ПОКРЫВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА, КОМПРЕССОР, СОДЕРЖАЩИЙ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО С ПОКРЫВАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, И СПОСОБ ЗАЩИТЫ РАБОЧЕГО КОЛЕСА КОМПРЕССОРА
COATING ELEMENT FOR IMPELLER, COMPRESSOR CONTAINING IMPELLER WITH COATING ELEMENT AND METHOD OF COMPRESSOR IMPELLER PROTECTION

Область применения изобретения
[0001] Варианты выполнения описанного здесь изобретения в целом относятся к способу и устройствам и в особенности к приспособлениям и технологиям защиты устройства от эрозии или нароста отложений.
Предпосылки изобретения
[0002] В последние годы компрессоры получают все более широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности. Компрессоры используются не только для добычи нефти и газа, но и для их транспортировки от места добычи к месту потребления. Компрессоры также используются в разнообразных нефтехимических процессах, например получении сжиженного природного газа, этилена, полиэтилена и так далее. Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является компрессор, содержащий корпус, рабочее колесо, расположенное на валу внутри корпуса с возможностью вращения вокруг продольной оси (SU 989157 A1, 15.01.1983).
[0003] Таким образом, изготовление и эксплуатация компрессоров становится все более важными для перечисленных видов промышленности. Хотя существуют различные типы компрессоров, например центробежные, винтовые, осевые и т.д., большая часть компрессоров испытывает похожие проблемы. Эти проблемы включают, но не ограничиваются этим, появление отложений на различных элементах компрессоров и/или эрозию некоторых элементов компрессоров.
[0004] Загрязнение является одной из причин ухудшения работы компрессоров. Загрязнение вызвано прилипанием частиц к аэродинамическим элементам и поверхностям проточной части компрессора. Это прилипание может быть вызвано наличием масляного, водяного или других видов тумана, которые могут присутствовать в компрессоре. Результатом этого является появление отложений, которые создают неровности на поверхности и в некоторой степени изменяют форму частей с аэродинамическим профилем. На фиг.1 показаны отложения на рабочем колесе центробежного компрессора, а на фиг.2 показаны отложения в выпускном коническом сопле компрессора. Хотя, в частности, описан элемент с аэродинамическим профилем, то же самое справедливо для других компонентов компрессора. Если отложения невелики, например некоторые из них могут быть менее 2 мкм, загрязнения легко удаляются очисткой.
[0005] Это значит, что компрессор должен постоянно осматриваться, и, когда отложения обнаруживаются, компрессор останавливают. Затем компоненты компрессора, на которых имеются отложения, очищают, или удаляя эти компоненты из компрессора, или, если имеется доступ к загрязненной части, оставляя эти компоненты прикрепленными к компрессору. Все эти операции требуют остановки процесса, который выполняется компрессором, то есть процесс очистки отрицательно сказывается на всем производственном цикле. Это вызывает простои и уменьшение производительности, что нежелательно для оператора компрессора.
[0006] Другой причиной ухудшения состояния частей компрессора является высокотемпературная коррозия, которая представляет собой удаление материала из элементов проточной части компрессора, вызванное химическими реакциями между элементами компрессора и некоторыми загрязнениями, например солями, минеральными кислотами и химически активными газами. Продукты этих реакций могут прилипать к компонентам компрессора в виде твердого осадка. С другой стороны, высокотемпературное окисление представляет собой химическую реакцию между атомами металла элементов компрессора и кислородом из окружающей горячей газообразной среды. Защита с помощью окалины в свою очередь будет уменьшена любыми механическими повреждениями, например появлением трещин или скалыванием, например, во время термического цикла.
[0007] Другой причиной повреждения элементов компрессоров является ударная эрозия. Различные частички при прохождении через компрессор ударяются о поверхности его проточной части. Чтобы вызывать ударную эрозию, эти частички, как правило, должны иметь размер более 20 мкм в диаметре. Эрозия в большей части является проблемой для авиационных двигателей, так как используемые в настоящее время системы фильтрации для промышленного применения обычно предотвращают образование частиц большего размера. Эрозия также может представлять проблему для приводных компрессоров или насосов, где обрабатываемые газы или жидкости переносят твердые вещества. Повреждения часто вызываются большими посторонними предметами, ударяющимися о элементы проточной части компрессора. Эти предметы могут проникать в компрессор вместе с потоком газа. Частицы угольных отложений, оторвавшиеся от топливных сопел, также могут вызывать повреждения элементов компрессора.
[0008] Все эти процессы, а именно эрозия, отложения или повреждения элементов с аэродинамическим профилем, могут вызывать изменение их геометрической формы. Ухудшение состояния лопаток этих устройств сопровождается изменениями входных углов и увеличением потерь. Если лопатка работает на околозвуковых скоростях или на близких скоростях, отложения и дополнительная неровность (с сопровождающим ростом толщины пограничного слоя) также уменьшат возможный поток через ряд лопаток. Более толстые пограничные слои на лопатках и боковых стенках снижают пропускную способность особенно в условиях, близких к дросселированию. С другой стороны, при эрозии задней кромки лопатки, ширина горловины между лопатками увеличивается, пропуская больший поток, но с уменьшением напора. Кроме очистки элементов компрессора, на которых имеются отложения, другие эффективные способы защиты от перечисленных проблем не известны.
[0009] Следовательно, существует потребность в создании устройств и способов, которые устраняют перечисленные выше проблемы и недостатки.
Сущность изобретения
[0010] В соответствии с примерным вариантом выполнения предложен покрывающий элемент для рабочего колеса, предназначенный для покрытия по меньшей мере одной поверхности рабочего колеса компрессора. Покрывающий элемент имеет съемную основную часть, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности и выполненную так, что она соответствует передней поверхности рабочего колеса компрессора, и переднюю часть, покрывающую всю переднюю часть рабочего колеса компрессора, и крепежное приспособление, присоединенное к съемной основной части и выполненное с возможностью крепления покрывающего элемента к рабочему колесу компрессора. Покрывающий элемент является сменным.
[0011] В соответствии с другим примерным вариантом выполнения предложен компрессор, содержащий корпус, рабочее колесо, расположенное на валу внутри корпуса и выполненное с возможностью вращения вокруг продольной оси, и покрывающий элемент, предназначенный для покрытия по меньшей мере одной поверхности рабочего колеса. Покрывающий элемент имеет съемную основную часть, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности и выполненную так, что она соответствует передней поверхности рабочего колеса, и переднюю часть, покрывающую всю переднюю часть рабочего колеса компрессора. Покрывающий элемент дополнительно имеет крепежное приспособление, присоединенное к съемной основной части и выполненное с возможностью крепления покрывающего элемента к рабочему колесу. Первая поверхность съемной основной части покрывающего элемента выполнена с профилем, который обеспечивает заданные аэродинамические характеристики, а аэродинамические характеристики профиля второй поверхности съемной основной части, соответствующей передней поверхности рабочего колеса, хуже, чем указанные заданные аэродинамические характеристики, при этом покрывающий элемент является сменным.
[0012] В соответствии с еще одним примерным вариантом выполнения предложен способ защиты рабочего колеса компрессора от отложений и/или эрозии, который включает покрытие передней поверхности рабочего колеса покрывающим элементом и прикрепление этого элемента к рабочему колесу.
Краткое описание чертежей
[0013] Сопроводительные чертежи, которые включены в материалы заявки и образуют ее часть, иллюстрируют один или более вариантов выполнения изобретения и вместе с описанием поясняют их. На чертежах:
[0014] фиг.1 изображает схематически рабочее колесо компрессора, на котором имеются отложения.
[0015] Фиг.2 изображает схематически выпускное коническое сопло компрессора, на котором имеются отложения.
[0016] Фиг.3 изображает схематически компрессор.
[0017] Фиг.4 изображает схематически рабочее колесо компрессора, показанного на фиг.3.
[0018] Фиг.5 изображает схематически рабочее колесо и покрывающий элемент рабочего колеса в соответствии с примерным вариантом выполнения.
[0019] Фиг.6 изображает схематически покрывающий элемент рабочего колеса в соответствии с примерным вариантом выполнения.
[0020] Фиг.7 изображает схематически покрывающий элемент рабочего колеса в соответствии с примерным вариантом выполнения.
[0021] Фиг.8 изображает схематически заднюю часть покрывающего элемента рабочего колеса в соответствии с примерным вариантом выполнения.
[0022] Фиг.9 изображает блок-схему способа защиты рабочего колеса компрессора в соответствии с примерным вариантом выполнения.
Подробное описание изобретения
[0023] Следующее описание примерных вариантов выполнения относится к сопроводительным чертежам. На различных чертежах одинаковые номера позиций относятся к одинаковым или аналогичным элементам. Последующее описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения ограничен приложенной формулой изобретения. Следующие варианты выполнения описываются для простоты с применением терминологии и конструкции компрессора. Однако описываемые варианты выполнения не ограничены компрессорами, а могут применяться в других установках, которые содержат компоненты, подверженные наросту отложений или эрозии.
[0024] Ссылка в описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что определенный признак, конструкция или свойство, описанное в связи с вариантом выполнения, входит в по меньшей мере один вариант выполнения описанного изобретения. Таким образом, наличие выражений «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах по всему тексту необязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Более того, определенные признаки, конструкции или свойства могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
[0025] В соответствии с примерным вариантом выполнения может быть выполнен сменный покрывающий элемент для рабочего колеса, предназначенный для покрытия передней поверхности рабочего колеса компрессора. Путем покрытия передней поверхности рабочего колеса компрессора покрывающим элементом можно предотвратить нарост отложений и/или эрозию рабочего колеса. В случае появления отложений на покрывающем элементе рабочего колеса компрессор может быть остановлен на короткое время, этот покрывающий элемент может быть удален, и новый покрывающий элемент может быть закреплен на рабочем колесе. Применение сменного покрывающего элемента позволит сэкономить время и увеличить срок службы компрессора.
[0026] В соответствии с примерным вариантом выполнения, показанным на фиг.3, компрессор 10 может содержать корпус 12, в котором расположено по меньшей мере одно рабочее колесо 14. Колесо 14 может иметь ступицу 16, на которой выполнены рабочие лопатки 18. Колесо 14 прикреплено к валу 20, который может вращаться вокруг продольной оси Z. Вал 20 опирается на подшипники 22. Компрессор может иметь впуск 24 и выпуск 26.
[0027] Текучая среда, подаваемая на впуске 24, ускоряется рабочим колесом 14 и выпускается под более высоким давлением через выпуск 26. Колесо 14 имеет переднюю зону, которая непосредственно обращена к протекающей текучей среде, и заднюю зону, которая закрыта от контакта с этой средой передней зоной. Передняя и задняя зоны более наглядно показаны на фиг.4. Как показано на чертеже, передняя зона 30 имеет непосредственный контакт с протекающей текучей средой 34, в то время как задняя зона 32 колеса 14 не взаимодействует с этой средой 34.
[0028] Как описано выше, компоненты текучей среды 34 могут откладываться в виде отложений 36 на колесе 14, как показано на фиг.4. В соответствии с примерным вариантом выполнения, показанным на фиг.5, к рабочему колесу 14 может быть с возможностью снятия присоединен покрывающий элемент 50 для предотвращения непосредственного воздействия отложений 36 и/или других вредных факторов на колесо 14. Таким образом, первая поверхность 52 (передняя поверхность) покрывающего элемента выполнена так, что она отображает переднюю поверхность 14а рабочего колеса 14. Профиль передней поверхности 52 покрывающего элемента 50 должен быть настолько близок к профилю передней поверхности 14а колеса 14, чтобы аэродинамические характеристики колеса 14 не ухудшались из-за наличия покрывающего элемента 50. Характеристиками колеса 14, которые должны поддерживаться неизменными при наличии элемента 50, являются кпд рабочего колеса (компрессора), политропный напор компрессора, диапазон дросселирования и диапазон помпажа. В соответствии с примерным вариантом выполнения покрывающий элемент 50 может поддерживать только кпд рабочего колеса.
[0029] В соответствии с еще одним вариантом выполнения передняя поверхность 14а рабочего колеса 14 может быть механически обработана так, чтобы отличаться от требуемой передней поверхности аналогичного рабочего колеса, то есть передняя поверхность 14а колеса 14 может быть выполнена так, что она не обеспечивает указанные выше характеристики. Другими словами, колесо 14 может иметь (непригодную) переднюю поверхность 14а с нежелательными характеристиками, которые специалисты не стали бы применять в обычном компрессоре или турбине. Однако элемент 50 может быть выполнен так, что когда он покрывает переднюю поверхность 14а рабочего колеса, первая поверхность 52 покрывающего элемента 50 обеспечивает описанные выше характеристики. Следовательно, колесо 14 само по себе не имеет требуемых характеристик хорошего компрессора, но колесо 14 вместе с покрывающим элементом 50 обеспечивает необходимые характеристики.
[0030] В соответствии с еще одним вариантом выполнения вторая поверхность 54 покрывающего элемента 50, противоположная первой поверхности 52, должна соответствовать передней поверхности 14а рабочего колеса 14 с обеспечением предотвращения образования воздушных карманов между элементом 50 и колесом 14. Покрывающий элемент 50 может быть выполнен из пластмассы, металла или других подходящих материалов, что понятно специалистам. При одном применении элемент 50 может иметь первую зону, выполненную из одного материала, и вторую зону, выполненную из второго материала, отличного от первого. Например, на фиг.6 показана передняя часть 56 элемента 50 и его задняя часть 58. В этом примере передняя часть 56 может быть выполнена из одной пластмассы, а задняя часть 58 может быть выполнена из специальной пластмассы. В одном примерном варианте выполнения специальной пластмассой может быть растягиваемая пластмасса, так что эта часть может быть растянута вокруг задней части 32 рабочего колеса 14 для крепления элемента 50 к колесу 14. В еще одном примерном варианте выполнения специальной пластмассой может быть термоусадочная пластмасса, которая дает усадку при тепловой обработке. Она может также использоваться для крепления всего элемента 50 к колесу 14. В еще одном примерном варианте выполнения все рабочее колесо 14 может быть выполнено из специальной пластмассы.
[0031] В соответствии с другим примерным вариантом выполнения часть основной части элемента 50 может иметь первую толщину t1 60, а другая часть основной части покрывающего элемента 50 может иметь вторую толщину t2 62, как показано на фиг.7. В одном примерном варианте выполнения толщина элемента 50 является постоянной. Специалистам будет понятно, что толщина элемента 50 зависит по меньшей мере от размера рабочего колеса и его формы. Однако толщина элемента 50 должна быть такой, чтобы первая поверхность элемента 50 дублировала переднюю поверхность 14а колеса 14.
[0032] Элемент 50 может содержать первое крепежное приспособление, которое крепит этот элемент 50 к колесу 14. Одно такое приспособление уже было описано выше, и представляет оно собой растягиваемый материал, прикрепленный к основной части элемента 50. Растягиваемый материал может образовывать заднюю часть 58 элемента 50 и может проходить поверх задней части 32 колеса 14. Другое такое приспособление представляет собой термоусадочный материал, описанный выше, который может использоваться в качестве задней части 58 элемента 50. В другом примерном варианте выполнения весь покрывающий элемент 50 может быть выполнен из растягиваемого материала или из термоусадочного материала.
[0033] В соответствии с другим примерным вариантом выполнения покрывающий элемент 50, вид сзади которого показан на фиг.8, может иметь отверстия 80 или крепежные устройства 84 для крепления элемента 50 к колесу 14. Отверстия 80 могут быть соединены друг с другом перемычками 82, или крепежное устройство 84 может быть присоединено к приемной части 86 для крепления элемента 50 к колесу 14. Отверстия 80, перемычки 82, крепежное устройство 84 и приемная часть 86 могут быть выполнены на задней части 58 элемента 50.
[0034] В соответствии с другим примерным вариантом выполнения на второй поверхности 54 элемента 50 могут быть выполнены выемки 88, которые могут быть выполнены по отдельности, то есть в заданных местах, или непрерывно, то есть покрывать вторую поверхность 54. Выемки 88 могут содержать материал, который приклеивает покрывающий элемент к рабочему колесу, например клеевидное вещество. Могут использоваться другие материалы, которые обеспечивают связь между рабочим колесом и покрывающим элементом. В соответствии с этим применением, когда элемент 50 прикреплен к колесу 14, выемки 88 прилипают к передней поверхности 14а колеса 14, тем самым прикрепляя элемент 50 к колесу 14. Могут использоваться другие способы крепления покрывающего элемента к рабочему колесу без отклонения от объема защиты этих вариантов выполнения, как понятно специалистам.
[0035] В одном примерном варианте выполнения элемент 50 может покрывать только часть колеса 14, то есть переднюю поверхность 14а. В другом примерном варианте выполнения элемент 50 может полностью покрывать рабочее колесо 14, то есть и переднюю поверхность 14а колеса 14, и его заднюю поверхность. Независимо от размера части рабочего колеса 14, покрытой покрывающим элементом 50, этот элемент 50 является съемным (сменным) и при необходимости может быть заменен новым покрывающим элементом. В одном примерном варианте выполнения снятие старого покрывающего элемента и присоединение нового покрывающего элемента не требует какой-либо разборки компрессора.
В соответствии с примерным вариантом выполнения ниже описан способ защиты рабочего колеса компрессора с помощью покрывающего элемента. Как проиллюстрировано на фиг.9, этот способ включает этап 900 покрытия передней поверхности рабочего колеса покрывающим элементом и этап 902 прикрепления покрывающего элемента к рабочему колесу. Способ также может включать этап снятия покрывающего элемента и этап установки нового покрывающего элемента. Покрывающий элемент может быть выполнен с такой формой, что его передняя поверхность выполнена с профилем, обеспечивающим заданные аэродинамические характеристики, в то время как аэродинамические характеристики профиля задней поверхности покрывающего элемента, соответствующей передней поверхности рабочего колеса, хуже, чем заданные аэродинамические характеристики.
[0036] Описанные примерные варианты выполнения предлагают покрывающий элемент для рабочего колеса, компрессорную установку и способ защиты частей компрессора от ухудшения их состояния. Понятно, что это описание не ограничивает изобретение. Напротив, примерные варианты выполнения предназначены для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые входят в объем и сущность изобретения, описанного в приложенной формуле изобретения. Кроме того, в подробном описании примерных вариантов выполнения различные специфические детали изложены для создания полного понимания заявленного изобретения. Однако специалисты должны понимать, что возможны различные варианты выполнения без этих специфических деталей.
[0037] Хотя признаки и элементы представленных примерных вариантов выполнения описаны в этих вариантах в определенных комбинациях, каждый признак или элемент может использоваться один без других признаков или элементов этих вариантов выполнения, или в различных комбинациях с описанным признаками или элементами, или без них.
[0038] В этом описании используются примеры для описания изобретения, включая лучший из них, а также для того, чтобы специалист мог реализовать изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых используемых способов. Объем охраны этого изобретения ограничен формулой изобретения и может включать другие примеры, очевидные специалистам. Предполагается, что эти другие примеры находятся в пределах объема, ограниченного формулой изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, дословно описанных в формуле изобретения, или если они содержат конструктивные элементы, эквивалентные описанным в формуле изобретения.