[发明专利]一种透平膨胀机自循环干气密封装置

说明书

本发明公开了一种透平膨胀机自循环干气密封装置，包括迷宫密封圈、密封腔、前置排气口、前置碳浮环及干气密封本体，用于高转速中小功率等级径流式透平膨胀机等流体机械的动密封。各部件位置从高压侧到低压侧依次为迷宫密封、密封腔、前置排气口、前置碳浮环及干气密封本体；其中，迷宫密封作为首级密封结构，能显著降低排入密封腔的工艺气压力；前置排气口则与透平膨胀机进、出口的低压节点连接并形成回路，不仅将密封腔内的高压工艺气回收至循环系统，更以回路的负反馈作用显著降低了密封腔内部的温度和压力；前置碳浮环及干气密封本体则用来抑制密封腔内的工艺气向大气侧泄漏，改善了透平膨胀机干气密封装置的工作环境，显著降低了密封系统的技术要求和建造成本，提高了中小规模应用场景下干气密封技术的效费比。

技术领域

本发明涉及动密封技术领域，具体为一种透平膨胀机自循环干气密封装置，主要适用于高负荷透平膨胀机、径流式压缩机、径流式透平的旋转动密封系统，特别适用于高温高压高负荷紧凑式闭式动力循环。

背景技术

干气密封是在气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。干气密封利用流体动压效应，使旋转的两个密封端面之间不接触，从而实现既可以密封气体又能进行干运转操作。从制造方式的角度来说，干气密封装置就是通过在机械密封动环上设置动压槽以及相应的辅助系统，实现了密封端面的非接触运行。上世纪七十年代末，英国的约翰克兰公司率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备上，并获得巨大成功。根据2010年美国桑迪亚国家实验室(SNL)发布的评估报告，干气式密封能够将泄流工质的质量流量控制在迷宫密封的1/10左右，是一种非常理想的密封方式。时至今日，干气密封已经成为大型流体机械、大型过程装备、大功率蒸汽/燃气轮机中最常用的动密封技术。

虽然干气密封相较于机械密封、齿腔密封等传统密封技术具有显著的优势，能够实现更好的封严性、更长的运行寿命和更低的激振扰动，但是在大压差、高温、高转速等恶劣工况下，由于部件强度(承压15MPa)、加工精度和耐热水平(350℃)等技术要求大幅提高，密封件的技术要求和制造成本飞速增长。对于小功率超临界流体动力循环、高负荷紧凑式透平膨胀机、间歇式余热回收系统、武器动力平台等中小规模的应用场景，传统干气密封的效费比处于较低水平。为了促进干气密封技术更广泛的应用，不仅要对密封装置的封严性提出较高要求，更需要将密封装置/系统的总体成本控制在合理水平。

发明内容

本发明的目的在于为小功率超临界流体动力循环、高负荷紧凑式透平膨胀机武器动力平台等中小功率等级的透平膨胀机等流体机械，提供一种透平膨胀机自循环干气密封装置，提高干气密封技术在中小规模应用场景中的效费比。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种透平膨胀机自循环干气密封装置，包括蜗壳、叶轮组件、迷宫密封圈、密封腔、前置碳浮环和干气密封本体；

所述叶轮组件设置在母机的蜗壳中，迷宫密封、前置碳浮环和干气密封本体同轴套设在叶轮组件上，并沿工质侧到大气侧依次排布，迷宫密封圈和前置碳浮环之间设置有密封腔，叶轮组件与蜗壳的间隙与迷宫密封圈的进口连通，迷宫密封圈的迷宫出口与密封腔连通，蜗壳上设置有密封气泵气孔，通过泵气孔将密封气加压注入干气密封本体的外环面，干气密封本体的内环面通过前置碳浮环与密封腔连通，密封腔通过自循环回路连接母机的低压节点。

优选的，所述叶轮组件包括叶轮鼻锥、透平膨胀机主轴和径流式叶轮；

所述叶轮组件包括叶轮鼻锥、透平膨胀机主轴和径流式叶轮，叶轮鼻锥位于径流式叶轮的端部，并且靠近母机的进气口，叶轮鼻锥和径流式叶轮通过透平膨胀机主轴同轴连接，透平膨胀机主轴伸出径流式叶轮的端部通过传动轴与电机的主轴连接。

优选的，所述透平膨胀机主轴的端部通过传动轴与发电机的主轴连接，传动轴设置在蜗壳中，所述传动轴靠近大气侧的一端设置有大气侧刷式密封。