Турбокомпрессорная установка (варианты)
TURBOCOMPRESSOR UNIT (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения предложенного изобретения, рассмотренные в данном документе, относятся в целом к способам и установкам и, более конкретно, к механизмам и способам создания единой турбокомпрессорной установки с единственным смазочным насосом и/или с единственной смазочной масляной средой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газовые турбины используются во многих отраслях промышленности, от военной промышленности до выработки энергии. В основном они используются для выработки электроэнергии. Однако некоторые газовые турбины используются для приведения в движение различных транспортных средств, самолетов, кораблей и т.д. В нефтяной или газовой отрасли газовые турбины используются для приведения в действие компрессоров, насосов и/или генераторов.
Как показано на фиг. 1, газовая турбина 12 может быть соединена с компрессором или генератором 14 и с вспомогательным оборудованием 16. Между газовой турбиной 12 и компрессором или генератором 14 может быть расположен редуктор 18 или другое оборудование. Все эти элементы образуют турбокомпрессорную установку 10.
Газовая турбина 12 может содержать компрессор 20, предназначенный для приема газа (например, воздуха) на входе 22 и для обеспечения газа, сжатого до давления заданной величины, на выходе 24. Затем сжатый газ вводится в камеру 26 сгорания, в которой он смешивается с топливом, подаваемым из магистрали 28. Смесь газа и топлива воспламеняется, и горячие газы под высоким давлением направляются к входу 30 детандера 32. Затем отработанные газы выпускаются на выходе 34 детандера 32.
Расширение горячих газов, проходящих через детандер 32, вызывает вращение роторной части (не показана), присоединенной через редуктор 18 к валу компрессора 14. Таким образом, компрессор 14 приводится в действие детандером 32. Один или более элементов турбокомпрессорной установки 10 содержат тяжеловесные роторные части (например, вал, рабочее колесо и т.д.), вращающиеся с высокой скоростью. Для содействия вращению этих элементов и сведения к минимуму трения в указанной установке выполнены различные подшипниковые узлы. Ниже рассмотрены некоторые конфигурации.
На фиг. 2А-С изображена установка 10, показанная на фиг. 1, в которой некоторые элементы содержат подшипники качения, а остальные элементы содержат гидродинамические подшипники. Элементы, содержащие подшипники качения, обозначены символом А, а элементы, содержащие гидродинамические подшипники, обозначены символом В. Кроме того, следует отметить, что для подшипников качения необходимо использовать синтетическое масло, тогда как для гидродинамических подшипников необходимо использовать минеральное масло. Таким образом, для конфигураций, показанных на фиг. 2А и фиг. 2В, требуется два смазочных насоса, по одному для каждого типа подшипников, тогда как в конфигурации, показанной на фиг. 2С, используется один смазочный насос и минеральное масло. Установки с такими конфигурациями имеют больший вес и требуют более высоких расходов на техническое обслуживание вследствие наличия сдвоенного смазочного насоса, при этом они имеют большую установочную поверхность и требуют более высокой сложности оборудования. Недостаток конфигурации, показанной на фиг. 2С, заключается в более высоком потреблении смазочного масла, необходимого для гидродинамических подшипников.
Например, в турбоустановке, описанной в патентной заявке ЕР 1930553 (МПК F01D 11/22, опубл. 11.06.2008), раскрыты упорный подшипник, расположенный на роторе, и средство для перемещения указанного ротора относительно по меньшей мере одной неподвижной стенки, соединенной с указанным упорным подшипником. В другой патентной заявке US 2004/140672 описано использование моноблочного ротора, установленного и вращающегося в подшипниках скольжения, осевое положение которого зафиксировано посредством упорного подшипника. Указанным известным устройствам присуще повышенное расходование энергии, что связано с тем, что в этих устройствах газовая турбина, компрессор и насос смазочного масла не используют только подшипники качения.
Соответственно, существует необходимость в создании устройств и способов, которые устраняют вышеописанные проблемы и недостатки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена турбокомпрессорная установка, содержащая газовую турбину, предназначенную для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, центробежный компрессор, содержащий вал, присоединенный к валу газовой турбины, и единственный смазочный насос, предназначенный для подачи синтетического масла к газовой турбине и центробежному компрессору, причем все подшипники указанных элементов - газовой турбины, центробежного компрессора и единственного смазочного насоса - представляют собой исключительно подшипники качения.
Газовая турбина турбокомпрессорной установки может содержать компрессор, предназначенный для сжатия воздуха, камеру сгорания, предназначенную для приема сжатого воздуха из компрессора и воспламенения сжатого воздуха после его смешивания с топливом, и детандер, предназначенный для приема горячих газов из камеры сгорания и преобразования тепловой энергии горячих газов во вращательное движение.
Турбокомпрессорная установка может дополнительно содержать вспомогательный редуктор, соединяющий вал газовой турбины с валом смазочного насоса и выполненный с возможностью работы с синтетическим маслом, или источник питания, предназначенный для обеспечения энергии, приводящей в действие указанный насос.
Кроме того, турбокомпрессорная установка может дополнительно содержать трубопровод, соединяющий смазочный насос с газовой турбиной и центробежным компрессором и предназначенный для распределения синтетического масла.
Турбокомпрессорная установка может быть выполнена таким образом, что в любом ее элементе не используется минеральное масло.
Газовая турбина турбокомпрессорной установки может содержать осевой детандер.
Турбокомпрессорная установка может дополнительно содержать редуктор, предназначенный для механического соединения вала газовой турбины и вала центробежного компрессора.
Кроме того, турбокомпрессорная установка может дополнительно содержать вспомогательный редуктор, соединяющий вал газовой турбины с валом смазочного насоса и выполненный с возможностью работы с синтетическим маслом, трубопровод, соединяющий смазочный насос с газовой турбиной и центробежным компрессором и предназначенный для распределения синтетического масла, и редуктор, предназначенный для механического соединения вала газовой турбины и вала центробежного компрессора, при этом газовая турбина содержит компрессор, предназначенный для сжатия воздуха, камеру сгорания, предназначенную для приема сжатого воздуха из компрессора, смешивания сжатого воздуха с топливом и воспламенения сжатого воздуха, смешанного с топливом, и детандер, предназначенный для приема горячих газов из камеры сгорания и преобразования тепловой энергии горячих газов во вращательное движение.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложена турбокомпрессорная установка, содержащая газовую турбину, предназначенную для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, генератор, содержащий вал, присоединенный к валу газовой турбины, и единственный смазочный насос, предназначенный для подачи синтетического масла к газовой турбине и генератору, причем все подшипники указанных элементов - газовой турбины, центробежного компрессора и единственного смазочного насоса - представляют собой исключительно подшипники качения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и являются его частью, иллюстрируют один или более вариантов выполнения и совместно с описанием служат для объяснения указанных вариантов. На чертежах:
фиг. 1 изображает схематический вид обычной турбокомпрессорной установки,
фиг. 2А-С изображают схематические виды обычных турбокомпрессорных установок, содержащих два смазочных насоса или снабжаемых только минеральным маслом,
фиг. 3 изображает схематический вид подшипника качения,
фиг. 4 изображает схематический вид гидродинамического подшипника,
фиг. 5 изображает схематический вид турбокомпрессорной установки, содержащей единственный смазочный насос в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
фиг. 6 изображает схематический вид турбокомпрессорной установки, содержащей единственный смазочный насос, электрически присоединенный к установке в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
Фиг. 7 изображает схематический вид центробежного компрессора,
Фиг. 8 изображает схематический вид другой турбокомпрессорной установки, содержащей единственный смазочный насос в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, и
Фиг. 9 изображает блок-схему способа сборки турбокомпрессорной установки с единственным смазочным насосом в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения. Для простоты приведенные ниже варианты выполнения описаны с учетом терминологии и устройства газотурбинной установки, присоединенной к компрессору или генератору. Тем не менее, рассмотренные далее варианты выполнения не ограничены указанными установками и могут быть применены к другим установкам, содержащим машины, которые присоединены друг к другу и каждая из которых содержит собственную систему подшипников.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно все относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения элементы всей турбокомпрессорной установки снабжены подшипниками качения. Таким образом, отсутствуют элементы с гидродинамическими подшипниками, что является отличием от обычных установок, в которых компрессоры содержат гидродинамические подшипники. В этом отношении следует отметить, что обычные центробежные компрессоры не содержат подшипников качения, так как в этом случае усложняется компенсация осевого усилия. Кроме того, на динамические характеристики компрессора с подшипниками качения оказывает отрицательное влияние высокая жесткость, тогда как вариант с гидродинамическими подшипниками является гораздо более амортизируемым. В этом иллюстративном варианте выполнения для всех элементов используется единственный смазочный насос, что приводит к снижению веса установки, уменьшению себестоимости машины, уменьшению установочной поверхности и более высокой надежности. Благодаря исключению смазочного насоса с минеральным маслом, используемого для гидродинамических подшипников, в зависимости от машины можно сэкономить до 250 кВт энергии. Таким образом, в соответствии с этим иллюстративным вариантом выполнения во всех элементах установки используется синтетическое масло. Единственный общий насос может быть частью установки или представлять собой ее вспомогательный элемент. Общий насос может быть механически или электрически присоединен к установке.
Перед рассмотрением конструкции предложенной установки уместно привести краткое описание подшипника качения, гидродинамического подшипника, минерального масла и синтетического масла. На фиг. 3 показан типовой подшипник 50 качения. Подшипник 50 содержит две дорожки: наружную дорожку 52 и внутреннюю дорожку 54, которые направляют элементы 56 качения. Элементы 56 могут быть шариками, как показано на чертеже, или могут иметь другие формы, например форму цилиндров и т.д. Они могут быть сведены или не сведены на конус. Для удерживания элементов качения на требуемых расстояниях друг от друга может использоваться стакан 58. Существуют и другие типы подшипников качения, известные в данной области техники.
Подшипник 50, показанный на фиг. 3, обычно смазывается синтетическим маслом или техническим жиром, в зависимости от применения. Синтетическое масло является смазкой, которая содержит химические соединения, полученные искусственным путем (синтезированные). Синтетические смазки могут быть изготовлены с использованием химически модифицированных нефтяных компонентов, а не из сырой нефти, однако также могут быть синтезированы из других сырьевых материалов. Синтетическое масло используется в качестве замены смазки, полученной при переработке нефти, когда работа происходит при экстремальной температуре, так как оно обычно обеспечивает лучшие механические и химические свойства по сравнению со свойствами, демонстрируемыми обычными минеральными маслами.
Типовой гидродинамический подшипник 60 содержит кольцо 62, выполненное с возможностью размещения на нем накладок 64, каждая из которых имеет рабочую поверхность 64а. Накладки 64 удерживаются блокирующей пластиной 66 с предотвращением их скольжения в направлении А вращения, когда вал (не показан) вращается с высокими скоростями внутри кольца 62 в направлении А. Соответствующие удерживающие пластины 68, предназначенные для предотвращения осевого смещения, удерживают накладки 64 вблизи кольца 62. Кольцо 62, блокирующая пластина 66 и удерживающие пластины 68 ограничивают заданный объем, в котором накладка 64 может совершать поворот вокруг удерживающей головки (не показана). На рабочую поверхность 64а подается минеральное масло так, что между вращающимся валом (не показан) и накладками 64 образуется масляная пленка.
Минеральное масло является жидким побочным продуктом, образующимся при перегонке нефти для получения бензина и других нефтепродуктов из сырой нефти. Минеральное масло содержит в основном алканы (обычно от 15 до 40 углеводородов) и циклопарафины, относящиеся к техническому вазелину (также известному как «белый вазелин»).
Как изложено выше, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения турбокомпрессорная установка содержит только подшипники качения и не содержит гидродинамических подшипников. Таким образом, если компрессор в турбокомпрессорной установке представляет собой центробежный компрессор, гидродинамические подшипники не используются. В этом отношении следует отметить, что в обычных центробежных компрессорах не используются подшипники качения, а используются только гидродинамические подшипники.
Фиг. 5 изображает иллюстративный вариант выполнения турбокомпрессорной установки 100, все элементы которой снабжены подшипниками качения и не содержат гидродинамических подшипников. Установка 100 содержит компрессор 102, проточно соединенный с камерой 104 сгорания, в которой смешиваются и воспламеняются топливо и воздух. Горячие газы подаются к детандеру 106, вал которого вращается вследствие их расширения. Детандер 106 может быть осевым детандером. Вал 108 детандера 106 может быть присоединен к валу 110 центробежного компрессора 112, а также к компрессору 102. Вал компрессора 102 может быть присоединен к вспомогательному редуктору 114, предназначенному для сообщения вращательного движения валу насоса 116. Насос 116 может представлять собой смазочный насос для синтетического масла, необходимого для подшипников качения различных элементов турбокомпрессорной установки.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг. 6, установка 200 содержит все элементы, показанные на фиг. 5 для установки 100, за исключением того, что насос 216 не является частью установки. Кроме того, насос 216 не присоединен к установке механически (для сообщения вращательного движения). В этом иллюстративном варианте выполнения к насосу подается, например, электроэнергия от источника 218 питания (например, от электросети или от электрогенератора установки). В этом отношении следует отметить, что во всех вариантах выполнения, рассмотренных в этой заявке (например показанных на фиг. 5 и 8), насос может быть присоединен к установке либо механически, либо электрически. Кроме того, в зависимости от применения насос может представлять собой часть установки или не быть ее частью.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения насос 116, вспомогательный редуктор 114, компрессор 102, детандер 106 и центробежный компрессор 112 содержат (каждый из них) подшипники качения. Таким образом, в соответствии с данным иллюстративным вариантом выполнения используется единственный смазочный насос, а единственным используемым маслом является синтетическое масло. В одном варианте применения центробежный компрессор 112 может быть заменен генератором. В этом случае генератор содержит подшипники качения и не содержит гидродинамических подшипников. Вследствие того, что подшипники качения не могут выдерживать осевое усилие в достаточной степени по сравнению с гидродинамическими подшипниками, может потребоваться специальное устройство компенсации усилия (разработанное правопреемником данной заявки на патент).
На фиг. 7 изображен типовой центробежный компрессор 140, модифицированный, как описано выше, и характеризующийся тем, что поступающий воздух проходит вдоль направления X с достижением рабочего колеса 144 в местоположении 142 и выходит вдоль направления Y в местоположении 146 с увеличенной скоростью вследствие центробежного перемещения через колесо 144. Колесо 144 показано присоединенным к валу 110, который поддерживается подшипниками 148 и 150 качения.
Возвращаясь к фиг. 5, следует отметить, что смазочный насос 116 присоединен с помощью трубопровода 170 к каждому из элементов турбокомпрессорной установки для подачи необходимого синтетического масла. В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг. 8, между валом 108 детандера 106 и валом 110 центробежного компрессора или генератора 112 может быть расположен редуктор 180. В данном случае в редукторе 180 используется синтетическое масло и, при необходимости, подшипники качения.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг. 9, описан способ сборки установки, рассмотренной выше. Указанный способ включает этап 900 механического присоединения газовой турбины к центробежному компрессору, этап 902 механического или электрического присоединения смазочного насоса к газовой турбине и этап 904 снабжения каждого из указанных элементов - газовой турбины, центробежного компрессора и смазочного насоса - только подшипниками качения, при этом смазочный насос предназначен для подачи синтетического масла.
Описанные иллюстративные варианты выполнения обеспечивают турбокомпрессор и способ снабжения каждого элемента турбокомпрессора подшипниками качения. Следует понимать, что данное описание не ограничивает изобретение. Напротив, предполагается, что иллюстративные варианты выполнения охватывают варианты, модификации и эквиваленты, находящиеся в рамках сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения для обеспечения всестороннего понимания изобретения приведены многочисленные конкретные детали. Однако специалисту должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут быть реализованы без таких конкретных деталей.
Несмотря на то что особенности и элементы представленных иллюстративных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждая особенность или элемент может использоваться отдельно без других особенностей и элементов либо в различных комбинациях с другими описанными особенностями и элементами или без них.
В предложенном описании примеры объекта изобретения используются для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств или установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения.