干气密封件冷却布置和方法与流程

本公开大体上涉及轴密封布置。本文公开的实施例特别地涉及用于旋转涡轮机轴的轴密封布置，包括至少一个干气密封件。本公开还涉及包括带有旋转轴和包括干气密封件的轴密封布置的涡轮机的系统，以及用于轴密封件冷却的方法。

背景技术：

旋转涡轮机轴通常借助于固定外壳中的轴承支承。提供密封件以防止工作流体从轴的高压侧泄漏到轴的低压侧。最近，已经开发了干气密封件，其提供沿着旋转轴克服流体泄漏的加强的密封。

干气密封件越来越多地在涡轮机中（例如，在离心压缩机中）用作轴密封件，因为其提供优于其他密封布置的若干优点。本文所理解的干气密封件为轴密封件，其具有至少两个密封元件（本文称作密封环），它们在周向方向上围绕轴延伸（即，围绕轴的旋转轴线）。一个密封环安装成用于与轴共同旋转，而另一个密封环固定安装在外壳中。各个密封环包括指向相对地布置的密封环的相应的密封表面。固定密封环和旋转密封环相对于彼此弹性地偏置并在其密封表面处共同作用。在密封表面之间输送加压干气，使得在固定密封环和旋转密封环的相对的密封表面之间得到无接触的密封效果。

干气密封件典型地在离心压缩机中使用。在一些应用中，需要加热布置，以防止密封气体的高分子量成分冷凝，因为干气密封件必须无液体以正确地操作。在其它实施例中，已经开发了除热布置，以便防止干气密封件中过多的热量积累。冷却的干气密封件例如在美国专利US8814508中公开。提供了围绕固定密封环和旋转密封环开发的换热器。液体在换热器中循环以从干气密封件移除热量。这种已知的干密封布置操作起来令人满意，但是在一定程度上是复杂且笨重的。

因此，仍然需要改善包括干气密封件的轴密封布置以提供安全、成本效益合算且有效率的密封布置，特别是在从干气密封件除热可变得重要的那些应用中。

技术实现要素：

根据一个方面，公开了一种用于具有旋转轴线的旋转涡轮机轴的轴密封布置。轴密封布置可包括在操作期间旋转的转子部分和固定部分。根据本文公开的实施例，轴密封布置包括干气密封件。干气密封件继而可包括：至少一个旋转元件（例如，旋转环），其具有旋转密封表面且布置成用于与转子部分一起旋转；以及至少一个固定元件（例如，呈旋转环的形状），其与固定部分处于固定关系且具有固定密封表面。旋转密封表面和固定密封表面相对于彼此弹性地偏置。还提供了干气输送路径，其构造成用于在固定密封表面和旋转密封表面之间输送干燥密封气体。此外，轴密封布置还可包括布置成用于接收冷却流体且与干气密封件处于热交换关系的至少一个冷却流体容积，以及通气布置，其构造成用于将排出冷却流体和干燥密封气体从轴密封布置共同地排出。

根据另一方面，本文公开了涡轮机布置，其包括涡轮机，涡轮机包括外壳和布置成用于在外壳中旋转的轴，旋转部件安装在轴上以用于与轴共同旋转。工作流体通过涡轮机处理，且如上文阐述的轴密封布置可用于防止工作流体沿着轴泄漏。流体地联接到轴密封布置的冷却流体源将冷却流体输送到轴密封布置。

在本文公开的实施例中，冷却流体是由涡轮机处理的工作流体或与其相容的流体。与由涡轮机处理的工作流体相容的流体一般来说是在短期内不会不利地影响涡轮机的安全或操作的流体，或者是不会污染工作流体且有可能容易地从其分离的流体。

根据又一方面，公开了一种功率转变系统，其包括工作流体线路，工作流体线路具有高压侧和低压侧并且构造成使工作流体通过其流动。该系统还可包括冷却器，其布置和构造成从工作流体线路的低压侧中的工作流体移除热量，以及泵或压缩机，其在工作流体线路的低压侧和高压侧之间流体地联接到工作流体线路，该泵或压缩机构造成提高工作流体线路中的工作流体的压力。该系统还可包括换热器，其构造成使与热流体处于热交换关系的工作流体循环，以使工作流体蒸发；以及膨胀涡轮，其流体地联接到工作流体线路且布置在工作流体线路的高压侧和低压侧之间，该膨胀涡轮构造成使流过其的工作流体膨胀并且随其产生机械功率。膨胀涡轮包括：外壳；布置成用于在外壳中旋转的轴；安装在轴上以用于随其旋转的叶轮；如上文阐述的轴密封布置，用于与膨胀涡轮的轴密封地共同作用。

本文还公开了一种冷却用于流体地联接到工作流体线路的涡轮机的旋转轴的轴密封布置的方法，轴密封布置包括干气密封件；该方法包括以下步骤：

通过涡轮机处理工作流体；

将干燥密封气体输送到干气密封件；

将冷却流体输送到轴密封布置；

将排出冷却流体和干燥密封气体从轴密封布置共同地排出。排出的冷却流体和密封气体可回到工作流体线路。

涡轮机可为膨胀涡轮，工作流体通过其从高压膨胀到低压。该方法还可包括以下步骤：

冷却来自膨胀涡轮的膨胀的工作流体；

将冷却的工作流体的压力从低压增加到高压；

加热并蒸发压缩的流体；

将蒸发的工作流体输送到膨胀涡轮；

使工作流体的侧流朝轴密封布置转移；

使排出冷却流体和干燥密封气体从轴密封布置回到线路。

蒸发的工作流体可为可选地过热的流体。

附图说明

当结合附图考虑时，本发明的公开的实施例的更完整的认识以及其许多伴随的优点将在其通过参考以下详细描述变得更好地理解时容易地得到，其中：

图1图示了根据本公开的包括膨胀涡轮的功率系统的示意图，其可包含轴密封布置；

图2图示了根据示例性实施例的包括干气密封件的轴密封布置；

图3图示了根据另一示例性实施例的包括干气密封件的轴密封布置。

具体实施方式

本文公开的轴密封布置可在宽范围的应用中使用，只要干气密封件可用作旋转轴上的有效密封装置，且从干气密封件除热对于轴密封布置的有效操作变成重要因素。

本文公开的轴密封布置的特别有利的实施例是与其中处理高温气体的涡轮机（例如，离心压缩机和膨胀涡轮）结合。

下文将参考包括膨胀涡轮的功率系统，其包括根据本公开的轴密封布置。然而，本文公开的实施例不应当认为是限制本公开和所附权利要求中所阐述的发明的范围。轴密封布置的其他有利的应用可在其他膨胀涡轮中或在不同的旋转涡轮机（例如，轴向和离心压缩机）中。

图1中图示了功率系统（整体标识为1），其可使用例如有机兰金（Rankine）热力学循环以用于产生有用的机械功率。其他热力学循环可用作有机兰金循环的备选。

功率系统1包括工作流体线路3，工作流体在其中循环，并且经历循环的热力学转换，以将热功率（热量）转变成机械功率。在一些实施例中，工作流体可为有机流体，例如，戊烷、环戊烷、甲苯以及类似的。工作流体也可为二氧化碳（CO₂）、Genetron 245FA（R245FA）或类似的。在工作流体线路3中，工作流体可执行已知的热力学循环，从高温热源吸收热量，并在低温热沉处排放热量。

在图1的示例性实施例中，工作流体线路3包括膨胀涡轮5、冷凝器或冷却器7、泵9以及换热器11。换热器11继而可包括加热器11A、蒸发器11B以及过热器11C。在工作流体线路3中循环的工作流体（例如，环戊烷）在加热器11A中加热、在蒸发器11B中蒸发并最终在过热器11C中过热。

在其他实施例中，换热器可包括单个装置，其中状态的改变在单个步骤中执行，例如，如果在工作流体线路3的至少一部分中工作流体处于超临界状态。

在一些实施例中，例如，如果CO₂在超临界循环中用作工作流体，则泵9可由压缩机替代。大体上来说，机器9为设计和构造成用于将工作流体压力从低压增加到高压的涡轮机。

工作流体线路3分成高压侧和低压侧。高压侧从泵9的输送侧延伸到膨胀涡轮5的入口。低压侧从膨胀涡轮5的输送侧延伸到泵9的吸入侧。

在图1的示例性实施例中，换热器11与在中间传热回路13中循环的传热流体（例如，油或类似的）处于热交换关系。泵15可使传热流体在中间传热回路13中循环。热量由传热流体从适当的热源接收。在图1的示例性实施例中，热源包括顶部高温热力学循环17（例如，包括燃气涡轮发动机19），其可用于驱动发电机21。来自燃气涡轮发动机19的排出燃烧气体相对于在传热回路13中循环的传热流体在废热回收交换器23中交换高温热量Q1。然后，热量Q1通过换热器11传递到在工作流体线路3中循环的工作流体。

来自换热器11的高压、加热的工作流体在膨胀涡轮5中膨胀，产生机械功率，其在输出轴上成为可用的，输出轴驱动地连接（例如，直接或通过齿轮箱29）到发电机25，或连接到任何其他适当的机械负载。

从膨胀涡轮5排放的低压下的排出工作流体在冷凝器7中冷却并冷凝，其中低温热量Q2排放到热沉（例如，水流或空气流）。

然后，冷凝的工作流体由泵9从冷凝器7的低压泵送到换热器11的高压。

工作流体线路3还可包括同流换热器27，其中从膨胀涡轮5排放的排出工作流体相对于由泵9输送的冷却的、液化且加压的工作流体交换热量。

膨胀涡轮5可包括旋转轴，至少一个叶轮安装在其上以用于与轴共同旋转。轴和叶轮布置成用于在外壳中旋转。至少一个轴密封布置位于外壳中以用于防止工作流体从膨胀涡轮5的外壳泄漏到环境。用于膨胀涡轮5中的示例性轴密封布置在图2中示出，且将在下文中更加详细地描述。

轴密封布置可包括干气密封件，以及额外的轴密封构件，且可设有冷却布置，以从干气密封件移除热量并保护轴密封布置的热敏构件免受由于过度温度导致的退化。

在一些实施例中，如将参考图2描述的那样，冷却布置使用液态冷却流体且更特别地液化的工作流体，以从轴密封布置移除热量。液态冷却流体至少部分地蒸发，使得潜在的蒸发热量从轴密封布置有效地移除。剩余冷却液体通过排流布置排放，且蒸发的冷却流体与来自干气密封件的干燥密封气体一起且累积地排出。排出冷却流体连同来自干气密封件的干燥密封气体回到工作流体线路3，干燥密封气体可在不可冷凝的气体分离器中从工作流体分离。

现在参考图2，连同旋转轴33的部分示出了膨胀涡轮5的叶轮31的截面图，叶轮31安装在旋转轴上以用于随其围绕旋转轴线A-A共同旋转。叶轮31和旋转轴33安装在膨胀涡轮外壳35中。

在图2的示例性实施例中，叶轮31以伸出的方式安装在旋转轴33上，使得单个轴承（未示出）可用来支承旋转轴33。在其他实施例中，可使用在轴承之间的叶轮布置，其中一个或多个叶轮安装在轴上，轴在两个相对端部处由两个轴承支承。轴密封布置可设置在叶轮和支承旋转轴33的各个轴承之间。

在图2的实施例中，轴密封布置37围绕旋转轴33布置在叶轮31和支承轴的轴承之间，轴承未示出，其布置在叶轮31对面。

轴密封布置37具有在其第一轴向端部处面向叶轮31的高压、高温侧37H，以及在其第二轴向端部处面向支承轴的轴承（未示出）的低压、低温侧37L。

轴密封布置37可包括转子部分41，其在膨胀涡轮5的操作期间与旋转轴33和叶轮31一起旋转。轴密封布置37还包括固定部分43，其固定地安装在膨胀涡轮5的外壳35中。

轴密封布置37还包括干气密封件（整体标为45）。在图2的示例性实施例中，干气密封件45为双重、面对面的干气密封件。在其他实施例中，可改为使用单一干气密封件、串联式干气密封件或其组合。

干气密封件45包括旋转部分41上的主套筒46。两个相对的旋转元件47以面对面的关系安装在主套筒46上并随其旋转。旋转元件47可为环的形式且下文中其将被称作旋转环。

各个旋转环47具有背离主套筒46的相应密封表面47S。两个相对的固定元件48布置在轴密封布置37的固定部分43上（即，与固定部分43处于固定关系），且与相应的旋转环47处于面对面的关系。固定元件48可为环的形状且在下文中其将被称作固定环48。各个固定环48具有与对应的旋转环47的密封表面47S相对的密封表面48S。

各个固定环48通过弹簧49相对于相应的旋转环47弹性地偏置，使得密封表面47S和48S相对于彼此挤压。弹簧可布置在固定安装的固持器51和中间压力环53之间，中间压力环布置在弹簧49和相应固定环48之间，以避免弹簧49和固定环48之间的直接接触。

旋转环47和主套筒46可由环形干气收集室55围绕，其通过形成于轴密封布置的固定部分43中的干气通道59流体地联接到干气输送端口57。干气输送端口57继而可流体地联接到干燥密封气体源，例如氮气或其他适当的惰性、加压的干燥密封气体源。加压的干燥密封气体在相对的密封表面47S,48S之间输送，使得在轴33和叶轮31围绕轴线A-A旋转的同时在其间形成干燥密封气体的薄膜。

为了保护干气密封件45免受由于过度温度导致的损坏，轴密封布置37包括下文中描述的冷却布置。特别地，过度温度损坏可在位于主套筒46和旋转环47之间的衬垫63处发生。

根据一些实施例，为了从干气密封件移除热量，并防止温度损坏发生，可在外壳35中提供一个或多个冷却液体端口61。冷却液体端口61可布置成将冷却液体输送到形成于轴密封布置37的固定部分43的外表面中的环形凹槽65。凹槽65继而可与冷却流体容积流体连通，该容积与干气密封件处于热交换关系。在图2的示例性实施例中，冷却流体容积包括环形冷却液体室67，其可围绕轴33的旋转轴线A-A延伸并位于轴密封布置37的固定部分43和转子部分41之间。环形冷却液体室67可在干气密封件45附近位于后者和轴密封布置的高压、高温轴向端部37H之间，并与干气密封件45处于热交换关系。

在图2的示例性实施例中，环形冷却液体室67位于固持器51和固定部分43的凸缘68之间，凸缘68朝旋转轴线A-A径向朝内突出。

第一额外轴密封件69可设置在轴密封布置37的转子部分41和凸缘68之间。第一额外轴密封件69可为迷宫式密封件。

第二额外轴密封件71还可设置在轴密封布置37的转子部分41和盖73之间。因此，干气密封件45、第一额外轴密封件69以及第二额外轴71沿着旋转轴线A-A在轴向方向上相继地布置。

输送到冷却液体室67的冷却液体的至少部分蒸发由于来自轴密封布置37的热吸收而发生。提供了蒸汽通气布置，以从轴密封布置37移除蒸发的冷却液体。根据一些实施例，蒸汽通气布置包括环形蒸汽通气室75，其位于第一额外轴密封件69和第二额外轴密封件71之间。至少一个与环形蒸汽通气室75流体连通的通气端口77可设置在环形蒸汽通气室75的上部部分中，蒸发的冷却液体通过其移除。

冷却液体排流端口79可设置在形成于外壳35中的凹槽65A的下部部分中并且围绕凹槽65。凹槽65A和排流端口79形成冷却液体排流布置，未蒸发的冷却液体可从该处排流并从轴密封布置37移除。

一个或多个额外的冷却液体端口81可设置在外壳35中，与凹槽83流体连通，形成围绕干气密封件45的外部冷却液体室。外部冷却液体室形成额外的冷却流体容积，其布置和构造成用于接收冷却流体且与干气密封件45处于热交换关系。在轴密封布置37的下部部分中，外部冷却液体室83可通过一个或多个端口85流体地联接到凹槽65A，使得存在于外部冷却液体室83的下部部分中的冷却液体可通过排流端口79移除。

输送到环形冷却液体室67和外部冷却液体室83的冷却液体可为来自工作流体线路3的加压、冷凝的工作流体。在图1中，冷却液体输送管道91在泵9和同流换热器27之间将工作流体线路3的高压侧连接到膨胀涡轮5的轴密封布置37。来自泵9的冷的、液化且加压的工作流体通过冷却液体输送管道91输送到冷却液体端口61和81。

从蒸汽通气室75收集的蒸发的冷却液体通过蒸汽通气管线93回到工作流体线路3的低压侧。例如，通气管线93可使蒸发的冷却液体回到冷凝器7的蒸汽侧。在凹槽65A的下侧收集的未蒸发的冷却液体可通过排流管线95回到冷凝器7的液体侧。

从干气密封件45泄漏的干燥密封气体与蒸汽通气室75中的蒸发的冷却液体一起通过环形冷却液体室67收集，并连同蒸发的冷却液体朝冷凝器7排出。

轴密封布置37操作如下。当膨胀涡轮5在操作中时，轴33和叶轮31在外壳35中旋转。在工作流体线路3中处理工作流体以将来自燃气涡轮发动机17的排出燃烧气体的热功率的部分转变成有用的机械功率。

通过使液体状态下的冷凝且加压的工作流体通过冷却液体输送管道91朝冷却液体端口61,81循环，热量从轴密封布置37且特别是从其干气密封件45移除。液态工作流体在环形冷却液体室67和外部冷却液体室83中循环。液态工作流体由从轴密封布置37且特别是从固定环48和旋转环47移除的蒸发的显热和潜在热量加热且部分蒸发。通过第一额外轴密封件69泄漏的蒸发的工作流体收集于环形蒸汽通气室75中且通过通气端口77和通气管线93回到冷凝器7。仍处于液相的工作流体通过排流端口79移除且经由排流管线95回到冷凝器7。

干燥密封气体以已知方式输送到干气密封件45，以防止工作流体朝环境泄漏。

环形冷却液体室67中的冷却流体的压力比输送到相对的密封表面47S,48S的干燥密封气体的压力小，使得干燥密封气体通过相对的密封表面47S,48S之间的界面泄漏并在环形冷却液体室67中流动。干燥密封气体还与蒸发的冷却液体一起从那里泄漏到环形蒸汽通气室75中，蒸发的冷却液体和干燥密封气体从那里通过蒸汽通气端口77共同地排出。干燥密封气体和蒸发的冷却液体回到冷凝器7，其中不可冷凝的干燥密封气体可从工作流体分离且排出到周围环境或在干燥密封气体线路中再循环。

来自蒸汽通气室75的蒸发的过程流体通过第二辅助轴密封件71的可能的泄漏收集于在膨胀涡轮5中循环的主工作流体流中，并且回到冷凝器7。

因此得到轴密封布置37的冷却而不需要单独的冷却介质，该冷却介质可能污染在工作流体线路3中循环的工作流体。通过在轴密封布置37中用作冷却介质的工作流体的相的液体到蒸汽的变化提供有效的除热。由于通过在密封冷却系统中循环的相变化的工作流体所吸收的蒸发的潜在热量，得到了高的热交换率。冷却液体线路和干燥密封气体线路不需要是闭合线路，因为排出冷却流体（处于蒸汽状态和液相两者）连同泄漏的干燥密封气体回到工作流体线路3。

不需要额外成本就可使冷却液体可用，因为其仅仅是在泵9的输送侧提供的压力和温度条件下从主工作流体流分离。用过的冷却流（处于蒸汽和液相两者）由冷凝器7和泵9再次冷凝且加压，而不需要专用的冷却和加压线路。

图3图示了轴密封布置37的备选实施例。相同的标号标识如已经结合图2描述的相同构件。将不会再次描述它们。

在图3的实施例中，环形冷却液体室67由环形冷却流体室70替代，形成与干气密封件45处于热交换关系的冷却流体容积。气态冷却流体、液态冷却流体或混合的气态和液态冷却流体通过至少一个或优选地多个冷却流体端口72在环形冷却气体室70中输送，输送端口可围绕轴33的轴线A-A环形地布置。冷却流体端口72的入口与凹槽65连通。冷却流体端口72的出口位于环形冷却流体室70中，且构造成产生冷却流体射流，其定向成相对于轴密封布置37的转子部分41的外表面冲击。

冷却流体端口72的截面和冷却流体的输送压力使得相对于转子部分41冲击的冷却流体射流的速度产生热屏障效应，防止或限制通过转子部分41从轴密封布置37的高压、高温端部37H朝旋转环47和衬垫63的热传导。

可提供额外的冷却流体端口（未示出），其相对于固持器51定向，以通过相对于固持器51冲击的冷却流体射流从其移除热量。

同样在此情形中，来自工作流体线路3的工作流体可用作冷却流体。在一些实施例中，冷却流体可为气态或蒸汽状态。在其他实施例中，部分气态且部分液态的冷却流体、或者仅液态冷却流体可通过冷却流体端口72输送，在此情形中，由液相吸收的潜在蒸发热量将导致液态冷却流体蒸发，并提供更有效的除热。

可提供排流端口79（未在图3中示出），其与环形冷却流体室70流体连通，以从其移除液态冷却流体。

气态或蒸发的冷却流体可通过第一额外轴密封件69泄漏，且连同来自干气密封件45的干燥密封气体通过蒸汽通气端口77移除。

如上文描述的那样，从轴密封布置37移除的流体可回到工作流体线路3。

输送到冷却流体端口72的冷却流体可为从工作流体线路3转移的工作流体（例如，泵9的下游），在这种情形下，冷却流体将在液体状态下提供。备选地，可将气体状态下的工作流体在膨胀涡轮上游从工作流体线路3转移。可提供冷却器，以在输送到轴密封布置之前冷却气态工作流体。

根据本文公开的实施例，干气密封件45的热敏构件由输送到轴密封布置37的冷却流体保护而免受过热。加强的除热可通过使用具有高导热率的材料来制造轴密封布置的构件（例如，旋转部分41和环47,48）实现。

虽然本文描述的主题的公开的实施例已经在附图中示出并在上文结合若干示例性实施例具体且详细地全面描述，但是对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在不实质上脱离本文阐述的新颖教导、原理和概念以及所附权利要求书中所述的主题的优点的情况下，许多修改、变化以及省略是可能的。因此，公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求的最宽解释确定以便涵盖所有这样的修改、变化和省略。此外，任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例改变或重新排序。