ORC系統(tǒng)螺桿膨脹機(jī)軸封的設(shè)計(jì)選型

摘要：螺桿膨脹機(jī)軸封作為ORC系統(tǒng)安全、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的保證，其設(shè)計(jì)選型極為重要。本文根據(jù)我公司ORC系統(tǒng)工況參數(shù)對(duì)軸封進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，根據(jù)低速、低壓的工況條件選用性能可靠、密封性好、使用壽命長(zhǎng)、功耗低的機(jī)械密封作為軸封。同時(shí)，根據(jù)溫度、工質(zhì)特性、系統(tǒng)壓力等參數(shù)最終選用約翰克蘭5620—80雙端面、平衡型、金屬波紋管型機(jī)械密封，系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電后實(shí)現(xiàn)工質(zhì)無(wú)泄漏。

關(guān)鍵詞：ORC;螺桿膨脹機(jī);軸封;機(jī)械密封

1 ?引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源的有效利用越來(lái)越重視。余熱能源總量的30%為低溫余熱能源，充分利用這部分低溫余熱能源發(fā)電對(duì)提高能源利用率具有非常重要的作用。為此，我公司搭建了ORC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效的利用100℃以下更廣泛的低溫余熱能源。ORC系統(tǒng)螺桿膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程是在一個(gè)完全無(wú)油的環(huán)境中進(jìn)行的，因此，需要在膨脹機(jī)的潤(rùn)滑區(qū)和氣體區(qū)之間設(shè)置可靠的軸封。軸封的主要作用是阻止工質(zhì)泄露和防止?jié)櫥臀廴竟べ|(zhì)，軸封的可靠性是ORC系統(tǒng)生產(chǎn)安全性和連續(xù)性的保證。本文對(duì)ORC系統(tǒng)螺桿膨脹機(jī)的軸封進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2 ?ORC系統(tǒng)介紹

ORC系統(tǒng)又稱有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)體統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。ORC系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)為低沸點(diǎn)有機(jī)物R245fa，有機(jī)工質(zhì)從流動(dòng)系統(tǒng)中的余熱流體中獲取熱量，產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽，從而推動(dòng)螺桿機(jī)膨脹進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或輸出動(dòng)力，乏汽在冷凝器中冷卻為液態(tài)，由泵打入熱交換器，完成一個(gè)工作循環(huán)。這種動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)余熱流體的潔凈度、壓力和溫度都無(wú)過(guò)高要求，適用于100℃以下的余熱熱源。

3 ?ORC系統(tǒng)螺桿膨脹機(jī)軸封的設(shè)計(jì)選型

3.1 ?螺桿膨脹機(jī)軸封分類

目前，螺桿膨脹機(jī)常用的軸封型式分為迷宮密封、碳環(huán)密封、機(jī)械密封和干氣密封。

迷宮密封固定在機(jī)殼上，材料為巴氏合金。由于巴氏合金的熱膨脹系數(shù)較高，要求迷宮密封與軸之間間隙較大，泄漏量較大，不適合作為主密封。

碳環(huán)密封固定在機(jī)殼上，材料為石墨。石墨熱膨脹系數(shù)較小，碳環(huán)密封與軸之間間隙較小，泄漏量較小，但其泄漏量隨著排氣壓力升高而增加 。

機(jī)械密封固定在軸上，與軸一起旋轉(zhuǎn)，利用彈簧或者波紋管對(duì)端面預(yù)緊達(dá)到密封效果。

機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)要保證緊密貼合防止介質(zhì)氣泄露，因此端面產(chǎn)生較大的摩擦熱，需要供油系統(tǒng)提供大量潤(rùn)滑油帶走這些熱量。目前中小型螺桿膨脹機(jī)使用機(jī)械密封較多，可保證工質(zhì)零泄漏，且價(jià)格適中。

干氣密封動(dòng)靜環(huán)端面不接觸，保持微小間隙，密封端面開(kāi)設(shè)流體動(dòng)壓槽，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，氣體在流體動(dòng)壓槽內(nèi)產(chǎn)生壓力，使得干氣密封在非接觸狀態(tài)下，仍能保持微小的泄漏量。但干氣密封加工精度高，且附帶一套流量及壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，價(jià)格相對(duì)昂貴。干氣密封運(yùn)行不受轉(zhuǎn)速和壓力的限制，因此，高速、高壓工況下可選用干氣密封。

3.2 ?螺桿膨脹機(jī)軸封的設(shè)計(jì)選型

螺桿膨脹機(jī)的軸封可以阻止工質(zhì)泄露和防止?jié)櫥臀廴竟べ|(zhì)，一旦工質(zhì)泄露將引起重大安全事故造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，螺桿膨脹機(jī)軸封的設(shè)計(jì)選型要兼顧高效、安全和可靠。

工況參數(shù)是軸封設(shè)計(jì)選型的基本依據(jù)，我公司ORC系統(tǒng)膨脹機(jī)屬于低速、低壓工況，因此選機(jī)械密封作為軸封，這種密封性能可靠、密封性好、使用壽命長(zhǎng)、功耗低。

機(jī)械密封又稱端面密封，是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。機(jī)械密封由靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、彈性元件、動(dòng)環(huán)座、動(dòng)環(huán)密封圈和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，其可能泄露的途徑有靜環(huán)與壓蓋之間、壓蓋與殼體之間、動(dòng)環(huán)與軸套之間、動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的端面。

3.3 ?機(jī)械密封的分類和結(jié)構(gòu)選型

機(jī)械密封按照端面的對(duì)數(shù)分為單端面、雙端面、多端面機(jī)械密封。單端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在制造和裝拆上較容易，只適用于一般場(chǎng)合。雙端面機(jī)械密封適用于強(qiáng)腐蝕、氣體工質(zhì)、易燃易爆工質(zhì)、易揮發(fā)粘度低的工質(zhì)、高真空、貴重物料及要求工質(zhì)與空氣隔絕的工況。ORC系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)為R245fa，其極易揮發(fā)且具有一定的腐蝕性，因此我們選雙端面機(jī)械密封。

按密封流體作用在密封端面上的壓力是卸荷或不卸荷，可分為平衡式機(jī)械密封和非平衡式機(jī)械密封。根據(jù)密封腔處介質(zhì)壓力值的大小可以確定是否選用平衡式機(jī)械密封，當(dāng)工質(zhì)潤(rùn)滑性好，粘度高，系統(tǒng)壓力≤0.8Mpa時(shí)選用非平衡型，當(dāng)工質(zhì)潤(rùn)滑性差，粘度低，系統(tǒng)壓力≥0.5Mpa時(shí)選用平衡型，根據(jù)我公司設(shè)計(jì)工況選用平衡型機(jī)械密封。

機(jī)械密封按照波紋管材料不同分為金屬波紋管型機(jī)械密封、聚四氟乙烯波紋管型機(jī)械密封和橡膠波紋管型機(jī)械密封。橡膠和聚四氟乙烯會(huì)產(chǎn)生低溫脆裂或高溫老化，且工質(zhì)具有一定的腐蝕性，因此選用金屬波紋管機(jī)械密封。

綜上所述，根據(jù)我公司ORC系統(tǒng)工況我們選擇雙端面、平衡型、金屬波紋管型機(jī)械密封。我們對(duì)博格曼、約翰克蘭、丹東克隆、四川日機(jī)等機(jī)械密封生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的符合我工況條件的機(jī)械密封進(jìn)行分類比較，從密封性、穩(wěn)定性、性價(jià)比等方面最終選擇約翰克蘭5620-80型號(hào)機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，此密封從密封性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都能滿足我公司ORC系統(tǒng)使用工況。系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電后，發(fā)電功率40～50KW，透平效率79%，工質(zhì)無(wú)泄漏，透平性能及系統(tǒng)控制均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

4 ?結(jié)語(yǔ)

螺桿膨脹機(jī)軸封是生產(chǎn)安全性和連續(xù)性的保證，由此可見(jiàn)軸封的設(shè)計(jì)選型極為重要。螺桿膨脹機(jī)對(duì)工況條件要求較高，機(jī)械密封從設(shè)計(jì)上、機(jī)械加工上以及對(duì)裝配質(zhì)量的要求都很高，掌握密封的結(jié)構(gòu)、型式、了解機(jī)械密封選型參數(shù)且正確安裝，就能保證系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：劉敏 女 1988.07.10 ?山東省禹城市 漢族 碩士 ?研發(fā)專員 ?研究方向：機(jī)械工程