Турбомашина, узел турбомашины, содержащий кожух, рабочее колесо и щеточное уплотнение, и способ усовершенствования уплотнения
TURBOMACHINE, TURBOMACHINE UNIT CONTAINING COVER, WORKING WHEEL AND BRUSH SEAL  AND METHOD OF IMPROVING SEAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения данного изобретения, рассмотренные в данном документе, в целом относятся к турбомашинам и, более конкретно, к управлению технологической текучей средой под давлением, проходящей между кожухом и рабочим колесом турбомашины.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На протяжении последних лет с повышением стоимости ископаемого топлива существенно возрос интерес, относящихся во многих аспектах к переработке ископаемого топлива. Во время переработки указанного топлива текучие среды транспортируют из мест на суше или в открытом море к перерабатывающим установкам для последующего использования. В других прикладных областях транспортировка текучих сред может выполняться более локально, например, между подсистемами перерабатывающей углеводороды установки, для облегчения распределения к конечным потребителям.
По меньшей мере в некоторых транспортирующих текучие среды станциях используются турбомашины, такие как компрессоры, вентиляторы и/или насосы, которые приводятся в действие газовыми турбинами. Некоторые из этих турбин приводят в действие соответствующую установку для транспортировки текучей среды с помощью редуктора, который либо повышает, либо понижает выходную скорость вращения приводного вала газовой турбины с приведением в соответствие с заданной скоростью вращения приводного вала установки. В других ротационных машинах вместо механических приводов или в сочетании с механическими приводами (т.е. газовыми турбинами) для работы ротационной машины используют приводные электродвигатели или электроприводы.
Независимо от конкретного места расположения, т.е. на суше, в открытом море, под водой и т.д., а также независимо от того, приводится ли турбомашина в действие турбиной или двигателем, постоянно существует необходимость в повышении эффективности, снижении затрат и уменьшении воздействия на окружающую среду от переработки ископаемого топлива и, в частности, от ротационных машин, связанных с подобной переработкой.
В результате постоянно существующей указанной необходимости характеристики ротационных машин продолжают непрерывно совершенствовать. Современные ротационные машины являются не только более скоростными, более эффективными и менее наносящими ущерб окружающей среде, более того, они способны перерабатывать более агрессивные вещества при более высоких температурах и более высоких давлениях, чем это было возможно прежде.
Несмотря на то что эти улучшения получают одобрение, тем не менее существующие в настоящее время технические решения регулирования указанных процессов часто не удовлетворяют требованиям работы в жестких окружающих условиях, к которым приводят подобные улучшения.
Одной областью, в которой существующее положение вызывает особенную озабоченность, является область, связанная с уплотнениями. Как правило, между ротором и статором турбомашины размещены щеточные уплотнения для поддержания перепада давления между верхней и нижней по потоку сторонами щеточного уплотнения. Щеточные уплотнения являются уязвимыми с точки зрения ухудшения эксплуатационных характеристик и возможного повреждения при явлении, которое возникает, когда технологическая текучая среда достигает уплотнения, имея чрезмерные составляющие скорости вращения, и которое часто называют чрезмерным вихреобразованием текучей среды. Ранее с вихреобразованием в технологической текучей среде между ротором и статором боролись, вставляя перед щеточным уплотнением так называемые снижающие вихреобразование компоненты или замедляющие вихреобразование компоненты. Эти компоненты обычно содержат периферические элементы, имеющие проходящие в осевом направлении каналы, которые снижают вихреобразование в проходящей через них технологической текучей среде. При увеличении скорости вращения ротора также возрастает скорость вращения, с которой происходит вихреобразование потока технологической среды. Принудительное проведение имеющих высокую скорость текучих сред через указанные компоненты может привести к снижению эффективности и/или ухудшению эксплуатационных характеристик турбомашины. Такое решение приведено, например, в US 4273510.
Соответственно, существует потребность в турбомашине, способной обеспечить усовершенствованное уплотнение, уменьшить вихреобразование технологической текучей среды и обеспечить более равномерное распределение скорости технологического газа, а также улучшенные эксплуатационные качества турбомашины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения турбомашина содержит статор, имеющий кожух, ротор, имеющий рабочее колесо, расположенное внутри кожуха, щеточное уплотнение, расположенное между рабочим колесом и кожухом, и по меньшей мере одну перегородку, проходящую от кожуха к рабочему колесу выше по потоку перед щеточным уплотнением.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения узел турбомашины, содержащий кожух, рабочее колесо и щеточное уплотнение, содержит по меньшей мере одну перегородку, расположенную выше по потоку перед щеточным уплотнением и проходящую от поверхности кожуха к рабочему колесу турбомашины, причем указанная по меньшей мере одна перегородка имеет верхний по потоку конец, нижний по потоку конец, первую сторону, проходящую между указанными верхним и нижним по потоку концами, и вторую сторону, проходящую между указанными верхним и нижним по потоку концами, при этом указанная по меньшей мере одна перегородка дополнительно имеет обращенную к рабочему колесу поверхность, верхний по потоку и нижний по потоку концы которой пересекают указанную поверхность кожуха, причем указанная обращенная к рабочему колесу поверхность выполнена по существу соответствующей рабочему колесу от указанного верхнего по потоку конца до нижнего по потоку конца.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения способ усовершенствования уплотнения и снижения вихреобразования в турбомашине включает расположение щеточного уплотнения между рабочим колесом и кожухом турбомашины, обеспечение полости между рабочим колесом и кожухом выше по потоку перед щеточным уплотнением и размещение в полости по меньшей мере одной перегородки, проходящей к рабочему колесу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют один или более вариантов выполнения и объясняют их вместе с описанием. На чертежах:
фиг.1 изображает иллюстративный вариант выполнения;
фиг.2 изображает частичный вид в разрезе щеточного уплотнения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.1;
фиг.3 изображает частичный вид в разрезе в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.1;
фиг.4 изображает другой вид в разрезе иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.1;
фиг.5 изображает другой иллюстративный вариант выполнения;
фиг.6 изображает частичный вид в разрезе щеточного уплотнения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.5;
фиг.7 изображает частичный вид в разрезе в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.5;
фиг.8 изображает другой вид в разрезе иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.1;
фиг.9 иллюстрирует анализ иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.1;
фиг.10 иллюстрирует анализ иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.5;
фиг.11 изображает блок-схему способа в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает данное изобретение, а объем правовой охраны определен в прилагаемой формуле изобретения. Обсуждение последующих вариантов выполнения для упрощения выполняется с использованием терминологии и конструкции, относящихся к турбомашине, содержащей статор и ротор. Однако рассматриваемые в дальнейшем варианты выполнения не ограничиваются этими иллюстративными системами и могут быть использованы в других системах.
Ссылка в данном описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретное свойство, конструкция или характеристика, описанные в отношении какого-либо варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, формулировки «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно относятся к одному варианту выполнения. Кроме того, конкретные свойства, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Фиг.1-4 показывают иллюстративный вариант выполнения турбомашины 10 в соответствии с изобретением. Турбомашина 10 представляет собой расширительный модуль высокого давления для детандера ОЦР (органического цикла Рэнкина), как показано на фиг.1. Турбомашина 10 содержит статор 12, имеющий кожух 18, и ротор 16, имеющий рабочее колесо 22.
Между рабочим колесом 22 и кожухом 18 турбомашины 10 расположены щеточное уплотнение 24 (обведенное кружком на фиг.1) и лабиринтное уплотнение 26. Фиг.2 показывает частичный вид в разрезе щеточного уплотнения 24, содержащего щетку 28 и крепежный канал 32. Через каждый указанный канал 32, расположенный по периферии уплотнения 24, может быть вставлена резьбовая крепежная деталь для съемного прикрепления уплотнения 24 к кожуху 18.
Отметим, что местоположение щеточного уплотнения 24 в турбомашине 10, более конкретно, между кожухом 18 и рабочим колесом 22, является важным фактором, поскольку скорость вихреобразования в технологической текучей среде между рабочим колесом 22 и кожухом 24 превышает скорость вихреобразования в технологической текучей среде между ротором 16 и статором 18 вследствие отдаленного расположения от оси ротора.
Фиг.3 и 4 показывают частичный вид кожуха 18 и рабочего колеса 22 турбомашины 10. Поверхность 36 кожуха и поверхность 38 рабочего колеса ограничивают ряд полостей, через которые проходит технологическая текучая среда, прежде чем она достигнет щеточного уплотнения 24, а затем лабиринтного уплотнения 26. Как показано на фиг.3 и 4, основная полость 58, ограниченная углубленной поверхностью 36 кожуха и поверхностью 38 рабочего колеса, расположена выше по потоку от щеточного уплотнения 24. В основной полости 58 на кожухе 18 расположена по меньшей мере одна перегородка 14. Перегородка 14 имеет верхний по потоку конец 42, нижний по потоку конец 44, первую сторону 46, проходящую между верхним по потоку концом 42 и нижним по потоку концом 44, и вторую сторону 48, проходящую между указанными концами 42 и 44. Как показано на фиг.3 и 4, перегородка 14 дополнительно имеет обращенную к рабочему колесу поверхность 52, которая пересекает поверхность 36 кожуха у верхнего по потоку конца 42 и нижнего по потоку конца 44. В иллюстративном варианте выполнения перегородка 14 ограничивает плоскость, совпадающую с осью 54 ротора (фиг.4). Кроме того, как следует из фиг.3 и 4, верхний по потоку конец 42 перегородки 14 выходит в радиальном наружном направлении за пределы наружного диаметра 56 рабочего колеса 22.
В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг.1-4, основная полость 58 также ограничена плоской поверхностью 62, которая проходит по нормали к оси 54 ротора. Как показано на фиг.2 - 4, поверхность 62 кожуха образована верхней по потоку стороной корпуса щеточного уплотнения 24, когда указанное уплотнение установлено в турбомашине 10. Поверхность 36 кожуха также имеет цилиндрическую часть 64, которая пересекает указанную плоскую поверхность 62. Как показано на фиг.1-4, перегородка 14 имеет треугольную форму. Первая сторона указанного треугольника пересекает плоскую поверхность 62 кожуха, вторая сторона треугольника пересекает цилиндрическую поверхность 64, и третья сторона треугольника, которой придана форма рабочего колеса 22, обращена к нему.
При изготовлении перегородка 14 может быть выполнена на корпусе части 24 уплотнения на поверхности 62. Во время установки уплотнения, содержащего перегородку 14, вторая сторона треугольной перегородки 14 может входить в соединение с цилиндрической поверхностью 64 с прикреплением к ней. Такое решение, или конструктивное выполнение специально иным образом, может обеспечить возможность для совместимости перегородки с параметрами щеточного уплотнения 24, установленного в ротационной машине 10.
Как дополнительно показано на фиг.1-4, основная полость 58 расположена между нижней по потоку полостью 66 и верхней по потоку полостью 68. Верхняя по потоку полость расположена дальше от оси 54 ротора, чем нижняя по потоку полость 66. Отметим, что перегородка 14 проходит к нижней по потоку полости 66, а также к верхней по потоку полости 68.
Как показано на фиг.3 и 4, верхняя по потоку полость 68 ограничена противоположными цилиндрическими поверхностями кожуха 18 и колеса 22. Турбомашина 10 дополнительно содержит стабилизирующий зубец 72, проходящий от поверхности 36 кожуха в направлении колеса 22. Зубец 72 расположен между щеточным уплотнением 24 и нижней по потоку полостью 66. Как дополнительно следует из фиг.2, зубец 72 расположен на щеточном уплотнении 24.
Фиг.5-8 показывают другой иллюстративный вариант выполнения турбомашины 110 в соответствии с изобретением. Турбомашина 110 представляет собой расширительный модуль низкого давления для детандера ОЦР (органического цикла Рэнкина), как показано на фиг.5.
Как показано на фиг.7 и 8, основная полость 158 имеет коническую поверхность 174 кожуха, обращенную к рабочему колесу 122. Указанная коническая поверхность 174 сужается в направлении вниз по потоку. Перегородка 114 имеет первую сторону 176, пересекающую коническую поверхность 174, и вторую сторону 178, имеющую поверхность, обращенную к колесу 122. Вторая сторона 178 перегородки 114 является выпуклой и совпадающей с вогнутой поверхностью 182 рабочего колеса 122.
В соответствии с анализом иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.1-4, шестьдесят перегородок 14, каждая шириной 1 мм, были расположены в основной полости 58 вокруг оси 54 ротора. Кроме того, в соответствии с анализом иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг.5-8, девяносто перегородок 114 были расположены в основной полости 158 вокруг оси 154 ротора. Указанный анализ показывает, что поток с высоким вихреобразованием, поступающий в основную полость 58, 158, отклоняется перегородками 14, 114 с увеличением тем самым осевой и/или радиальной составляющих скорости потока и одновременным уменьшением тангенциальных составляющих скорости потока. Указанный анализ дополнительно показывает, что вихреобразование дополнительно снижается в соответствии с определенной величиной внутреннего трения, обусловленного рассеиванием количества движения вследствие внедрения зон рециркуляции и структур потока с высокой турбулентностью. Кроме того, данный анализ показывает, что в направлении щеточного уплотнения 24, 124 обеспечивается равномерное распределение скорости технологического газа.
Более конкретно, фиг.9 и 10 иллюстрируют результаты анализа, соответственно, первого и второго вариантов выполнения 10 и 110. В верхней части фиг.9 показан средний показатель вихреобразования, отложенный по координатной оси графика, в направлении от верхней по потоку полости 68 к лабиринтному уплотнению 26. Нижняя часть фиг.9 показывает модель вихреобразования и поля меридиональных скоростей турбомашины 10, содержащей перегородки 14. Кривая 202 показывает зависимость показателей вихреобразования от осевого положения без использования перегородок 14, а кривая 204 показывает зависимость показателей вихреобразования от осевого положения с использованием перегородок 14. Местоположение щеточного уплотнения 24 показано вертикальной линией 206. Как показано на фиг.9, показатель вихреобразования проксимально к верхней по потоку стороне щеточного уплотнения 24 без использования перегородок 14 равен 0,514, а при наличии перегородок 114 показатель вихреобразования равен 0,221. Фиг.10 показывает аналогичный график для второго варианта 110 выполнения, включающий кривую 302 зависимости показателей вихреобразования от осевого местоположения без использования перегородок 114 и аналогичную кривую 304 зависимости показателей вихреобразования от осевого местоположения при наличии перегородок 114. Как показано на фиг.10, показатель вихреобразования проксимально к верхней по потоку стороне щеточного уплотнения 124 без использования перегородок 114 равен 0,471, а при наличии перегородок 114 показатель вихреобразования равен 0,170. Таким образом, оба варианта выполнения обеспечивают снижение показателя вихреобразования более чем на 50% для технологической текучей среды, достигшей щеточного уплотнения 24. Кроме того, как может следовать из нижней части фиг.9 и 10, турбомашины 10 и 110 обеспечивают равномерное распределение скоростей технологического потока, достигшего уплотнения 24. Соответственно, турбомашины 10, 110 обеспечивают улучшенную герметизацию, снижение вихреобразования технологической текучей среды, более равномерное распределение скоростей технологического газа и улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с известными турбомашинами.
В варианте выполнения в соответствии с блок-схемой, показанной на фиг.11, способ (1000) усовершенствования уплотнения и снижения вихреобразования в турбомашине, может включать размещение (1002) щеточного уплотнения между рабочим колесом и кожухом турбомашины, создание (1004) полости между рабочим колесом и кожухом выше по потоку от щеточного уплотнения, и размещение (1006) в полости по меньшей мере одной перегородки, проходящей к рабочему колесу.
Предполагается, что вышеприведенные варианты выполнения изобретения во всех отношениях являются иллюстративными, а не ограничительными. Подразумевается, что все подобные изменения и модификации подпадают под объем правовой охраны и сущность данного изобретения, определенные в последующей формуле изобретения. Никакие элементы, действия или указания, используемые в описании настоящей заявки, не должны рассматриваться как важные или существенные для данного изобретения, если это не изложено в прямой форме. Кроме того, предполагается, что упоминание в данном документе элементов в единственном числе подразумевает один или более указанных элементов.