專利名稱：旋轉軸密封裝置和使用該裝置的氦氣汽輪機發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉軸密封裝置和一種使用這種軸密封裝置的氦氣汽輪機發電系統，該系統通過使用氦氣使燃氣汽輪機轉動而發電。
背景技術：
作為一種原子能發電系統，發展一種氦氣汽輪機發電系統。在氦氣汽輪機發電系統中，由類似核反應堆的高溫氣體反應堆提供的氦氣作為一種主要系統氣體而被使用，使用氦氣使汽輪機轉動以便發電。
在這種氦氣汽輪機發電系統中，必須使主要系統氦氣不泄漏。因而在一種普通的氦氣汽輪機發電系統中，將汽輪機和發電機安置在一個壓力容器內，主要系統氦氣在該容器內循環。由于壓力容器被主要系統氦氣放射性污染，需要許多用于維修壓力容器的工藝。
通常希望制造一種大尺寸的汽輪機和發電機，以便高效地發電。然而如果制造大尺寸的汽輪機和發電機，需要更大的壓力容器，需要更多的用于維修壓力容器的工藝。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種氦氣汽輪機發電系統，在該系統中，可以制造小尺寸的壓力容器。
本發明另一個目的是提供一種氦氣汽輪機發電系統，在該系統中，將汽輪機安裝在壓力容器內，將發電機安裝在壓力容器外。
本發明另一個目的是提供一種可以阻止旋轉軸內的氣體泄漏的旋轉軸密封裝置。
在本發明一個方面中，軸密封裝置設置在一個充滿第一氣壓的第一氣體的容器和一個作為轉動軸的旋轉軸之間，所述旋轉軸穿過所述容器。所述軸密封裝置包含第一至第三干式氣封部分。將第一干式氣封部分設置在旋轉軸和容器之間，以使所述旋轉軸可轉動并存在一個具有第二氣壓的第一空間部分。在第一干式氣封部分之后第二干式氣封部分設置在所述旋轉軸和所述容器之間，以使所述旋轉軸可轉動并存在一個具有第三氣壓的第二空間部分。在第二干式氣封部分之后第三干式氣封部分設置在所述旋轉軸和所述容器之間，以使所述旋轉軸可轉動并存在一個具有第四氣壓的第三空間部分。所述第一氣壓小于所述第二氣壓，所述第二氣壓高于所述第三氣壓，所述第三氣壓高于所述第四氣壓和大氣壓，而所述第四氣壓比大氣壓低。
第一干式氣封部分可以包括一個控制第二氣壓的第一氣壓控制部分，以使第二氣壓比所述第一氣壓高。在此情況下，該第一氣壓控制部分可以包括一個設置在所述容器內的第一壓力傳感器，以用于測量所述第一氣壓；一個設置在所述第一空間部分內的第二壓力傳感器，用于測量所述第二氣壓；一個氣體供給單元，它將氣壓高于所述第二氣壓的氣體提供到所述第一空間部分；以及一個與該第一空間部分和該氣體供給單元相連的閥。基于第一壓力傳感器所測量的第一氣壓和第二壓力傳感器所測量的第二氣壓，第一控制部分控制用于所述氣體供給單元的閥，以便向所述第一空間部分提供氣體，從而該第二氣壓高于該第一氣壓。基于第一壓力傳感器所測量的第一氣壓和第二壓力傳感器所測量的第二氣壓，該第一控制部分控制用于所述氣體供給單元的閥，以便向所述第一空間部分提供氣體，以在預定的第一范圍內具有遲滯特性(hysteresis characteristic)。
同樣，第一空間部分可以由旋轉軸、軸密封裝置的一個壁、第一干式氣封和第二干式氣封限定，第一干式氣封向所述容器內部開口，而第二干式氣封被所述第二空間部分共用。
同樣，第三干式氣封部分可以包含一個控制第四氣壓以使第四氣壓比第三氣壓和大氣壓低的第三氣壓控制部分。在此情況下，第三氣壓控制部分可以包括一個設置在所述第三空間部分內的第四壓力傳感器，用于測量所述第四氣壓；以及一個與第三空間部分相連的抽氣單元。基于第四壓力傳感器所測量的第四氣壓，第三控制部分控制該抽氣單元，因而該第四氣壓比所述第三氣壓和大氣壓低。在此情況下，基于由第四壓力傳感器所測量的第四氣壓，第三控制部分控制抽氣單元以在預定的第三范圍內具有遲滯特性，從而使第四氣壓比第三氣壓和大氣壓低。
同樣，第三空間部分也可以由旋轉軸、軸密封裝置的一個壁、第三干式氣封和一個迷宮式密封所確定，而所述迷宮式密封通向大氣，所述第三干式氣封被所述第二空間部分共用。
同樣，第二干式氣封部分可以包括一個控制第三氣壓的第二氣壓以使所述第三氣壓比所述第二氣壓低但是比大氣壓高的控制部分。此時，該第二氣壓控制部分可以包含一個設置在第二空間部分內的第三壓力傳感器，以用于測量第三氣壓；和一種氣體再循環單元，其使氣體從第二空間部分再循環進入第一空間部分。基于第三壓力傳感器所測量的第三氣壓，第二控制部分控制該氣體再循環單元，從而所述第三氣壓比所述第二氣壓低但是比大氣壓高。在此情況下，基于第三壓力傳感器所測量的第三氣壓，第二控制部分控制氣體再循環單元并在預定第二范圍內具有遲滯特性，從而所述第三氣壓比所述第二氣壓低但是總是比大氣壓高。
同樣，第二空間部分也可以由旋轉軸、軸密封裝置的一個壁、第二干式氣封和第三干式氣封所限定，且第二干式氣封被所述第一空間部分共用，所述第三干式氣封被所述第三空間部分共用。
同樣，第二干式氣封部分可以包括N個串聯的干式氣封分段(N是一個大于1的整數)，而第二空間部分包括N個空間分段。N個干式氣封分段的第M個(2≤M≤N)可以包括一第M個空間分段；和一個控制第M個空間分段的第M個氣壓的第二氣壓控制部分，以便第M個空間分段的第M個氣壓比第(M-1)個空間分段的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間分段的第(M+1)個氣壓和大氣壓高。此時第M個氣壓控制部分可以包括一個設置在第M個空間分段內并以用于測量第M個氣壓的第M個壓力傳感器；以及，第M個氣體再循環單元，它使氣體從第M個空間分段再循環進入第(M-1)個空間分段。基于第M個壓力傳感器所測量的第M個氣壓，第M個控制部分控制第M個再循環裝置，因而第M個空間分段的第M個氣壓比第(M-1)個空間分段的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間分段的第(M+1)個氣壓和大氣壓高。在此情況下，基于第M個壓力傳感器所測量的第M個氣壓，第M個控制部分控制第M個再循環裝置以具有在預定范圍內的遲滯特性，從而使第M個空間分段的第M個氣壓比第(M-1)個空間分段的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間分段的第(M+1)個氣壓和大氣壓高。
同樣，第M個空間分段也可以由旋轉軸、軸密封裝置的一個壁、第(M-1)個干式氣封和第M個干式氣封限定，該第(M-1)個干式氣封被所述第(M-1)個空間分段共用，該第M個干式氣封被所述第(M+1)個空間分段共用。
在上述內容中，氣體可以是氦氣，氣體處于700℃～1000℃的溫度范圍。
根據本發明另一個方面，汽輪機發電系統可以包含一個氣體反應堆，它加熱氣體以產生熱氣；與該反應堆相連的容器；一個安裝在該容器內并在所述熱氣作用下轉動的汽輪機；一適用于該容器和該汽輪機的隔離元件，用于將該容器內部分成第一和第二部分；一個設置在該容器外側并通過旋轉軸與該氣輪機相連的發電機；以及設置在旋轉軸和該容器之間的上述軸密封裝置。
在此情況下，汽輪機發電系統還包括一個循環單元，使熱氣從第二部分循環進入第一部分。
并且，根據本發明另一個方面，通過下述步驟獲得一種在充滿氣體的第一部分和在大氣中第二部分之間密封的方法，即，在第一部分和第二部分之間設置第一到第三空間部分；控制第一空間部分內的第二氣壓，以使該氣壓高于第一部分內的第一氣壓；控制第二空間部分內的第三氣壓，以使該氣壓低于第三部分內的第四氣壓但高于大氣壓；以及，控制第四氣壓，以使它低于大氣壓。
在此情況下，第一干式氣封設置在第一部分和第一空間部分之間，第二干式氣封設置在第一空間部分和第二空間部分之間，第三干式氣封設置在第二空間部分和第三空間部分之間。


圖1是示出本發明氦氣汽輪機發電系統的示意圖；圖2是示出本發明氦氣汽輪機發電系統的汽輪機和發電機結構的方塊圖；圖3是示出本發明軸密封裝置結構的方塊圖；圖4是示出第一干式氣封結構的方塊圖；圖5是示出壓差數據和第一控制器對壓力調節閥的控制狀態之間關系的曲線；圖6是示出第三壓力傳感器所測量的壓力和第二控制器對氦氣再循環壓縮機的控制狀態之間的關系的曲線；圖7是示出第四壓力傳感器所測量的壓力和第三控制器對負壓吸引單元的控制狀態之間的關系的曲線，此時壓力傳感器處于第三控制器對負壓吸引單元的控制狀態的第一示例；以及圖8是示出第四壓力傳感器所測量的壓力和第三控制器對負壓吸引單元的控制狀態之間的關系的曲線，此時壓力傳感器處于第三控制器對負壓吸引單元的控制狀態的第二示例；具體實施方式
下文將結合附圖描述本發明的氦氣汽輪機發電系統。
圖1是示出本發明氦氣汽輪機發電系統的示意性視圖。參考圖1，本發明氦氣汽輪機發電系統包含一個高溫氣體反應堆1，該反應堆通過管道2向壓力容器3提供溫度范圍為700℃～1000℃的高溫氣體。
將汽輪機4安裝在壓力容器3內。設置一個隔離元件5，以用于將圍繞汽輪機4的壓力容器3的內部空間隔成一個作為內圓周部分的第一部分3a和一個作為外圓周部分的第二部分3b。第一部分3a與管道2相連，但是第二部分3b不與管道2相連。因此將來自高溫氣體反應堆1的氦氣通過管道2提供到第一部分3a，并再穿過汽輪機4，將氦氣提供到第二部分3b。用此方式，隨著來自高溫氣體反應堆1的氦氣進入汽輪機4，具有渦輪葉片(圖中未示)的汽輪機4轉動。
并且，通過作為轉動軸的旋轉軸6，汽輪機4與發電機7相連。發電機7安置在壓力容器3的外部，而旋轉軸6穿過壓力容器3的壁。一個軸密封裝置8設置在壓力容器3和旋轉軸6之間。軸密封裝置8不會阻礙旋轉軸6轉動，卻能夠阻止在壓力容器3內循環的氦氣從壓力容器3內泄漏。下文將介紹旋轉軸6和軸密封裝置8的結構。
此外，氦氣汽輪機發電系統還包括一個用于連接第一部分3a和熱交換器11的管道9和一個用于連接第二部分3b和熱交換器11的管道10。通過管道10，熱交換器11獲得被提供到第二部分3b的氦氣并對氦氣進行冷卻，然后將氦氣輸送到一個加壓部分(圖中未示)。通過管道9，將被加壓部分(圖中未示)加壓后的氦氣輸送到第一部分3a。
下文將詳細地介紹旋轉軸6。圖2示出本發明氦氣汽輪機發電系統中汽輪機4和發電機7的結構。參考圖2，旋轉軸6穿過壓力容器3并連接汽輪機4和發電機7。汽輪機4被安裝在壓力容器3內并暴露在氦氣下。將發電機7安裝在壓力容器3外的大氣中。
旋轉軸6由各旋轉軸部分6-1、6-2和6-3組成。旋轉軸部分6-1被壓力容器3第一部分3a內的磁性軸承12可轉動地支撐，并穿過汽輪機4，而被壓力容器3第二部分3b內的磁性軸承13可轉動地支撐，旋轉軸部分6-2被配裝在壓力容器3內的軸密封裝置8可轉動地支撐。旋轉軸部分6-3被含油軸承16支撐并穿過發電機7，而被含油軸承17可轉動地支撐。旋轉軸6-1和6-2通過膜片聯軸節14相連，旋轉軸6-2和6-3通過膜片聯軸節15相連。
下文將結合圖3介紹軸密封裝置8。圖3示出本發明軸密封裝置8的結構。參考圖3，本發明的軸密封裝置8具有一個第一空間部分21、一個第二空間部分36和一個第三空間部分40。
第一空間部分21被設置為旋轉軸6的外圓周表面、第一壁部分21a和第一和第二干式氣封22和32所限定的區域。第一干式氣封22與壓力容器3的壁相連。第二空間部分36被設置為旋轉軸6的外圓周表面、第二壁部分36a和第二密封32和第三干式氣封39所限定的區域，第三空間部分40被設置成旋轉軸6的外圓周表面、第三壁部分40a和第三密封39和一個迷宮式密封43所限定的區域。迷宮式密封43與一個壁相連，在該壁上具有一個通向大氣的開口。
第一空間部分21充滿氦氣。假定氦氣壓力是P1，第一管道23穿過第一壁部分21a并與第一空間部分21相連。從而利用通過一個氦氣緩沖罐24和一個壓力調節閥25的第一管道23，第一空間部分21與一個氦氣供給設備26相連。氦氣緩沖罐24被用于快速改變第一空間部分21內的氦氣氣壓P1。根據將在下文介紹的第一控制器31所發出的開啟或關閉指令，可以開啟或關閉壓力調節閥25。當開啟壓力調節閥25時，氦氣供給設備26具有向第一空間部分21提供高壓(P0)氦氣的功能，其壓力遠高于第一空間部分21內的氦氣壓力P1。
并且，第一壓力傳感器27安置在第一空間部分21內，以便測量第一空間部分21內的氦氣壓力P1。此外，第二壓力傳感器28安置在第二部分3b內，以便測量第二部分3b內的氦氣壓力(P2)。用第一減法器29將第一壓力傳感器27和第二壓力傳感器28相連。第一減法器29與壓差設定單元30相連。第一減法器29從第一傳感器27所測量的壓力P1中減去第二傳感器28所測量的壓力P2，并將表示壓差(P1-P2)的壓差數據傳送到壓差設定單元30。壓差設定單元30與第一控制器31相連，壓差設定單元30從壓差(P1-P2)中減去一個預定壓力α(α＞0)并將表示壓差(P1-P2-α)的壓差數據傳送到第一控制器31。基于壓差設定單元30所傳送的壓差數據(P1-P2-α)，第一控制器31控制壓力調節閥25的開啟或關閉，以總是滿足壓力關系P1＞P2。因此，少量氦氣總是穿過第一干式氣封22，并從第一空間部分21流進壓力容器3的第二部分3b中。下文將介紹利用第一控制器31控制壓力調節閥25的開啟和關閉。
同樣，第二空間部分36也充滿氦氣。假定氦氣壓力是P3。第二空間部分36與穿過第二壁部分36a的第二管道33相連。第二管道33從第二空間部分36延伸穿過用于氦氣再循環的氦氣緩沖罐35和一個氦氣再循環壓縮機34，穿過第一壁部分21a并與第一空間部分21相連。用于氦氣再循環的氦氣緩沖罐35防止第二空間部分36內的氦氣壓力P3快速變化。同樣，氦氣再循環壓縮機34具有收集和壓縮第二空間部分36和用于氦氣再循環的緩沖罐35內的氦氣并通過第二管道33將壓縮后的氦氣提供給第一空間部分21的功能。與氦氣再循環壓縮機34相連的第二控制器38控制氦氣再循環壓縮機34所進行的氦氣壓縮操作。第二控制器38與設置在第二空間部分36內以測量第二空間部分36內氦氣壓力P3的第三傳感器37相連。第二控制器38控制氦氣再循環壓縮機34的操作，因此第三傳感器37所測量的壓力P3比第一空間部分21內的壓力P1小，但是比大氣壓Pa高。因此少量氦氣總是通過第二干式氣封32而從第一空間部分21流到第二空間部分36。下文將介紹利用第二控制器38控制氦氣再循環壓縮機34的操作。
大氣存在于第三空間部分40之外的區域44中，大氣壓為Pa。第三空間部分40通過第三壁部分40a與第三管道41相連。通過一個負壓吸引單元42，第三管道41將第三空間部分40與一個氣體處理單元(圖中未示)相連。負壓吸引單元42具有從第三空間部分40向氣體處理單元提供氣體的功能。與負壓吸引單元42相連的第三控制器46控制負壓吸引單元42。第三控制器46與設置用來測量第三空間部分40內氣壓P4的第四壓力傳感器45相連。第三控制器46控制負壓吸引單元42的操作，以便，第四傳感器45所測量的壓力P4比第二空間部分36內氣壓P3和大氣壓Pa低。下文將詳盡地描述利用第三控制器46對負壓吸引單元42操作的控制。
如上所述，第三空間部分40內氣壓P4被控制成小于大氣壓Pa。從而，少量空氣總是穿過迷宮式密封43而從第三空間部分40之外的區域44流入第三空間部分40。同樣，第三空間部分40內氣壓P4被控制成小于第二空間部分36內氣壓P3。因此，少量氦氣穿過第三干式氣封39而從第二空間部分36流入第三空間部分40。因此空氣和氦氣的混合氣體存在于第三空間部分40內。
下文將介紹第一干式氣封22的結構和功能。
圖4示出第一干式氣封22的結構。參考圖4，第一干式氣封22由轉動部分51和靜止部分52組成。轉動部分51支撐在旋轉軸6的外圓周表面上。靜止部分52被支撐在壓力容器3壁和第一壁部分21上以便與旋轉軸6分離。在靜止部分52一側，轉動部分51具有一個大致垂直于旋轉軸6的表面部分。在為該表面部分設置了一個第一滑動表面部分53，在該第一滑動表面部分53上形成一螺旋槽。同樣，第二滑動表面部分54是一個大致垂直于旋轉軸6的表面部分并為靜止部分52設置，以便與上述第一滑動表面部分53接觸。第二滑動表面部分54被大致形成為一個平面。
下文將介紹第一干式氣封22的功能。
首先，當轉動部分51處于靜止狀態時，第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54彼此配合。在這種情況下，任何氦氣不能從第一滑動表面53和第二滑動表面部分54之間通過。
隨后，當轉動部分51處于轉動狀態時，由于為第一滑動表面部分53設置的螺旋槽，而第一力施加在轉動部分51和靜止部分52上，從而第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54彼此分開。同時由于轉動部分51和靜止部分52是固定的，第二力施加在轉動部分51和靜止部分52上，從而使第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54彼此接觸。隨著第一力和第二力之間的平衡，能夠在第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54之間形成小間隙。結果，靜止部分52不能阻止轉動部分51的轉動。此外，由于第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54之間的間隙很小，少量氦氣通過間隙。在此情況下，通過間隙的氦氣從第一空間部分21流入第二部分3b。這是由于利用第一控制器31對第一空間部分21內氦氣壓力P1進行調整，使它比第二部分3b內氦氣壓力P2高。
如上所述，當轉動部分51處于轉動狀態時，由于第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54之間的間隙很小，能夠減少通過第一干式氣封22的氦氣量。同樣，由于第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54不接觸，第一干式氣封22可以減少旋轉軸6的能量損耗。此外由于第一干式氣封22不使用潤滑油，第一干式氣封22能夠密封等于或高于700℃的熱氦氣。
下文將介紹第二干式氣封32的結構和功能。類似于第一干式氣封22，第二干式氣封32具有與第一干式氣封22相同的結構，除了將靜止部分52固定在第一壁部分21a和第二壁部分36a上之外。
下文將介紹第二干式氣封32的功能。第二干式氣封32的功能與第一干式氣封22的功能相同。同樣，當轉動部分51處于轉動狀態時，少量氦氣通過第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54之間的小間隙并從第一空間部分21流入第二空間部分36。這是由于利用第二控制器38對第一空間部分21內氦氣壓力P1進行調整，使它比第二空間部分36內氦氣壓力P3高。
如上所述，與第一干式氣封22相同，第二干式氣封32可以減少通過第二干式氣封32的氦氣量。同樣，第二干式氣封32可以減少旋轉軸6的能量損耗。此外，第二干式氣封32能夠密封等于或高于700℃的熱氣體。
下文將介紹第三干式氣封39的結構和功能。第三干式氣封39類似于第一干式氣封22具有與第一干式氣封22相同的結構，除了靜止部分52固定在第二部分36a和第三壁部分40a之外。
下文將介紹第三干式氣封39的功能。第三干式氣封39的功能與第一干式氣封22的功能相同。同樣，當轉動部分51處于轉動狀態時，少量氦氣穿過第一滑動表面部分53和第二滑動表面部分54之間產生的小間隙并從第二空間部分36流入第三空間部分40。這是由于利用第三控制器46對第二空間部分36內氦氣壓力P3進行調整，使它比第三空間部分40內氦氣壓力P4高。
如上所述，與第一干式氣封22相同，第三干式氣封39可以減少通過第三干式氣封39的氦氣量。第三干式氣封39也可以減少旋轉軸6的能量損耗。此外第三干式氣封39能夠密封等于或高于700℃的熱氣體。
下文將介紹利用第一控制器3 1控制壓力調節閥25的開啟和關閉操作。
圖5是示出壓差設定單元30所傳送的壓差數據和第一控制器31對壓力調節閥25開啟和關閉控制狀態之間關系的曲線。在此，圖5中水平軸線表示壓差(P1-P2)。圖5中垂直軸線表示從第一控制器31輸送到壓力調節閥25的信號。參考圖5，首先當壓差數據從壓差設定單元30傳送到第一控制器31以表示壓差(P1-P2-α)比壓力-α1(0＜α1＜α)小時，第一控制器31向壓力調節閥25發出完全開啟的指令信號，因而壓力調節閥25完全開啟。通過氦氣緩沖罐24，從氦氣供給設備26向第一空間部分21提供壓力為P0(P0＞＞P1)的氦氣。此時壓力α1是第一控制器31所預設的。
隨后，如果連續地從氦氣供給設備26向第一空間部分21提供壓力為P0的氦氣，第一空間部分21內氦氣壓力P1增加。在這種情況下，當壓差數據從壓差設定單元30傳送到第一控制器31以表示壓差(P1-P2-α)等于或大于壓力α1時，第一控制器31向壓力調節閥25發出完全關閉的指令信號，因而壓力調節閥25完全關閉。從而，停止從氦氣供給設備26向第一空間部分21提供氦氣。
隨后，當停止從氦氣供給設備26向第一空間部分21提供氦氣時，第一空間部分21內的少量氦氣通過第一干式氣封22和第二干式氣封32泄漏。從而第一空間部分21內氦氣壓力P1逐漸下降。在這種情況下，當壓差數據從壓差設定單元30傳送到第一控制器31以表示壓差(P1-P2-α)比壓力-α1小時，第一控制器31向壓力調節閥25發出完全開啟的指令信號，因而壓力調節閥25再次完全開啟。
如上所述，第一控制器31控制壓力調節閥25以便保持一種狀態，即第一空間部分21內氣壓P1比壓力容器3第二部分3b內氣壓P2高。第一控制器31頁控制壓力調節閥25，從而第一空間部分21內氣壓P1不會比壓力容器3第二部分3b內氣壓P2高出一個恒定值。
在這種情況下，希望一個備用能源(圖中未示)與壓力調節閥25相連。當用于驅動壓力調節閥25的動力供應中斷時，第一控制器31控制壓力調節閥25完全開啟，從而氦氣不會從壓力容器第二部分3b內泄漏。
下文，將介紹第二控制器38對氦氣再循環壓縮機34的控制操作。圖6示出第三傳感器37所測量壓力P3和第二控制器38對氦氣再循環壓縮機34控制狀態之間關系的曲線。在此，圖6中水平軸表示壓差(P3-PSTD)，壓力PSTD是第二控制器38所預設的基準壓力，且其總是滿足將在下文介紹的關系式P4＜PSTD＜P1和關系式|P1-PSTD|＞|PSTD-P4|。同樣，圖6中垂直軸表示從第二控制器38輸出到氦氣再循環壓縮機34的控制信號狀態。
參考圖6，首先，當第三傳感器37所測量壓力P3和壓力PSTD之間壓差(P3-PSTD)小于壓力-β(P4＜PSTD-β＜PSTD+β＜P1)時，第二控制器38向氦氣再循環壓縮機38輸出停止信號。在此，壓力β被第二控制器38預先設定。氦氣再循環壓縮機34響應于停止信號而停機。此時，通過第二干式氣封32，少量氦氣從第一空間部分21被提供到第二空間部分36。同樣，通過第三干式氣封39，少量氦氣也從第二空間部分36泄漏到第三空間部分40。當從第一空間部分21提供的氦氣量比泄漏到第三空間部分40內的氦氣量多時，第二空間部分36內氦氣壓力增加。通常當被干式氣封所密封的兩個區域之間的壓差非常大時，通過干式氣封的氣體數量增加。因此，在此示例中，壓力PSTD被選取為總是滿足關系式|P1-PSTD|＞|PSTD-P4|。
接著，當壓差(P3-PSTD)大于壓力β時，第二控制器3向氦氣再循環壓縮機34輸出一個啟動信號。氦氣再循環壓縮機34響應于啟動信號而啟動。在這種情況下，由于氦氣再循環壓縮機34收集第二空間部分36內的氦氣。第二空間部分36內氦氣壓力P3下降。
接著，當第二空間部分36內氦氣壓力P3下降從而第三傳感器37所測量壓力P3和壓力PSTD之間壓差(P3-PSTD)小于壓力-β時，第二控制器38發出停止信號，再次停止氦氣再循環壓縮機34的操作。
如上所述，第二控制器38控制氦氣再循環壓縮機34的操作以保持一種狀態，即第二空間部分36內氦氣壓力P3比第一空間部分21內的氣壓P1小但是比第三空間部分40內氣壓P4高。
在這種情況下，希望氦氣再循環壓縮機34和第二控制器38與一個備用能源(圖中未示)相連，因此即使切斷向氦氣再循環壓縮機34和第二控制器38提供能量，氦氣再循環壓縮機34和第二控制器38也可以操作。
下文將介紹第三控制器46對負壓吸引單元42的控制操作。
首先將介紹第三控制器46對負壓吸引單元42控制操作的第一種示例。圖7是示出第四傳感器45所測量壓力P4和第三控制器46對負壓吸引單元42的控制狀態之間關系的曲線，此時顯示了第三控制器46對負壓吸引單元42控制操作的第一種示例。圖7中水平軸表示壓差(P4-PSTD2)，壓力PSTD2是第三控制器46所預設的一個基準值，并且其滿足關系式0＜PSTD2＜Pa(Pa是大氣壓)。圖7中垂直軸表示負壓吸引單元42轉動次數，也就是被抽走氣體的量。負壓吸引單元42具有將第三空間部分40內的氣體提供到氣體處理單元(圖中未示)中的功能。當增加負壓吸引單元42的轉動次數時，負壓吸引單元42增加了將第三空間部分40內的氣體提供到氣體處理單元中的量。同樣，當降低負壓吸引單元42的轉動次數時，負壓吸引單元42減少了將第三空間部分40內的氣體提供到氣體處理單元的量。
參考圖7，首先，當第四傳感器45所測量的壓力P4大約等于壓力PSTD2時，負壓吸引單元42按照預定的轉動次數R0旋轉。
隨后，當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)大于γ1(γ1＞0)時，第三控制器46增加負壓吸引單元42的轉動次數。壓力γ1是第三控制器46所預設。在這種情況下，第三控制器46連續設置轉動次數的增量，使其與壓力(P4-PSTD2-γ1)成比例。結果當增加負壓吸引單元42的轉動次數時，負壓吸引單元42將第三空間部分40內更大量的氣體提供到氣體處理單元內。因此第三空間部分40內氣壓P4下降。
同樣，當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)小于-γ2(γ2＞0)時，第三控制器46減少了負壓吸引單元42的轉動次數。壓力γ2是第三控制器46所預設的。此時第三控制器46連續設置轉動次數的遞減量，使其與壓力(P4-PSTD2+γ2)成比例。結果當減少負壓吸引單元42的轉動次數時，負壓吸引單元42降低了從第三空間部分40提供到氣體處理單元內的氣體量。因此，第三空間部分40內氣壓P4增加。
此時，希望負壓吸引單元42和第三控制器46與一個備用能源(圖中未示)相連，因此即使切斷向負壓吸引單元42和第三控制器46提供能量，負壓吸引單元42和第三控制器46也可以操作。
下文將介紹第三控制器46對負壓吸引單元42控制操作的第二示例。
圖8是示出第四傳感器45所測量壓力P4和第三控制器46對負壓吸引單元42控制狀態之間關系的曲線，此時，在第三控制器46對負壓吸引單元42控制操作的第二實施例情況下。在此，圖8中水平軸表示壓差(P4-PSTD2)，壓力PSTD2是第三控制器46所預設的一個基準值，并且其落于0＜PSTD2＜Pa(Pa是大氣壓)的范圍內。圖8中垂直軸表示負壓吸引單元42轉動次數。此時負壓吸引單元42的結構和功能與第一示例中的負壓吸引單元42的結構和功能相同。
參考圖8，首先當第四傳感器45所測量的壓力P4大約等于壓力PSTD2時，負壓吸引單元42按照預定的轉動次數R0旋轉。
隨后，當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)大于γ3(γ3＞0)時，第三控制器46控制使負壓吸引單元42轉動次數增加到R1(R1＞R0)。在此，壓力γ3是第三控制器46所預設的，轉動次數R1也是第三控制器46所預設的。結果，如果增加負壓吸引單元42的轉動次數，負壓吸引單元42將第三空間部分40內更大量的氣體提供到氣體處理單元內。因此第三空間部分40內氣壓P4下降。
此后，當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)小于γ4(0＜γ4＜γ3)時，第三控制器46使負壓吸引單元42的轉動次數返回到R0。在這種情況下，壓力γ4是第三控制器46所預設的。
當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)小于-γ5(γ5＞0)時，第三控制器46使負壓吸引單元42的轉動次數減少到R2(R2＜R0)。在這種情況下，壓力γ5是第三控制器46所預設的。轉動次數R2也是第三控制器46所預設的。結果，如果降低負壓吸引單元42的轉動次數，負壓吸引單元42減少了從第三空間部分40向氣體處理單元提供的氣體量。因此第三空間部分40內氣壓P4增加。
此后，當第四傳感器45所測量的壓力P4和壓力PSTD2之間的壓差(P4-PSTD2)增加到大于壓力γ6(0＜γ6＜γ5)時，第三控制器46使負壓吸引單元42的轉動次數返回到R0。此時壓力γ6是第三控制器46所預設的。
在這種情況下，希望負壓吸引單元42和第三控制器46與一個備用能源(圖中未示)相連，因此即使切斷向負壓吸引單元42和第三控制器46提供能量，負壓吸引單元42和第三控制器46也可以操作。
以下，作為一個對根據本發明軸密封裝置的修改示例，有可能進一步包括M個通過干式氣封與第二空間部分36相連的空間分段(M是一個整數，滿足關系式M≥1)。在這種情況下，彼此相鄰的空間分段被干式氣封所密封，而每個空間分段是一個被類似第二外壁部分36a的外壁部分和旋轉軸6所限定的空間。同樣，干式氣封的結構和功能與第一干式氣封22相同。
下文介紹M個空間分段的布置。首先，在軸線方向6a上鄰接第二部分3b設置第一空間分段，同樣，在軸線方向6a上鄰接第L個(L是一個整數，滿足關系式1≤L≤M)空間分段位置設置第(L+1)個空間分段。此外，在軸線方向6a上，第三空間部分40鄰接第M個空間分段。
第L個空間分段與穿過類似于第二空間部分36外壁部分的管道相連。當L≥2時，通過第L個用于氦氣再循環的緩沖罐和第L個氦氣再循環壓縮機，該管道從第L個空間分段到第(L-1)個空間分段連接。同樣，當L＝1時，通過第一個用于氦氣再循環的緩沖罐和第一個氦氣再循環壓縮機，該管道將第L個空間分段與第二空間部分相連。第L個用于氦氣再循環緩沖罐的結構和功能和與第二空間部分36相連用于氦氣再循環的緩沖罐35的結構和功能相同。同樣，第L個氦氣再循環壓縮機的結構和功能和與第二空間部分36相連的氦氣再循環壓縮機34的結構和功能相同。
此外，類似于第二空間部分36，第L個壓力傳感器設置在第L個空間分段內，以用于測量第L個空間分段內的氣壓。第L個壓力傳感器與第L個控制器相連，以用于控制氦氣再循環壓縮機的操作。在此情況下，第L個控制器的功能與第二控制器38的功能相同，除了由第二控制器38所預設的作為基準壓力的PSTD不同之外。假定第L個控制器所預設的基準壓力是PSTD(L)，當2≤L＜M時，PSTD(L)滿足關系式PSTD(L-1)-β＞PSTD(L)+β。同樣，當L＝1時，PSTD(1)滿足關系式PSTD-β＞PSTD(1)+β。此外，當L＝M時，壓力PSTD(M)被設定為滿足關系式PSTD(M-1)-β＞PSTD(M)+β，而且PSTD(M)-β＞PSTD(2)。在這種情況下，壓力β是第L個控制器和第二控制器38所預設的。而PSTD2是第三控制器46所預設的基準壓力。
如上所述，第L個空間分段內的氣壓被控制成總是比第(L-1)個空間分段內的氣壓低。從而，少量氣體從第(L-1)個空間部分通過第L個空間部分和第(L-1)個空間部分之間的干式氣封流到第L個空間部分。當旋轉軸6處于轉動狀態時，這些M個空間部分允許少量氦氣從第二空間部分36流到第三空間部分40，但是阻止氣體從第三空間部分40流到第二空間部分36。
如上所述，在本發明氦氣汽輪機發電系統中，利用一種軸密封裝置，將汽輪機設置在壓力容器內，將發電機設置在壓力容器外。因此，在本發明氦氣汽輪機發電系統中，與傳統示例相比，壓力容器尺寸可以被制造得減小發電機那么大。
在本發明氦氣汽輪機發電系統中，可以減少對氦氣汽輪機發電系統中壓力容器的維修工藝。
此外，在本發明軸密封裝置中，當在一相對大尺寸的氦氣汽輪機發電系統中，將汽輪機設置在壓力容器內，將發電機設置在壓力容器外時，能夠密封汽輪機和發電機之間的旋轉軸部分，從而在壓力容器內循環的氦氣不會泄漏到壓力容器外。
權利要求
1.一種設置在充滿第一氣壓的第一氣體的容器和作為轉動軸的旋轉軸之間的軸密封裝置，所述旋轉軸穿過所述容器，所述設備包括設置在所述旋轉軸和所述容器之間的第一干式氣封部分以使所述旋轉軸是可轉動并存在一個具有第二氣壓的第一空間部分；在所述第一干式氣封部分之后設置在所述旋轉軸和所述容器之間的第二干式氣封部分，以使所述旋轉軸可轉動并存在具有第三氣壓的第二空間部分；在所述第二干式氣封部分之后設置在所述旋轉軸和所述容器之間的第三干式氣封部分，以使所述旋轉軸可轉動并存在具有第四氣壓的第三空間部分；其中，所述第一氣壓小于所述第二氣壓，所述第二氣壓高于所述第三氣壓，所述第三氣壓高于所述第四氣壓和大氣壓，而所述第四氣壓小于所述大氣壓。
2.根據權利要求1所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第一干式氣封部分包括控制所述第二氣壓以使所述第二氣壓比所述第一氣壓高的第一氣壓控制部分。
3.根據權利要求2所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第一氣壓控制部分包括設置在所述容器內的第一壓力傳感器，以用于測量所述第一氣壓；設置在所述第一空間部分內的第二壓力傳感器，以用于測量所述第二氣壓；氣體供給單元，其將氣壓高于所述第二氣壓的氣體提供到所述第一空間部分；與所述第一空間部分和所述氣體供給單元相連的閥；第一控制部分，其基于所述第一壓力傳感器所測量的所述第一氣壓和所述第二壓力傳感器所測量的所述第二氣壓，控制用于所述氣體供給單元的閥，以將所述氣體提供到所述第一空間部分，從而使所述第二氣壓高于所述第一氣壓。
4.根據權利要求3所述的軸密封裝置，其特征在于，基于所述第一壓力傳感器所測量的所述第一氣壓和所述第二壓力傳感器所測量的所述第二氣壓，所述第一控制部分控制用于所述氣體供給單元的閥，以向所述第一空間部分提供氣體以在預定的第一范圍內具有遲滯特性，從而使所述第二氣壓總是大于所述第一氣壓。
5.根據權利要求2所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第一空間部由所述旋轉軸、所述軸密封裝置的一個壁、第一干式氣封和第二干式氣封限定，所述第一干式氣封向所述容器內部開口，且所述第二干式氣封由所述第二空間部分所共用。
6.根據權利要求1所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第三干式氣封部分包含控制所述第四氣壓以使所述第四氣壓比所述第三氣壓和大氣壓低的第三氣壓控制部分。
7.根據權利要求6所述的軸密封裝置，其特征在于，第三氣壓控制部分包括設置在所述第三空間部分內的第四壓力傳感器，以用于測量所述第四氣壓；與所述第三空間部分相連的抽氣單元；以及基于第四壓力傳感器所測量的第四氣壓而控制所述抽氣單元以使所述第四氣壓比所述第三氣壓和大氣壓低的第三控制部分。
8.根據權利要求7所述的軸密封裝置，其特征在于，基于第四壓力傳感器所測量的第四氣壓，所述第三控制部分控制所述抽氣單元以在預定的第三范圍內具有遲滯特性，從而使所述第四氣壓比所述第三氣壓和所述大氣壓低。
9.根據權利要求6所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第三空間部分由所述旋轉軸、所述軸密封裝置的一個壁、第三干式氣封和一個迷宮式密封限定，并且所述迷宮式密封通向大氣層，所述第三干式氣封由所述第二空間部分共用。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第二干式氣封部分包括控制所述第三氣壓的第二氣壓控制部分，以使所述第三氣壓比所述第二氣壓低但是比大氣壓高。
11.根據權利要求10所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第二氣壓控制部分包括設置在所述第二空間部分內的第三壓力傳感器，以用于測量所述第三氣壓；氣體再循環單元，其使氣體從所述第二空間部分再循環進入所述第一空間部分；以及基于第三壓力傳感器所測量的所述第三氣壓而控制所述氣體再循環單元的第二控制部分，以使所述第三氣壓比所述第二氣壓低但比大氣壓高。
12.根據權利要求11所述的軸密封裝置，其特征在于，基于第三壓力傳感器所測量的所述第三氣壓，所述第二控制部分控制所述氣體再循環單元以在預定第二范圍內具有遲滯特性，從而使所述第三氣壓比所述第二氣壓低但總是比大氣壓高。
13.根據權利要求10所述的軸密封裝置，其特征在于所述第二空間部分由所述旋轉軸、所述軸密封裝置的一個壁、第二干式氣封和第三干式氣封限定，而所述第二干式氣封由所述第一空間部分共用，且所述第三干式氣封被所述第三空間部分共用。
14.根據權利要求1至9中任一項所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第二干式氣封部分包括N個串聯的干式氣封分段(N是一個大于1的整數)，所述第二空間部分包括N個空間分段，所述N個干式氣封分段的第M個(2≤M≤N)包括第M個空間分段；以及控制第M個空間部分的第M個氣壓的第二氣壓控制部分，以使第M個空間部分的第M個氣壓比第(M-1)個空間部分的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間部分的第(M+1)個氣壓和所述大氣壓高。
15.根據權利要求14所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第M個氣壓控制部分包括設置在所述第M個空間分段的第M個壓力傳感器，以測量所述第M個氣壓；第M個氣體再循環單元，它使氣體從第M個空間分段再循環進入所述第(M-1)個空間分段；以及第M個控制部分，其基于所述第M個壓力傳感器所測量的第M個氣壓，控制所述第M個再循環裝置，以使所述第M個空間分段的第M個氣壓比第(M-1)個空間分段的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間分段的第(M+1)個氣壓和大氣壓高。
16.根據權利要求15所述的軸密封裝置，其特征在于，基于所述第M個壓力傳感器所測量的第M個氣壓，所述第M個控制部分控制所述第M個氣體再循環單元以在預定范圍內具有遲滯特性，從而使所述第M個空間分段的第M個氣壓比第(M-1)個空間分段的第(M-1)個氣壓低，但是比第(M+1)個空間分段的第(M+1)個氣壓和所述大氣壓高。
17.根據權利要求14所述的軸密封裝置，其特征在于，所述第M個空間部分由所述旋轉軸、所述軸密封裝置的一個壁、第(M-1)個干式氣封和第M個干式氣封限定，所述第(M-1)個干式氣封由所述第(M-1)個空間分段共用，所述第M個干式氣封由所述第(M+1)個空間分段共用。
18.根據權利要求1至9中任一項所述的軸密封裝置，其特征在于，所述氣體是氦氣。
19.根據權利要求18所述的軸密封裝置，其特征在于，所述氣體處于700℃～1000℃的溫度范圍內。
20.一種汽輪機發電系統，包括氣體反應堆，其加熱所述氣體以產生熱氣；與所述反應堆相連的所述容器；安裝在所述容器內并由所述熱氣旋轉的汽輪機；為所述容器和所述汽輪機設置的隔離元件，以用于將所述容器內部分成第一和第二部分；設置在所述容器外并通過旋轉軸與所述氣輪機相連的發電機；以及設置在所述旋轉軸和所述容器之間，如權利要求1至19中任一項所述的軸密封裝置。
21.根據權利要求20所述的汽輪機發電系統，其特征在于，還包括循環單元，其使所述熱氣從所述第二部分循環進入所述第一部分；
22.一種在充滿氣體的第一部分和處于大氣中第二部分之間密封的方法，包括如下步驟在所述第一部分和所述第二部分之間設置第一至第三空間部分；控制所述第一空間部分內的第二氣壓以使該氣壓高于第一部分內的第一氣壓；控制所述第二空間部分內第三氣壓以使該氣壓低于所述第三部分內的第四氣壓但高于大氣壓；以及控制所述第四氣壓以使其低于大氣壓。
23.根據權利要求22所述的方法，其特征在于，第一干式氣封設置在所述第一部分和所述第一空間部分之間，第二干式氣封設置在所述第一空間部分和所述第二空間部分之間，并且，第三干式氣封設置在所述第二空間部分和所述第三空間部分之間。
全文摘要
一種設置在充滿第一氣壓的第一氣體的容器和穿過所述容器的旋轉軸之間的軸密封裝置。軸密封裝置包含第一至第三干式氣封部分。第一干式氣封部分設置成所述旋轉軸是可轉動的，并存在具有第二氣壓的第一空間部分。第二干式氣封部分設置在所述第一干式氣封部分之后以使所述旋轉軸是可轉動并存在具有第三氣壓的第二空間部分。第三式氣封部分設置在所述第二干式氣封部分之后以使所述旋轉軸是可轉動并存在一個具有第四氣壓的第三空間部分。所述第一氣壓小于所述第二氣壓，所述第二氣壓高于所述第三氣壓，所述第三氣壓高于所述第四氣壓和大氣壓，而所述第四氣壓小于所述大氣壓。
文檔編號F01D15/10GK1431387SQ0210478
公開日2003年7月23日 申請日期2002年1月8日 優先權日2002年1月8日
發明者赤澤逸生, 弘本晃, 堤孝則, 前川和彥 申請人:三菱重工業株式會社