一种超临界二氧化碳透平膨胀机多段碳环迷宫密封结构的制作方法

本发明涉及透平膨胀机碳环密封技术，特别涉及一种超临界二氧化碳透平膨胀机多段碳环迷宫密封结构。

背景技术：

跨临界二氧化碳动力循环及二氧化碳布雷顿循环因为较高的系统效率，清洁安全的工质及良好的动态响应在核能、太阳能、地热、发动机余热及工业余热的回收利用领域得到广泛应用。透平膨胀机作为二氧化碳动力循环热功转换的核心部件其性能严重影响系统效率，泄漏作为影响透平效率的一个主要因素尤其对于流量较小的小功率量级的超临界co2透平膨胀机影响尤为严重。对于mw及百kw功率量级透平膨胀机动密封可以采用成熟的干气密封方案，但是由于kw级别轴系过细不适用干气密封只能采用机械密封。

传统的篦齿或者胀圈等密封不适用于高速旋转机械，尤其是二氧化碳透平膨胀机这种超高速透平机械，碳环密封为浮环密封气体节流式非接触密封，它的密封原理是靠密封气体在浮环与轴套之间形成气膜，产生节流降压，阻止高压侧气体流向低压侧。达到密封目的。

对于直通型碳环密封，因存在直通效应，气体泄漏量较大，部分动能未能转变为热能，从而影响生产效率，而且目前的多数迷宫碳环密封结构复杂，需要对密封腔体进行结构改造，耗时耗力而密封效果不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种多组碳环组件内孔高低错落的迷宫式碳环密封，将径向密封与轴向密封相结合，针对对应的轴套加工为间隔凸台式，防止了密封气体沿光滑轴套直接溢出，可减少气体泄漏量从而实现有效的动密封。

本发明所采用的技术方案是：一种超临界二氧化碳透平膨胀机多段碳环迷宫密封结构，在超临界二氧化碳透平膨胀机的主轴与喷嘴环座和喷嘴之间形成密封腔体，包括：

轴套，所述轴套套设于所述主轴上，并位于所述喷嘴与所述主轴之间的所述密封腔体内；所述轴套采用间歇式凸台结构，并包括第一台阶面和第二台阶面；

第一碳环密封组件，所述第一碳环密封组件套设于所述轴套的第一台阶面外，所述第一碳环密封组件的内壁面与所述轴套的第一台阶面配合，所述第一碳环密封组件的外壁面与所述密封腔体的内壁面配合；

第二碳环密封组件，所述第二碳环密封组件套设于所述轴套的第二台阶面外，并紧邻所述第一碳环密封组件布置；所述第二碳环密封组件的内壁面与所述轴套的第二台阶面配合，所述第二碳环密封组件的外壁面与所述密封腔体的内壁面配合；

第三碳环密封组件，所述第三碳环密封组件套设于所述主轴上，并紧邻所述轴套和套设于所述轴套的第二台阶面上的所述第二碳环密封组件布置；所述第三碳环密封组件的内壁面与所述主轴配合，所述第三碳环密封组件的外壁面与所述密封腔体的内壁面配合；以及，

第四碳环密封组件，所述第四碳环密封组件套设于所述主轴上，并紧邻所述喷嘴环座和膨胀机机体的连接处布置；所述第四碳环密封组件的内壁面与所述主轴配合，所述第四碳环密封组件的外壁面与所述密封腔体的内壁面配合。

进一步地，所述密封腔体的内壁为光滑壁面。

进一步地，所述轴套采用1cr13不锈钢制成。

进一步地，所述第一碳环密封组件、所述第二碳环密封组件、第三碳环密封组件和所述第四碳环密封组件均采用碳精制成。

进一步地，所述轴套随所述主轴转动；所述第一碳环密封组件、所述第二碳环密封组件、第三碳环密封组件和所述第四碳环密封组件均与所述密封腔体保持静止。

进一步地，所述第一碳环密封组件利用所述喷嘴的凸台进行定位；所述第二碳环密封组件、第三碳环密封组件和所述第四碳环密封组件均利用所述密封腔体的内径进行定位。

进一步地，所述第一碳环密封组件的内径与所述轴套的第一台阶面的外径相匹配，所述第一碳环密封组件的内径与所述轴套的第一台阶面的外径之间的间隙值为0.035mm～0.045mm；所述第二碳环密封组件的内径与所述轴套的第二台阶面的外径相匹配，所述第二碳环密封组件的内径与所述轴套的第二台阶面的外径之间的间隙值为0.035mm～0.045mm；所述第三碳环密封组件和所述第四碳环密封组件的内径均与所述主轴的外径相匹配，所述第三碳环密封组件和所述第四碳环密封组件的内径与所述主轴的外径之间的间隙值为0.035mm～0.045mm。

进一步地，所述第一碳环密封组件与所述第二碳环密封组件之间、所述第二碳环密封组件与所述第三碳环密封组件之间、所述第三碳环密封组件与所述第四碳环密封组件之间的轴向间隙值为0.05mm～0.1mm。

本发明的有益效果是：本发明超临界二氧化碳透平膨胀机多段碳环迷宫密封结构，所述密封结构不采用光滑轴套而采用具有间歇凸台轴套，所述内孔径不同的碳环密封体交替排列，碳环密封体外表面与密封腔体配合而内表面与轴套凸台配合形成迷宫密封结构，此种结构无需针对密封腔体进行结构改造凹槽，采用凸台轴套避免了沿轴套表面流出的问题，大大降低了气体泄漏量，结构简单便于密碳环的安装调节。

附图说明

图1：本发明所涉及的超临界二氧化碳透平膨胀机示意图；

图2：图1中的a局部放大图(即，本发明超临界二氧化碳透平膨胀机多段碳环迷宫密封结构示意图)；

附图标注：1—主轴；2—喷嘴环座；3—喷嘴；4—密封腔体；5—轴套；6—第一碳环密封组件；7—第二碳环密封组件；8—第三碳环密封组件；9—第四碳环密封组件；10—膨胀机机体；11—进气蜗壳；12—叶轮；13—电机线圈绕组；14—机座。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明所涉及的超临界二氧化碳透平膨胀机结构如附图1所示，包括涡轮部分和电机部分。所述涡轮部分包括进气蜗壳11、喷嘴环座2、喷嘴3和叶轮12。所述电机部分包括膨胀机机体10、电机线圈绕组13、主轴1和机座14。所述喷嘴环座2的一侧与所述进气蜗壳11连接并形成进气腔、另一侧与所述膨胀机机体10连接；所述喷嘴3通过螺栓固定在所述喷嘴环座2与所述进气蜗壳11连接的一侧；所述叶轮12与所述喷嘴3轴向布置，在所述喷嘴3的作用下旋转，并且，所述叶轮12固定在所述主轴1上，带动所述主轴1旋转，从而带动电机发电。

如图2所示，在所述主轴1与所述喷嘴环座2和所述喷嘴3之间形成密封腔体4，本发明多段碳环迷宫密封结构安装在所述密封腔体4内，所述密封腔体4的内壁为光滑壁面。本发明多段碳环迷宫密封结构包括轴套5，第一碳环密封组件6，第二碳环密封组件7，第三碳环密封组件8和第四碳环密封组件9，由多段碳环密封组件交错排列形成迷宫密封结构。

所述轴套5位于所述喷嘴3与所述主轴1之间的所述密封腔体4内，所述轴套5套设于所述主轴1上，并固定在所述主轴1上随所述主轴1一同转动。所述轴套5采用间歇式凸台结构，并包括第一台阶面和第二台阶面。所述轴套5采用1cr13不锈钢制成。

所述第一碳环密封组件6套设于所述轴套5的第一台阶面外。所述第一碳环密封组件6的内壁面与所述轴套5的第一台阶面配合、外壁面与所述密封腔体4的内壁面配合，并且，所述第一碳环密封组件6的内径与所述轴套5的第一台阶面的外径相匹配，两者之间的间隙值为0.035mm～0.045mm。

所述第二碳环密封组件7套设于所述轴套5的第二台阶面外，并紧邻所述第一碳环密封组件6布置。所述第二碳环密封组件7的内壁面与所述轴套5的第二台阶面配合、外壁面与所述密封腔体4的内壁面配合，并且，所述第二碳环密封组件7的内径与所述轴套5的第二台阶面的外径相匹配，两者之间的间隙值为0.035mm～0.045mm。

所述第三碳环密封组件8套设于所述主轴1上，并紧邻所述轴套5和套设于所述轴套5的第二台阶面上的所述第二碳环密封组件7布置。所述第三碳环密封组件8的内壁面与所述主轴1配合、外壁面与所述密封腔体4的内壁面配合，并且，所述第三碳环密封组件8的内径与所述主轴1的外径相匹配，两者之间的间隙值为0.035mm～0.045mm。

所述第四碳环密封组件9套设于所述主轴1上，并紧邻所述喷嘴环座2和所述膨胀机机体10的连接处布置。所述第四碳环密封组件9的内壁面与所述主轴1配合、外壁面与所述密封腔体4的内壁面配合，并且，所述第四碳环密封组件9的内径与所述主轴1的外径相匹配，两者之间的间隙值为0.035mm～0.045mm。

其中，所述第一碳环密封组件6、所述第二碳环密封组件7、第三碳环密封组件8和所述第四碳环密封组件9均采用碳精制成。所述第一碳环密封组件6、所述第二碳环密封组件7、第三碳环密封组件8和所述第四碳环密封组件9均与所述密封腔体4保持静止。所述第一碳环密封组件6与所述第二碳环密封组件7之间、所述第二碳环密封组件7与所述第三碳环密封组件8之间、所述第三碳环密封组件8与所述第四碳环密封组件9之间的轴向间隙值为0.05mm～0.1mm。

此外，所述第一碳环密封组件6利用所述喷嘴3的凸台进行定位，所述第二碳环密封组件7、第三碳环密封组件8和所述第四碳环密封组件9利用所述密封腔体4的内径进行定位，保证各碳环密封组件之间合适的配合间隙，多段碳环密封组件内径形成的迷宫密封结构避免了光滑轴套5导致的泄漏量，具有较好的密封效果，而且结构简单便于拆装。

本发明中，密封腔体4为光滑壁面，轴套5加工为间隔凸台式，密封腔体4内壁面与凸台式轴套5形成多个间隔式凹槽，多个内径不同的碳环密封组件安装于间隔式凹槽内，通过不同内径的碳环密封体形成多段碳环迷宫密封结构进行密封；多个碳环密封组件的内径大小不同，大孔碳环密封组件的碳环内径大于小孔碳环密封组件的碳环内径，碳环密封组件的外表面与密封腔体4的内表面配合，碳环密封组件的内径与轴套5外表面的凸台凹槽配合，最左侧的第一碳环密封组件6通过喷嘴3的凸台进行定位，涡轮侧经过喷嘴3间隙泄露过来的高压超临界二氧化碳在第一碳环密封组件6处沿径向间隙轴向泄露降压，在第二碳环密封组件7处转为先沿轴向间隙泄露然后轴向泄露，在第二碳环密封组件7与第三碳环密封组件8交界面转为径向泄露，然后沿第三碳环密封组件8和第四碳环密封组件9内径的径向间隙轴向泄露，经过几次转向节流降压降低泄露量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。