УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE SHAFT SEAL

Изобретение относится к уплотнению вала для турбомашины.
Под турбомашиной понимается, например, турбокомпрессор, экспандер или вытеснитель-нагнетатель. Турбокомпрессор содержит корпус и ротор, который размещен в корпусе. Ротор имеет вал, который на своих продольных концах установлен в опорах вне корпуса. Из-за этого вал на своих продольных концах выступает из корпуса, причем там вал уплотнен по отношению к корпусу с помощью уплотнения вала. Тем самым внутренняя сторона турбокомпрессора изолирована от атмосферы. Конструкция уплотнения вала обычно такова, что, при рассмотрении с внутренней стороны турбокомпрессора, сначала расположен элемент газовой изоляции, а затем элемент масляной изоляции. Внутренняя сторона турбокомпрессора, сторона процесса, изолируется посредством уплотнения вала от атмосферы и посредством масляной изоляции от зоны опоры. Уплотнение вала выполнено, например, как скользящее кольцевое уплотнение на газовой смазке, которое выполнено как тандемное уплотнение. Тандемное уплотнение выполнено из двух скользящих кольцевых уплотнений на газовой смазке, которые содержат соответствующее скользящее кольцо, которое закреплено на корпусе, и встречное кольцо, которое закреплено на валу. Каждое скользящее кольцо по отношению к своему соответствующему встречному кольцу размещено с образованием осевого зазора аксиально непосредственно смежным образом. Кольца в тандемном уплотнении размещены таким образом, основным уплотнением сторона процесса герметизирована по отношению к факельному давлению. С помощью вторичного уплотнения обеспечивается изоляция от атмосферы, причем вторичное уплотнение дополнительно предусмотрено в качестве резервного по отношению к основному уплотнению при отказе основного уплотнения. Между обоими встречными кольцами вводится защитный газ, который применяется для блокирования осевого зазора. Для того чтобы изолировать зону опоры, в качестве элемента масляной изоляции предусмотрено, например, третичное уплотнение, которое может быть выполнено как лабиринтное уплотнение или угольное кольцевое уплотнение. Третичное уплотнение нагружается защитным газом, за счет чего осуществляется его блокировка.
В качестве защитного газа может применяться воздух. При работе турбокомпрессора воздух из защитного газа смешивается с технологическим газом, из-за чего может возникнуть легковоспламеняющаяся смесь, если технологический газ является горючим. Возникновение легковоспламеняющейся газовой смеси должно постоянно предотвращаться по причинам безопасности, что, например, предписывается в нормативах по взрывобезопасности. Этому способствует применение инертного газа в качестве защитного газа, например, азота. Однако при работе турбокомпрессора нефтехимической установки потребление азота в качестве защитного газа является высоким, так что расходы на предоставление азота и связанные с этим затраты являются значительными.
Задачей изобретения является создание уплотнения вала для турбомашины, причем турбомашина может эксплуатироваться с экономией ресурсов при низких затратах.
Соответствующее изобретению уплотнение вала для турбомашины, сторона процесса которой может герметизироваться по отношению к атмосфере за счет уплотнения вала, содержит нагружаемое технологическим газом и запираемое со стороны процесса уплотнение технологического газа и нагружаемое воздухом и запираемое со стороны атмосферы атмосферное уплотнение, а также проходящую вокруг вала турбомашины вентиляционную камеру, которая размещена между уплотнением технологического газа и атмосферным уплотнением, для сбора и отвода утечки технологического газа, проникающей через уплотнение технологического газа, и утечки воздуха, проникающей через атмосферное уплотнение, причем вентиляционная камера на своей расположенной радиально внутри стороне содержит впускное отверстие утечки, а на своей расположенной радиально снаружи стороне - выпускное отверстие утечки, а также насадки между впускным отверстием утечки и выпускным отверстием утечки, причем насадки рассчитаны таким образом, что вентиляционная камера имеет функцию блокирования пламени в отношении воспламенения утечки на впускном отверстии утечки, и/или утечка в вентиляционной камере является негорючей.
При оценке опасности замкнутой в вентиляционной камере взрывоопасной газовой смеси, согласно нормативам по взрывобезопасности, решающее значение имеет замкнутый объем и доступная для охлаждения поверхность. За счет наличия насадок в вентиляционной камере в соответствии с изобретением она выполняется таким образом, что в вентиляционной камере газовая смесь имеет объем, который является малым, из-за чего находящаяся в вентиляционной камере газовая смесь не классифицируется как легковоспламеняющаяся. Кроме того, насадками обеспечивается увеличенная поверхность в вентиляционной камере, с помощью которой газовая смесь в вентиляционной камере дополнительно охлаждается. Однако если все же воспламенение в вентиляционной камере возникает, то возникающее за счет этого тепло немедленно отводится от увеличенной поверхности, так что воспламенение сразу же гасится.
Является предпочтительным, что насадки имеют радиально проходящие ребра, с помощью которых в вентиляционной камере образуются вентиляционные каналы, через которые утечка может протекать от впускного отверстия утечки к выпускному отверстию утечки. Предпочтительным образом вентиляционная камера выполнена как цилиндрическая камера вокруг вала, в которой ребра в форме лучей продолжаются вокруг вала. Окружная протяженность по меньшей мере некоторых из ребер предпочтительно возрастает с радиусом, причем ребра предпочтительно выполнены таким образом, что по радиусу поперечное сечение вентиляционных каналов является постоянным. В качестве альтернативы, является предпочтительным, что окружная протяженность по меньшей мере некоторых из ребер по радиусу является постоянной.
Эффективно обтекаемое поперечное сечение у впускного отверстия утечки предпочтительно примерно равно эффективно обтекаемому поперечному сечению у выпускного отверстия утечки. Кроме того, является предпочтительным, что эффективно обтекаемое поперечное сечение у выпускного отверстия утечки равно или больше эффективно обтекаемого поперечного сечения подключенного к выпускному отверстию утечки трубопровода отвода утечки.
Ребра на их радиально внутренних сторонах предпочтительно выполнены предпочтительно закругленными, так что протекание утечки через вентиляционную камеру осуществляется с малыми потерями. Тем самым предотвращается дополнительное сопротивление течению, вызываемое ребрами, и обусловленное этим нежелательное повышение давления. Число и форма ребер предпочтительным образом выбираются таким образом, что ребра подходят для охлаждения утечки в вентиляционной камере.
Предпочтительным образом уплотнение технологического газа выполнено в виде скользящего кольцевого уплотнения на газовой смазке, и/или атмосферное уплотнение выполнено в виде лабиринтного уплотнения или угольного кольцевого уплотнения. Скользящее кольцевое уплотнение на газовой смазке предпочтительным образом выполнено в тандемном расположении, причем скользящее кольцевое уплотнение на газовой смазке имеет нагружаемое технологическим газом и блокируемое со стороны процесса основное уплотнение и расположенное в направлении к атмосфере за основным уплотнением, предохраняющее его вторичное уплотнение, причем между вторичным уплотнением и атмосферным уплотнением помещена вентиляционная камера. Кроме того, является предпочтительным, что насадки имеют проволочную оплетку.
Далее предпочтительная форма выполнения соответствующего изобретению уплотнения вала поясняется с помощью приложенных схематичных чертежей, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - продольное сечение формы выполнения уплотнения вала, и
Фиг. 2 - поперечное сечение вентиляционной камеры формы
выполнения уплотнения вала по фиг. 1.
Как видно из фиг. 1, турбокомпрессор содержит вал 1 турбокомпрессора и корпус 2 турбокомпрессора, причем вал 1 турбокомпрессора на своем показанном продольном конце проходит через корпус 2 турбокомпрессора.
Внутренность турбокомпрессора образована стороной 3 процесса, в то время как вне турбокомпрессора преобладает атмосфера 4. Со стороны процесса в турбокомпрессоре при его работе существует более высокое давление, чем атмосферное давление, так что вал 1 турбокомпрессора по отношению к корпусу 2 турбокомпрессора герметизирован от стороны 3 процесса к атмосфере 4. Герметизация обеспечивается лабиринтным уплотнением 5, которое предусмотрено со стороны процесса, и скользящим кольцевым уплотнением 6 на газовой смазке, которое встроено между лабиринтным уплотнением 5 и атмосферой 4. Скользящее кольцевое уплотнение 6 на газовой смазке содержит основное уплотнение 7, которое размещено непосредственно за лабиринтным уплотнением 5 и выполнено с возможностью герметизации существующего там давления. Основное уплотнение 7 имеет встречное кольцо 8, которое смонтировано на валу 1 турбокомпрессора, и скользящее кольцо 9, которое встроено в корпус 2 турбокомпрессора. Встречное кольцо 8 и скользящее кольцо 9 размещены аксиально с прилеганием друг к другу, причем встречное кольцо 8 размещено между лабиринтным уплотнением 5 и скользящим кольцом 9. При работе турбокомпрессора встречное кольцо 8 вращается вместе с валом 1 турбокомпрессора, так что существует относительное движение между встречным кольцом 8 и скользящим кольцом 9. Тем самым при работе турбокомпрессора должен создаваться осевой зазор между встречным кольцом 8 и скользящим кольцом 9, так что встречное кольцо 8 не находится в контакте со скользящим кольцом 9. Осевой зазор создается за счет нагружения основного уплотнения 7 технологическим газом, который подается к основному уплотнению 7 радиально посредством предусмотренного в корпусе 2 турбокомпрессора трубопровода 10 продувки технологического газа.
Осевой зазор имеет, однако, следствием то, что через него проникает технологический газ в форме утечки и собирается в камере 11 утечки выше по потоку от основного уплотнения 7. Собранный в камере 11 утечки газ утечки сбрасывается, например, на факел через факельный трубопровод 12, который соответственно предусмотрен в корпусе 2 турбокомпрессора. Давление, существующее в камере 11 утечки или факельном трубопроводе 12, герметизирует вторичное уплотнение 13, которое размещено на противоположной лабиринтному уплотнению 5 стороне основного уплотнения 7. Вторичное уплотнение 13 выполнено аналогично основному уплотнению 7, причем вторичное уплотнение 13 имеет встречное кольцо 14, связанное с валом 1 турбокомпрессора, и связанное с корпусом 2 турбокомпрессора стационарное скользящее кольцо 15. Встречное кольцо 14 и скользящее кольцо 15 прилегают друг к другу, как встречное кольцо 8 и скользящее кольцо 9 основного уплотнения 7, с образованием осевого зазора. Выше по потоку от вторичного уплотнения 13 образована камера 16 утечки, в которой собирается проникающая через вторичное уплотнение 13 утечка.
Для изоляции атмосферы 4 от камеры 16 утечки между вторичным уплотнением 13 и атмосферой 4 предусмотрено третичное уплотнение 17, которое состоит из лабиринтного уплотнения 18 со стороны процесса и лабиринтного уплотнения 19 со стороны атмосферы. Между лабиринтными уплотнениями 18, 19 предусмотрен трубопровод 20 воздушной продувки, через который протекает воздух для продувки лабиринтных уплотнений 18, 19. Воздух, подаваемый через трубопровод 20 воздушной продувки, распределяется по валу 1 турбомашины, так что воздух проходит как через лабиринтное уплотнение 18 со стороны процесса, так и через лабиринтное уплотнение 19 со стороны атмосферы. Доля воздуха, которая проходит через лабиринтное уплотнение 18 со стороны процесса, течет в камеру 21 утечки, которая, как камера 16 утечки вторичного уплотнения 13, сообщается с вентиляционной камерой 22. Вентиляционная камера 22 расположена как кольцевая камера между вторичным уплотнением 13 и третичным уплотнением 17, причем в расположенной радиально внутри части вентиляционной камеры 22 предусмотрено впускное отверстие 22 утечки, через которое в вентиляционную камеру 22 из камеры 21 утечки третичного уплотнения 17 течет воздух, а из камеры 16 утечки вторичного уплотнения 13 - технологический газ. На расположенной радиально снаружи стороне вентиляционной камеры 22 предусмотрено выпускное отверстие утечки, с которым соединен вентиляционный трубопровод 29.
Вентиляционная камера 22 имеет в своей внутренней полости множество ребер 26, 27, которые в форме лучей проходят радиально от впускного отверстия 22 утечки к выпускному отверстию 24 утечки. Ребра 26, 27 продолжаются также в осевом направлении, так что ребрами в вентиляционной камере 22 сформировано множество вентиляционных каналов 25 между ребрами 26, 27.
Как показано на фиг. 2, в вентиляционной камере 22 предусмотрено восемь ребер 26, 27, которые размещены равномерно распределенным образом по окружности. По горизонтали и по вертикали проходят всего четыре ребра 26 одинаковой толщины, а по диагонали проходят всего четыре расширяющихся ребра 27. Радиальные характеристики толщины ребер 26, 27 выбраны таким образом, что полный объем вентиляционных каналов 25 в вентиляционной камере 22 настолько мал, что, в соответствии с нормами по взрывобезопасности, газовая смесь, находящаяся в вентиляционных каналах 25, а именно газовая смесь из воздуха и технологического газа, не может быть классифицирована как легковоспламеняющаяся. При этом учитывается, что поперечное сечение выпускного отверстия 24 утечки согласовано с поперечным сечением вентиляционного трубопровода 29, а поперечное сечение впускного отверстия 23 утечки равно поперечному сечению выпускного отверстия 24 утечки. Тем самым предотвращается существование в вентиляционной камере 22 нерегулярных и, тем самым, чрезмерно подверженных потерям условий обтекания. Кроме того, у впускного отверстия 23 утечки на ребрах 26, 27 предусмотрены входные радиусы 28, чтобы сопротивление потоку ребер 26, 27 было по возможности низким.