ИСТИРАЕМОЕ УПЛОТНЕНИЕ С ОСЕВЫМ СМЕЩЕНИЕМ
ABRADED SEAL WITH AXIAL DISPLACEMENT

[0001] Типичные варианты выполнения изобретения относятся в целом к уплотнениям компрессора и, более конкретно, к созданию истираемых уплотнений с осевым смещением, предназначенных для уменьшения протечки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Компрессор представляет собой устройство, которое повышает давление сжимаемой текучей среды, например газа, путем использования механической энергии. Компрессоры применяются в ряде различных областей и в большом количестве производственных процессов, в том числе при выработке электроэнергии, сжижении природного газа и в других процессах. К различным типам компрессоров, используемых в таких процессах и производственных установках, относятся так называемые центробежные компрессоры, в которых механическая энергия действует на газ, поступающий в компрессор, путем сообщения центробежного ускорения, например, вследствие вращения центробежного рабочего колеса.
[0003] Центробежные компрессоры могут быть выполнены с одним рабочим колесом, т.е. в виде одноступенчатой конструкции, или с группой расположенных последовательно рабочих колес, причем в этом случае их называют многоступенчатыми компрессорами. Каждая ступень центробежного компрессора обычно содержит впускной проход для сжимаемого газа, рабочее колесо, выполненное с возможностью сообщения кинетической энергии поступающему газу, и диффузор, который преобразует кинетическую энергию газа, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.
[0004] На фиг.1 изображен многоступенчатый компрессор 100. Компрессор 100 расположен в корпусе 110, в котором установлен вал 120 и группа рабочих колес 130. Вал 120 и рабочие колеса 130 входят в состав роторного узла, который поддерживается с помощью подшипников 190 и 195.
[0005] Во время работы многоступенчатый центробежный компрессор принимает поступающий технологический газ из впускного канала 160 с обеспечением повышения его давления вследствие работы роторного узла и с последующим вытеснением технологического газа через выпускной канал 170 под выходным давлением, превышающим его входное давление. Технологический газ может представлять собой, например, один из следующих газов: углекислый газ, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или их смесь.
[0006] Между рабочими колесами 130 и подшипниками 190 и 195 выполнены уплотнения или уплотнительные устройства 180, 185 и 188, обеспечивающие предотвращение прохождения газа к подшипникам. Уплотнения 188 представляют собой уплотнения на входе в рабочее колесо.
[0007] Каждое рабочее колесо 130 повышает давление технологического газа и может рассматриваться в качестве одной ступени многоступенчатого компрессора 100. Таким образом, наличие дополнительных ступеней приводит к повышению отношения выходного давления к входному давлению.
[0008] Роторный узел содержит неподвижные части, известные как статоры, и вращающиеся части, известные как роторы. На общую эффективность компрессора оказывает отрицательное влияние поток протечки рабочей текучей среды или газа между статором и ротором вследствие перепада осевого давления в роторе.
[0009] В центробежных компрессорах возможно использование истирающихся уплотнений для уменьшения потока протечки (рабочего газа) с обеспечением повышения эффективности ступени путем уменьшения зазора без риска повреждения роторной части.
[0010] На фиг.2 изображено уплотнительное устройство, в котором используется истираемое уплотнение. Уплотнительное устройство 200 содержит ротор 210 (то есть вращающуюся часть) и статор 220 (то есть неподвижную часть). Ротор 210 вращается вокруг продольной оси компрессора и имеет зубцы 215. Зубцы 215 ротора могут быть радиальными. Статор 220 имеет полость или гнездо 230 для размещения статорного уплотнения 223.
[0011] Статорное уплотнение имеет истираемую часть или покрытие 225. В некоторых конфигурациях уплотнение 223 может представлять собой вставное кольцо с истираемым покрытием на внутренней периферии. В других конфигурациях вставное кольцо также может быть (полностью) изготовлено из истираемого материала.
[0012] Статорное уплотнение окружает ротор в периферическом направлении, при этом ротор может вращаться внутри указанного уплотнения вдоль внутренней периферии. На каждой боковой стороне каждой ступени многоступенчатого компрессора расположено статорное уплотнение.
[0013] Вращение ротора 210 приводит к тому, что установленные на роторе радиальные зубцы 215 создают образованные истиранием канавки 227, проходящие вдоль внутренней периферии установленного на статоре истираемого уплотнения 223, и может вызвать снижение эффективности уплотнения (то есть увеличение потока протечки).
[0014] Для уменьшения потока протечки статорное уплотнение, расположенное в гнезде 230, как показано на фиг.2, может быть смещено в радиальном направлении от верхней части 235 гнезда 230 с помощью пружинного механизма 240. Вставное кольцо обычно разделено на две или четыре равные по размеру части. Пружинный механизм обеспечивает возможность перемещения статорного уплотнения в радиальном направлении к ротору 210 или от него. Указанные две или четыре равные по размеру части вставного кольца способствуют данному радиальному перемещению.
[0015] Статорное уплотнение 223 с пружинным механизмом также может называться эластичным уплотнением, подпружиненным уплотнением или истираемым уплотнением, приводимым в действие пружиной. По сравнению с неэластичным уплотнением (то есть с уплотнением, не содержащим пружинного механизма и, следовательно, не имеющего радиального смещения) эластичное уплотнение обеспечивает меньший радиальный зазор и уменьшение потока протечки.
В европейском патенте №0899490 А2 описано кольцевое уплотнение, установленное между диском ротора турбины и смежной с ней неподвижной конструкцией. Уплотнение содержит роторные зубцы, проходящие от диска турбины и вращающиеся вместе с ним, и истираемый слой с сотовым заполнителем, проходящий радиально наружу от роторных зубцов. Истираемый слой с сотовым заполнителем расположен на внутреннем диаметре уплотнительного кольца, прикрепленного к неподвижной конструкции.
[0016] Существует необходимость в проектировании и создании усовершенствованного механизма уплотнения для уменьшения дальнейшего отрицательного влияния потока протечки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает уплотнительную систему, заявленную в пункте 1, и способ, заявленный в п. 13 формулы изобретения.
[0017] Устройства и способы, соответствующие данным типичным вариантам выполнения, обеспечивают повышение характеристик уплотнения с обеспечением уменьшения потока протечки между статорным уплотнением и ротором роторного узла путем введения пружинного механизма для содействия управлению осевым позиционированием по всему уплотнению.
[0018] В соответствии с типичным вариантом выполнения предложено уплотнительное устройство для центробежного компрессора. Указанное уплотнительное устройство содержит статор, имеющий гнездо для уплотнения, уплотнение, расположенное в указанном гнезде и имеющее истираемую часть, проходящую вдоль внутренней периферии, ротор, имеющий зубцы, выполненные с возможностью вращения в пределах указанной внутренней периферии уплотнения и создания образованных истиранием канавок в истираемой части, и первую пружину, расположенную между статором и уплотнением и выполненную с обеспечением содействия осевому перемещению уплотнения относительно гнезда для уплотнения.
[0019] В соответствии с другим вариантом выполнения предложен способ уменьшения потока протечки между уплотнением, расположенным в гнезде для уплотнения, выполненном в статоре, и ротором центробежного компрессора, вращающимся в пределах внутренней периферии указанного уплотнения. Способ включает поджатие уплотнения по направлению к стороне высокого давления указанного гнезда с помощью пружинного усилия с обеспечением создания осевого зазора между уплотнением и гнездом, запуск компрессора, создание образованных истиранием радиальных канавок в истираемой части уплотнения, увеличение скорости вращения компрессора и перемещение уплотнения по направлению к стороне низкого давления гнезда для уплотнения.
[0020] В соответствии с еще одним вариантом выполнения предложен центробежный компрессор, который содержит статор, имеющий гнездо для уплотнения, уплотнение, расположенное в указанном гнезде и имеющее истираемую часть, проходящую вдоль внутренней периферии, ротор, имеющий зубцы, выполненные с возможностью вращения в пределах указанной внутренней периферии уплотнения и создания образованных истиранием канавок в истираемой части, первую пружину, расположенную между статором и уплотнением и выполненную с обеспечением содействия осевому перемещению уплотнения, и вторичное уплотнение, расположенное между стороной более низкого давления указанного гнезда и уплотнением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0021] Прилагаемые чертежи изображают типичные варианты выполнения, при этом на чертежах:
[0022] фиг.1 изображает многоступенчатый компрессор,
[0023] фиг.2 изображает вид сбоку уплотнительного узла между ротором и статором, в котором используется истираемое уплотнение,
[0024] фиг.3 изображает вид сбоку уплотнительного узла между ротором и статором, в котором используется истираемое уплотнение в соответствии с типичными вариантам выполнения, в исходном состоянии,
[0025] фиг.4 изображает вид сбоку уплотнительного узла между ротором и статором, в котором используется истираемое уплотнение в соответствии с типичными вариантам выполнения, в рабочем состоянии.
[0026] фиг.5 иллюстрирует способ в соответствии с типичными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0027] Нижеследующее описание типичных 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.
[0028] В типичных вариантах выполнения поток протечки между зубцами ротора и образованными истиранием канавками статора в роторном узле может быть уменьшен путем использования пружинного механизма, обеспечивающего достижение активного управления позиционированием зубцов ротора относительно указанных канавок.
[0029] Анализ влияния образованной истиранием канавки, проведенный путем расчета динамики текучей среды, показывает, что взаимное осевое расположение зубца и канавки играет важную роль в воздействии протечки на производительность. Осевое смещение зубца ротора после начального образования канавки может уменьшить отрицательное влияние на производительность.
[0030] В типичных вариантах выполнения может использоваться механизм нажимного действия, обеспечивающий достижение активного управления позиционированием зубцов ротора относительно образованной истиранием канавки, как показано в уплотнительном устройстве 300 на фиг.3. Устройство 300 может содержать ротор 310 и статор 320. Ротор 310 может иметь зубцы 315, которые могут быть радиальными. Статор 320 может содержать статорное уплотнение 323, расположенное в гнезде 330 для уплотнения.
[0031] Как описано выше, статорное уплотнение может содержать истираемую часть или покрытие 325. В некоторых конфигурациях уплотнение 323 может представлять собой вставное кольцо (из двух или более частей) с истираемым покрытием на внутренней периферии. Вставное кольцо может быть изготовлено из стали. Истираемое покрытие на внутренней периферии может представлять собой пористый металлический материал, такой как пористые нанесенные напылением покрытия на основе алюминия, кобальта или никеля, как вариант, он может представлять собой материал на основе пластмассы (например, тефлон, полиэфир).
[0032] В других конфигурациях вставное кольцо также может быть (полностью) изготовлено из истираемого материала. Истираемый материал может представлять собой, например, Fluorosint-500, усиленный слюдой тефлон.
[0033] Статорное уплотнение 323 может быть расположено в гнезде 330 и смещено в радиальном направлении от верхней части 335 гнезда с помощью пружинного механизма 340. Зубцы 315 ротора могут создавать образованные истиранием канавки 327 в истираемой части 325 статора. В типичных вариантах выполнения между уплотнением 320 и гнездом 330 с помощью аксиально ориентированной пружины 350 может быть создан или спроектирован осевой зазор 360.
[0034] После сборки уплотнение 323 может быть прижато (или установлено) к стороне (более) высокого давления (Р+) гнезда 330 с помощью аксиально ориентированной пружины 350. Пружина 350 может быть установлена между уплотнением 323 и стороной (более) низкого давления (Р-) гнезда 330. В этот момент пружина 350 может находиться в (исходном или) слабо сжатом состоянии. Пружина 350 может поджимать статорное уплотнение 323 по направлению к стороне более высокого давления.
[0035] Во время использования при запуске (то есть когда отношение давлений мало) зубцы 315 могут врезаться в истираемую часть 325 во время критической вибрации и создавать образованные истиранием канавки 327. При запуске разница давлений (между Р+ и Р-) относительно невелика, что обеспечивает возможность поддержания расположения уплотнения на стороне более высокого давления. При этих скоростях и при таком положении статорного уплотнения зубцы 315 могут проходить посередине канавок 327.
[0036] При проектной скорости разница давлений (между Р+ и Р-) возрастает. Как показано на фиг.4, увеличенное отношение давлений в уплотнении 323 со стороны высокого давления (или Р+) может вызвать перемещение уплотнения 323 в осевом направлении к стороне низкого давления (или Р-). Пружина 350 может начать сжиматься (то есть выйти из исходного состояния) по мере повышения давления.
[0037] Это осевое перемещение (от стороны Р+ более высокого давления к стороне Р- более низкого давления) приводит к образованию меньшего, или более плотного зазора между зубцами 315 и канавками 327. Зубцы 315, как показано на чертеже, проходят не посередине канавок 327.
[0038] Расстояние между зубцами ротора (их вершинами) и участком истираемой части, обращенным к указанным зубцам на фиг.4, меньше по сравнению с расстоянием между зубцами ротора и серединой образованных истиранием канавок на фиг.3. В результате объем протечки может быть уменьшен. Протечка может регулироваться жесткостью пружины и рабочим отношением давлений.
[0039] В некоторых вариантах выполнения для дополнительного уменьшения протечки также может быть установлено вторичное уплотнение, расположенное между уплотнением 323 и гнездом 330, как показано на фиг.3 и 4. В соответствии с фиг.4 вторичное уплотнение 370 может блокировать протечку между уплотнением 323 и гнездом 330 при проектной скорости. Таким образом, вторичное уплотнение 370 дополнительно уменьшает протечку.
[0040] Несмотря на то что осевое смещение, описанное в типичных вариантах выполнения, может выполняться в дополнение к радиальному смещению, в некоторых вариантах выполнения осевое смещение может применяться само по себе (то есть без радиального смещения). Осевое смещение сокращает радиальный зазор и уменьшает отрицательное влияние протечки в любой конфигурации (то есть при наличии радиального смещения или без него).
[0041] Способ 500 в соответствии с типичными вариантами выполнения может быть описан со ссылкой на фиг.5. Во время сборки на этапе 510 между уплотнением и гнездом для уплотнения, выполненным в центробежном компрессоре, может быть создан осевой зазор путем перемещения указанного уплотнения по направлению к стороне высокого давления гнезда с помощью аксиально ориентированной пружины (в исходном или слабо сжатом состоянии). Компрессор может быть запущен на этапе 520. Зубцы ротора могут прорезать образованные истиранием канавки в истираемой части статорного уплотнения на этапе 530.
[0042] На этапе 540 скорость вращения компрессора (и, следовательно, давление) может быть увеличена. Так как компрессор работает с приближением к расчетной скорости, то пружина уплотнения может оказаться сжата под действием возросшего давления, и на этапе 550 уплотнение перемещается по направлению к стороне низкого давления. Зазор между зубцами ротора и истираемой частью может быть уменьшен, а вторичное уплотнение может обеспечивать дополнительную защиту от протечки, как описано выше.
[0043] Анализ путем расчета динамики текучей среды показывает, что осевое позиционирование образованной истиранием канавки в истираемом уплотнении, достигнутое с помощью пружинного механизма, в типичных вариантах выполнения повышает эффективность уплотнения.
[0044] Типичные варианты выполнения направлены на управление осевым позиционированием истираемого уплотнения. В то время как предыдущие попытки были фокусированы на минимизации радиального зазора между зубцами ротора и истираемым уплотнением, описанные в данном документе варианты выполнения предусматривают наличие механизма нажимного действия для осевого позиционирования, который обеспечивает минимизацию уплотняющего зазора независимо от критических вибраций компрессора или переходных температурных режимов.
[0045] Описанные в данном документе типичные варианты выполнения обеспечивают различные преимущества. Уплотнительное устройство в соответствии с типичными вариантами выполнения уменьшает протечку, вызванную образованными истиранием канавками в неэластичном истираемом уплотнении. Указанное устройство также оптимизирует эффективность эластичного (приводимого в действие пружиной) истираемого уплотнения для лопаточного пространства рабочего колеса центробежного компрессора.
[0046] Эффективность ступени центробежного компрессора может быть повышена путем выполнения механизма активного осевого позиционирования, описанного в типичных вариантах выполнения, для достижения минимального зазора уплотнения.
[0047] В некоторых вариантах выполнения в статорном уплотнении может быть выполнено более одного механизма осевого позиционирования. Указанные механизмы могут быть распределены (или разнесены), например, равномерно вдоль уплотнения.
[0048] Механизм осевого позиционирования в соответствии с типичными вариантами выполнения не ограничен применением в новых компрессорах. Возможна модернизация существующих компрессоров с уплотнительными кольцами путем установки указанного механизма осевого позиционирования. Более того, несмотря на то, что механизм активного позиционирования, входящий в состав типичных вариантов выполнения, описан применительно к центробежным компрессорам, он может быть в равной степени применим в турбоустановках в целом.
[0049] Предполагается, что вышеприведенные типичные варианты выполнения являются во всех отношениях иллюстративными, а не ограничивающими данное изобретение. Таким образом, при реализации данного изобретения возможно выполнение различных изменений, которые могут быть очевидны специалисту из описания, приведенного в данном документе. Предполагается, что все такие изменения и модификации находятся в рамках объема и сущности данного изобретения, определенных нижеследующей формулой изобретения. Никакой элемент, действие или указание, используемые в описании данного изобретения, не должны рассматриваться как важные или существенные для изобретения, если это четко не указано при описании. Кроме того, используемые в данном документе формы единственного числа подразумевают наличие одного или более элементов.