当一家设计、制造和维护二元有机兰金循环(ORC)电力系统的公司进入地热能源市场时，其工程师知道现有的涡轮机将受到考验。
ORC的工作原理类似于热力学克劳修斯-兰金循环(CRC)，这是一种广泛应用于发电的过程。CRC通过一个闭环将热量转化为功，该闭环通常使用水作为工作流体。相反，ORC系统汽化有机流体，其特征是分子质量大于水。
与水相比，这种有机液体的沸点较低，蒸汽压较高。因此，它可以使用低温热源发电，而不会排放有害物质。与此同时，由于涡轮芯轴空间的限制、腐蚀性介质和轴转速的增加，ORC的应用最近变得越来越具有挑战性。这家总部位于欧洲的公司知道，它需要专注于一种具有成本效益的涡轮机设计，每台发电机的功率输出最高可达40兆瓦。
作为新设计的一部分，ORC公司在工艺中引入了新的硅基流体。新流体不仅带来了温度问题，而且对涡轮机现有的双筒式机械密封提出了腐蚀条件的挑战。
为了适应硅基流体，该公司与密封制造商合作，为新的、苛刻的操作挑战提供可靠的解决方案。该密封供应商与ORC公司合作超过10年，提供工程产品和服务，包括机械密封、联轴器、流体动力轴承和密封支撑系统。
确保密封设计的可靠性和性能
工程师们与ORC涡轮制造商密切合作，评估了多种密封设计，以应对高温和腐蚀性条件的增加。设计包括传统的重型双o形密封圈，主密封圈由金属载体上的普通面耐磨嵌件制成，采用不同的弹性体，包括聚四氟乙烯(PTFE)、氢化丁腈橡胶(HNBR)和硅橡胶。
基于双o形密封圈推杆密封的经验，工程师们尝试了多种解决方案，能够承受230华氏度到644华氏度(110摄氏度到340摄氏度)的高温负荷，同时还测试了不同的密封主环设计。但是，没有一个符合传热、泄漏和其他性能标准。此外，还对保持适当水平的液膜以润滑密封面和工艺液的泄漏量提出了关切。
隐式解决方案
测试结果表明，金属载体压机安装的碳嵌件被废弃，取而代之的是石墨负载的碳化硅(SiC)主环，具有更好的热交换系数和抗变形性能。通过在密封设计中加入液压垫，解决了流体膜形成的要求。
顾名思义，水垫是密封面上的槽，在密封圈之间产生水动力分离力。多年来，该技术已成功应用于丙烯、丁烷等容易蒸发的液体中。因为油的蒸汽压低，泄漏不会蒸发消失。
用户经常要求漏油率远低于通常可接受的泄漏率。因此，传统的水垫技术虽然在许多高压应用中有效，但无法满足新的ORC涡轮条件的标准。
密封件制造商决定采用嵌入式液压垫技术。该技术是专门为双加压o形环推杆密封设计的，适用于隔油流体。隐窝技术优化了液膜厚度的形成。
液膜厚度影响密封性能的各个方面。过低的厚度会引起密封圈之间的接触，导致磨损大，吸收功率大。另一方面，泄漏量与膜厚呈立方因子相关。传统的液压垫技术采用完全的非接触工作模式，但其漏油量难以接受。
这种凹形结构减少了密封界面接触不均匀的风险，同时提供更好、更坚固的润滑，使密封界面对密封环扭曲不那么敏感。它利用非接触式密封的优点(低磨损和产生的热量)，但泄漏少得多。ORC涡轮制造商直接验证了上述说法，进行了长期的资格测试，比较了新旧设计。
每隔1500小时，在服务中心拆除和检查密封。在每次检查中，密封圈都处于良好状态，没有磨损或损坏的迹象。测试证实，即使在低膜厚的情况下，凹进式液压垫技术也能防止不均匀接触的风险。没有热损伤(热检查)也是有效散热的结果。
结果
部分由于密封升级，ORC涡轮机制造商可以提供其涡轮机技术作为地热能市场的可靠收入来源。密封泄漏和过热问题已得到解决。
与之前的设计相比，泄漏减少了65%，功率需求减少了32%(在三种不同压力值下的平均值)。最后，涡轮机始终满足性能目标，包括5年密封平均维修间隔时间(MTBM)的跟踪记录。