Компрессор, система для подвода уплотнительного газа и способ
COMPRESSOR, SEAL GAS SUPPLY SYSTEM AND METHOD

Варианты выполнения раскрытого в данном документе изобретения, в целом, относятся к турбомашинам и, более конкретно, к подведению уплотнительного газа в торцевое уплотнение компрессора.
Компрессор является машиной, ускоряющей частицы технологической текучей среды, например газа, для увеличения, в итоге, ее давления за счет использования механической энергии. Компрессоры обычно используются в энергетических отраслях промышленности для создания, обработки, повторного введения и транспортировки различных газов. Среди различных компрессоров известны так называемые центробежные компрессоры, в которых механическая энергия воздействует в виде центробежного ускорения на поступающую в компрессор технологическую текучую среду, например, путем вращения центробежного рабочего колеса, обеспечивающего прохождение технологической текучей среды. В более общем смысле можно сказать, что центробежные компрессоры составляют часть класса машинного оборудования, известного как «турбомашины» или «ротационные турбомашины».
Во многих турбомашинах и, в частности, в центробежных компрессорах используются торцевые уплотнения вала, в которые может вводиться уплотнительный газ, например, для улучшения действия уплотнения, для создания препятствия утечке технологического газа. В настоящее время многие компрессоры выполняют с одним или более сухими газодинамическими уплотнениями, расположенными на любом или на обоих концах компрессора, для улучшения эксплуатационных качеств машины и уменьшения протечки технологической текучей среды. Например, и как показано на фиг. 1 и 2, компрессор 10 может содержать роторный вал 20, расположенный с возможностью вращения относительно статора 12. Между роторным валом 20 и статором 12 может быть расположено торцевое уплотнение вала, выполненное в виде сухого газодинамического уплотнения и обозначенное на фиг. 1 в целом номером 14 позиции. Сухое газодинамическое уплотнение 14 может содержать первичные и вторичные уплотнительные роторные кольца 26 и первичные и вторичные уплотнительные статорные кольца 28, каждое из которых поджато в направлении соответствующего одного из указанных первичных и вторичных роторных колец 26. В процессе работы компрессора 10 канавки (не показаны), расположенные в роторных кольцах 26 сухого газодинамического уплотнения и в его статорных кольцах 28, могут создавать гидродинамическую силу для создания рабочего зазора, выполняющего функцию бесконтактного уплотнения между указанными уплотнительными кольцами.
Уплотнительный газ, обычно профильтрованный технологический газ, может подаваться в сухое газодинамическое уплотнение для поддержания рабочего зазора и, в других отношениях, для улучшения эксплуатационных характеристик компрессора. Как показано на фиг. 1 и 2, уплотнительный газ может подводиться через отверстие 30 в статоре 12.
Во время работы компрессора 10 тепло, создаваемое в процессе сжатия, а также в других процессах, воздействию которых часто подвергается технологический газ, образуется в значительном количестве и может поглощаться уплотнительным (технологическим) газом. Помимо этого уплотнительный газ может дополнительно нагреваться специально предназначенным для этого устройством, таким как нагреватель или теплообменник, способствующим предотвращению или подавлению конденсации, которая может возникать во время расширения уплотнительного газа внутри сухого газодинамического уплотнения или до этого расширения. Таким образом, уплотнительный газ, поступающий в сухое газодинамическое уплотнение через отверстие 30, может иметь высокую температуру, например, относительно температуры окружающего воздуха и/или газа, уже присутствующего внутри уплотнения 14.
При временном отключении компрессора может продолжаться подведение этого уплотнительного газа к сухому газодинамическому уплотнению. Помимо этого в течение временного отключения компрессора температура уплотнительного газа может дополнительно повышаться вследствие поглощения остаточного тепла, например, от неподвижных компонентов компрессора.
Тепло в уплотнительном газе, непрерывно подаваемом к компрессору при его временном отключении, может вызвать неравномерный нагрев участка или участков вала 20, ближайших к уплотнению 14, т.е. температура одного или более участков вала 20 может отличаться от температуры соседних участков вала 20. Эти так называемые горячие точки потенциально являются проблематичными. Например, уплотнительный газ, поступающий в сухое газодинамическое уплотнение через отверстие 30, может ударяться о компоненты этого уплотнения, смежные с валом ротора компрессора, или, что еще хуже, непосредственно о поверхность самого вала ротора. В зависимости от определенных факторов, таких как скорость передачи тепла через компоненты сухого газодинамического уплотнения, смежные с роторным валом, расход уплотнительного газа, его температура и т.д., одна или более таких горячих точек может вызвать деформацию, например, изгиб, искажение и т.д., роторного вала. Во время последующего запуска компрессора может возникать вибрация во вращающемся сборочном узле вследствие деформации. Эта вибрация может иметь величину, достаточную, чтобы привести компрессор в состояние, близкое к повреждению, в частности, когда компрессор приближается к своей первой критической скорости. Такая вибрация может неизбежно приводить к одному или более дополнительным временным отключениям и повторным запускам компрессора, чтобы обеспечить возможность для рассеивания тепла от неравномерно нагретого вращающегося сборочного узла и уменьшения деформации. В серьезных случаях или в случае вибрации, способной вызвать повреждение компрессора, может потребоваться его полная остановка.
Соответственно, существует потребность в компрессоре и, более конкретно, в системе для подвода уплотнительного газа, которая равномерно распределяет тепло от уплотнительного газа внутри торцевого уплотнения, позволяет обеспечить более легкое повторное включение компрессора после временного отключения, предотвращает локализованное соударение горячего уплотнительного газа с роторным валом компрессора, предотвращает термическую деформацию роторного вала, обеспечивает техническое решение для небольшой модернизации, является менее дорогостоящим, сохраняет имеющийся вес, конфигурацию и способ работы компрессора и сухого газодинамического уплотнения, а также обеспечивает альтернативу для распределения тепла, являющегося следствием вращения вала компрессора.
В соответствии с примерным вариантом выполнения система для подвода уплотнительного газа для торцевого уплотнения роторного вала турбомашины содержит канал для подведения уплотнительного газа к торцевому уплотнению и распределитель уплотнительного газа, предназначенный для приема по меньшей мере части уплотнительного газа из указанного канала, при этом распределитель уплотнительного газа имеет отверстия для распределения уплотнительного газа вокруг роторного вала во время остановки турбомашины, которые расположены на цилиндрической поверхности, при этом распределитель создает вихревое движение в уплотнительном газе вокруг вала.
Отверстия в типичном случае расположены в окружном направлении.
Отверстия предпочтительно расположены со всех сторон вокруг роторного вала, предпочтительнее равномерно со всех его сторон.
В соответствии с другим примерным вариантом выполнения турбомашина содержит статор, роторный вал, расположенный с возможностью вращения относительно статора, торцевое уплотнение, расположенное между статором и ротором, канал для подведения уплотнительного газа к торцевому уплотнению и распределитель уплотнительного газа, предназначенный для приема по меньшей мере части уплотнительного газа из указанного канала и распределения уплотнительного газа вокруг роторного вала, причем указанный распределитель имеет отверстия, которые расположены на цилиндрической поверхности, при этом во время остановки турбомашины формируется вихревое движение уплотнительного газа вокруг вала в соответствии с расположением отверстий в уплотнении.
В типичном случае имеется резервуар для уплотнительного газа, проточно соединенный с распределителем уплотнительного газа.
Способ работы турбомашины, содержащей торцевое уплотнение роторного вала, может включать этапы подведения уплотнительного газа к торцевому уплотнению во время остановки турбомашины и распределения уплотнительного газа вокруг роторного вала через отверстия, расположенные со всех сторон вокруг указанного роторного вала, для предотвращения неравномерного нагревания роторного вала.
Предпочтительно, чтобы создать более сильное вихревое движение в уплотнительном газе вокруг вала, уплотнительный газ, выходящий по меньшей мере из нескольких, предпочтительно из всех отверстий, проводят с наклоном относительно соответствующего радиального направления, определенного относительно продольной оси указанного роторного вала.
Сопроводительные чертежи, включенные в данное описание и составляющие его часть, иллюстрируют один или более вариантов выполнения и совместно с описанием объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:
фиг. 1 изображает частичный разрез компрессора;
фиг. 2 изображает часть компрессора, показанного на фиг. 1, с частичным вырезом;
фиг. 3 изображает частичный разрез компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
фиг. 4 изображает частичный вид в аксонометрии распределителя компрессора, показанного на фиг. 3;
фиг. 5 изображает частичный разрез компрессора в соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения;
фиг. 6 изображает частичный вид в аксонометрии распределителя компрессора, показанного на фиг. 5;
фиг. 7 иллюстрирует способ в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми номерами позиций на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. Вместо этого объем правовой охраны данного изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения. Нижеследующие варианты выполнения рассмотрены для упрощения с использованием терминологии и конструкции, относящихся к турбомашинам. Однако обсуждаемые далее варианты выполнения не ограничиваются этими иллюстративными системами и могут быть использованы для других систем.
Ссылка в данном описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в отношении одного варианта выполнения, включена по меньшей мере в один вариант выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, формулировка «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Фиг. 3 и 4 показывают иллюстративный вариант выполнения предложенной системы для подвода уплотнительного газа. В этом случае компрессор 110 содержит статор 112 с каналом для уплотнительного газа, проходящим через статор 112 к сухому газодинамическому уплотнению 114. Уплотнительный газ может подаваться через первичное отверстие 154 в статоре 112 к уплотнению 114.
Компрессор 110 дополнительно содержит лабиринтное уплотнение 158, расположенное вблизи уплотнения 114. Как показано на фиг. 3, лабиринтное уплотнение 158 выполнено с распределителем 140 в виде кольцевой части, проходящей от лабиринтного уплотнения 158. Распределитель 140 имеет множество отверстий 160 для ввода газа, расположенных на цилиндрической поверхности, в частности, они расположены в окружном направлении по одной окружности.
Как изложено выше, в течение временной остановки или холостого хода компрессора 110 может продолжаться подведение уплотнительного газа к уплотнению 114. По меньшей мере часть уплотнительного газа может поступать в распределитель 140 и выходить из него вокруг периферии роторного вала 120 через все отверстия 160 для ввода уплотнительного газа. Такой механизм действия может улучшить равномерное распределение уплотнительного газа вокруг вала с образованием вихревого движения или без него и тем самым препятствовать локализованному нагреванию вала 120.
Помимо этого распределитель 140 также может препятствовать соударению уплотнительного газа, выходящего из отверстия 154, непосредственно с валом 120. Например, как показано на фиг. 3, лабиринтное уплотнение 158 и сухое газодинамическое уплотнение 114 ограничивают полость 156, в которой поверхность вала 120 обращена непосредственно к уплотнительному газу. Поскольку распределитель 140 расположен между роторным валом 120 и выпускным отверстием 130, то происходит сдерживание или предотвращение непосредственного соударения потенциально горячего уплотнительного газа с этой поверхностью.
Как можно дополнительно понять из фиг. 4, отверстия 160 также могут быть выполнены для создания периферического вихревого движения уплотнительного газа внутри полости 156 для дополнительного содействия циркуляции газа и равномерному распределению тепла вокруг вала 120. Как показано на фиг. 4, каждое отверстие 160 может иметь ось 164, расположенную под углом 168 к радиальной линии 166, проходящей от продольной оси вала 120 через центр отверстия 160. Другими словами, поток уплотнительного газа, выпускаемый из отверстий 160, проходит с наклоном относительно соответствующего радиального направления, определенного относительно продольной оси роторного вала. Как вариант, угол 168 может изменяться между отверстиями распределителя 140, чтобы, например, создавать большую степень турбулентности, обеспечивающую равномерное нагревание вала 120 в полости 156.
Фиг. 5 и 6 показывают другой иллюстративный вариант выполнения. В этом случае система для подведения газа содержит канал 222 для уплотнительного газа, проходящий через статор 212 к отверстию 254. Уплотнительный газ, выходящий из отверстия 254, поступает в канавку 255, выполненную в статоре 212.
Рядом с выпускным отверстием 254 внутри канавки 255 расположен распределитель в форме дугообразного сегмента или полного цилиндра 240, имеющего концы 278. Распределитель 240 может быть закреплен внутри канавки 255 механическим способом, например, фрикционной посадкой или крепежным средством, или химическим способом, например, посредством связующего вещества, или сваркой. В варианте выполнения, показанном на фиг. 5 и 6, средняя точка распределителя 240 может быть расположена между выпускным отверстием 254 и роторным валом компрессора 210 для приема уплотнительного газа, выходящего из выпускного отверстия 254. Уплотнительный газ, выходящий из отверстия 254, сначала может быть отклонен и таким образом проведен вдоль канавки 255, например, по часовой стрелке и против часовой стрелки. Уплотнительный газ также может проходить через какое-либо из отверстий 276. При этом способе уплотнительный газ может распределяться вокруг роторного вала компрессора 210 с предотвращением или сдерживанием тем самым образования локализованного участка с высокой температурой на валу или около него в течение временного отключения компрессора 210. Распределитель 240 может быть выполнен внутри канавки 255 в процессе изготовления компрессора 210, т.е. в виде изначальной детали, или, как вариант, распределитель 240 может быть выполнен в виде дополнительно устанавливаемого компонента, вводимого в канавку 255 во время модернизации.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 5 и 6, распределитель 240 показан в виде дугообразного сегмента с множеством отверстий 260, которые расположены на цилиндрической поверхности, в частности, они расположены кругообразно в соответствии с количеством (конкретнее пять) параллельных окружностей, при этом отверстия 260 расположены со всех сторон роторного вала. В соответствии с предпочтительным примером, показанным на фиг 6, отверстия расположены равномерно со всех сторон роторного вала. Однако распределитель 240 также может быть выполнен с другой конструкцией. Например, распределитель 240 может быть выполнен без отверстий 276, так что весь поступающий в распределитель 240 уплотнительный газ отклоняется вдоль канавки 255. В качестве другого примера распределитель 240 может быть выполнен в виде полного кольца или ряда сегментов кольца. Размер и форма отверстий 260 в распределителе 240 также могут изменяться. Например, если распределитель 240 выполнен в виде ряда сегментов кольца, то пространство между каждыми сегментами может ограничивать отверстия, посредством которых можно регулировать поток уплотнительного газа.
Таким образом, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, как показано на блок-схеме, изображенной на фиг. 7, способ (1000) работы турбомашины, содержащей торцевое уплотнение на роторном валу, может включать этапы подведения (1002) уплотнительного газа к торцевому уплотнению во время остановки турбомашины и распределения (1004) уплотнительного газа вокруг роторного вала через отверстия, расположенные со всех сторон указанного роторного вала, для предотвращения неравномерного нагревания роторного вала.
Несмотря на то, что распределитель уплотнительного газа описан в качестве компонента компрессора, тем не менее, такой распределитель может быть выполнен в виде компонента самого торцевого уплотнения. Например, специалисту в данной области техники будет понятно, что система для подвода уплотнительного газа может быть выполнена так, что распределитель может быть встроен в держатель сухого газодинамического уплотнения.
В типичном случае уплотнительный газ поступает к распределителю из резервуара, являющегося частью турбомашины, и такой резервуар может быть маленьким или большим, но необязательно предназначенным только для содержания уплотнительного газа.
Предполагается, что вышеприведенные варианты выполнения данного изобретения во всех отношениях являются иллюстративными, а не ограничительными. Подразумевается, что все подобные изменения и модификации подпадают под объем правовой охраны данного изобретения, определенный в формуле изобретения. Ни один или одно из элементов, действий или указаний, используемых в описании, не должны быть истолкованы как важные или существенные для данного изобретения, если на это не будет прямо указано. Кроме того, подразумевается, что упоминание элементов в единственном числе распространяется на один или более элементов.