一种氦气低压压气机整体密封结构的制作方法

本发明涉及氦气低压压气机领域,具体涉及一种氦气低压压气机整体密封结构。

背景技术：

高温堆氦气轮机循环是将氦气轮机与模块式高温堆相结合，利用高温堆产生的高温氦气直接推动气轮机做功进行高效率发电，与目前高温堆采用的蒸汽轮机发电系统相比较，氦气轮机循环发电系统结构紧凑，都安装在一回路压力边界内；发电效率非常高，按现有技术水平预测，商用高温堆氦气轮机循环发电效率可望达到45％～50％。

氦气轮机总体结构能量转换单元由高(低)压压气机、透平、间冷器、预冷器、回热器、内(外)腔壳体、高温氦气入流管、底脚和支撑座、相关辅助零件等组成。

氦气是无色、无味、无臭的稀有气体，其分子量为4.0026×10^-3kg/mol；标准大气压下沸点-268.94℃；熔点-267.96℃；气体常数2077.25j/kg·k；临界压力0.22695mpa；临界密度69.3kg/m3。氦分子是单原子分子，其仅重于氢，比空气轻7.25倍。

氦气在0至3000℃，0.1至10mpa范围内非常接近理想气体，其比热cp和绝热指数κ几乎为常数，cp＝5.1931kj/kg·k,κ＝1.67。与空气或燃气相比，氦气具有较高的比热(约为空气的5倍)，因此在同样温差条件下氦气的压缩比较小，并且在同样输出功率条件下氦气的质量流量小。

氦气分子量不到空气分子量的1/7，对于压气机来说，压缩工质的分子量越小，气体越难于压缩，对应的压气机通流设计差别越大。在相同的无因次压比条件下，在压气机中压缩1公斤氦气所必需消耗的功约比压缩1公斤氮气所必需消耗的功大4倍。因此，设计具有对空气压气机来说算是一般的级压头的氦气装置之轴流式压气机，会使级数几乎增加4倍。

由于氦气气体物性参数特殊性，流过压气机的气体雷诺数、马赫数性相对通常的空气压气机设计来说，都比较低，氦气压气机可以实现同型级设计，并且有良好的气动性能。

氦气透平压气机组的压气机为轴流式，分高、低压两部分，单轴立式结构。低压压气机是氦气透平压气机组的重要组成部分。然而，现有的低压压气机存在密封效果差导致低压压气机壳体内部气压受外界气压干扰而不稳定，影响氦气透平压气机组的整体效果的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的低压压气机存在密封效果差导致低压压气机壳体内部气压受外界气压干扰而不稳定，影响氦气透平压气机组的整体效果的问题，进而提供一种氦气低压压气机整体密封结构。

本发明的技术方案是：

一种氦气低压压气机整体密封结构，它包括低压转子、低压静子、进气机匣和排气机匣，低压转子设置在低压静子的内部，

低压转子包括转子前轴和转子轮盘组合，转子前轴固定在转子轮盘组合的前端面上，转子轮盘组合包括四个转子轮盘和八个动叶片，四个转子轮盘的外径相同，四个转子轮盘由前至后收尾顺次固接，八个动叶片逐级安装在转子轮盘组合的外圆周上；

低压静子包括静子机匣和多个静叶环，静子机匣位于进气机匣和排气机匣之间，静子机匣的一端与进气机匣连接，静子机匣的另一端与排气机匣连接，静子机匣为水平分半圆柱形结构，静子机匣内圆柱面上设有安装静叶环的”t”形环槽，多个静叶环由前至后逐级安装在静子机匣的”t”形环槽上；

进气机匣为整环式圆柱形结构，进气机匣包括进气内壳体、进气外壳体、第一蜂窝密封环、前径向电磁轴承、保护轴承、轴承座和多个第一导流支板，进气内壳体同轴设置在进气外壳体的内部，进气内壳体与进气外壳体之间设有间隙形成低压进气通道，多个第一导流支板设置在进气内壳体和进气外壳体之间的低压进气通道内，多个第一导流支板的一端与进气内壳体固接，多个第一导流支板的另一端与进气外壳体固接，进气内壳体的后部嵌有第一蜂窝密封环，进气内壳体通过第一蜂窝密封环与转子轮盘密封连接，进气内壳体的内壁上设有壳体法兰支座，转子前轴和进气内壳体之间设有前径向电磁轴承和保护轴承，前径向电磁轴承和保护轴承通过轴承座与进气内壳体的壳体法兰支座连接，

排气机匣为整环式圆柱形结构，排气机匣包括排气内壳体、排气外壳体、第二蜂窝密封环和多个第二导流支板，排气内壳体同轴设置在在排气外壳体的内部，排气内壳体与排气外壳体之间设有间隙形成低压排气流道，多个第二导流支板设置在排气内壳体和排气外壳体之间的低压排气流道内，多个第二导流支板的一端与排气内壳体固接，多个第二导流支板的另一端与排气外壳体固接，排气内壳体的前部嵌有第二蜂窝密封环，排气内壳体通过第二蜂窝密封环与转子轮盘密封连接。

进一步地，四个转子轮盘由前至后依次为第一级轮盘、第二级轮盘、第三级轮盘和第四级轮盘，第一级轮盘的外圆周上沿周向开设两个燕尾形榫槽，第二级轮盘的外圆周上沿周向开设两个燕尾形榫槽，第三级轮盘的外圆周上沿周向开设三个燕尾形榫槽，第四级轮盘的外圆周上沿周向开设一个燕尾形榫槽，每个动叶片的根部加工有燕尾形榫头，八个动叶片通过相互配合的燕尾形榫头和燕尾形榫槽逐级与与之相对应的第一级轮盘、第二级轮盘、第三级轮盘和第四级轮盘连接。

进一步地，第一级轮盘的前端面上加工有第一气封齿，所述第一气封齿与进气内壳体后部的第一蜂窝密封环密封连接。

进一步地，第四级轮盘的后端面上加工有第二气封齿，所述第二气封齿与排气内壳体前部的第二蜂窝密封环密封连接。

进一步地，静子机匣的两端设有静子机匣连接法兰，进气外壳体的一端设有进气壳体连接法兰，静子机匣的一端通过相互配合的静子机匣连接法兰和进气壳体连接法兰与进气外壳体栓接，排气外壳体的两端设有排气壳体连接法兰，静子机匣的另一端通过相互配合的静子机匣连接法兰和排气壳体连接法兰与排气外壳体的一端栓接，排气外壳体的另一端通过排气壳体连接法兰与外部的过渡机匣相连。

进一步地，第一级轮盘的前端面中心设有轮盘连接法兰，转子前轴的一端设有转子前轴连接法兰，第一级轮盘通过相互配合的轮盘连接法兰和转子前轴连接法兰与转子前轴栓接。

进一步地，第四级轮盘的后端面中心设有外伸轴颈法兰。

进一步地，进气外壳体的内径由前至后逐渐减小，进气内壳体与进气外壳体之间的低压进气通道为收敛形通道。

进一步地，相邻两个转子轮盘之间通过电子束焊接的连接方式形成不可拆式结构，转子轮盘之间为间隙密封。

进一步地，它还包括涨圈式密封环，进气外壳体的外圆周上设有密封圈安装槽，涨圈式密封环安装在外壳体的密封圈安装槽内。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的一种氦气低压压气机整体密封结构具有较好的密封效果。转子轮盘组合是由四个转子轮盘由前至后收尾顺次固接而成的盘鼓式结构。转子轮盘组合的第一级轮盘通过相互配合的第一气封齿和第一蜂窝密封环3与进气机匣的进气内壳体密封连接形成迷宫密封。转子轮盘组合的第四级轮盘通过相互配合的第二气封齿和第二蜂窝密封环与排气机匣的排气内壳体密封连接形成迷宫密封。保证了低压转子的两端与进气机匣和排气机匣之间的密封。转子前轴与前径向电磁轴承形成间隙配合，具有较好的密封作用。进气外壳体上安装涨圈式密封环，与外部机组外筒体形成密封结构，防止漏气。

附图说明

图1是本发明的氦气低压压气机整体密封结构的结构示意图；

图2是本发明的低压转子的结构示意图；

图3是本发明的低压静子、进气机匣和排气机匣的装配图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种氦气低压压气机整体密封结构，它包括低压转子1、低压静子2、进气机匣3和排气机匣4，低压转子1设置在低压静子2的内部，

低压转子1包括转子前轴1-1和转子轮盘组合1-2，转子前轴1-1固定在转子轮盘组合1-2的前端面上，转子轮盘组合1-2包括四个转子轮盘和八个动叶片1-2-1，四个转子轮盘的外径相同，四个转子轮盘由前至后收尾顺次固接，八个动叶片1-2-1逐级安装在转子轮盘组合1-2的外圆周上；

低压静子2包括静子机匣2-1和多个静叶环2-2，静子机匣2-1位于进气机匣3和排气机匣4之间，静子机匣2-1的一端与进气机匣3连接，静子机匣2-1的另一端与排气机匣4连接，静子机匣2-1为水平分半圆柱形结构，静子机匣2-1内圆柱面上设有安装静叶环2-2的”t”形环槽2-1-1，多个静叶环2-2由前至后逐级安装在静子机匣2-1的”t”形环槽2-1-1上；

进气机匣3为整环式圆柱形结构，进气机匣3包括进气内壳体3-1、进气外壳体3-2、第一蜂窝密封环3-3、前径向电磁轴承3-4、保护轴承3-5、轴承座3-6和多个第一导流支板，进气内壳体3-1同轴设置在进气外壳体3-2的内部，进气内壳体3-1与进气外壳体3-2之间设有间隙形成低压进气通道3-7，多个第一导流支板设置在进气内壳体3-1和进气外壳体3-2之间的低压进气通道3-7内，多个第一导流支板的一端与进气内壳体3-1固接，多个第一导流支板的另一端与进气外壳体3-2固接，进气内壳体3-1的后部嵌有第一蜂窝密封环3-3，进气内壳体3-1通过第一蜂窝密封环3-3与转子轮盘密封连接，进气内壳体3-1的内壁上设有壳体法兰支座3-1-1，转子前轴1-1和进气内壳体3-1之间设有前径向电磁轴承3-4和保护轴承3-5，前径向电磁轴承3-4和保护轴承3-5通过轴承座3-6与进气内壳体3-1的壳体法兰支座3-1-1连接，

排气机匣4为整环式圆柱形结构，排气机匣4包括排气内壳体4-1、排气外壳体4-2、第二蜂窝密封环4-3和多个第二导流支板，排气内壳体4-1同轴设置在在排气外壳体4-2的内部，排气内壳体4-1与排气外壳体4-2之间设有间隙形成低压排气流道4-4，多个第二导流支板设置在排气内壳体4-1和排气外壳体4-2之间的低压排气流道4-4内，多个第二导流支板的一端与排气内壳体4-1固接，多个第二导流支板的另一端与排气外壳体4-2固接，排气内壳体4-1的前部嵌有第二蜂窝密封环4-3，排气内壳体4-1通过第二蜂窝密封环4-3与转子轮盘密封连接。

低压转子1为盘鼓式结构，转子前轴1-1与转子轮盘相连，并与前径向电磁轴承3-4形成间隙配合。

为了保证机组运行平稳性，低压转子1加工和装配中需经过多次动平衡，低压转子1动平衡采用安装配重块以消除不平衡量的方法。

进气内壳体3-1和进气外壳体3-2通过第一导流支板彼此焊接。本发明的六个第一导流支板起到连接进气内壳体3-1和进气外壳体3-2，起到支撑并传递扭矩的作用，第一导流支板内部设成空心结构，第一导流支板内用于布置总压测孔、静压测孔，用于布置测量传输管线、压力传感器引出线、电磁轴承的电源线以及控制信号线。

进气内壳体3-1的后部嵌有第一蜂窝密封环3-3，第一级轮盘1-2-2前端面上第一气封齿1-2-2-1形成密封组件。

静子机匣2-1为水平分半结构，便于装配和分解。每个静叶环2-2包括静叶外环、静叶内环和静叶片，静叶环2-2采用氩弧焊的焊接方式与静叶外环、静叶内环连接。

考虑到氦气低压压气机的装配问题，排气机匣4为整环式结构，排气内壳体4-1与排气外壳体4-2之间的低压排气流道4-4通过第二导流支板焊接而成。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的四个转子轮盘由前至后依次为第一级轮盘1-2-2、第二级轮盘1-2-3、第三级轮盘1-2-4和第四级轮盘1-2-5，第一级轮盘1-2-2的外圆周上沿周向开设两个燕尾形榫槽1-2-6，第二级轮盘1-2-3的外圆周上沿周向开设两个燕尾形榫槽1-2-6，第三级轮盘1-2-4的外圆周上沿周向开设三个燕尾形榫槽1-2-6，第四级轮盘1-2-5的外圆周上沿周向开设一个燕尾形榫槽1-2-6，每个动叶片1-2-1的根部加工有燕尾形榫头，八个动叶片1-2-1通过相互配合的燕尾形榫头和燕尾形榫槽1-2-6逐级与与之相对应的第一级轮盘1-2-2、第二级轮盘1-2-3、第三级轮盘1-2-4和第四级轮盘1-2-5连接。如此设置，考虑到每级的动叶片1-2-1尺寸较小，但数量较多，设计上采用周向燕尾形榫槽结构。考虑加工制造方便，各级动叶片1-2-1采用相同尺寸的燕尾形榫头，各级轮盘榫槽同样一致。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第一级轮盘1-2-2的前端面上加工有第一气封齿1-2-2-1，所述第一气封齿1-2-2-1与进气内壳体3-1后部的第一蜂窝密封环3-3密封连接。如此设置，第一级轮盘1-2-2通过相互配合的第一气封齿1-2-2-1和第一蜂窝密封环3-3与进气机匣3的进气内壳体3-1密封连接形成迷宫密封。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第四级轮盘1-2-5的后端面上加工有第二气封齿1-2-5-1，所述第二气封齿1-2-5-1与排气内壳体4-1前部的第二蜂窝密封环4-3密封连接。如此设置，第四级轮盘1-2-5通过相互配合的第二气封齿1-2-5-1和第二蜂窝密封环4-3与排气机匣4的排气内壳体4-1密封连接形成迷宫密封。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的静子机匣2-1的两端设有静子机匣连接法兰2-1-2，进气外壳体3-2的一端设有进气壳体连接法兰3-2-1，静子机匣2-1的一端通过相互配合的静子机匣连接法兰2-1-2和进气壳体连接法兰3-2-1与进气外壳体3-2栓接，排气外壳体4-2的两端设有排气壳体连接法兰4-2-1，静子机匣2-1的另一端通过相互配合的静子机匣连接法兰2-1-2和排气壳体连接法兰4-2-1与排气外壳体4-2的一端栓接，排气外壳体4-2的另一端通过排气壳体连接法兰4-2-1与外部的过渡机匣相连。如此设置，便于设备的拆卸及维护。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第一级轮盘1-2-2的前端面中心设有轮盘连接法兰1-2-2-2，转子前轴1-1的一端设有转子前轴连接法兰1-1-1，第一级轮盘1-2-2通过相互配合的轮盘连接法兰1-2-2-2和转子前轴连接法兰1-1-1与转子前轴1-1栓接。如此设置，便于设备的拆卸及维护。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第四级轮盘1-2-5的后端面中心设有外伸轴颈法兰1-2-5-2。如此设置，第四级轮盘1-2-5通过外伸轴颈法兰1-2-5-2与高压转子连接轴相连。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的进气外壳体3-2的内径由前至后逐渐减小，进气内壳体3-1与进气外壳体3-2之间的低压进气通道3-7为收敛形通道。如此设置，收敛形通道起到流体加速的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的相邻两个转子轮盘之间通过电子束焊接的连接方式形成不可拆式结构，转子轮盘之间为间隙密封。如此设置，使得转子轮盘组合1-2在较轻重量下具有较高的刚性。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图3说明本实施方式，本实施方式还包括涨圈式密封环，进气外壳体3-2的外圆周上设有密封圈安装槽3-2-2，涨圈式密封环安装在外壳体的密封圈安装槽3-2-2内。如此设置，进气外壳体3-2上安装涨圈式密封环，与外部机组外筒体形成密封结构，防止漏气。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。