用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构及气封方法

技术领域

本发明涉及流体机械行业的气封装置的外形设计，具体涉及一种用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构及气封方法。

背景技术

广义的流体机械行业包含现有压缩机、汽轮机、透平等通用设备，在我国的工业生产中占据着非常重要的地位，对于流体机械类通用设备而言，其内部压力一般远高于大气环境压力，因此在轴端需要设置气封装置防止高压气体向外界泄漏。对于目前能源行业逐渐兴起的超临界二氧化碳透平设备而言，由于其设计压力高、泄漏量控制要求高，目前应用较为广泛的有机械密封(梳齿密封、蜂窝密封及刷式密封等)和干气密封，前者(机械密封)虽然使用方便价格低廉但泄漏量较大，单独应用常常达不到泄漏量的控制要求；而后者(干气密封)虽然泄漏量很小，但是价格昂贵且装置过于庞大且娇贵，使用过程中很容易出现因动静环碰擦而导致的密封件损坏等事故。因此，对于超临界二氧化碳循环而言，其透平的轴端气封装置一直是该行业的重点和难点。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构及气封方法，该轴端气封装置通过设置两种旋向相反的螺纹叶片：即动环和静环的相互配合作用来达到密封的效果。在实际使用中，动环通过紧固在转轴上随着转子一起转动，动环上的螺纹叶片在转动的过程中鼓动出与泄漏气体流向相反的气流；静环设置在动环的内侧，其旋向与动环完全相反，静环内侧的高压气体经过静环的导向作用，与动环出口的气流形成完全对冲的效果，两股对冲气流在动静环对冲腔室里形成强烈旋涡和耗散作用，从而达到对轴端进行密封的效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构，包括静环齿牙1、静环套筒2、动环齿牙3、动环轴套4以及动静环对冲腔室5；所述静环套筒2为上、下半圆结构，紧固在二氧化碳透平轴端两侧的机壳上，动环轴套4为整体结构，紧固在二氧化碳透平转轴端部；所述静环套筒2套接在动环轴套4外部，二者之间的环腔为动静环对冲腔室5；所述静环套筒2内壁周圈加工有静环齿牙1，动环轴套4外壁周圈加工有动环齿牙3。

所述静环齿牙1从内向外即自高压向低压依次为静环环形齿牙6和静环螺纹齿牙7，静环环形齿牙6和静环螺纹齿牙7横截面为长方形上部切去一角的梯形，梯形的长边迎着高压侧，梯形的短边迎着低压侧。

所述静环环形齿牙6及静环螺纹齿牙7轴向最小间距为3～5mm。

所述静环环形齿牙6和静环螺纹齿牙7的高度为3～5mm，宽度为1～2mm，齿牙锐角的角度为30～45°。

所述静环环形齿牙6绕静环内侧一周布置，为圆形结构；静环螺纹齿牙7为螺纹布置，单个螺纹齿牙螺距为30mm～100mm，单个螺纹齿牙圈数为0.25～0.5，绕周向均匀等距布置4～16个螺纹齿牙，其旋向为逆时针布置。

所述动环齿牙3从内向外即自高压向低压依次为动环螺纹齿牙8和动环环形齿牙9；动环螺纹齿牙8的旋向为顺时针，与静环环形齿牙6的旋向相反，动环螺纹齿牙8的圈数、个数、螺距、齿高、齿牙截面形状与静环螺纹齿牙7完全相同；动环环形齿牙9绕动环外侧一周布置，与静环环形齿牙6形状相同。

所述动静环对冲腔室5沿轴向的长度为5～10mm，沿径向的高度为3.1～5.1mm。

所述静环齿牙1与动环轴套4的径向间隙为0.05～0.1mm；动环齿牙3与静环套筒2的径向间隙为0.05～0.1mm。

所述的用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构的气封方法，动环轴套4随着二氧化碳透平转轴旋转，动环轴套4上的动环螺纹齿牙8在旋转的过程中会起到类似于动力式压缩机的作用，将气流由外向内(由低压向高压侧)鼓入动静环对冲腔室5，动环轴套4出口气流的绝对速度方向为由外向内，自低压侧流向高压侧；静环套筒2二氧化碳透平内部压力差的作用下，二氧化碳气流会自发的从内向外(由高压侧向低压侧)流动，最终由静环套筒2出口流入动静环对冲腔室5，静环套筒2出口气流的绝对速度方向为由内向外，自高压侧流向低压侧；由于动环轴套4和静环套筒2旋向相反，因此二者出口气流类似于对冲流动，这两股对冲气流在动静环对冲腔室5相遇，其大小近似而方向相反，从而在动静环对冲腔室5内形成强烈的对冲旋涡及大尺度耗散结构，通过强烈的旋涡耗散作用降低泄漏气体的压力能及动能，从而降低泄漏量达到对轴端进行密封的目的。

附图说明

图1为本发明动静环组合装配三维效果图。

图2为本发明动静环组合装配剖面效果图。

图3为本发明运行过程动静环出口气流对冲原理图。

图4为本发明动静环详细结构图。

图5为本发明齿牙横截面结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构，包括静环齿牙1、静环套筒2、动环齿牙3、动环轴套4以及静环套筒2和动环轴套4间的环腔形成的动静环对冲腔室5。

如图4所示，静环齿牙1直接加工在静环套筒2上，静环齿牙分为两部分，从内向外(自高压指向低压)依次为静环环形齿牙6及静环螺纹齿牙7；如图5所示，静环环形齿牙6及静环螺纹齿牙7横截面为长方形上部切去一角的梯形，梯形的长边迎着高压侧，梯形的短边迎着低压侧，高度为3mm，宽度为1.5mm，斜切角度为45°。

如图4所示，静环环形齿牙6绕静环内侧一周布置，为圆形结构。静环螺纹齿牙7为类似螺纹布置，单个螺纹齿牙螺距为30mm～50mm，单个螺纹齿牙圈数为0.5，绕周向均匀等距布置8个螺纹齿牙，其旋向为逆时针布置。

静环环形齿牙6及静环螺纹齿牙7轴向最小间距为3mm；静环套筒2为上、下半圆结构，通过螺钉紧固在二氧化碳透平轴端两侧的机壳上。

如图4所示，动环轴套4为整体结构，通过螺纹销钉连接固定在二氧化碳透平转轴端部；动环齿牙3直接加工在动环轴套4上，动环齿牙分为两部分，从内向外(自高压指向低压)依次为动环螺纹齿牙8及动环环形齿牙9。

如图4所示，动环螺纹齿牙8的旋向为顺时针，与静环环形齿牙6的旋向相反，动环螺纹齿牙8的圈数、个数、螺距、齿高、齿牙截面形状与静环螺纹齿牙7完全相同；动环环形齿牙9绕动环外侧一周布置，与静环环形齿牙6形状相同。

动静环对冲腔室5沿轴向的长度为5mm，沿径向的高度为3.1mm；静环齿牙1和静环套筒2套装在动环齿牙3和动环轴套4的外部，静环齿牙1与动环轴套4的径向间隙为0.1mm；动环齿牙3与静环套筒2的径向间隙为0.1mm。

本发明一种用于二氧化碳透平的反旋向螺纹对冲式气封结构的工作原理，该气封结构通过动环和静环结构的配对使用来完成密封效果。在实际应用中，动环轴套4随着二氧化碳透平转轴旋转，动环轴套4上的动环螺纹齿牙8在旋转的过程中会起到类似于动力式压缩机的作用，将气流由外向内(由低压向高压侧)鼓入动静环对冲腔室5，动环轴套4出口气流的绝对速度方向为由外向内，自低压侧流向高压侧，如图3中c1所示。

对于静环套筒2来说，其在二氧化碳透平内部压力差的作用下，二氧化碳气流会自发的从内向外(由高压侧向低压侧)流动，最终由静环套筒2出口流入动静环对冲腔室5，静环套筒2出口气流的绝对速度方向为由内向外，自高压侧流向低压侧，大致如图3中c0所示。

由于动环轴套4和静环套筒2旋向相反，因此二者出口气流类似于对冲流动，这两股对冲气流在动静环对冲腔室5相遇，其大小近似而方向相反，从而在动静环对冲腔室5内形成强烈的对冲旋涡及大尺度耗散结构，通过强烈的旋涡耗散作用降低泄漏气体的压力能及动能，从而达到降低泄漏量的目的。

本发明创造利用了动力式压缩机中叶片鼓风原理，利用螺纹齿牙在高速旋转过程中的产生与泄漏气流流向相反的反向对冲气流，利用反向对冲气流的动能及压力能，抵消泄漏气流的动能及压力能，从而达到降低泄漏量的目的，该新型反旋向螺纹对冲式气封结构，不需要额外引入多余的附加装置，结构简单且效果非常好。