МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ РОТОР СО СТЯЖНЫМ СТЕРЖНЕМ И ФЛАНЦЕМ, ЗАКРЕПЛЕННЫМ ПРИ ПОМОЩИ БОЛТОВ, И СПОСОБ СБОРКИ
MULTISTAGE ROTOR WITH COUPLING BOLT AND FLANGE SECURED BY BOLTS AND METHOD OF ASSEMBLY

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления изобретения, описанные в данной заявке, относятся к способам и системам, в частности к механизмам и методам предотвращения утечки среды, сжимаемой многоступенчатым ротором, в атмосферу.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
В нефтяной и газовой промышленности находят широкое применение турбомашины для сжатия текучей среды, преобразования электрической энергии в механическую, разжижения текучей среды и т.п. Одной из таких турбомашин является компрессор. Современные компрессоры содержат несколько ступеней (например несколько последовательно соединенных рабочих колес), которые предназначены для сжатия среды и каждая из которых осуществляет сжатие среды в определенном диапазоне давления. Для крепления рабочих колес может использоваться единый ротор (выполненный, например, в виде цельной металлической детали). Однако в усовершенствованных компрессорах используется более сложный ротор, содержащий два компонента для достижения большего коэффициента давления и создаваемого напора.
Как показано на фиг.1, такой сложный ротор 10 (описанный в патенте США №3749516, полное описание которого включено в данный документ в качестве ссылки) может содержать цапфы 12 и 14, между которыми установлено несколько рабочих колес 16, 18, 20 и 22. Для удержания рабочих колес 16, 18, 20 и 22 в плотном контакте друг с другом в цапфах 12 и 14 закреплен (ввинчен) сквозной болт 30.
Цапфа 12 прикреплена к первому рабочему колесу 16 при помощи продольного штифта 24, а цапфа 14 прикреплена к рабочему колесу 22 при помощи радиальной шпонки 33. Штифт 24 и шпонка 33 создают приводное соединение между блоком рабочих колес и цапфами 12 и 14. Сперва в цапфу 12 ввинчивают сквозной болт 30, затем на него устанавливают рабочие колеса 16, 18, 20 и 22 и в заключение цапфу 14 навинчивают на болт. Штифты 24 расположены вдоль оси ротора, а шпонки 26 - радиально относительно оси ротора. Однако поскольку для вставки шпонки 26 требуется точная центровка рабочего колеса 22 с цапфой 14, трудно выполнить стягивание ротора, т.е. присоединение рабочего колеса 22 к цапфе 14 с приложением достаточной нагрузки.
Другие известные роторы выполнены полыми для пропускания сквозного болта полностью через зону расположения подшипника и сальника, так что конец болта будет доступен снаружи ротора. Для необходимого затягивания сквозного болта один его конец ввинчен в ротор, а другой конец сообщается с отверстием в роторе. Такая конструкция создает дополнительный путь возможной утечки сжатой среды между сквозным болтом и полым ротором, что представляет потенциальную опасность, особенно если сжатая среда отличается от воздуха (например, является удушливой, токсичной, взрывоопасной или и то и другое). Возможность утечки связана с тем, что среда, сжатая компрессором, находится под высоким давлением, и часть ее может вытекать по ротору в область низкого давления. Могут быть предусмотрены уплотнительные устройства, но всегда будет существовать потенциальная опасность их выхода из строя.
Поэтому желательно создать системы и способы, которые обеспечивают для оператора машины легкий доступ к сквозному болту и в которых отсутствует утечка между сквозным болтом и ротором или другими элементами машины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно варианту осуществления изобретения предложен ротор для компрессора, содержащий первую цельную цапфу, имеющую первый конец для установки в соответствующий подшипник и второй конец, снабженный фланцем для прикрепления при помощи болтов к соответствующему фланцу первого рабочего колеса компрессора; стяжной стержень для прохода через первое рабочее колесо компрессора, имеющий первый конец с резьбовым участком и второй конец с резьбовой частью, причем первый конец обращен ко второму концу первой цельной цапфы; гайку для навинчивания на резьбовой участок первого конца стяжного стержня и предварительной затяжки стяжного стержня и первого рабочего колеса компрессора; и вторую цельную цапфу, имеющую первый конец для приема резьбовой части второго конца стяжного стержня и второй конец для установки в соответствующем подшипнике. Стяжной стержень не имеет контакта с первой цельной цапфой.
Согласно другому варианту осуществления изобретения предложен компрессор, содержащий кожух; первый и второй подшипники, установленные на противоположных концах кожуха; первую цельную цапфу, имеющую первый конец для установки в первом подшипнике и второй конец, имеющий фланец; первое рабочее колесо, имеющее фланец для прикрепления при помощи болтов к фланцу первой цельной цапфы; второе рабочее колесо для прикрепления к первому рабочему колесу; стяжной стержень для прохода через первое и второе рабочие колеса, имеющий первый конец с резьбовым участком и второй конец с резьбовой частью, причем первый конец обращен ко второму концу первой цельной цапфы; гайку для навинчивания на резьбовой участок первого конца стяжного стержня и предварительной затяжки стяжного стержня и первого и второго рабочих колес компрессора; и вторую цельную цапфу, имеющую первый конец для приема резьбовой части второго конца стяжного стержня и второй конец для установки во втором подшипнике, причем вторая цельная цапфа прикреплена ко второму рабочему колесу. Стяжной стержень не имеет контакта с первой цельной цапфой.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложен способ сборки ротора компрессора, содержащего первую и вторую цельные цапфы и несколько рабочих колес. Способ включает прикрепление стяжного стержня ко второй цельной цапфе, насадку нескольких рабочих колес на стяжной стержень путем их скольжения так, что последнее рабочее колесо контактирует со второй цельной цапфой, следующее рабочее колесо контактирует с последним рабочим колесом и так далее до тех пор, пока первое рабочее колесо не будет касаться второго рабочего колеса, оставаясь открытым с одной стороны; затягивание гайки на стяжном стержне с одной стороны первого рабочего колеса для удерживания всех рабочих колес в контакте друг с другом и со второй цельной цапфой; приведение первой цельной цапфы с контакт с первым рабочим колесом так, что стяжной стержень не касается первой цельной цапфы, и прикрепление первой цельной цапфы к первому рабочему колесу путем вставки болтов во фланцы первой цельной цапфы и первого рабочего колеса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах, приложенных к описанию, представлены один или несколько вариантов осуществления изобретения, при этом
фиг.1 схематично изображает известный ротор компрессора;
фиг.2 изображает общий вид нового ротора для компрессора, согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.3 схематично изображает первую цельную цапфу, которая соединяется с рабочим колесом, согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.4 схематично изображает первую цельную цапфу, которая соединяется с рабочим колесом, согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.5 схематично изображает стяжной стержень, проходящий через несколько рабочих колес, согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.6 схематично изображает рабочее колесо, соединенное со второй цельной цапфой, согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.7 схематично изображает компрессор, согласно варианту осуществления изобретения и
фиг.8 изображает схему последовательных операций способа сборки компрессора, согласно варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее в качестве примера описаны варианты осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых одинаковыми цифровыми позициями обозначены одни и те же или аналогичные элементы. Данное подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется формулой. Для простоты представленные варианты описаны на примере конструкции многоступенчатого центробежного компрессора с использованием соответствующей терминологии. Однако эти варианты могут применяться в компрессорах других типов, турбинах, насосах и т.д.
Понятия «один вариант» или «вариант» означают, что данная особенность, конструкция или характеристика, указанная в связи с описываемым вариантом, относится по меньшей мере к одному варианту осуществления изобретения. Однако выражения «в одном варианте» или «в варианте», встречающиеся в описании, не обязательно относятся к одному и тому же варианту. Кроме того, особенности, конструкции или характеристики могут использоваться подходящим образом в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения.
Согласно варианту осуществления изобретения ротор машины состоит из трех частей, соединенных друг с другом. Первая часть представляет собой первую цельную цапфу, вторая часть образована одним или несколькими рабочими колесами, а третья часть представляет собой вторую цельную цапфу. Между первой и второй цельными цапфами установлены одно или несколько рабочих колес. Для удерживания рабочих колес в плотном контакте друг с другом во вторую цельную цапфу ввинчен стяжной стержень, проходящий через эти колесо или колеса. На другой конец стяжного стержня навинчена гайка, путем затягивания которой достигается необходимая предварительная затяжка стяжного стержня. Первая цельная цапфа закрывает гайку и соответствующий конец стяжного стержня. Первая и вторая цельные цапфы установлены в подшипниках, обеспечивая возможность вращения ротора. Машина может представлять собой компрессор, расширитель, насос и т.д.
Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.2, компрессор 40 содержит кожух 42, в котором расположены одно или несколько рабочих колес. На чертеже показано пять рабочих колес 44, 46, 48, 50 и 52, однако их число может отличаться от пяти, а также может быть лишь одно рабочее колесо. Кроме того, эти варианты могут использоваться не только в данном компрессоре, но и в других компрессорах и машинах.
Первая цельная цапфа 60 может быть прикреплена к первому рабочему колесу 44. Интерфейс 62 между первой цельной цапфой 60 и первым рабочим колесом 44 может включать различные элементы для их соединения. Например, как показано на фиг.3, интерфейс 62 может включать фланец 64, соединенный с первой цельной цапфой 60, и фланец 66, соединенный с первым рабочим колесом 44. Фланцы 64 и 66 могут прикрепляться друг к другу. Согласно варианту осуществления изобретения фланцы 64 и 66 имеют одно или несколько отверстий 68 и 70, в которые вставлены один или несколько болтов 72. Болт 72 может иметь резьбовой участок, который ввинчивается в соответствующий резьбовой участок в отверстии 70 фланца 66. В альтернативном варианте фланец 66 может иметь канавку, выполненную так, что к концу болта 72 имеется доступ снаружи (отверстие 70 проходит через весь фланец 66). В этом случае присоединение фланца осуществляется при помощи гайки, навинчиваемой на конец болта 72. Преимущество такого варианта в том, что фланец 66 может быть выполнен без скруглений, если материал, из которого он изготовлен, не допускает такой механической обработки. Другой конец 74 болта 72 может быть полностью утоплен в отверстии 68, например, первая часть отверстия 68 может иметь больший диаметр. В альтернативном варианте конец 74 болта 72 может оставаться снаружи фланца 64.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.4, передняя поверхность 76 фланца 64 и соответствующая передняя поверхность 78 фланца 66 могут соединяться друг с другом при помощи выполненных на них зубьев, которые сцепляются друг с другом, например образуют зацепление с V-образными зубьями или торцовое зубчатое соединение (торцовое зубчатое соединение имеет торцевые шлицы, выполненные с высокой точностью, и радиальные зубья, искривленные на глубину контакта. Они используются для соединения двух или нескольких элементов для образования единого рабочего блока). Согласно другому варианту выполнения фланцы 64 и 66 соединены друг с другом только болтами 74. Согласно еще одному варианту выполнения для соединения двух фланцев могут использоваться зацепление с V-образными зубьями и болтовое соединение.
Показанные на фиг.2 рабочие колеса 44, 46, 48, 50 и 52 могут быть соединены друг с другом при помощи болтов, зацеплений с V-образными зубьями или торцовых зубчатых соединений, при помощи этих двух соединений или других известных механизмов. Эти способы соединения подходят также для соединения рабочих колес с первой и второй цапфами. Каждое рабочее колесо имеет внутреннее отверстие, сообщающееся с внутренними отверстиями соседних рабочих колес. Таким образом, как показано на фиг.5, внутри рабочих колес от 44 до 52, в их центральной части, образован канал 80, в который вставлен стяжной стержень 82. Первый конец 84 стяжного стержня 82 расположен в полости 86, образованной в первом рабочем колесе 44. На резьбовой участок 90 первого конца 84 навинчена гайка 88 до упора во внутреннюю поверхность 92 первого рабочего колеса 44. Таким образом, в одной области применения ротора стяжной стержень 82 не касается стенок канала 80, образованного рабочими колесами. Путем навинчивания гайки 88 обеспечивается необходимая затяжка стяжного стержня 82. Специалистам очевидно, что для прижатия рабочих колес друг к другу могут использоваться и другие механизмы.
Как показано на фиг.6, другой конец 94 стяжного стержня 82 ввинчен во вторую цельную цапфу 96. Как было сказано при рассмотрении фиг.5, стяжной стержень 82 может не иметь контакта со стенками канала 80. Иначе говоря, в одной области применения стяжной стержень 82 не имеет контакта ни с одним рабочим колесом машины.
Далее со ссылками на фиг.5 и 6 описана сборка рабочих колес 44-52. Сначала стяжной стержень 82 ввинчивают до конца во вторую цельную цапфу 96, т.е. до тех пор, пока его дальнейший поворот не станет невозможным. Затем на него насаживают последнюю ступень 52 до упора во вторую цельную цапфу 96 и далее одну за другой насаживают все ступени до тех пор, пока первая ступень 44 не будет находиться в положении, показанном на фиг.5. При одном применении, каждые две смежные ступени соединены при помощи зацепления с V-образными зубьями. При другом применении зацепление с V-образными зубьями используется между первой цельной цапфой 60 и первым рабочим колесом 44, а также между последней ступенью 52 и второй цельной цапфой 96.
После установки первого рабочего колеса 44 согласно фиг.5 на стяжной стержень навинчивают гайку 88 с обеспечением необходимой затяжки стяжного стержня 82. Благодаря затяжке предотвращается скольжение рабочих колес относительно друг друга при работе компрессора. Кроме того, затяжка обеспечивает вращение всех рабочих колес, через которые проходит стяжной стержень, вместе со второй цельной цапфой 96. В заключение первую цельную цапфу 60 прикрепляют к первому рабочему колесу, плотно закрывая полость 86, в которой расположен первый конец 84 стяжного стержня 82. Благодаря этому предотвращается утечка газа, сжимаемого рабочими колесами, вдоль стяжного стержня, как это происходит в известных устройствах. Таким образом, в одном варианте выполнения ротора стяжной стержень 82 полностью расположен внутри него, между первой и второй цельными цапфами 60 и 96.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.7, компрессор 100 может иметь четыре рабочих колеса 44, 46, 48 и 52, первую цельную цапфу 60, вторую цельную цапфу 96 и стяжной стержень 82. Кроме того, компрессор 100 может содержать сухой сальник 102, препятствующий вытеканию текучей среды вдоль первой цельной цапфы 60, и сухой сальник 104, препятствующий вытеканию текучей среды вдоль второй цельной цапфы 96. Сухие сальники сводят к минимуму вытекание текучей среды, сжимаемой рабочими колесами компрессора, вдоль ротора. В сухие сальники может вводиться другая текучая среда под давлением, чтобы она находилась между вытекающей сжатой текучей средой и окружающей атмосферой. Согласно варианту, показанному на фиг.7, стяжной стержень 82 не доходит до сальников 102 и 104.
Согласно фиг.7 на концах первой и второй цельных цапф 60 и 96 могут быть установлены подшипники 106, 108 и 110. Например, подшипники 106 и 110 могут быть опорными, позволяющими ротору (60, 44, 46, 48, 52 и 96) вращаться, а подшипники 108 могут препятствовать осевому перемещению ротора. При одном применении ротора все подшипники и сухие сальники установлены на первой и второй цельных цапфах, а стяжной стержень находится внутри рабочих колес, но не касается их.
В такой конструкции стяжной стержень, который короче ротора, имеет достаточную прочность для передачи вращающего момента рабочим колесам и преодоления действующих по оси сил, вызванных осевым давлением рабочих колес. Радиальный зазор между рабочими колесами и стяжным стержнем намного больше радиального зазора, который имеется между цапфами, с одной стороны, и сальниками и подшипниками, с другой стороны. Тот факт, что стяжной стержень не проходит через сальники, позволяет изготовителю использовать стяжной стержень большего диаметра, чтобы можно было выполнить более сильную осевую предварительную затяжку и чтобы стяжной стержень был более прочным и лучше выдерживал вибрации. Зона сухого сальника может быть самой горячей зоной в компрессоре из-за трения сальников при наличии очень малой утечки текучей среды и из-за того, что они получают от компрессора фильтрованный, но горячий газ, чтобы избежать возможного образования конденсата. Если бы стяжной стержень проходил через сухой газовый сальник, это могло бы привести к увеличению перепада температуры между ротором в зоне сальника и стяжным стержнем и к тепловой усталости последнего.
Фиг.8 иллюстрирует способ сборки ротора компрессора, содержащего первую и вторую цельные цапфы и несколько рабочих колес, согласно варианту осуществления изобретения. Способ включает операцию 800 прикрепления стяжного стержня ко второй цельной цапфе; операцию 802 скользящей насадки рабочих колес на стяжной стержень таким образом, что последнее рабочее колесо контактирует со второй цельной цапфой, следующее рабочее колесо контактирует с последним рабочим колесом и так далее до тех пор, пока первое рабочее колесо не будет соприкасаться со вторым рабочим колесом, оставаясь открытым с одной стороны; операцию 804 затягивания гайки на стяжном стержне с одной стороны первого рабочего колеса для удерживания всех рабочих колес в контакте друг с другом и со второй цельной цапфой; операцию 806 приведения первой цельной цапфы в контакт с первым рабочим колесом так, что стяжной стержень не касается первой цельной цапфы; и операцию 808 прикрепления первой цельной цапфы к первому рабочему колесу путем вставки болтов во фланцы первой цельной цапфы и первого рабочего колеса.
Описанные варианты осуществления изобретения обеспечивают систему и способ для предотвращения утечки сжатой среды из компрессора. Эти варианты не ограничивает изобретение, которое допускает альтернативные решения, модификации и эквивалентные решения, не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого его формулой. Кроме того, в подробном описании этих вариантов указаны многие специфические детали для лучшего понимания заявленного изобретения, однако специалистам понятно, что различные варианты могут быть реализованы без применения этих специфических деталей.
Хотя особенности и элементы рассмотренных в качестве примеров вариантов осуществления изобретения описаны в конкретных сочетаниях, каждая особенность или каждый элемент могут использоваться по отдельности или в различных сочетаниях с другими особенностями и элементами, указанными в описании, или без них.
Представленные в описании примеры, раскрывающие изобретение, позволяют специалисту в данной области осуществить его на практике, включая изготовление и использование любых устройств или систем и применение любых соответствующих способов. Объем изобретения определяется его формулой и охватывает другие варианты, очевидные специалистам.