ДВУХСЕКЦИОННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР
TWO-CYCLE CENTRIFUGAL COMPRESSOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в компрессорной технике.
В процессе работы двухсекционного центробежного компрессора за счет разности давления на входе и выходе рабочих колес возникает осевое усилие на ротор. В двухсекционном центробежном компрессоре при расположении секций «спина к спине» за счет противоположного направления осевой силы в секциях компенсируется основная нагрузка на ротор. Дополнительная разгрузка осуществляется при помощи разгрузочного поршня (думмиса), выполненного в виде втулки, установленной на валу ротора между секциями, и лабиринтного уплотнения, установленного в межсекционную перегородку.
Известна конструкция двухсекционного компрессора, содержащая корпус, размещенные в нем статор первой и второй секции, межсекционную перегородку с лабиринтным уплотнением, ротор с рабочими колесами и думмисом. Осевое усилие ротора компенсируется за счет подбора диаметра думмиса под лабиринтным уплотнением в межсекционной перегородке (Центробежные и осевые компрессорные машины: Отраслевой каталог. - М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. - 1992 г. - стр.64, рис.52, стр.82, рис.65).
Недостатком такой конструкции двухсекционного центробежного компрессора является то, что при изменении режима работы компрессора величина осевых усилий возрастает и для компенсации необходимо увеличивать диаметр думмиса и, как следствие, его массу, что неблагоприятно сказывается на динамических характеристиках ротора. При этом в малорасходных ступенях сжатия двухсекционных центробежных компрессоров протечки газа через зазор в лабиринтных уплотнениях значительно снижают эффективность работы ступени сжатия компрессора по степени повышения давления и по коэффициенту полезного действия.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является двухсекционный центробежный компрессор, содержащий корпус, размещенные в нем статор первой и второй секции, межсекционную перегородку с лабиринтным уплотнением, ротор с рабочими колесами и думмисом, в котором думмис выполнен в виде ступенчатой втулки с подводом газа через канал в межсекционной перегородке и отверстия в лабиринтном уплотнении из нагнетательной камеры второй секции в межступенчатую полость думмиса и лабиринтного уплотнения (Патент РФ 2384745 C1, «Двухсекционный центробежный компрессор», МПК F04D 17/08, F04D 29/08, опубл.: БИ 20.03.2010 (прототип))
Указанный двухсекционный центробежный компрессор также не лишен серьезных недостатков:
- при использовании уплотнения с большим расходным коэффициентом возникают повышенные утечки уплотняемого газа из-за того, что давление в межступенчатом пространстве выше, чем в задуммисной полости;
- в лабиринтном уплотнении возникает нежелательная возбуждающая циркуляционная сила из-за того, что в межступенчатом пространстве возникает кольцевой вихрь, направленный в сторону вращения ротора;
- на стабильность работы ротора в компрессоренегативно воздействует кольцевой вихрь, поскольку поток газа, поступающий в межступенчатое пространство через радиальные подводящие отверстия со стороны нагнетания, не обеспечивает эффективного разрушения данного кольцевого вихря.
В основу изобретения поставлена задача за счет усовершенствования конструкции повысить эффективность компенсации осевых усилий на ротор, уменьшить протечки уплотняемого газа из второй секции компрессора в первую секцию в процессе работы и улучшить динамические характеристики ротора.
Поставленная задача решается тем, что в двухсекционном центробежном компрессоре, содержащем корпус, расположенные в нем статор первой и второй секции, межсекционную перегородку с лабиринтным уплотнением, ротор с рабочими колесами и думмисом, причем думмис выполнен ступенчатым, при этом межступенчатая полость думмиса связана с нагнетательной камерой второй секции центробежного компрессора через канал в межсекционной перегородке и входные отверстия во втулке ступенчатого лабиринтного уплотнения, согласно изобретению, отверстия во втулке ступенчатого лабиринтного уплотнения выполнены тангенциально или под углом к внутренней кольцевой поверхности уплотнения и направлены в сторону, противоположную направлению движения вращающегося потока, на внутренних торцовых стенках втулки за входными отверстиями уплотнения расположены ребра, на внутренней поверхности втулки уплотнения выполнены серповидные лунки и гребни.
При этом величина угла между осью подводящего отверстия и касательной к внутренней поверхности уплотнения составляет от 0° до 90°, а гребни выполнены различными по высоте из металлического и полимерного материала, причем выступающие по высоте гребни выполнены из полимерного материала
Выполнение отверстий во втулке ступенчатого лабиринтного уплотнения тангенциальными или под углом к внутренней кольцевой поверхности уплотнения и направленными в сторону, противоположную направлению движения вращающегося потока, способствует затормаживанию вихря газового потока, подводимого через отверстия.
Ребра, расположенные на внутренних торцовых стенках за входными отверстиями, и серповидные лунки на внутренней поверхности уплотнения разбивают и тормозят закрученный поток. Такое конструктивное решение стабилизирует работу ротора, не вызывая дополнительных колебаний.
Величина угла между осью подводящего отверстия и касательной к внутренней поверхности уплотнения, составляющая от 0° до 90°, выбрана исходя из соображений повышения эффективности торможения вращающегося вихря. Такая величина угла входного потока с высоким давлением и подача его в направлении, противоположном вращению ротора наиболее эффективно тормозит вращающийся вихрь между уплотнением и думмисом, вызывающим воздействие циркуляционной силы на ротор.
Применение на внутренней поверхности втулки уплотнений, различных по высоте гребней из металлического и полимерного материала, причем выступающих по высоте гребней - из полимерного материала, позволяет уменьшить диаметральный зазор между уплотнением и думмисом, т.е. сократить протечки. Благодаря гибкости полимерного материала во время касания с ротором гребни уплотнения отклоняются, перемещаясь вместе с ротором. После касания гребни восстанавливают свою первоначальную конфигурацию. При этом поверхность ротора в местах касания не повреждается. При значительных перемещениях ротора в результате повышенной вибрации (работа агрегата на нестационарных режимах, помпаж и т.д.), гребни уплотнения в местах касания вытираются, не повреждая при этом уплотнительную поверхность ротора.
Предлагаемая конструкция ступенчатого думмиса со ступенчатым лабиринтно-лунковым уплотнением и промежуточным подводом газа позволяет повысить эффективность компенсации осевых усилий на ротор. А конструктивное решение ступенчатого лабиринтно-лункового уплотнения уменьшает протечки рабочего тела в сторону меньшего давления в процессе работы центробежного компрессора и улучшает динамические характеристики ротора.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На Фиг.1 изображена проточная часть центробежного компрессора с разгрузочным устройством 4
на Фиг.2 представлено разгрузочное устройство центробежного компрессора;
на Фиг.3, Фиг.4 представлен фрагмент уплотнения разгрузочного устройства центробежного компрессора, которое было изготовлено ООО «ТРИЗ» по настоящему изобретению.
Двухсекционный центробежный компрессор содержит корпус 1 (Фиг.1), размещенные в нем статор первой и второй секции 2, межсекционную перегородку 3 со ступенчатым лабиринтным уплотнением 4 (Фиг.2, 3, 4), ротор 5 с рабочими колесами 6, 7 и думмисом 8. Думмис 8 выполнен в виде ступенчатой втулки с подводом газа через канал 9 в межсекционной перегородке 3 и отверстие 10 во втулке 11 лабиринтного уплотнения 4 из диффузора 12 (или нагнетательной камеры 13) первой секции в межступенчатую полость 14 между ступенями думмиса 8. Причем входные отверстия 10 во втулке 11 ступенчатого лабиринтного уплотнения 4 выполнены тангенциально или под углом к внутренней поверхности уплотнения и направлены в сторону, противоположную вращающемуся потоку. На внутренних торцовых стенках 15 втулки 11 за входными отверстиями 10 уплотнения 4 расположены ребра 16, 17, на внутренней поверхности втулки И уплотнения 4 выполнены серповидные лунки 18 и гребни 19, 20.
Величина угла между осью подводящего отверстия и касательной к внутренней поверхности уплотнения составляет от 0° до 9°. Гребни 19 выполнены из металлического материала и ниже по высоте от гребней 20, выполненных из полимерного материала.
При работе двухсекционного центробежного компрессора на каждую секцию действует осевое усилие, направленное в сторону всасывающего патрубка первой либо второй секции соответственно. Расположением рабочих колес 6, 7 первой и второй секций «спина к спине» обеспечивается основная разгрузка ротора 5 от осевой силы.
Часть сжатого газа из полости диффузора 12 или нагнетательной камеры 13 второй секции через канал 9 в межсекционной перегородке 3 поступает в межступенчатую полость 14 между ступенями думмиса 8 и лабиринтно-лункового уплотнения 4. Газ подводится через отверстия 3, расположенные в уплотнении тангенциально к внутренней поверхности уплотнения в сторону, противоположную направлению вращающегося вихря. Для наилучшего эффекта оптимальное значение угла между осью подводящего отверстия и касательной к внутренней поверхности уплотнения находится в пределах от 0° до 90°. За счет такой подачи поток затормаживается. Ребра 16, 17, расположенные на внутренних торцовых стенках 15 за входными отверстиями, и серповидные лунки 18 разбивают закрученный поток. Такое конструкторское решение стабилизирует работу ротора. Применение гребней 20 из полимерного материала позволяет обеспечить минимальный зазор между думмисом и уплотнением. Это дает возможность сократить протечки рабочего уплотняемого газа в сторону низкого давления.
Поскольку давление в нагнетательной камере второй секции больше давления в межступенчатой полости думмиса, то в результате действия этого давления на площадь ступени думмиса создается осевое усилие, снижающее неуравновешенное осевое усилие на ротор двухсекционного центробежного компрессора.