Устройство для уплотнения внутренней полости турбомашины
APPARATUS FOR SEALING INTERNAL ENVIRONMENT OF TURBOMACHINE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предложенное изобретение относится к устройству для уплотнения внутренней полости турбомашины. В частности, предложенное устройство относится к уплотнению на вращающемся валу турбомашины. Более подробно, функция данного уплотнения заключается в предотвращении протечки рабочей текучей среды из турбомашины во внешнюю среду. Предложенное устройство может быть применено для турбомашины любого типа, причем предложенное устройство подходит для турбин, в частности, для ORC турбин (функционирующих по органическому циклу Ренкина).
Турбомашина, в целом, содержит ротор, впускной канал и выпускной канал для рабочей текучей среды. Рабочая текучая среда может быть в различных фазах, например, во впускном канале может представлять собой пар, а в выпускном канале может быть полностью или частично сконденсирована. Ротор расположен между впускным каналом и выпускным каналом и прикреплен к валу. Таким образом, существует необходимость соответствующего уплотнения внутренней полости турбомашины относительно внешней среды, в частности, если рабочая текучая среда является токсичной, загрязняющей или другим образом вредной для внешней среды.
Из уровня техники известно устройство для уплотнения внутренней полости турбомашины. В контексте описания предложенного изобретения термин "внутренняя полость" следует понимать как любую часть турбомашины, в которой присутствует рабочая текучая среда во время нормальной эксплуатации.
Известное устройство содержит первую камеру, проточно сообщающуюся с впускным каналом турбомашины. Во время нормальной эксплуатации в первой камере поддерживают давление, меньшее, чем во впускном канале турбины, обеспечивая возможность протекания рабочей текучей среды из впускного канала в первую камеру. Обычно первая камера расположена смежно с валом, за ротором.
Вторая камера расположена с возможностью проточного сообщения со смазочным контуром. Таким образом, смазка из смазочного контура заполняет вторую камеру. Вторая камера также расположена смежно с валом, рядом с первой камерой. Кроме этого, между первой и второй камерами расположено уплотнение, например лабиринтное уплотнение. Для бесконтактных уплотнений характерно наличие протечки в определенном количестве. Поскольку смазку внутри второй камеры поддерживают под давлением, меньшим, чем давление рабочей текучей среды в первой камере, то происходит протечка рабочей текучей среды во вторую камеру из первой камеры.
Таким образом, смесь смазки и рабочей текучей среды необходимо извлекать из второй камеры и сбрасывать в емкость, в которой поддерживают давление окружающей среды. Следовательно, происходит испарение рабочей текучей среды, имеющей гораздо более низкую температуру испарения, чем смазка. При этом пар собирается в верхней зоне емкости, из которой данный пар извлекают и повторно сжимают для обеспечения возможности его повторного ввода во внутреннюю полость турбомашины, обычно во выпускном канале или возле него.
Недостаток описанного известного устройства заключается в возможности уменьшения давления рабочей текучей среды до атмосферного давления, с утратой, таким образом, части внутренней энергии рабочей текучей среды. При этом, необходимо повторно подавать энергию компрессором, со снижением, таким образом, эффективности всей турбомашины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом аспекте предложенное изобретение относится к устройству для уплотнения внутренней полости турбомашины. Устройство содержит первую камеру, выполненную с возможностью проточного сообщения с полостью высокого давления турбомашины с обеспечением возможности протекания рабочей текучей среды из полости высокого давления в первую камеру. Устройство также содержит вторую камеру, проточно сообщающуюся со смазочным контуром с обеспечением возможности протекания смазки из указанного смазочного контура во вторую камеру. При этом, указанные первая камера и вторая камера проточно сообщаются друг с другом с обеспечением возможности протекания рабочей текучей среды из первой камеры во вторую камеру. Предложенное устройство содержит обратную линию, проточно сообщающуюся с указанной первой камерой. Обратная линия выполнена с возможностью проточно сообщения с полостью низкого давления турбомашины, и, таким образом, обеспечивается возможность протекания рабочей текучей среды из первой камеры в полость низкого давления. Предложенное устройство также содержит устройство для регулирования давления, предназначенное для обеспечения заданного перепада давления вдоль указанной обратной линии.
Предпочтительно устройство для регулирования давления вдоль обратной линии выполнено с возможностью контроля давления внутри второй камеры. Действительно, путем соответствующего ограничения потока рабочей текучей среды в обратной линии указанное устройство может быть выбрано так, чтобы обеспечивать более высокое давление во второй камере. Соответственно, обеспечивается возможность поддержания всей системы под давлением, превышающим давление для других возможных случаев, и таким образом отсутствует необходимость повторного сжатия рабочей текучей среды после отделения.
Отделительное устройство также может содержать емкость, выполненную с возможностью нагнетания в ней заданного рабочего давления, превышающего давление в указанной полости низкого давления внутри турбины. Это гарантирует возможность протекания рабочей текучей среды непосредственно из емкости в турбину.
Указанное отделительное устройство также содержит нагревательное устройство, связанное с указанной емкостью и выполненное с возможностью нагревания указанной смеси смазки и рабочей текучей среды. Таким образом, отделение рабочей текучей среды и смазки может быть выполнено под более высоким давлением при условии, что рабочая текучая среда имеет более низкую температуру кипения, чем смазка.
Указанное устройство для регулирования давления может представлять собой дроссельное отверстие, выполненное с возможностью ограничения потока указанной рабочей текучей среды в указанной обратной линии. Это обеспечивает возможность выбора конструктивно простого решения, если значения давления во второй камере и в указанной емкости известны заранее и не считаются изменяющимися во время нормальной эксплуатации турбины.
Альтернативно, указанное устройство для регулирования давления может представлять собой регулирующий клапан, который позволяет регулировать поток в обратной линии, если предполагаются изменяемые условия давления.
Другие подробности и конкретные варианты выполнения предложенного изобретения описаны со ссылкой на прилагаемую фиг. 1, на которой схематично изображено устройство, выполненное в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В следующем описании предпочтительных вариантов предложенного изобретения ссылка сделана на прилагаемые чертежи. На разных чертежах одинаковые цифровые обозначения обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает предложенное изобретение. Напротив, объем правовой защиты предложенного изобретения определяется независимыми пунктами формулы изобретения.
Во всем описании ссылка на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, содержится по меньшей мере в одном варианте выполнения предложенного изобретения. Таким образом, фраза "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в соответствующих местах во всем описании не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме этого, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более варианте выполнения.
На фиг. 1 цифрой 1 обозначено устройство для уплотнения внутренней полости турбомашины 100, выполненное в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения.
Турбомашина 100 подробно описана только для удобства описания устройства 1, так как упомянутая турбомашина, по существу, не является частью предложенного изобретения. Например, турбомашина 100 может представлять собой турбоустановку, предназначенную для работы по органическому циклу Ренкина (ORC).
Турбомашина 100 содержит турбинную камеру 101. Внутри камеры 101 размещен ротор 102 турбины со множеством лопаток (не изображено на чертежах). К ротору 102 соосно прикреплен вал 103 для отбора, таким образом, мощности от рабочей текучей среды через ротор 102. При этом вал 103 поддерживается подшипниками 107.
Турбомашина 100 также содержит смазочный контур 106 вала 103. В частности, данный смазочный контур 106 работает в вышеупомянутых подшипниках 107, обеспечивая возможность использования смазки для смазки и охлаждения подшипников 107. Контур 106 может быть выполнен по известному типу и конфигурации и поэтому не описан далее более подробно.
Устройство 1 содержит первую камеру 2. Первая камера 2 выполнена с возможностью соединения с проточным сообщением с полостью HP высокого давления турбомашины 100. Таким образом, рабочая текучая среда может протекать из полости 100 высокого давления в первую камеру 2.
В свою очередь, вторая камера 3 расположена с возможностью проточного сообщения со смазочным контуром 106, предпочтительно через подшипники 107 вала 103. Таким образом, смазка может протекать из смазочного контура 106 во вторую камеру 3.
Как показано на фиг. 1, камеры 2, 3 могут быть расположены вокруг вала 103. В частности, первая камера 2 расположена рядом с ротором 102, причем вторая камера 3 расположена рядом с указанными подшипниками.
Первая камера 2 и вторая камера 3 проточно сообщаются друг с другом. Естественно, рабочая текучая среда может протекать из первой камеры 2 во вторую камеру 3. Другими словами, в рабочем состоянии первая камера 2 содержит рабочую текучую среду под давлением, превышающим давление смазки внутри второй камеры 3. Таким образом, внутри второй камеры 3 создается смесь рабочей текучей среды и смазки. Данную смесь отводят из второй камеры 3 через дренажную линию 8. Компоненты устройства 1, расположенные ниже по потоку от дренажной линии 8, описаны в нижеследующей части описания изобретения.
Более подробно, устройство 1 содержит уплотнение 14 между первой камерой 2 и второй камерой 3. При этом, первая камера 2 и вторая камера 3 проточно соединены в результате протечки рабочей текучей среды через уплотнение 14. Наличие уплотнения 14 гарантирует достаточное препятствие для потока рабочей текучей среды для гарантии поддержания разницы давления между первой камерой 2 и второй камерой 3.
Как дополнение, между первой камерой 2 и полостью ВД высокого давления турбомашины 100 расположено дополнительное уплотнение 15. Аналогично, между первой камерой 2 и полостью ВД высокого давления происходит проточное сообщение через дополнительное уплотнение 15.
Устройство 1 содержит обратную линию 4 для рабочей текучей среды. Обратная линия выполнена с возможностью соединения с проточным сообщением с первой камерой 2. Кроме того, обратная линия выполнена с возможностью соединения с проточным сообщением с полостью НД низкого давления турбомашины 101. Таким образом, обеспечивается возможность протекания рабочей текучей среды из первой камеры 2 в полость 101 низкого давления. Другими словами, обеспечивается возможность протекания рабочей текучей среды из полости ВД высокого давления в первую камеру 2 и в полость НД низкого давления через обратную линию 4.
Предложенное устройство содержит устройство 5 для регулирования давления вдоль обратной линии 4. Устройство 5 обеспечивает заданный перепад давления.
В соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения устройство 5 представляет собой дроссельное отверстие 6. Отверстие 6 выполнено с возможностью ограничения потока рабочей текучей среды в обратной линии 4 для достижения необходимого, заданного перепада давления.
В другом варианте выполнения предложенного изобретения устройство 5 представляет собой регулирующий клапан (не изображено). В этом случае, регулирующий клапан выполнен с возможностью плавной регулировки между открытой конфигурацией и закрытой конфигурацией. В открытой конфигурации поток рабочей текучей среды в обратной линии 4 не ограничен. При нахождении регулирующего клапана в закрытой конфигурации линия 4 полностью перекрыта. Таким образом, обеспечена возможность регулирования заданного перепада давления во время работы турбомашины 100.
Устройство 1 также содержит отделительное устройство 7, проточно сообщающееся со второй камерой 3. Отделительное устройство 7 выполнено с возможностью соединения с проточным сообщением с полостью НД низкого давления турбомашины 100. При этом, отделительное устройство 7 выполнено с возможностью извлечения смеси смазки и рабочей текучей среды из второй камеры 3. Кроме этого, дренажная линия 8 проточно сообщается со второй камерой 3 и с отделительным устройством 7. Отделительное устройство 7 обеспечивает отделение рабочей текучей среды от смазки.
Более подробно, отделительное устройство 7 имеет первый выпускной канал 9 для рабочей текучей среды. Первый выпускной канал 9 выполнен с возможностью проточного сообщения с обратной линией 4. В частности, выпускной канал 9 соединен с обратной линией 4 ниже по потоку от устройства 5. Более подробно, к отделительному устройству 7 присоединена дополнительная обратная линия 10, соединяющая его с обратной линией 4 ниже по потоку от устройства 5.
Отделительное устройство 7 содержит емкость 11. Емкость 11 выполнена с возможностью нагнетания в ней заданного рабочего давления. Заданное рабочее давление может представлять собой любое подходящее для имеющихся условий давление, превышающее, однако, давление в полости НД низкого давления. Давление внутри емкости 11 составляет, предпочтительно, от 1 до 6 бар (от 0,1 до 0,6 МПа).
Отделительное устройство 7 содержит нагревательное устройство 12, связанное с емкостью 11. Нагревательное устройство 12 предназначено для нагревания смеси смазки и рабочей текучей среды. Таким образом, происходит испарение рабочей текучей среды, имеющей более низкую температуру кипения, чем смазка. Более подробно, первый выпускной канал 9 расположен в верхней части емкости 11 с обеспечением возможности выхода пара, содержащего, в основном, рабочую текучую среду, из емкости 11 без повторного смешивания с жидкой смазкой. К первому выпускному каналу 9 прикреплен каплеуловитель 16, проточно сообщающийся с емкостью 11. При этом каплеуловитель 16 также расположен с возможностью проточного сообщения с дополнительной обратной линией 10. Таким образом, обеспечивается возможность удаления капель рабочей текучей среды из пара выше по потоку от дополнительной обратной линии 10. Подобный каплеуловитель 16 сам по себе известен специалистам в данной области техники и поэтому не описан далее более подробно.
В нижней части емкости 11 расположен второй выпускной канал 13. Таким образом, текучая среда, выходящая из емкости 11 через второй выпускной канал 13, содержит, в основном, масло. При этом, второй выпускной канал 13 выполнен с возможностью соединения для проточного сообщения с масляным резервуаром 108, входящим в состав смазочного контура 106.