专利名称：旋转轴密封装置和使用该装置的氦气汽轮机发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转轴密封装置和一种使用这种轴密封装置的氦气汽轮机发电系统，该系统通过使用氦气使燃气汽轮机转动而发电。
背景技术：
作为一种原子能发电系统，发展一种氦气汽轮机发电系统。在氦气汽轮机发电系统中，由类似核反应堆的高温气体反应堆提供的氦气作为一种主要系统气体而被使用，使用氦气使汽轮机转动以便发电。
在这种氦气汽轮机发电系统中，必须使主要系统氦气不泄漏。因而在一种普通的氦气汽轮机发电系统中，将汽轮机和发电机安置在一个压力容器内，主要系统氦气在该容器内循环。由于压力容器被主要系统氦气放射性污染，需要许多用于维修压力容器的工艺。
通常希望制造一种大尺寸的汽轮机和发电机，以便高效地发电。然而如果制造大尺寸的汽轮机和发电机，需要更大的压力容器，需要更多的用于维修压力容器的工艺。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种氦气汽轮机发电系统，在该系统中，可以制造小尺寸的压力容器。
本发明另一个目的是提供一种氦气汽轮机发电系统，在该系统中，将汽轮机安装在压力容器内，将发电机安装在压力容器外。
本发明另一个目的是提供一种可以阻止旋转轴内的气体泄漏的旋转轴密封装置。
在本发明一个方面中，轴密封装置设置在一个充满第一气压的第一气体的容器和一个作为转动轴的旋转轴之间，所述旋转轴穿过所述容器。所述轴密封装置包含第一至第三干式气封部分。将第一干式气封部分设置在旋转轴和容器之间，以使所述旋转轴可转动并存在一个具有第二气压的第一空间部分。在第一干式气封部分之后第二干式气封部分设置在所述旋转轴和所述容器之间，以使所述旋转轴可转动并存在一个具有第三气压的第二空间部分。在第二干式气封部分之后第三干式气封部分设置在所述旋转轴和所述容器之间，以使所述旋转轴可转动并存在一个具有第四气压的第三空间部分。所述第一气压小于所述第二气压，所述第二气压高于所述第三气压，所述第三气压高于所述第四气压和大气压，而所述第四气压比大气压低。
第一干式气封部分可以包括一个控制第二气压的第一气压控制部分，以使第二气压比所述第一气压高。在此情况下，该第一气压控制部分可以包括一个设置在所述容器内的第一压力传感器，以用于测量所述第一气压；一个设置在所述第一空间部分内的第二压力传感器，用于测量所述第二气压；一个气体供给单元，它将气压高于所述第二气压的气体提供到所述第一空间部分；以及一个与该第一空间部分和该气体供给单元相连的阀。基于第一压力传感器所测量的第一气压和第二压力传感器所测量的第二气压，第一控制部分控制用于所述气体供给单元的阀，以便向所述第一空间部分提供气体，从而该第二气压高于该第一气压。基于第一压力传感器所测量的第一气压和第二压力传感器所测量的第二气压，该第一控制部分控制用于所述气体供给单元的阀，以便向所述第一空间部分提供气体，以在预定的第一范围内具有迟滞特性(hysteresis characteristic)。
同样，第一空间部分可以由旋转轴、轴密封装置的一个壁、第一干式气封和第二干式气封限定，第一干式气封向所述容器内部开口，而第二干式气封被所述第二空间部分共用。
同样，第三干式气封部分可以包含一个控制第四气压以使第四气压比第三气压和大气压低的第三气压控制部分。在此情况下，第三气压控制部分可以包括一个设置在所述第三空间部分内的第四压力传感器，用于测量所述第四气压；以及一个与第三空间部分相连的抽气单元。基于第四压力传感器所测量的第四气压，第三控制部分控制该抽气单元，因而该第四气压比所述第三气压和大气压低。在此情况下，基于由第四压力传感器所测量的第四气压，第三控制部分控制抽气单元以在预定的第三范围内具有迟滞特性，从而使第四气压比第三气压和大气压低。
同样，第三空间部分也可以由旋转轴、轴密封装置的一个壁、第三干式气封和一个迷宫式密封所确定，而所述迷宫式密封通向大气，所述第三干式气封被所述第二空间部分共用。
同样，第二干式气封部分可以包括一个控制第三气压的第二气压以使所述第三气压比所述第二气压低但是比大气压高的控制部分。此时，该第二气压控制部分可以包含一个设置在第二空间部分内的第三压力传感器，以用于测量第三气压；和一种气体再循环单元，其使气体从第二空间部分再循环进入第一空间部分。基于第三压力传感器所测量的第三气压，第二控制部分控制该气体再循环单元，从而所述第三气压比所述第二气压低但是比大气压高。在此情况下，基于第三压力传感器所测量的第三气压，第二控制部分控制气体再循环单元并在预定第二范围内具有迟滞特性，从而所述第三气压比所述第二气压低但是总是比大气压高。
同样，第二空间部分也可以由旋转轴、轴密封装置的一个壁、第二干式气封和第三干式气封所限定，且第二干式气封被所述第一空间部分共用，所述第三干式气封被所述第三空间部分共用。
同样，第二干式气封部分可以包括N个串联的干式气封分段(N是一个大于1的整数)，而第二空间部分包括N个空间分段。N个干式气封分段的第M个(2≤M≤N)可以包括一第M个空间分段；和一个控制第M个空间分段的第M个气压的第二气压控制部分，以便第M个空间分段的第M个气压比第(M-1)个空间分段的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间分段的第(M+1)个气压和大气压高。此时第M个气压控制部分可以包括一个设置在第M个空间分段内并以用于测量第M个气压的第M个压力传感器；以及，第M个气体再循环单元，它使气体从第M个空间分段再循环进入第(M-1)个空间分段。基于第M个压力传感器所测量的第M个气压，第M个控制部分控制第M个再循环装置，因而第M个空间分段的第M个气压比第(M-1)个空间分段的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间分段的第(M+1)个气压和大气压高。在此情况下，基于第M个压力传感器所测量的第M个气压，第M个控制部分控制第M个再循环装置以具有在预定范围内的迟滞特性，从而使第M个空间分段的第M个气压比第(M-1)个空间分段的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间分段的第(M+1)个气压和大气压高。
同样，第M个空间分段也可以由旋转轴、轴密封装置的一个壁、第(M-1)个干式气封和第M个干式气封限定，该第(M-1)个干式气封被所述第(M-1)个空间分段共用，该第M个干式气封被所述第(M+1)个空间分段共用。
在上述内容中，气体可以是氦气，气体处于700℃～1000℃的温度范围。
根据本发明另一个方面，汽轮机发电系统可以包含一个气体反应堆，它加热气体以产生热气；与该反应堆相连的容器；一个安装在该容器内并在所述热气作用下转动的汽轮机；一适用于该容器和该汽轮机的隔离元件，用于将该容器内部分成第一和第二部分；一个设置在该容器外侧并通过旋转轴与该气轮机相连的发电机；以及设置在旋转轴和该容器之间的上述轴密封装置。
在此情况下，汽轮机发电系统还包括一个循环单元，使热气从第二部分循环进入第一部分。
并且，根据本发明另一个方面，通过下述步骤获得一种在充满气体的第一部分和在大气中第二部分之间密封的方法，即，在第一部分和第二部分之间设置第一到第三空间部分；控制第一空间部分内的第二气压，以使该气压高于第一部分内的第一气压；控制第二空间部分内的第三气压，以使该气压低于第三部分内的第四气压但高于大气压；以及，控制第四气压，以使它低于大气压。
在此情况下，第一干式气封设置在第一部分和第一空间部分之间，第二干式气封设置在第一空间部分和第二空间部分之间，第三干式气封设置在第二空间部分和第三空间部分之间。
图1是示出本发明氦气汽轮机发电系统的示意图；图2是示出本发明氦气汽轮机发电系统的汽轮机和发电机结构的方块图；图3是示出本发明轴密封装置结构的方块图；图4是示出第一干式气封结构的方块图；图5是示出压差数据和第一控制器对压力调节阀的控制状态之间关系的曲线；图6是示出第三压力传感器所测量的压力和第二控制器对氦气再循环压缩机的控制状态之间的关系的曲线；图7是示出第四压力传感器所测量的压力和第三控制器对负压吸引单元的控制状态之间的关系的曲线，此时压力传感器处于第三控制器对负压吸引单元的控制状态的第一示例；以及图8是示出第四压力传感器所测量的压力和第三控制器对负压吸引单元的控制状态之间的关系的曲线，此时压力传感器处于第三控制器对负压吸引单元的控制状态的第二示例；具体实施方式
下文将结合附图描述本发明的氦气汽轮机发电系统。
图1是示出本发明氦气汽轮机发电系统的示意性视图。参考图1，本发明氦气汽轮机发电系统包含一个高温气体反应堆1，该反应堆通过管道2向压力容器3提供温度范围为700℃～1000℃的高温气体。
将汽轮机4安装在压力容器3内。设置一个隔离元件5，以用于将围绕汽轮机4的压力容器3的内部空间隔成一个作为内圆周部分的第一部分3a和一个作为外圆周部分的第二部分3b。第一部分3a与管道2相连，但是第二部分3b不与管道2相连。因此将来自高温气体反应堆1的氦气通过管道2提供到第一部分3a，并再穿过汽轮机4，将氦气提供到第二部分3b。用此方式，随着来自高温气体反应堆1的氦气进入汽轮机4，具有涡轮叶片(图中未示)的汽轮机4转动。
并且，通过作为转动轴的旋转轴6，汽轮机4与发电机7相连。发电机7安置在压力容器3的外部，而旋转轴6穿过压力容器3的壁。一个轴密封装置8设置在压力容器3和旋转轴6之间。轴密封装置8不会阻碍旋转轴6转动，却能够阻止在压力容器3内循环的氦气从压力容器3内泄漏。下文将介绍旋转轴6和轴密封装置8的结构。
此外，氦气汽轮机发电系统还包括一个用于连接第一部分3a和热交换器11的管道9和一个用于连接第二部分3b和热交换器11的管道10。通过管道10，热交换器11获得被提供到第二部分3b的氦气并对氦气进行冷却，然后将氦气输送到一个加压部分(图中未示)。通过管道9，将被加压部分(图中未示)加压后的氦气输送到第一部分3a。
下文将详细地介绍旋转轴6。图2示出本发明氦气汽轮机发电系统中汽轮机4和发电机7的结构。参考图2，旋转轴6穿过压力容器3并连接汽轮机4和发电机7。汽轮机4被安装在压力容器3内并暴露在氦气下。将发电机7安装在压力容器3外的大气中。
旋转轴6由各旋转轴部分6-1、6-2和6-3组成。旋转轴部分6-1被压力容器3第一部分3a内的磁性轴承12可转动地支撑，并穿过汽轮机4，而被压力容器3第二部分3b内的磁性轴承13可转动地支撑，旋转轴部分6-2被配装在压力容器3内的轴密封装置8可转动地支撑。旋转轴部分6-3被含油轴承16支撑并穿过发电机7，而被含油轴承17可转动地支撑。旋转轴6-1和6-2通过膜片联轴节14相连，旋转轴6-2和6-3通过膜片联轴节15相连。
下文将结合图3介绍轴密封装置8。图3示出本发明轴密封装置8的结构。参考图3，本发明的轴密封装置8具有一个第一空间部分21、一个第二空间部分36和一个第三空间部分40。
第一空间部分21被设置为旋转轴6的外圆周表面、第一壁部分21a和第一和第二干式气封22和32所限定的区域。第一干式气封22与压力容器3的壁相连。第二空间部分36被设置为旋转轴6的外圆周表面、第二壁部分36a和第二密封32和第三干式气封39所限定的区域，第三空间部分40被设置成旋转轴6的外圆周表面、第三壁部分40a和第三密封39和一个迷宫式密封43所限定的区域。迷宫式密封43与一个壁相连，在该壁上具有一个通向大气的开口。
第一空间部分21充满氦气。假定氦气压力是P1，第一管道23穿过第一壁部分21a并与第一空间部分21相连。从而利用通过一个氦气缓冲罐24和一个压力调节阀25的第一管道23，第一空间部分21与一个氦气供给设备26相连。氦气缓冲罐24被用于快速改变第一空间部分21内的氦气气压P1。根据将在下文介绍的第一控制器31所发出的开启或关闭指令，可以开启或关闭压力调节阀25。当开启压力调节阀25时，氦气供给设备26具有向第一空间部分21提供高压(P0)氦气的功能，其压力远高于第一空间部分21内的氦气压力P1。
并且，第一压力传感器27安置在第一空间部分21内，以便测量第一空间部分21内的氦气压力P1。此外，第二压力传感器28安置在第二部分3b内，以便测量第二部分3b内的氦气压力(P2)。用第一减法器29将第一压力传感器27和第二压力传感器28相连。第一减法器29与压差设定单元30相连。第一减法器29从第一传感器27所测量的压力P1中减去第二传感器28所测量的压力P2，并将表示压差(P1-P2)的压差数据传送到压差设定单元30。压差设定单元30与第一控制器31相连，压差设定单元30从压差(P1-P2)中减去一个预定压力α(α＞0)并将表示压差(P1-P2-α)的压差数据传送到第一控制器31。基于压差设定单元30所传送的压差数据(P1-P2-α)，第一控制器31控制压力调节阀25的开启或关闭，以总是满足压力关系P1＞P2。因此，少量氦气总是穿过第一干式气封22，并从第一空间部分21流进压力容器3的第二部分3b中。下文将介绍利用第一控制器31控制压力调节阀25的开启和关闭。
同样，第二空间部分36也充满氦气。假定氦气压力是P3。第二空间部分36与穿过第二壁部分36a的第二管道33相连。第二管道33从第二空间部分36延伸穿过用于氦气再循环的氦气缓冲罐35和一个氦气再循环压缩机34，穿过第一壁部分21a并与第一空间部分21相连。用于氦气再循环的氦气缓冲罐35防止第二空间部分36内的氦气压力P3快速变化。同样，氦气再循环压缩机34具有收集和压缩第二空间部分36和用于氦气再循环的缓冲罐35内的氦气并通过第二管道33将压缩后的氦气提供给第一空间部分21的功能。与氦气再循环压缩机34相连的第二控制器38控制氦气再循环压缩机34所进行的氦气压缩操作。第二控制器38与设置在第二空间部分36内以测量第二空间部分36内氦气压力P3的第三传感器37相连。第二控制器38控制氦气再循环压缩机34的操作，因此第三传感器37所测量的压力P3比第一空间部分21内的压力P1小，但是比大气压Pa高。因此少量氦气总是通过第二干式气封32而从第一空间部分21流到第二空间部分36。下文将介绍利用第二控制器38控制氦气再循环压缩机34的操作。
大气存在于第三空间部分40之外的区域44中，大气压为Pa。第三空间部分40通过第三壁部分40a与第三管道41相连。通过一个负压吸引单元42，第三管道41将第三空间部分40与一个气体处理单元(图中未示)相连。负压吸引单元42具有从第三空间部分40向气体处理单元提供气体的功能。与负压吸引单元42相连的第三控制器46控制负压吸引单元42。第三控制器46与设置用来测量第三空间部分40内气压P4的第四压力传感器45相连。第三控制器46控制负压吸引单元42的操作，以便，第四传感器45所测量的压力P4比第二空间部分36内气压P3和大气压Pa低。下文将详尽地描述利用第三控制器46对负压吸引单元42操作的控制。
如上所述，第三空间部分40内气压P4被控制成小于大气压Pa。从而，少量空气总是穿过迷宫式密封43而从第三空间部分40之外的区域44流入第三空间部分40。同样，第三空间部分40内气压P4被控制成小于第二空间部分36内气压P3。因此，少量氦气穿过第三干式气封39而从第二空间部分36流入第三空间部分40。因此空气和氦气的混合气体存在于第三空间部分40内。
下文将介绍第一干式气封22的结构和功能。
图4示出第一干式气封22的结构。参考图4，第一干式气封22由转动部分51和静止部分52组成。转动部分51支撑在旋转轴6的外圆周表面上。静止部分52被支撑在压力容器3壁和第一壁部分21上以便与旋转轴6分离。在静止部分52一侧，转动部分51具有一个大致垂直于旋转轴6的表面部分。在为该表面部分设置了一个第一滑动表面部分53，在该第一滑动表面部分53上形成一螺旋槽。同样，第二滑动表面部分54是一个大致垂直于旋转轴6的表面部分并为静止部分52设置，以便与上述第一滑动表面部分53接触。第二滑动表面部分54被大致形成为一个平面。
下文将介绍第一干式气封22的功能。
首先，当转动部分51处于静止状态时，第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54彼此配合。在这种情况下，任何氦气不能从第一滑动表面53和第二滑动表面部分54之间通过。
随后，当转动部分51处于转动状态时，由于为第一滑动表面部分53设置的螺旋槽，而第一力施加在转动部分51和静止部分52上，从而第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54彼此分开。同时由于转动部分51和静止部分52是固定的，第二力施加在转动部分51和静止部分52上，从而使第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54彼此接触。随着第一力和第二力之间的平衡，能够在第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54之间形成小间隙。结果，静止部分52不能阻止转动部分51的转动。此外，由于第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54之间的间隙很小，少量氦气通过间隙。在此情况下，通过间隙的氦气从第一空间部分21流入第二部分3b。这是由于利用第一控制器31对第一空间部分21内氦气压力P1进行调整，使它比第二部分3b内氦气压力P2高。
如上所述，当转动部分51处于转动状态时，由于第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54之间的间隙很小，能够减少通过第一干式气封22的氦气量。同样，由于第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54不接触，第一干式气封22可以减少旋转轴6的能量损耗。此外由于第一干式气封22不使用润滑油，第一干式气封22能够密封等于或高于700℃的热氦气。
下文将介绍第二干式气封32的结构和功能。类似于第一干式气封22，第二干式气封32具有与第一干式气封22相同的结构，除了将静止部分52固定在第一壁部分21a和第二壁部分36a上之外。
下文将介绍第二干式气封32的功能。第二干式气封32的功能与第一干式气封22的功能相同。同样，当转动部分51处于转动状态时，少量氦气通过第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54之间的小间隙并从第一空间部分21流入第二空间部分36。这是由于利用第二控制器38对第一空间部分21内氦气压力P1进行调整，使它比第二空间部分36内氦气压力P3高。
如上所述，与第一干式气封22相同，第二干式气封32可以减少通过第二干式气封32的氦气量。同样，第二干式气封32可以减少旋转轴6的能量损耗。此外，第二干式气封32能够密封等于或高于700℃的热气体。
下文将介绍第三干式气封39的结构和功能。第三干式气封39类似于第一干式气封22具有与第一干式气封22相同的结构，除了静止部分52固定在第二部分36a和第三壁部分40a之外。
下文将介绍第三干式气封39的功能。第三干式气封39的功能与第一干式气封22的功能相同。同样，当转动部分51处于转动状态时，少量氦气穿过第一滑动表面部分53和第二滑动表面部分54之间产生的小间隙并从第二空间部分36流入第三空间部分40。这是由于利用第三控制器46对第二空间部分36内氦气压力P3进行调整，使它比第三空间部分40内氦气压力P4高。
如上所述，与第一干式气封22相同，第三干式气封39可以减少通过第三干式气封39的氦气量。第三干式气封39也可以减少旋转轴6的能量损耗。此外第三干式气封39能够密封等于或高于700℃的热气体。
下文将介绍利用第一控制器3 1控制压力调节阀25的开启和关闭操作。
图5是示出压差设定单元30所传送的压差数据和第一控制器31对压力调节阀25开启和关闭控制状态之间关系的曲线。在此，图5中水平轴线表示压差(P1-P2)。图5中垂直轴线表示从第一控制器31输送到压力调节阀25的信号。参考图5，首先当压差数据从压差设定单元30传送到第一控制器31以表示压差(P1-P2-α)比压力-α1(0＜α1＜α)小时，第一控制器31向压力调节阀25发出完全开启的指令信号，因而压力调节阀25完全开启。通过氦气缓冲罐24，从氦气供给设备26向第一空间部分21提供压力为P0(P0＞＞P1)的氦气。此时压力α1是第一控制器31所预设的。
随后，如果连续地从氦气供给设备26向第一空间部分21提供压力为P0的氦气，第一空间部分21内氦气压力P1增加。在这种情况下，当压差数据从压差设定单元30传送到第一控制器31以表示压差(P1-P2-α)等于或大于压力α1时，第一控制器31向压力调节阀25发出完全关闭的指令信号，因而压力调节阀25完全关闭。从而，停止从氦气供给设备26向第一空间部分21提供氦气。
随后，当停止从氦气供给设备26向第一空间部分21提供氦气时，第一空间部分21内的少量氦气通过第一干式气封22和第二干式气封32泄漏。从而第一空间部分21内氦气压力P1逐渐下降。在这种情况下，当压差数据从压差设定单元30传送到第一控制器31以表示压差(P1-P2-α)比压力-α1小时，第一控制器31向压力调节阀25发出完全开启的指令信号，因而压力调节阀25再次完全开启。
如上所述，第一控制器31控制压力调节阀25以便保持一种状态，即第一空间部分21内气压P1比压力容器3第二部分3b内气压P2高。第一控制器31页控制压力调节阀25，从而第一空间部分21内气压P1不会比压力容器3第二部分3b内气压P2高出一个恒定值。
在这种情况下，希望一个备用能源(图中未示)与压力调节阀25相连。当用于驱动压力调节阀25的动力供应中断时，第一控制器31控制压力调节阀25完全开启，从而氦气不会从压力容器第二部分3b内泄漏。
下文，将介绍第二控制器38对氦气再循环压缩机34的控制操作。图6示出第三传感器37所测量压力P3和第二控制器38对氦气再循环压缩机34控制状态之间关系的曲线。在此，图6中水平轴表示压差(P3-PSTD)，压力PSTD是第二控制器38所预设的基准压力，且其总是满足将在下文介绍的关系式P4＜PSTD＜P1和关系式|P1-PSTD|＞|PSTD-P4|。同样，图6中垂直轴表示从第二控制器38输出到氦气再循环压缩机34的控制信号状态。
参考图6，首先，当第三传感器37所测量压力P3和压力PSTD之间压差(P3-PSTD)小于压力-β(P4＜PSTD-β＜PSTD+β＜P1)时，第二控制器38向氦气再循环压缩机38输出停止信号。在此，压力β被第二控制器38预先设定。氦气再循环压缩机34响应于停止信号而停机。此时，通过第二干式气封32，少量氦气从第一空间部分21被提供到第二空间部分36。同样，通过第三干式气封39，少量氦气也从第二空间部分36泄漏到第三空间部分40。当从第一空间部分21提供的氦气量比泄漏到第三空间部分40内的氦气量多时，第二空间部分36内氦气压力增加。通常当被干式气封所密封的两个区域之间的压差非常大时，通过干式气封的气体数量增加。因此，在此示例中，压力PSTD被选取为总是满足关系式|P1-PSTD|＞|PSTD-P4|。
接着，当压差(P3-PSTD)大于压力β时，第二控制器3向氦气再循环压缩机34输出一个启动信号。氦气再循环压缩机34响应于启动信号而启动。在这种情况下，由于氦气再循环压缩机34收集第二空间部分36内的氦气。第二空间部分36内氦气压力P3下降。
接着，当第二空间部分36内氦气压力P3下降从而第三传感器37所测量压力P3和压力PSTD之间压差(P3-PSTD)小于压力-β时，第二控制器38发出停止信号，再次停止氦气再循环压缩机34的操作。
如上所述，第二控制器38控制氦气再循环压缩机34的操作以保持一种状态，即第二空间部分36内氦气压力P3比第一空间部分21内的气压P1小但是比第三空间部分40内气压P4高。
在这种情况下，希望氦气再循环压缩机34和第二控制器38与一个备用能源(图中未示)相连，因此即使切断向氦气再循环压缩机34和第二控制器38提供能量，氦气再循环压缩机34和第二控制器38也可以操作。
下文将介绍第三控制器46对负压吸引单元42的控制操作。
首先将介绍第三控制器46对负压吸引单元42控制操作的第一种示例。图7是示出第四传感器45所测量压力P4和第三控制器46对负压吸引单元42的控制状态之间关系的曲线，此时显示了第三控制器46对负压吸引单元42控制操作的第一种示例。图7中水平轴表示压差(P4-PSTD2)，压力PSTD2是第三控制器46所预设的一个基准值，并且其满足关系式0＜PSTD2＜Pa(Pa是大气压)。图7中垂直轴表示负压吸引单元42转动次数，也就是被抽走气体的量。负压吸引单元42具有将第三空间部分40内的气体提供到气体处理单元(图中未示)中的功能。当增加负压吸引单元42的转动次数时，负压吸引单元42增加了将第三空间部分40内的气体提供到气体处理单元中的量。同样，当降低负压吸引单元42的转动次数时，负压吸引单元42减少了将第三空间部分40内的气体提供到气体处理单元的量。
参考图7，首先，当第四传感器45所测量的压力P4大约等于压力PSTD2时，负压吸引单元42按照预定的转动次数R0旋转。
随后，当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)大于γ1(γ1＞0)时，第三控制器46增加负压吸引单元42的转动次数。压力γ1是第三控制器46所预设。在这种情况下，第三控制器46连续设置转动次数的增量，使其与压力(P4-PSTD2-γ1)成比例。结果当增加负压吸引单元42的转动次数时，负压吸引单元42将第三空间部分40内更大量的气体提供到气体处理单元内。因此第三空间部分40内气压P4下降。
同样，当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)小于-γ2(γ2＞0)时，第三控制器46减少了负压吸引单元42的转动次数。压力γ2是第三控制器46所预设的。此时第三控制器46连续设置转动次数的递减量，使其与压力(P4-PSTD2+γ2)成比例。结果当减少负压吸引单元42的转动次数时，负压吸引单元42降低了从第三空间部分40提供到气体处理单元内的气体量。因此，第三空间部分40内气压P4增加。
此时，希望负压吸引单元42和第三控制器46与一个备用能源(图中未示)相连，因此即使切断向负压吸引单元42和第三控制器46提供能量，负压吸引单元42和第三控制器46也可以操作。
下文将介绍第三控制器46对负压吸引单元42控制操作的第二示例。
图8是示出第四传感器45所测量压力P4和第三控制器46对负压吸引单元42控制状态之间关系的曲线，此时，在第三控制器46对负压吸引单元42控制操作的第二实施例情况下。在此，图8中水平轴表示压差(P4-PSTD2)，压力PSTD2是第三控制器46所预设的一个基准值，并且其落于0＜PSTD2＜Pa(Pa是大气压)的范围内。图8中垂直轴表示负压吸引单元42转动次数。此时负压吸引单元42的结构和功能与第一示例中的负压吸引单元42的结构和功能相同。
参考图8，首先当第四传感器45所测量的压力P4大约等于压力PSTD2时，负压吸引单元42按照预定的转动次数R0旋转。
随后，当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)大于γ3(γ3＞0)时，第三控制器46控制使负压吸引单元42转动次数增加到R1(R1＞R0)。在此，压力γ3是第三控制器46所预设的，转动次数R1也是第三控制器46所预设的。结果，如果增加负压吸引单元42的转动次数，负压吸引单元42将第三空间部分40内更大量的气体提供到气体处理单元内。因此第三空间部分40内气压P4下降。
此后，当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)小于γ4(0＜γ4＜γ3)时，第三控制器46使负压吸引单元42的转动次数返回到R0。在这种情况下，压力γ4是第三控制器46所预设的。
当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)小于-γ5(γ5＞0)时，第三控制器46使负压吸引单元42的转动次数减少到R2(R2＜R0)。在这种情况下，压力γ5是第三控制器46所预设的。转动次数R2也是第三控制器46所预设的。结果，如果降低负压吸引单元42的转动次数，负压吸引单元42减少了从第三空间部分40向气体处理单元提供的气体量。因此第三空间部分40内气压P4增加。
此后，当第四传感器45所测量的压力P4和压力PSTD2之间的压差(P4-PSTD2)增加到大于压力γ6(0＜γ6＜γ5)时，第三控制器46使负压吸引单元42的转动次数返回到R0。此时压力γ6是第三控制器46所预设的。
在这种情况下，希望负压吸引单元42和第三控制器46与一个备用能源(图中未示)相连，因此即使切断向负压吸引单元42和第三控制器46提供能量，负压吸引单元42和第三控制器46也可以操作。
以下，作为一个对根据本发明轴密封装置的修改示例，有可能进一步包括M个通过干式气封与第二空间部分36相连的空间分段(M是一个整数，满足关系式M≥1)。在这种情况下，彼此相邻的空间分段被干式气封所密封，而每个空间分段是一个被类似第二外壁部分36a的外壁部分和旋转轴6所限定的空间。同样，干式气封的结构和功能与第一干式气封22相同。
下文介绍M个空间分段的布置。首先，在轴线方向6a上邻接第二部分3b设置第一空间分段，同样，在轴线方向6a上邻接第L个(L是一个整数，满足关系式1≤L≤M)空间分段位置设置第(L+1)个空间分段。此外，在轴线方向6a上，第三空间部分40邻接第M个空间分段。
第L个空间分段与穿过类似于第二空间部分36外壁部分的管道相连。当L≥2时，通过第L个用于氦气再循环的缓冲罐和第L个氦气再循环压缩机，该管道从第L个空间分段到第(L-1)个空间分段连接。同样，当L＝1时，通过第一个用于氦气再循环的缓冲罐和第一个氦气再循环压缩机，该管道将第L个空间分段与第二空间部分相连。第L个用于氦气再循环缓冲罐的结构和功能和与第二空间部分36相连用于氦气再循环的缓冲罐35的结构和功能相同。同样，第L个氦气再循环压缩机的结构和功能和与第二空间部分36相连的氦气再循环压缩机34的结构和功能相同。
此外，类似于第二空间部分36，第L个压力传感器设置在第L个空间分段内，以用于测量第L个空间分段内的气压。第L个压力传感器与第L个控制器相连，以用于控制氦气再循环压缩机的操作。在此情况下，第L个控制器的功能与第二控制器38的功能相同，除了由第二控制器38所预设的作为基准压力的PSTD不同之外。假定第L个控制器所预设的基准压力是PSTD(L)，当2≤L＜M时，PSTD(L)满足关系式PSTD(L-1)-β＞PSTD(L)+β。同样，当L＝1时，PSTD(1)满足关系式PSTD-β＞PSTD(1)+β。此外，当L＝M时，压力PSTD(M)被设定为满足关系式PSTD(M-1)-β＞PSTD(M)+β，而且PSTD(M)-β＞PSTD(2)。在这种情况下，压力β是第L个控制器和第二控制器38所预设的。而PSTD2是第三控制器46所预设的基准压力。
如上所述，第L个空间分段内的气压被控制成总是比第(L-1)个空间分段内的气压低。从而，少量气体从第(L-1)个空间部分通过第L个空间部分和第(L-1)个空间部分之间的干式气封流到第L个空间部分。当旋转轴6处于转动状态时，这些M个空间部分允许少量氦气从第二空间部分36流到第三空间部分40，但是阻止气体从第三空间部分40流到第二空间部分36。
如上所述，在本发明氦气汽轮机发电系统中，利用一种轴密封装置，将汽轮机设置在压力容器内，将发电机设置在压力容器外。因此，在本发明氦气汽轮机发电系统中，与传统示例相比，压力容器尺寸可以被制造得减小发电机那么大。
在本发明氦气汽轮机发电系统中，可以减少对氦气汽轮机发电系统中压力容器的维修工艺。
此外，在本发明轴密封装置中，当在一相对大尺寸的氦气汽轮机发电系统中，将汽轮机设置在压力容器内，将发电机设置在压力容器外时，能够密封汽轮机和发电机之间的旋转轴部分，从而在压力容器内循环的氦气不会泄漏到压力容器外。
权利要求
1.一种设置在充满第一气压的第一气体的容器和作为转动轴的旋转轴之间的轴密封装置，所述旋转轴穿过所述容器，所述设备包括设置在所述旋转轴和所述容器之间的第一干式气封部分以使所述旋转轴是可转动并存在一个具有第二气压的第一空间部分；在所述第一干式气封部分之后设置在所述旋转轴和所述容器之间的第二干式气封部分，以使所述旋转轴可转动并存在具有第三气压的第二空间部分；在所述第二干式气封部分之后设置在所述旋转轴和所述容器之间的第三干式气封部分，以使所述旋转轴可转动并存在具有第四气压的第三空间部分；其中，所述第一气压小于所述第二气压，所述第二气压高于所述第三气压，所述第三气压高于所述第四气压和大气压，而所述第四气压小于所述大气压。
2.根据权利要求1所述的轴密封装置，其特征在于，所述第一干式气封部分包括控制所述第二气压以使所述第二气压比所述第一气压高的第一气压控制部分。
3.根据权利要求2所述的轴密封装置，其特征在于，所述第一气压控制部分包括设置在所述容器内的第一压力传感器，以用于测量所述第一气压；设置在所述第一空间部分内的第二压力传感器，以用于测量所述第二气压；气体供给单元，其将气压高于所述第二气压的气体提供到所述第一空间部分；与所述第一空间部分和所述气体供给单元相连的阀；第一控制部分，其基于所述第一压力传感器所测量的所述第一气压和所述第二压力传感器所测量的所述第二气压，控制用于所述气体供给单元的阀，以将所述气体提供到所述第一空间部分，从而使所述第二气压高于所述第一气压。
4.根据权利要求3所述的轴密封装置，其特征在于，基于所述第一压力传感器所测量的所述第一气压和所述第二压力传感器所测量的所述第二气压，所述第一控制部分控制用于所述气体供给单元的阀，以向所述第一空间部分提供气体以在预定的第一范围内具有迟滞特性，从而使所述第二气压总是大于所述第一气压。
5.根据权利要求2所述的轴密封装置，其特征在于，所述第一空间部由所述旋转轴、所述轴密封装置的一个壁、第一干式气封和第二干式气封限定，所述第一干式气封向所述容器内部开口，且所述第二干式气封由所述第二空间部分所共用。
6.根据权利要求1所述的轴密封装置，其特征在于，所述第三干式气封部分包含控制所述第四气压以使所述第四气压比所述第三气压和大气压低的第三气压控制部分。
7.根据权利要求6所述的轴密封装置，其特征在于，第三气压控制部分包括设置在所述第三空间部分内的第四压力传感器，以用于测量所述第四气压；与所述第三空间部分相连的抽气单元；以及基于第四压力传感器所测量的第四气压而控制所述抽气单元以使所述第四气压比所述第三气压和大气压低的第三控制部分。
8.根据权利要求7所述的轴密封装置，其特征在于，基于第四压力传感器所测量的第四气压，所述第三控制部分控制所述抽气单元以在预定的第三范围内具有迟滞特性，从而使所述第四气压比所述第三气压和所述大气压低。
9.根据权利要求6所述的轴密封装置，其特征在于，所述第三空间部分由所述旋转轴、所述轴密封装置的一个壁、第三干式气封和一个迷宫式密封限定，并且所述迷宫式密封通向大气层，所述第三干式气封由所述第二空间部分共用。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述第二干式气封部分包括控制所述第三气压的第二气压控制部分，以使所述第三气压比所述第二气压低但是比大气压高。
11.根据权利要求10所述的轴密封装置，其特征在于，所述第二气压控制部分包括设置在所述第二空间部分内的第三压力传感器，以用于测量所述第三气压；气体再循环单元，其使气体从所述第二空间部分再循环进入所述第一空间部分；以及基于第三压力传感器所测量的所述第三气压而控制所述气体再循环单元的第二控制部分，以使所述第三气压比所述第二气压低但比大气压高。
12.根据权利要求11所述的轴密封装置，其特征在于，基于第三压力传感器所测量的所述第三气压，所述第二控制部分控制所述气体再循环单元以在预定第二范围内具有迟滞特性，从而使所述第三气压比所述第二气压低但总是比大气压高。
13.根据权利要求10所述的轴密封装置，其特征在于所述第二空间部分由所述旋转轴、所述轴密封装置的一个壁、第二干式气封和第三干式气封限定，而所述第二干式气封由所述第一空间部分共用，且所述第三干式气封被所述第三空间部分共用。
14.根据权利要求1至9中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述第二干式气封部分包括N个串联的干式气封分段(N是一个大于1的整数)，所述第二空间部分包括N个空间分段，所述N个干式气封分段的第M个(2≤M≤N)包括第M个空间分段；以及控制第M个空间部分的第M个气压的第二气压控制部分，以使第M个空间部分的第M个气压比第(M-1)个空间部分的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间部分的第(M+1)个气压和所述大气压高。
15.根据权利要求14所述的轴密封装置，其特征在于，所述第M个气压控制部分包括设置在所述第M个空间分段的第M个压力传感器，以测量所述第M个气压；第M个气体再循环单元，它使气体从第M个空间分段再循环进入所述第(M-1)个空间分段；以及第M个控制部分，其基于所述第M个压力传感器所测量的第M个气压，控制所述第M个再循环装置，以使所述第M个空间分段的第M个气压比第(M-1)个空间分段的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间分段的第(M+1)个气压和大气压高。
16.根据权利要求15所述的轴密封装置，其特征在于，基于所述第M个压力传感器所测量的第M个气压，所述第M个控制部分控制所述第M个气体再循环单元以在预定范围内具有迟滞特性，从而使所述第M个空间分段的第M个气压比第(M-1)个空间分段的第(M-1)个气压低，但是比第(M+1)个空间分段的第(M+1)个气压和所述大气压高。
17.根据权利要求14所述的轴密封装置，其特征在于，所述第M个空间部分由所述旋转轴、所述轴密封装置的一个壁、第(M-1)个干式气封和第M个干式气封限定，所述第(M-1)个干式气封由所述第(M-1)个空间分段共用，所述第M个干式气封由所述第(M+1)个空间分段共用。
18.根据权利要求1至9中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述气体是氦气。
19.根据权利要求18所述的轴密封装置，其特征在于，所述气体处于700℃～1000℃的温度范围内。
20.一种汽轮机发电系统，包括气体反应堆，其加热所述气体以产生热气；与所述反应堆相连的所述容器；安装在所述容器内并由所述热气旋转的汽轮机；为所述容器和所述汽轮机设置的隔离元件，以用于将所述容器内部分成第一和第二部分；设置在所述容器外并通过旋转轴与所述气轮机相连的发电机；以及设置在所述旋转轴和所述容器之间，如权利要求1至19中任一项所述的轴密封装置。
21.根据权利要求20所述的汽轮机发电系统，其特征在于，还包括循环单元，其使所述热气从所述第二部分循环进入所述第一部分；
22.一种在充满气体的第一部分和处于大气中第二部分之间密封的方法，包括如下步骤在所述第一部分和所述第二部分之间设置第一至第三空间部分；控制所述第一空间部分内的第二气压以使该气压高于第一部分内的第一气压；控制所述第二空间部分内第三气压以使该气压低于所述第三部分内的第四气压但高于大气压；以及控制所述第四气压以使其低于大气压。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，第一干式气封设置在所述第一部分和所述第一空间部分之间，第二干式气封设置在所述第一空间部分和所述第二空间部分之间，并且，第三干式气封设置在所述第二空间部分和所述第三空间部分之间。
全文摘要
一种设置在充满第一气压的第一气体的容器和穿过所述容器的旋转轴之间的轴密封装置。轴密封装置包含第一至第三干式气封部分。第一干式气封部分设置成所述旋转轴是可转动的，并存在具有第二气压的第一空间部分。第二干式气封部分设置在所述第一干式气封部分之后以使所述旋转轴是可转动并存在具有第三气压的第二空间部分。第三式气封部分设置在所述第二干式气封部分之后以使所述旋转轴是可转动并存在一个具有第四气压的第三空间部分。所述第一气压小于所述第二气压，所述第二气压高于所述第三气压，所述第三气压高于所述第四气压和大气压，而所述第四气压小于所述大气压。
文档编号F01D15/10GK1431387SQ0210478
公开日2003年7月23日 申请日期2002年1月8日 优先权日2002年1月8日
发明者赤泽逸生, 弘本晃, 堤孝则, 前川和彦 申请人:三菱重工业株式会社