烟气轮机的密封结构和烟气轮机的制作方法

1.本公开涉及石油化工装备技术领域，特别涉及一种烟气轮机的密封结构和烟气轮机。


背景技术：

2.在石油炼制过程中，通常会将催化裂化装置上产生的烟气输送至烟气轮机，以驱动烟气轮机的叶轮转动，并利用烟气轮机产生的机械能带动发电设备发电，达到回收能量的目的。转子轴是烟气轮机的核心部件，转子轴安装于箱体内，依靠箱体内前后轴承支撑运转，转子轴的一端伸出箱体并穿过位于箱体和叶轮之间的密封壳体，与叶轮通过连接件同轴组装。烟气轮机工作时，高温烟气通过烟气轮机并驱动叶轮转动，以带动整个转子旋转从而输出机械能。
3.相关技术中，密封壳体内通常会设置密封件，以防止烟气轮机工作时高温烟气从叶轮处泄漏至箱体内。其中，密封件多为梳齿片或蜂窝带，梳齿片和蜂窝带均为环状结构，且套装在转子轴上，通过梳齿片和蜂窝带与转子轴配合，以在转子轴的外壁上形成迷宫，从而防止烟气泄漏并进入到箱体内。
4.然而，梳齿片、蜂窝带在磨损后，与转子轴之间的间隙会增大，造成密封失效；且梳齿片、蜂窝带容易被烟气腐蚀破坏，导致高温烟气中的催化剂等异物进入箱体内，出现催化剂堵塞的问题。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种烟气轮机的密封结构和烟气轮机，能避免因磨损而造成的密封失效问题，且可以防止催化剂堵塞。所述技术方案如下：
6.本公开实施例提供了一种烟气轮机的密封结构，所述密封结构包括：密封壳体，具有内孔；转子轴，同轴可自转地插装在所述内孔中，所述转子轴具有用于与叶轮连接的输入端，所述输入端穿出所述密封壳体；第一挡环，位于所述密封壳体内且同轴套装在转子轴外，所述第一挡环的外边缘与所述密封壳体密封固定连接；环形刷，所述环形刷的外壁面与所述密封壳体固定密封连接且同轴套装在转子轴外，所述环形刷上与所述转子轴相对的部分与所述转子轴相抵，且所述环形刷的刷毛处于弹性形变状态，所述第一挡环位于所述输入端和所述环形刷之间。
7.在本公开实施例的一种实现方式中，所述环形刷包括：连接环和刷毛，所述刷毛沿所述连接环的内壁面环绕分布于所述连接环内，所述连接环的外壁面与所述密封壳体固定密封连接，所述刷毛与所述转子轴的外壁面相抵且保持弯曲状态。
8.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述刷毛为镍基高温合金丝，所述镍基高温合金丝的直径为0.007mm至0.01mm。
9.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述转子轴上和所述镍基高温合金丝相抵的位置对应的半径与对应的所述镍基高温合金丝之间具有夹角。
10.在本公开实施例的另一种实现方式中，按照重量百分比，所述镍基高温合金丝采用以下材料：cr为14～17％、fe为5～9％、70％≤ni+go≤77.65％、nb+ta为0.7～1.2％、al+ti为2.65～3.75％、s≤0.01％、p≤0.015％。
11.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述密封结构还包括密封件，所述密封件位于所述密封壳体内且同轴套装在所述转子轴外，所述密封件的外边缘与所述密封壳体固定密封连接，所述环形刷位于所述密封件和第一挡环之间。
12.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述密封件包括：依次间隔排布在所述转子轴外的第一密封环、第二密封环和第三密封环，所述环形刷和所述第一密封环之间具有第一密封空腔，所述第一密封环和所述第二密封环之间具有抽气空腔，所述第二密封环和所述第三密封环之间具有第二密封空腔，所述密封壳体上具有与所述第一密封空腔连通的第一注入孔，与所述第二密封空腔连通的第二注入孔，与所述抽气空腔连通的抽气孔，所述第一注入孔用于注入蒸汽，所述第二注入孔用于注入空气，所述抽气孔用于与风机连通。
13.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述密封结构还包括第二挡环，所述第二挡环位于所述密封壳体内且同轴套装在所述转子轴外，所述第二挡环的外边缘与所述密封壳体固定密封连接，所述环形刷和所述密封件均位于所述第一挡环和所述第二挡环之间，且所述第一挡环和所述第二挡环分别位于所述密封壳体的内孔的两端。
14.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述第一密封环和所述第二密封环均为蜂窝密封环，所述第三密封环与所述环形刷的结构相同。
15.本公开实施例公开了一种烟气轮机，所述烟气轮机包括前文所述的烟气轮机的密封结构。
16.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
17.本公开实施例提供烟气轮机的密封结构包括密封壳体、转子轴、第一挡环和环形刷，其中，转子轴是可自转地安装在密封壳体内，且输入端位于密封壳体外用于和烟气轮机的叶轮连接。在密封壳体内的第一挡环套装在转子轴外，且第一挡环的外边缘和密封壳体固定密封连接，即在密封壳体和转子轴之间形成一圈隔离结构，以隔离高温烟气、催化剂，减少进入密封壳体内的高温烟气，且避免位于第一挡环后的环形刷受到高温烟气和催化剂的腐蚀破坏。同时，沿转子轴的轴向在第一挡环后还设置有环形刷，环形刷上和转子轴相对的部分是和转子轴相抵的，且使环形刷的刷毛处于弹性形变状态，即当转子轴转动过程中环形刷出现磨损后，弹性形变状态的环形刷会逐步恢复原状，以填补环形刷和转子轴之间的间隙，从而避免环形刷出现密封失效的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本公开实施例提供的一种烟气轮机的结构示意图；
20.图2是本公开实施例提供的一种烟气轮机的密封结构的示意图；
21.图3是本公开实施例提供的一种环形刷与转子轴的装配示意图；
22.图4是本公开实施例提供的一种环形刷的密封效果示意图。
23.11-密封壳体，12-叶轮；
24.2-转子轴，21-输入端；
25.31-第一挡环，32-第二挡环；
26.4-环形刷，41-连接环，42-刷毛；
27.51-第一密封环，52-第二密封环，53-第三密封环，501-蜂窝带，502-连接带；
28.61-第一密封空腔，62-第二密封空腔，63-抽气空腔；
29.71-第一注入孔，72-第二注入孔，73-抽气孔。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
31.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
32.图1是本公开实施例提供的一种烟气轮机的结构示意图。如图1所示，该烟气轮机中设有用于隔离高温烟气的密封结构，该密封结构包括：密封壳体11、转子轴2、第一挡环31和环形刷4。
33.如图1所示，同轴可自转地插装在内孔中，转子轴2具有用于与叶轮12连接的输入端21，输入端21穿出密封壳体11。
34.图2是本公开实施例提供的一种烟气轮机的密封结构的示意图。如图2所示，第一挡环31位于密封壳体11内且同轴套装在转子轴2外，第一挡环31的外边缘与密封壳体11密封固定连接。
35.如图2所示，环形刷4的外壁面与密封壳体11固定密封连接且同轴套装在转子轴2外，环形刷4上与转子轴2相对的部分与转子轴2相抵，且环形刷4的刷毛处于弹性形变状态，第一挡环31位于输入端21和环形刷4之间。
36.本公开实施例提供烟气轮机的密封结构包括密封壳体11、转子轴2、第一挡环31和环形刷4，其中，转子轴2是可自转地安装在密封壳体11内，且输入端21位于密封壳体11外用于和烟气轮机的叶轮12连接。在密封壳体11内的第一挡环31套装在转子轴2外，且第一挡环31的外边缘和密封壳体11固定密封连接，即在密封壳体11和转子轴2之间形成一圈隔离结构，以隔离高温烟气、催化剂，减少进入密封壳体11内的高温烟气，且避免位于第一挡环31后的环形刷4受到高温烟气和催化剂的腐蚀破坏。
37.同时，沿转子轴2的轴向在第一挡环31后还设置有环形刷4，环形刷4上和转子轴2
相对的部分是和转子轴2相抵的，且使环形刷4的刷毛处于弹性形变状态，即当转子轴2转动过程中环形刷4出现磨损后，弹性形变状态的环形刷4会逐步恢复原状，以填补环形刷4和转子轴2之间的间隙，从而避免环形刷4出现密封失效的问题。
38.本公开实施例中，第一挡环31可以是铜环，即第一挡环31为铜质圆环，铜环具备良好的耐高温性能，并且，由于烟气轮机的高温烟气中含有硫、磷等有害元素和催化剂，当这些元素在转子轴2位置和水蒸汽相遇时，生成酸性腐蚀介质，长时间作用于转子轴2的金属表面或者密封件就会出现腐蚀凹坑，而通过在环形刷4前设置铜环，可以有效地阻挡硫、磷等有害元素进入密封壳体11内，以避免对环形刷4造成腐蚀，且通过铜环可以阻挡催化剂进入密封壳体11，还可以避免催化剂沉积在环形刷4表面而影响环形刷4的密封性。
39.可选地，如图2所示，环形刷4可以包括：连接环41和刷毛42，刷毛42沿连接环41的内壁面环绕分布于连接环41内，连接环41的外壁面与密封壳体11固定密封连接，刷毛42与转子轴2的外壁面相抵且保持弯曲状态。
40.其中，连接环41作为刷毛42的安装座，以将刷毛42布置在连接环41上，连接环41则可以与密封壳体11连接，以将刷毛42固定在密封壳体11内。并且，刷毛42是环绕分布在连接环41的内壁面上，即实现刷毛42周向包覆转子轴2的目的，以提高刷毛42和转子轴2之间密封性，防止烟气通过刷毛42后进入密封壳体11内部。
41.同时，由于刷毛42还是与转子轴2的外壁面相抵，并保持弯曲状态，即刷毛42与转子轴2接触后处于压缩状态，若挤压刷毛42的外力消失后，刷毛42会自行形变回复至原状。所以，当转子轴2转动过程中刷毛42出现磨损后，压缩状态的刷毛42会逐步恢复原状，以填补刷毛42和转子轴2之间的间隙，从而避免刷毛42出现密封失效的问题。
42.在本公开的一些实现方式中，图3是本公开实施例提供的一种环形刷与转子轴的装配示意图。如图3所示，刷毛42可以是镍基高温合金丝，镍基高温合金丝的直径为0.007mm至0.01mm。
43.镍基高温合金丝是指由镍基高温合金制作而成的丝状物，镍基高温合金是指在650至1000℃下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力性能的一类合金，镍基高温合金简称镍基合金。
44.其中，多个镍基高温合金丝周向密布于连接环41的内壁面上，镍基高温合金丝的一端与连接环41的内壁面连接，镍基高温合金丝的另一端与转子轴2相抵且处于弯曲状态。
45.这样通过在连接环41的内壁面设置多个镍基高温合金丝，且多个镍基高温合金丝是周向紧密布置在连接环41上的，即在连接环41上可以形成镍基高温合金丝束。相较于梳齿片的密封结构，梳齿片上各个齿的间隙在0.25mm至0.5mm之间，由于镍基高温合金丝束是由镍基高温合金丝紧密并排在一起的，因而镍基高温合金丝束中的各个镍基高温合金丝之间间隙可以更加紧密，且各个镍基高温合金丝之间间隙可以在0.1mm至0.2mm之间，从而大幅提高密封结构对烟气的密封效果。
46.并且，作为刷毛42的镍基高温合金丝与转子轴2相抵后，更容易弯曲形变并保持弯曲状态，从而积蓄弹性恢复力，这样在镍基高温合金丝与转子轴2接触的端部受到磨损后，镍基高温合金丝可以自行形变以填补镍基高温合金丝和转子轴2之间的间隙，从而避免镍基高温合金丝出现密封失效的问题。
47.图4是本公开实施例提供的一种环形刷4的密封效果示意图。如图4所示，采用镍基
高温合金丝作为刷毛42后，若存在泄漏的烟气流入镍基高温合金丝束内，则烟气在镍基高温合金丝束内的流动情况可以包括以下几种。
48.第一种，如图4中a所示，此时烟气为同向流，其中，烟气进入镍基高温合金丝束前包括7束烟气流，7束烟气流沿同一方向进入镍基高温合金丝束内，并朝同一方向流动。如图4所示，烟气进入镍基高温合金丝束后在镍基高温合金丝的阻挡下，烟气流在镍基高温合金丝束内折射，以阻止烟气流通过镍基高温合金丝束，提高密封性。
49.第二种，如图4中b所示，此时烟气流为射流，其中，烟气进入镍基高温合金丝束前包括6束烟气流，该烟气流从叶轮12处喷射而来动力较大。如图4所示，烟气进入镍基高温合金丝束后在镍基高温合金丝的阻挡下，烟气流在镍基高温合金丝束内折射，以阻止烟气流通过镍基高温合金丝束，提高密封性。
50.第三种，如图4中c所示，此时烟气流为旋涡流，其中，烟气进入镍基高温合金丝束前包括1束烟气流，该烟气流进入镍基高温合金丝束后急速自旋。如图4所示，烟气进入镍基高温合金丝束后在镍基高温合金丝的阻挡下，烟气流在镍基高温合金丝束内折射，以阻止烟气流通过镍基高温合金丝束，提高密封性。
51.第四种，如图4中d所示，此时烟气流为横向流，其中，烟气进入镍基高温合金丝束前包括3束烟气流，该烟气流进若入镍基高温合金丝束横向流动。如图4所示，烟气进入镍基高温合金丝束后在镍基高温合金丝的阻挡下，烟气流在镍基高温合金丝束内折射，以阻止烟气流通过镍基高温合金丝束，提高密封性。
52.结合烟气在镍基高温合金丝束内的四种流动情况可知，本公开实施例中采用镍基高温合金丝作为刷毛42时，能较好地应对各种不同的烟气流，密封性更好。
53.如图3所示，转子轴2上和镍基高温合金丝相抵的位置对应的半径r与对应的镍基高温合金丝之间具有夹角α。这样将镍基高温合金丝倾斜布置在转子轴2上，镍基高温合金丝与转子轴2相抵后镍基高温合金丝，镍基高温合金丝会左右弯曲，使镍基高温合金丝处于弹性形变状态。当镍基高温合金丝与转子轴2接触的端部受到磨损后，镍基高温合金丝可以自行形变以填补镍基高温合金丝和转子轴2之间的间隙，从而避免镍基高温合金丝出现密封失效的问题。
54.示例性地，转子轴2上和镍基高温合金丝相抵的位置对应的半径r与镍基高温合金丝之间的夹角α为20
°
至160
°
。
55.可选地，镍基高温合金丝可以包括以下元素，每种元素的重量百分比为：cr为14～17％、fe为5～9％、ni+go≥70％、nb+ta为0.7～1.2％、al+ti为2.65～3.75％、s≤0.01、p≤0.015。
56.本公开实施例中，镍基高温合金丝采用镍基高温合金，其中，ni+go含量≥70％，可以更好的保护转子轴2，且使得镍基高温合金丝在高温下具有更好的弹性及塑性。
57.采用上述材质制作的刷丝，经过高温拉伸试验后，确定出该材料在700℃时仍能保持良好的弹性及塑性，能良好地适用于烟气烟机中高温烟气的工作环境。
58.可选地，如图2所示，密封结构还可以包括密封件，密封件位于密封壳体11内且同轴套装在转子轴2外，密封件的外边缘与密封壳体11固定密封连接，环形刷4位于密封件和第二挡环32之间。
59.由于密封件套装在转子轴2外，且密封件的外边缘和密封壳体11固定密封连接，即
在密封壳体11和转子轴2之间形成一层密封层，以进一步隔离高温烟气、催化剂，防止高温烟气泄漏。这样通过在环形刷4后还设置密封件，即使高温烟气通过环形刷4，还可以通过密封件以避免高温烟气进一步泄漏，防止密封壳体11内各部件受到高温烟气和催化剂的腐蚀破坏。
60.可选地，如图2所示，密封件可以包括：依次间隔排布在转子轴2外的第一密封环51、第二密封环52和第三密封环53，环形刷4和第一密封环51之间具有第一密封空腔61，第一密封环51和第二密封环52之间具有抽气空腔63，第二密封环52和第三密封环53之间具有第二密封空腔62。
61.如图2所示，密封壳体11上具有与第一密封空腔61连通的第一注入孔71，与第二密封空腔62连通的第二注入孔72，与抽气空腔63连通的抽气孔73，
62.其中，第一注入孔71用于注入蒸汽，第二注入孔72用于注入空气，抽气孔73用于与风机连通。
63.本公开实施例中，通过在环形刷4和第一密封环51之间设置第一密封空腔61，并通过第一注入孔71向第一密封空腔61内注入蒸汽，以形成气封层，即位于第一密封空腔61内的蒸汽可以用于密封高温烟气，保证高温烟气不从第一密封空腔61处泄漏。其中，蒸汽的压力可以高于高温烟气的压力，以避免高温烟气突破蒸汽形成的气封层。
64.通过在第一密封环51和第二密封环52之间设置抽气空腔63，该抽气空腔63和风机连通，通过风机可以将抽气空腔63内的气体抽出排走。通过设置抽气空腔63可以将从第一密封空腔61中泄漏出来的高温烟气抽出来排向大气，以便降低密封壳体11内的压力，并防止高温烟气继续向第二密封空腔62泄漏。
65.通过在第二密封环52和第三密封环53之间设置第二密封空腔62，并通过第二注入孔72向第二密封空腔62内注入空气，以形成气封层，即位于第二密封空腔62内的空气可以用于密封外部环境中的空气和高温烟气，保证外部环境中的空气和高温烟气不从第二密封空腔62处泄漏。
66.本公开实施例中，第一密封环51和第二密封环52均可以是蜂窝密封环。
67.其中，蜂窝密封环是一种呈正六面体的网格型材，蜂窝密封环正六面体的网格与转子轴2的外壁面相对，以使得网格能将高温烟气流切割分离为无数弱小涡流，对气流形成交叉阻尼，从而达到阻止高温烟气泄漏的密封效果。
68.如图2所示，蜂窝密封环可以包括蜂窝带501和连接带502，蜂窝带501沿连接带502的内壁面环绕分布于连接带502内，连接带502的外壁面与密封壳体11固定密封连接，蜂窝带501则与转子轴2的外壁面相对。
69.本公开实施例中，蜂窝密封环中各元素的重量百分比含量如下：ni为40-46％，co为0.5％至2.5％，cr为20.5％至23％，fe为17％至20％，mo为8％至10％，w为0.2％至1.0％，mn为0至1.0％，使得蜂窝密封环具备良好的弹性及塑性。
70.可选地，如图2所示，第三密封环53可以是环形刷4，即第三密封环53可以包括：连接环41和刷毛42，刷毛42沿连接环41的内壁面环绕分布于连接环41内，连接环41的外壁面与密封壳体11固定密封连接，刷毛42与转子轴2的外壁面相抵且保持弯曲状态。将第三密封环53设置为环形刷4能提高密封效果，避免空气中的杂质通过密封壳体11背离叶轮一侧泄漏至密封壳体11内。
71.可选地，如图2所示，密封结构还可以包括第二挡环32，第二挡环32位于密封壳体11内且同轴套装在转子轴2外，第二挡环32的外边缘与密封壳体11固定密封连接，环形刷4和密封件均位于第一挡环31和第二挡环32之间，且第一挡环31和第二挡环32分别位于密封壳体11的内孔的两端。
72.其中，第二挡环32可以和第一挡环31相同，即第二挡环32也可以是铜环，即第二环为铜质圆环，铜环具备良好的耐高温性能。其中，第一挡环31位于密封壳体11靠近叶轮的一侧，而第二挡环32可以位于密封壳体11背离叶轮的一侧，即第一挡环31和第二挡环32分别位于密封壳体11的内孔的两端。第二挡环32可以避免外壁环境中杂质、灰尘进入密封壳体11内。且在密封件失效的情况下，通过第二挡环32可以防止进入密封壳体11内的高温烟气进一步泄漏至空气中，以保护环境。
73.由于蜂窝密封环在高温烟气的作用下容易发生热变形，造成蜂窝密封环与密封壳体11的连接处出现间隙，从而影响第一密封空腔61、第二密封空腔62和抽气空腔63的密封性，不利于烟气轮机长周期稳定运行。
74.为此本公开实施例中，蜂窝密封环通过多个凸起或凹槽与密封壳体11插装连接。这样即使蜂窝密封环受热变形，由于蜂窝密封环与密封壳体11之间是凹凸嵌入式配合的，即多个凸起和凹槽能形成密封式密封，以防止第一密封空腔61、第二密封空腔62和抽气空腔63内气体泄漏。
75.本公开实施例提供了一种烟气轮机，该烟气轮机包括前文所述的烟气轮机的密封结构。
76.其中，烟气轮机的密封结构包括密封壳体11、转子轴2、第一挡环31和环形刷4，其中，转子轴2是可自转地安装在密封壳体11内，且输入端21位于密封壳体11外用于和烟气轮机的叶轮12连接。在密封壳体11内的第一挡环31套装在转子轴2外，且第一挡环31的外边缘和密封壳体11固定密封连接，即在密封壳体11和转子轴2之间形成一圈隔离结构，以隔离高温烟气、催化剂，减少高温烟气进入密封壳体11内，且避免位于第一挡环31后的环形刷4受到高温烟气和催化剂的腐蚀破坏。同时，沿转子轴2的轴向在第一挡环31后还设置有环形刷4，环形刷4上和转子轴2相对的部分是和转子轴2相抵的，且使环形刷4的刷毛处于弹性形变状态，即当转子轴2转动过程中环形刷4出现磨损后，弹性形变状态的环形刷4会逐步恢复原状，以填补环形刷4和转子轴2之间的间隙，从而避免环形刷4出现密封失效的问题。
77.以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。