本发明属于涡轮机技术领域，具体涉及一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机。
背景技术：
在特定气源压力工况下现有小型涡轮机基本都存在输出功率比较单一不可调的情况；且结构设计中动密封主要以接触式机械动密封为主，此种密封结构涡轮机很难适用于高温高背压工质的工况，或在高温高压工质作用下，动密封耐磨性较低，容易导致动密封失效；同时，涡轮机在高温工质及长期工作过程中，轴承运转所产生的热量不易散发而导致轴系工作稳定性及可靠性下降；且在轴系结构中，轴承大多采用定位预紧或弹性波浪圈式定压预紧，弹性波浪圈存在非线性强，弹力值变化较大不稳定情况；基于现有背景技术设计研发了适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，能够在高温高背压工质作用下，完成流体热能至超高速机械轴功率的转换。
本发明采用的技术方案：
一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，包括涡轮轴系组件、干气密封组件、机械动密封组件、壳体组件、冷却水套组件；涡轮轴系组件穿过并安装在壳体组件内部，干气密封组件位于壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接，冷却水套组件定位安装在壳体组件外部，机械动密封组件安装在壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接。
所述涡轮轴系组件包括整体式涡轮转子、螺旋槽动环、轴套、滚动轴承、滚动轴承、密封动环、定位套筒、花螺母；
螺旋槽动环套在整体式涡轮转子的轴上，并且压在整体式涡轮转子的涡轮盘上，螺旋槽动环与整体式涡轮转子的涡轮盘之间设有o型密封圈；轴套紧压螺旋槽动环；滚动轴承套轴上，并与轴套接触；滚动轴承套在轴上，并通过阶梯限位；密封动环套在轴上并压紧滚动轴承，密封动环与轴之间设有o型密封圈；定位套筒套在轴上并压紧密封动环；花螺母与整体式涡轮转子轴通过螺纹连接并压紧定位套筒。
所述干气密封组件包括干气密封壳体、弹性挡圈、石墨静环、静环挡圈、压缩弹簧，o型密封圈，o型密封圈；弹性挡圈安装在密封壳体的弹性挡圈槽内，8个压缩弹簧沿周向均匀搁置在干气密封壳体的弹簧孔中，静环挡圈放置在压缩弹簧上，石墨静环搁置在静环挡圈上，干气密封壳体环形槽内有对应的凸台形成对石墨静环、静环挡圈的周向限位作用；密封壳体的外壁上设置有o型密封圈，静环挡圈与密封壳体接触处设置有o型密封圈。
所述石墨静环、静环挡圈通过半圆形凹槽定位在密封壳体的半圆形凸台上，压缩弹簧对静环挡圈、石墨静环提供轴向弹力，保证工作时石墨静环可以和轴系组件中的螺旋槽动环紧密贴合一起，形成动密封摩擦副。
所述机械动密封组件包括压缩弹簧、o型密封圈、密封壳体、导向螺钉、静环座、石墨静环；6个压缩弹簧沿周向均匀放置于密封壳体中对应的弹簧孔内，静环座通过导向螺钉与密封壳体连接，静环座放置于压缩弹簧的端面上，石墨静环通过环氧树脂与静环座粘接在一起；压缩弹簧对石墨静环提供轴向弹力。
石墨静环与轴系组件中的密封动环形成另一道动密封摩擦副。
所述壳体组件包括涡轮壳体、涡轮盖、进气喷嘴、预紧弹簧、轴承挡圈、限流螺钉、转接头、转接头、转接头，堵头、堵头、堵头、堵头，o型密封圈、o型密封圈；涡轮盖通过其上凸台与涡轮壳体上的凹槽进行定位；进气喷嘴上设有喷嘴和定位孔，进气喷嘴，并通过定位孔和定位销钉与涡轮壳体连接定位，通过涡轮盖对其压紧，通过调整进气喷嘴上不同的定位孔与涡轮壳体进行定位；压缩弹簧搁置于涡轮壳体中，轴承挡圈放置于预紧弹簧端面上，预紧弹簧形成对轴承挡圈向左的弹力；同时涡轮壳体上有凸台对轴承挡圈进行向右限位；各转接头、堵头与涡轮壳体相连接处都有密封铜垫进行静密封。
通过进气接头进气，通过进气喷嘴上喷嘴完成气体焓降至动能的转换进而驱动涡轮旋转，通过排气接头完成排气。
通过转接头可以为涡轮机中滚动轴承，滚动轴承及动密封摩擦副提供润滑冷却。
通过转接头也可以为干气密封组件提供密封干气。
所述冷却水套组件包括冷却水套、排油接头、o型密封圈、o型密封圈、o型密封圈、密封铜垫、进排水接头；冷却水套通过其内圆套在涡轮壳体的外圈上，冷却水套内表面开有轴向及周向冷却水流道，并通过拧紧在冷却水套上的排油接头的下部圆柱段形成与涡轮壳体的定位；排油接头同时起着涡轮壳体内轴承腔排油孔作用；进排水接头拧紧至冷却水套上，通过进排水接头可以对冷却水套完成冷却水供水及排水，形成对壳体组件的冷却散热。
所述轴系组件配合壳体组件的作用形成一套稳定运转的涡轮轴系，壳体组件内安装轴承位置处有对应的凸台对滚动轴承的左侧外圈进行限位，通过限位保证零件螺旋槽动环、轴套稳定地装配于整体式转子上；壳体组件内的轴承挡圈对滚动轴承的右侧外圈进行限位，壳体组件内的预紧弹簧压紧轴承挡圈，形成对滚动轴承外圈的向左预紧力。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，能够通过对该发明中进气喷嘴进行圆周方向旋转定位，直接调整工作中进气喷嘴数量，进而调整特定气源工况下涡轮机工作进气量及输出功率，实现一台涡轮机在不更换任何零件的情况下，在较大功率范围内，满足不同功率需求；
(2)本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，密封结构采用非接触式干气密封，并通过对涡轮机壳体及密封壳体相关部位开槽及流道，引入外部低温流体工质对密封摩擦副部位进行冷却降温，改善摩擦副工作环境，提高高温高压环境下涡轮机密封的耐磨性及可靠性；
(3)本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，通过在涡轮机轴承腔外壳体设置冷却水通道，工作过程中引入冷却水对轴承腔外壳体进行冷却散热，由此降低轴承工作温度，改善轴承工作环境，提高涡轮机工作可靠性；
(4)本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，采用一压缩弹簧代替弹性波浪圈对轴承进行定压预紧，具有较稳定的弹力值。
附图说明
图1为本发明提供的涡轮机结构剖视图；
图2为本发明提供的涡轮机左视图；
图3为涡轮轴系组件结构示意图；
图4为干气密封组件结构示意图；
图5为机械动密封组件结构示意图；
图6为壳体组件垂直剖面结构示意图；
图7为壳体组件水平剖面结构示意图；
图8为进气喷嘴结构示意图；
图9为冷却水套组件垂直剖面结构示意图；
图10为冷却水套组件水平剖面结构示意图；
图11为螺旋槽密封动环结构示意图；
图12为干气密封壳体右视图；
图13为石墨静环结构右视图；
图14为静环挡圈结构右视图；
图15为静环组件结构方案图；
图16为进气喷嘴剖面结构方案图；
图17为润滑油流动通道结构示意图；
图18为干气密封供气结构示意图；
图19为冷却水循环结构示意图；
图20为涡轮机进排气结构示意图；
图中：1-涡轮轴系组件、2-干气密封组件、3-机械动密封组件、4-壳体组件、5-冷却水套组件、6-整体式涡轮转子、7-螺旋槽动环、8-轴套、9-滚动轴承一、10-滚动轴承二、11-密封动环、12-定位套筒、13-花螺母、14-o型密封圈一、15-o型密封圈二、16-干气密封壳体、17-弹性挡圈、18-石墨静环、19-静环挡圈、20-压缩弹簧、21-o型密封圈三、22-o型密封圈四、23-密封壳体、24-导向螺钉、25-静环座、26-石墨静环、27-涡轮壳体、28-涡轮盖、29-进气喷嘴、30-预紧弹簧、31-轴承挡圈、32-o型密封圈、33-o型密封圈、34-密封铜垫、35-堵头、36-密封铜垫、37-转接头、38-密封铜垫、39-堵头、40-密封铜垫、41-转接头、42-转接头、43-堵头、44-密封铜垫、45-密封铜垫、46-堵头、47-喷嘴、48-定位孔、49-限流螺钉、50-密封铜垫、51-冷却水套、52-排油接头、53-o型密封圈、54-o型密封圈、55-o型密封圈、56-密封铜垫、57-进排水接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种适用于高温高背压干气密封结构的超高速涡轮机，包括涡轮轴系组件1、干气密封组件2、机械动密封组件3、壳体组件4、冷却水套组件5；涡轮轴系组件1穿过并安装在壳体组件4内部，干气密封组件2位于壳体组件4内部并与涡轮轴系组件1连接，冷却水套组件5定位安装壳体组件1外部，机械动密封组件3安装在壳体组件4内部，并与轴系组件1连接。
如图3所示，涡轮轴系组件1包括整体式涡轮转子6、螺旋槽动环7、轴套8、滚动轴承一9、滚动轴承二10、密封动环11、定位套筒12、花螺母13、o型密封圈一14、o型密封圈二15；螺旋槽动环7套在整体式涡轮转子6的第五段轴上，并且压在整体式涡轮转子6的涡轮盘上，螺旋槽动环7与整体式涡轮转子6的涡轮盘之间设有o型密封圈一14；轴套8紧压螺旋槽动环7并通过第五段轴的阶梯限位；滚动轴承一9套在第四段轴上，并与轴套8接触；滚动轴承二10套在第三段轴上，并通过第三段轴的阶梯限位；密封动环11套在第二段轴上并压紧滚动轴承10，密封动环11与第二段轴之间设有o型密封圈二15；定位套筒12套在第二段轴上并压紧密封动环11；花螺母13与整体式涡轮转子6第二段轴通过螺纹连接并压紧定位套筒12；通过拧紧花螺母13依次压紧定位套筒12，密封动环11及滚动轴承10后形成对轴系组件1向右运动的限位；进而通过拧紧花螺母13的反作用力，向左拉动整体式涡轮转子6后，再依次形成转子轮盘对螺旋槽动环7、轴套8及滚动轴承9的压紧，最终形成对轴系组件1向左运动的限位；o型密封圈14、o型密封圈15对两动环起辅助静密封作用。
如图4所示，干气密封组件2包括干气密封壳体16、弹性挡圈17、石墨静环18、静环挡圈19、压缩弹簧20，o型密封圈三21，o型密封圈四22；弹性挡圈17安装在密封壳体16的弹性挡圈槽内，8个压缩弹簧20沿周向均匀搁置在干气密封壳体16的弹簧孔中，静环挡圈19放置在压缩弹簧20上，石墨静环18搁置在静环挡圈19上，弹性挡圈17石墨静环18起限制轴向移动作用，干气密封壳体16环形槽内有对应的凸台形成对石墨静环18、静环挡圈19的周向限位作用；石墨静环18、静环挡圈19通过半圆形凹槽定位在密封壳体16的半圆形凸台上，压缩弹簧20对静环挡圈19、石墨静环18提供轴向弹力，保证工作时石墨静环18可以和轴系组件1中的螺旋槽动环7紧密贴合一起，形成动密封摩擦副；密封壳体16的外壁上设置有o型密封圈三21，静环挡圈19与密封壳体16接触处设置有o型密封圈四22，o型密封圈三21和o型密封圈四22对各接合面起辅助静密封作用。
如图5所示，机械动密封组件3包括压缩弹簧20、o型密封圈14、密封壳体23、导向螺钉24、静环座25、石墨静环26；6个压缩弹簧20沿周向均匀放置于密封壳体23中对应的弹簧孔内，静环座25通过导向螺钉24与密封壳体23连接，静环座25放置于压缩弹簧20的端面上，石墨静环26通过环氧树脂与静环座25粘接在一起；石墨静环26与轴系组件1中的密封动环11形成另一道动密封摩擦副，压缩弹簧20对石墨静环26提供轴向弹力。
如图6和图7所示，壳体组件4包括涡轮壳体27、涡轮盖28、进气喷嘴29、预紧弹簧30、轴承挡圈31、限流螺钉49及密封铜垫34、密封铜垫36、密封铜垫38、密封铜垫40、密封铜垫44、密封铜垫45、密封铜垫50，转接头37、转接头41、转接头42，堵头35、堵头39、堵头43、堵头46，o型密封圈32、o型密封圈33；涡轮盖28通过其上凸台与涡轮壳体27上的凹槽进行定位，并通过螺栓连接；如图8所示，进气喷嘴29上设有喷嘴47和定位孔48，进气喷嘴29，并通过定位孔48和定位销钉与涡轮壳体27连接定位，通过涡轮盖28对其压紧，通过调整进气喷嘴29上不同的定位孔48与涡轮壳体27进行定位，可以对涡轮实现调整进气喷嘴数量；压缩弹簧30搁置于涡轮壳体27中，轴承挡圈31放置于预紧弹簧30端面上，预紧弹簧30形成对轴承挡圈31向左的弹力；同时涡轮壳体27上有凸台对轴承挡圈31进行向右限位；通过进气接头37进气，通过进气喷嘴29上喷嘴47完成气体焓降至动能的转换进而驱动涡轮旋转，通过排气接头41完成排气；通过转接头42可以为涡轮中滚动轴承9，10及动密封摩擦副提供润滑冷却；通过转接头42也可以为干气密封组件2提供密封干气，各转接头、堵头与涡轮壳体27相连接处都有密封铜垫进行静密封，o型密封圈对各接合面提供静密封作用。
如图9和图10所示，冷却水套组件5包括冷却水套51、排油接头52、o型密封圈53、o型密封圈54、o型密封圈55、密封铜垫56、进排水接头57；冷却水套51通过其内圆套在涡轮壳体27的外圈上，冷却水套51内表面开有轴向及周向冷却水流道，并通过拧紧在冷却水套51上的排油接头52的下部圆柱段形成与涡轮壳体27的定位；排油接头52同时起着涡轮壳体27内轴承腔排油孔作用。进排水接头57拧紧至冷却水套51上，通过进排水接头57可以对冷却水套51完成冷却水供水及排水，形成对壳体组件4的冷却散热，转接头处各类密封铜垫及o型密封圈对各接合面起静密封作用。
轴系组件1配合壳体组件4的作用形成一套稳定运转的涡轮轴系,壳体组件4内安装轴承位置处有对应的凸台对滚动轴承9的左侧外圈进行限位，通过限位保证零件螺旋槽动环7、轴套8稳定地装配于整体式转子6上；壳体组件4内的轴承挡圈31对滚动轴承10的右侧外圈进行限位，壳体组件4内的预紧弹簧30压紧轴承挡圈31，形成对滚动轴承10外圈的向左预紧力。
本发明的工作原理为：
轴系组件1通过滚动轴承9、10定位安装于壳体组件4中，壳体组件4中预紧弹簧30形成对滚动轴承9、10的预紧作用，干气密封组件2通过密封壳体16上的螺钉孔与壳体组件4中涡轮壳体27右端面相固定连接，机械动密封组件3通过密封壳体23上螺钉孔与壳体组件4中涡轮壳体27左端面相固定连接，冷却水套组件5通过冷却水套51内孔面与涡轮壳体27外圆柱面轴向定位，并通过冷却水套51的法兰面螺钉孔实现与涡轮壳体27的固定连接。轴系组件1中螺旋槽密封动环7，密封动环11分别与干气密封组件2中石墨静环18，机械密封组件3中石墨静环26形成两道动密封，将涡轮壳体27内轴承工作腔分别与涡轮腔及外界进行密封隔离。工作过程中，润滑油循环油路、干气密封供气路、冷却水循环路及吹动涡轮的高压气源气路示意图见图17～图20所示意。