一种高转速高压差的轴端自密封结构的制作方法

本发明涉及旋转机械技术领域，具体涉及一种高转速高压差的轴端自密封结构。

背景技术：

在动力转换技术领域，超临界co2布雷顿循环系统以其高热效率和低运行成本等特点，将逐步取代蒸汽朗肯循环成为主流能源转换形式，该系统存在大量旋转机械，且均运行在8mpa以上高压条件，部分旋转机械承压甚至超过了20mpa。co2泄漏后并不液化，而是直接混入环境，不仅导致系统工质装量不足，还会由于泄漏气体将带走滑动轴承中的部分润滑油，导致润滑油补充量需求增大，并且泄漏气体中含油，导致环境空气质量恶化，影响操作人员的正常工作，若采用直接核能循环，泄漏的气体将带有辐射性，对人体健康产生严重影响。因此在常规蒸汽能量转换系统中并不显著的旋转机械轴端泄漏的问题在本系统中格外突出。

由于超临界旋转机械部件具有高功率密度、高转速、高压力、小轴径等特点，根据美国桑迪亚实验室最新试验结果，采用成熟的迷宫式密封技术存在明显问题：迷宫密封无法达到防止泄漏的作用，其超临界压缩机和透平的工质泄漏量无法忽略，因此在实验室条件下采用实时补气的方式进行临时性补救，但在实际工程运行中这种方法不具有可行性。

有鉴于此，急需对现有的超临界旋转机构进行改进，以减少工质泄漏。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有的超临界旋转机构存在减少工质泄漏的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种高转速高压差的轴端自密封结构，置于旋转机械的主叶轮片的后侧，并设置在所述旋转机械的转轴和所述转轴外周的壳体上，包括：

结合式迷宫密封组，包括多个并排的圆周金属硬质密封齿,所述金属硬质密封齿的外端设有有机材料软质密封头；

轴流压缩式自密封组，设置在其中两个所述金属硬质密封齿之间,包括设置在所述转轴上的压缩动叶片、设置在所述壳体上的扩压静叶片，所述压缩动叶片和所述扩压静叶片沿转轴的轴向交叉设置，且所述压缩动叶片的旋向与旋转机械上的主叶轮片的旋向一致。

在另一个优选的实施例中，所述壳体为圆筒状，包括两个半壳体，所述半壳体分别扣合在所述转轴上并焊接固定。

在另一个优选的实施例中，所述压缩动叶片和所述扩压静叶片均呈弧状，且靠近主叶轮片的一端为尖端，另一端设为平面，所述压缩动叶片的导向和所述扩压静叶片的导向相反。

在另一个优选的实施例中，所述压缩动叶片和所述扩压静叶片均为两级。

在另一个优选的实施例中，所述金属硬质密封齿、压缩动叶片与主叶轮叶片一体成型加工而成。

在另一个优选的实施例中，所述旋转机械为超临界透平、超临界压缩机、气体压缩机或气体膨胀机。

与现有技术相比，本发明中，结合式迷宫密封组能减小泄漏缝隙，增强节流效果；通过压缩动叶片提升泄漏气体的压力和温度，扩压静叶片使泄漏气体速度降低，压力继续升高，从而相当于将原有的大气环境的背景压力提升至扩压静叶片处泄漏气体反向流动升压后的背景压力，从而显著减小了旋转机械内外的压力差，有效防止超临界旋转机械的轴端泄漏；在不额外新增设备和轴系长度的情况下，显著减小工质的泄漏量，显著改善超临界类高转速、高压差旋转机械轴端气体泄漏问题，撤销系统实时补气系统，大幅减少高压高纯气体和滑油的补充成本，并且改善系统周围的空气环境，防止辐射有害物的扩散，有利于使动力转换系统长期自持运行，从而可以提升超临界动力转换技术的技术成熟度、经济性和实际可用性。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为图1中的局部放大图；

图3为本发明的转轴的结构示意图；

图4为本发明的壳体的结构示意图；

图5为本发明的压缩动叶片与扩压静叶片组合示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种高转速高压差的轴端自密封结构，显著减小了旋转机械内外的压力差，有效防止超临界旋转机械的轴端泄漏。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种高转速高压差的轴端自密封结构，置于旋转机械的主叶轮片3的后侧，并设置在旋转机械的转轴1和转轴1外周的壳体4上，包括结合式迷宫密封组和轴流压缩式自密封组。

结合式迷宫密封组包括多个并排的圆周的金属硬质密封齿6，金属硬质密封齿6的外端设有有机材料软质密封头7。轴流压缩式自密封组设置在其中两个金属硬质密封齿6之间,包括设置在转轴1上的压缩动叶片8、设置在壳体4上的扩压静叶片9，压缩动叶片8和扩压静叶片9沿转轴1的轴向交叉设置，且压缩动叶片8的旋向与旋转机械上的主叶轮片3的旋向一致。

本发明中，旋转机械为超临界透平、超临界压缩机、气体压缩机或气体膨胀机，或其他轴系高转速、轴端高压差的机械设备。由于超临界工质旋转机械高压和高能流密度的需求，其转速将维持在较高的区域，其中最低转速不低于40000r/min，且由于高转速、小流量的系统固有特性，其转轴1直径将比同等功率的蒸汽或空气旋转机械减少一个量级以上，因此转轴1具有高转速、小轴径的特点，转轴1上主要安装有起到气体压缩或膨胀做功作用的主叶轮，本专利申请以超临界流体压缩机为例，即主叶轮为超临界气体压缩叶轮进行说明。

本发明的发生原理为：超临界流体通过主叶轮气体进口2进入主叶轮，在转轴1的带动作用下做功，将7mpa以上的超临界气体进一步升压至10几个mpa以上，从径向叶轮出口排出旋转机械，在超临界气体升压的过程中，部分气体会由主叶轮与压缩机蜗壳的间隙泄漏入轴系管路，形成泄漏高压气体5，泄漏高压气体5经过密封处壳体4、金属硬质密封齿6、有机材料软质密封头7形成的间隙不断地节流降压，由最初的10几个mpa降低为几个mpa的高压气体，压缩动叶片8在转轴1的带动下高速旋转，与扩压静叶片9组合为局部的轴流压缩高转速高压差的轴端自密封结构，将泄漏的气体由压缩动叶片8前部空间形成的反向压力吸入，通过压缩动叶片8对泄漏气体做功，提升泄漏气体的压力和温度，再进入扩压静叶片9，使泄漏气体速度降低，压力继续升高，从而相当于将原有的大气环境10的背景压力提升至扩压静叶片9处泄漏气体反向流动升压后的背景压力，从而显著减小了旋转机械内外的压力差，从而显著减少泄漏高压气体的泄漏量。

在旋转机械运行过程中，金属硬质密封齿6和有机材料软质密封头7将高压泄漏气体进行一级或多级节流降压，降低泄漏气体绝对压力，而有机材料软质密封头7则允许与对应壳体4存在一定的接触和磨损，进一步减小泄漏缝隙，增强节流效果；在结合式迷宫密封组的上游、中间或下游，设置一级或多级压缩动叶片8，而在对应壳体4位置设置一级或多级扩压静叶片9，泄漏气体在经过数级的金属硬质密封齿6降压后，会被高速转轴1以大于数万转每分钟的转速带动的压缩动叶片8产生的相对负压吸引，经过压缩动叶片8升压和扩压静叶片9扩压后提升该处的气体的绝对压力，使结合式迷宫密封组两侧压差显著减小，有效防止超临界旋转机械的轴端泄漏，本方案在不额外新增设备和轴系长度的情况下，显著减小工质的泄漏量。

壳体4为圆筒状，包括两个半壳体，半壳体分别扣合在转轴1上并焊接固定。在加工过程中分别针对两个半壳体的扩压静叶片9进行精加工，最后将两个半壳体通过焊接的方式合并为完整的密封壳体4，在该过程中需要保证压缩动叶片8与扩压静叶片9之间气动角度和间隙的匹配。

如图3～5所示，压缩动叶片8和扩压静叶片9呈弧状，且靠近主叶轮片3的一端为尖端，另一端设为平面，压缩动叶片8的导向和扩压静叶片9的导向相反。压缩动叶片8与扩压静叶片9需要按照优化设计的方式进行叶形设计、间距设计和角度组配，以达到最优的效果。压缩动叶片8与扩压静叶片9之间匹配角度，压缩动叶片8后缘线、扩压静叶片9前缘线之间的间隙在设计和加工过程中必须考虑转轴1工作时产生高温而导致长度增加的问题，因此压缩动叶片8与扩压静叶片9匹配角度、压缩动叶片8后缘线与扩压静叶片9前缘线之间的间隙都会随之变化，因此在设计之初需要对该问题进行对应修正。

压缩动叶片8和扩压静叶片9均为两级，级数的设置可根据实际需要进行调整。

金属硬质密封齿6、压缩动叶片8与主叶轮片3一体成型加工而成。金属硬质密封齿6、压缩动叶片8的材质与旋转机械主叶轮的材质相同，可以保证其热膨胀系统相同，避免产生应力，且金属硬质密封齿6、压缩动叶片8与主叶轮一体成型，直接加工而成。由于转轴1在工作时会产生高温，转轴1随着温度的升高而增加长度，因此需要在设计过程中考虑压缩动叶片8和扩压静叶片9的配合角度和间隙，防止热膨胀导致压缩动叶片8和扩压静叶片9过盈配合，从而避免轴流压缩式自密封组的失效。

本发明有益效果为：结合式迷宫密封组能减小泄漏缝隙，增强节流效果；通过压缩动叶片提升泄漏气体的压力和温度，扩压静叶片使泄漏气体速度降低，压力继续升高，从而相当于将原有的大气环境的背景压力提升至扩压静叶片处泄漏气体反向流动升压后的背景压力，从而显著减小了旋转机械内外的压力差，有效防止超临界旋转机械的轴端泄漏。在不额外新增设备和轴系长度的情况下，显著减小工质的泄漏量，显著改善超临界类高转速、高压差旋转机械轴端气体泄漏问题，撤销系统实时补气系统，大幅减少高压高纯气体和滑油的补充成本，并且改善系统周围的空气环境，防止辐射有害物的扩散，有利于使动力转换系统长期自持运行，从而可以提升超临界动力转换技术的技术成熟度、经济性和实际可用性。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。