一种耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置
技术领域
本发明涉及先进涡轮设备的技术领域，更具体地讲，涉及一种耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置。
背景技术
超临界二氧化碳发电系统是一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，其循环过程是：首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压；然后，利用换热器将工质等压加热；其次，工质进入涡轮机推动涡轮做功，涡轮带动电机发电；最后，工质进入冷却器恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环。其中，当二氧化碳的温度达到31.10C，压力达到7.38MPa时将变为超临界状态，其气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩等特点。
透平是超临界二氧化碳动力系统的核心设备，运行温度通常在400℃以上。由于二氧化碳润滑性能明显弱于水，传统蒸汽透平中采用的机械密封方式无法用于超临界二氧化碳透平，目前国内外研究成果表明干气密封是大功率超临界二氧化碳透平的轴端密封优选方案。现有干气密封主要针对中低温使用环境，其密封圈主要采用聚四氟乙烯材质，聚四氟乙烯密封圈难以承受透平气缸导热形成的高温环境，因此现有的干气密封结构难以满足超临界二氧化碳透平高温工况的应用需求，研发高效可靠的耐高温透平轴端密封结构是超临界二氧化碳透平研发的关键。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可实现高温条件下超临界二氧化碳透平轴端密封的干气密封装置。
本发明提供了一种耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置，实现透平气缸端部密封，所述干气密封装置包括密封动环、密封静环和弹簧座，密封东环固定在透平转子上，密封静环固定在透平气缸上，弹簧座固定在透平气缸上且允许沿透平转子轴向滑动，其中，
密封动环和密封静环组成干气密封主体且密封动环与密封静环之间的间隙能够形成刚性气膜；
密封静环与弹簧座之间通过第一C型密封圈密封，弹簧座与透平气缸之间通过弹簧连接且通过第二C型密封圈密封；
其中，所述第一C型密封圈和第二C型密封圈表面涂覆有耐高温涂层且内部为金属材质。
根据本发明耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述干气密封装置设置在透平气缸的端部。
根据本发明耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述干气密封装置与上游高压密封隔离气相连通。
根据本发明耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述第一C型密封圈和第二C型密封圈的表面涂覆有SiC涂层且内部均为00Cr17Ni12Mo2材质。
根据本发明耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述第一C型密封圈和第二C型密封圈以开口背向密封动环的方式安装，透平气缸设置U型卡槽定位C型密封圈以方便C型密封圈安装限位。
与常规方案相比，本发明耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中表面带耐高温涂层的00Cr17Ni12Mo2金属C型密封圈替代传统干气密封中耐高温性能差的聚四氟乙烯密封圈，利用金属C型密封圈承压能力较强，耐高温性能好且具有一定弹性，耐高温涂层润滑性好、滑动跟随性能佳的特性，实现透平转子高转速下干气密封微小振动补偿，实现高温高压条件下超临界二氧化碳透平端部密封。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的结构示意图。
图2出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中第一C型密封圈周围的局部结构放大结构示意图。
图3出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中第二C型密封圈周围的局部结构放大结构示意图。
图4出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中C型密封圈结构的示意图。
附图标记说明：
1-密封动环、2-密封静环、3-第一C型密封圈、4-弹簧座、5-第二C型密封圈、6-透平气缸、7-表面涂层、8-金属基体。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图1示出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置的结构示意图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置包括密封动环1、密封静环2和弹簧座4，密封东环固定在透平转子上，密封静环固定在透平气缸上，弹簧座固定在透平气缸上且允许沿透平转子轴向滑动。该干气密封装置设置在透平气缸6的端部以实现端部密封，并且干气密封装置与上游高压密封隔离气相连通。其中，密封动环1和密封静环2组成干气密封主体且密封动环1与密封静环2之间的间隙能够形成刚性气膜，实现密封动静环之间的密封。
当端面外侧开设有流体动压槽的密封动环1旋转时，流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间，在密封动环1与密封静环2之间形成很薄的一层气膜从而使密封工作在非接触状态下，所形成的气膜能够完全阻塞相对低压的密封介质泄漏通道，实现密封介质的零泄漏或零逸出。
图2出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中第一C型密封圈周围的局部结构放大结构示意图，图3出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中第二C型密封圈周围的局部结构放大结构示意图。
如图2和图3所示，密封静环2与弹簧座4之间通过第一C型密封圈3密封，弹簧座4与透平气缸6之间通过弹簧连接且通过第二C型密封圈5密封，弹簧座4设置开口向左侧的U型卡槽，6透平气缸设置开口向下的U型卡槽，U型卡槽用于C型密封圈安装过程中定位和运行过程中限位。其中，第一C型密封圈和第二C型密封圈表面涂覆有耐高温涂层且内部为金属材质，采用表面带耐高温涂层的金属C型密封圈，可以确保密封圈具有良好的滑动跟随性能，C型结构密封圈可以确保金属密封圈的弹性效果并确保密封效果。
图4出了根据本发明示例性实施例耐高温超临界二氧化碳透平干气密封装置中C型密封圈结构的示意图。
如图4所示，本发明将第一C型密封圈3的表面涂层7设置为SiC涂层，内部金属基体8设置为00Cr17Ni12Mo2，可承受透平转子热传导形成的高温环境，实现密封静环2和弹簧座4之间的密封；第二C型密封圈5的表面涂层7也设置为SiC涂层，内部金属基体8设置为00Cr17Ni12Mo2，可承受透平气缸热传导形成的高温环境，实现透平气缸6和弹簧座4之间的密封。金属材质的C型密封圈具有较强承压能力，耐高温性能好且具有一定的弹性，SiC耐高温涂层润滑性好、滑动跟随性能佳的特性，可满足透平转子高转速下干气密封微小振动补偿要求，最终实现高温高压条件下超临界二氧化碳透平的端部密封。
如图1所示，第一C型密封圈3和第二C型密封圈5优选地以开口背向密封动环1的方式安装。并且，第一C型密封圈和第二C型密封圈的金属材质选用00Cr17Ni12Mo2金属，表面分别附着SiC涂层，在符合机械性能要求的情况下同时符合密封要求。
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明包括密封动环1、密封静环2、第一C型密封圈3、弹簧座4、第二C型密封圈5。密封动环和密封静环组成干气密封主体，两者之间的间隙形成刚性气膜，实现密封动静环间密封。第一C型密封圈3表面为SiC涂层，内部设置为00Cr17Ni12Mo2金属材质，可承受透平转子热传导形成的高温环境，实现密封静环和弹簧座之间的密封；第二C型密封圈5表明为SiC涂层，内部为00Cr17Ni12Mo2金属制成，可承受透平气缸热传导形成的高温环境，实现透平气缸和弹簧座之间的密封。密封圈是带SiC涂层8的00Cr17Ni12Mo2金属材质的C型密封圈，利用金属C型密封圈承压能力较强，耐高温性能好且具有一定的弹性，及SiC涂层润滑性好、滑动跟随性能佳的特性，实现透平转子高转速下干气密封微小振动补偿，实现高温高压条件下超临界二氧化碳透平端部密封。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
