宫密封齿，内部中间设置有阻旋腔7-2，阻旋腔7-2通过一圈喷嘴孔7-1与壳体14上的进气孔14-1相连，喷嘴孔7-1通入阻旋气与主轴旋向相反，且需整圈均匀布置，其数量在结构允许范围内越多越好，有利于降低阻旋腔7-2内的周向气流速度和均匀阻旋腔7-2内的周向压力分布。
26.设置有迷宫密封齿的低压密封环13，通过孔轴配合安装在通气密封环7上，并通过弹垫11和螺钉12压紧，三瓣式碳环9通过拉伸弹簧10周向箍紧，并依靠三瓣式碳环9上的斜面与低压密封环13的端面，把三瓣式碳环9轴向抵紧在通气密封环7的端面上，并设置防转销8防止三瓣式碳环9转动，使得超临界二氧化碳介质只能从三瓣式碳环9与主轴22的径向小间隙通过，不能从端面泄露，减小泄露量。
27.以上为从结构上被动减小密封周向速度，为了更加精确控制密封内部周向流速与周向压力均匀性，壳体进气孔14-1通过进气管路15与超临界二氧化碳发电系统中自带的高压储罐17相连，进气管路15上设置有流量调节阀16，主轴22上布置有转速传感器18，通过信号线19将转速信号输入plc控制器20，经过plc控制器内置的控制算法计算后，通过信号线21将信号传输给流量调节阀16，从而控制阻旋气流量，即控制喷嘴孔7-1通气流速，从而控制阻旋腔7-2内的周向气流速度和均匀阻旋腔7-2内的周向压力分布。
28.内置控制算法解释：据吕江等人在《转子密封系统反旋流一致的数值分析与实验研究》中指出，对于结构确定的机组，在同一转速下，喷嘴孔7-1存在一个最佳流速，使得密封腔内气流周向流速最小，周向压力分布最均匀，喷嘴孔7-1流速确定，则通入流量确定，机组变工况时，每一个转速对应一个阻旋气流量。因此，将仿真计算得到的“转速-流量”对应数据输入plc控制器，对于每个测得的转速，将输出一个对应流量。
29.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，包括壳体、主轴，其特征在于：所述主轴上从高压侧到低压侧依次套设有阻旋密封环、通气密封环、低压密封环，所述通气密封环固定安装在壳体上，所述通气密封环分别与阻旋密封环、低压密封环固定连接，所述阻旋密封环、低压密封环的内圆面上分别设置有迷宫密封齿；所述通气密封环的内圆面上沿周向设有阻旋腔，通气密封环上设有多个喷嘴孔，多个喷嘴孔沿通气密封环周向均匀分布，各喷嘴孔均沿主轴切向延伸，所述壳体上设有壳体进气孔，所述壳体进气孔通过壳体上设置的环形槽与所有喷嘴孔连通，用于通过壳体进气孔、喷嘴孔向阻旋腔内喷入阻旋气，阻旋气的流向与主轴旋向相反，用于降低阻旋腔内的周向气流速度，以及使阻旋腔内的周向压力均匀分布。2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：超临界二氧化碳旋转机械包括超临界二氧化碳压缩机、超临界二氧化碳涡轮机。3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述通气密封环的内圆面两端分别设置有迷宫密封齿，迷宫密封齿之间形成所述阻旋腔。4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述阻旋密封环、低压密封环通过孔轴配合安装在通气密封环上，并通过螺钉固定。5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述阻旋密封环的高压侧设有多个阻旋栅，多个阻旋栅沿阻旋密封环周向均匀分布，超临界二氧化碳介质从高压侧进入阻旋密封环时，阻旋栅用于打断超临界二氧化碳介质圆周方向的旋转流，减小进入阻旋密封环迷宫密封齿时的入口预旋速度。6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述通气密封环与阻旋密封环、低压密封环之间分别设有呈环形的安装槽，各安装槽内分别设有三瓣式碳环，所述三瓣式碳环通过拉伸弹簧箍紧，使三瓣式碳环抱合在主轴上，三瓣式碳环通过防转销周向定位。7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述三瓣式碳环的外周面为斜面，拉伸弹簧与阻旋密封环/低压密封环配合，使三瓣式碳环轴向抵触在阻旋密封环/通气密封环的端面上，形成碳环小间隙密封。8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：所述壳体进气孔通过进气管路与超临界二氧化碳发电系统的高压储罐相连，所述进气管路上设置有流量调节阀，所述主轴上布置有转速传感器，所述转速传感器、流量调节阀与plc控制器信号连接，所述plc控制器用于根据主轴转速控制进气量。9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，其特征在于：根据主轴转速、喷嘴孔流速的关系进行仿真计算，得到主轴转速、进气量的关系，所述plc控制器根据主轴转速、进气量的关系设置流量调节阀的控制算法。

技术总结
本发明公开了一种超临界二氧化碳旋转机械的阻旋减振密封结构，减小密封泄露量，降低密封气流的周向速度，包括壳体、主轴，主轴上设有阻旋密封环、通气密封环、低压密封环，通气密封环固定安装在壳体上，通气密封环分别与阻旋密封环、低压密封环固定连接，阻旋密封环、低压密封环的内圆面上分别设置有迷宫密封齿；通气密封环的内圆面上沿周向设有阻旋腔，通气密封环上设有多个喷嘴孔，壳体上设有壳体进气孔，壳体进气孔通过壳体上设置的环形槽与所有喷嘴孔连通，用于通过壳体进气孔、喷嘴孔向阻旋腔内喷入阻旋气，阻旋气的流向与主轴旋向相反，用于降低阻旋腔内的周向气流速度，以及使阻旋腔内的周向压力均匀分布。阻旋腔内的周向压力均匀分布。阻旋腔内的周向压力均匀分布。


技术研发人员：李扬 文鑫 周东 但光局 王亚 邓德见 龚由春 张艳 吴文
受保护的技术使用者：重庆江增船舶重工有限公司
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2022/3/8