СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЯ ВАЛА
SHAFT SEALING SYSTEM

Изобретение относится к системе уплотнения вала турбомашины, простирающейся в аксиальном направлении вдоль оси вращения,
- причем система уплотнения вала с одного конца оси имеет сторону высокого давления, а с другого конца оси - сторону низкого давления, содержащая
- роторную часть, вращающуюся при работе,
- неподвижную статорную часть,
- по меньшей мере одно сухое газовое уплотнение, содержащее вращающийся уплотнительный элемент, установленный на роторной части, и неподвижный уплотнительный элемент, установленный на статорной части, для герметизации промежуточного пространства между роторной и статорной частями от первого перепада давлений,
- причем неподвижный и вращающийся уплотнительные элементы установлены друг против друга вдоль уплотнительной поверхности, простирающейся радиально и в направлении окружности,
- причем в конце стороны высокого давления устройства для уплотнения вала предусмотрено лабиринтное уплотнение для герметизации промежуточного пространства при последовательной установке относительно сухого газового уплотнения, содержащее неподвижную и вращающуюся части лабиринтного уплотнения,
- причем расположенная посредине поверхность лабиринтного уплотнения, простирающаяся в направлении окружности и в аксиальном направлении, расположена между неподвижной и вращающейся частями лабиринтного уплотнения на пятом диаметре коаксиально оси вращения,
- причем между неподвижным уплотнительным элементом и статорной частью для герметизации от первого перепада давлений на четвертом диаметре установлено четвертое стационарное уплотнение.
Сухие газовые уплотнения в качестве уплотнения вала в турбомашинах, например в турбокомпрессорах, пользуются все большим успехом. Сухими газовыми уплотнениями в смысле настоящего изобретения являются уплотнения вала, содержащие по меньшей мере два простирающихся вокруг вала в направлении окружности (относительно оси вращения) уплотнительных элемента, которые содержат по меньшей мере по одной обращенной к противолежащему элементу уплотнительной поверхности, с помощью которых сухое газовое уплотнение герметизирует промежуточное пространство между неподвижной частью, например корпусом, и вращающейся частью. Уплотнительные элементы с их кольцевыми уплотнительными поверхностями, как правило, противолежат друг другу в уплотнительной плоскости, простирающейся в направлении окружности и радиально. Один из уплотнительных элементов вращается с вращающейся частью, а другой уплотнительный элемент неподвижен относительно корпуса. По меньшей мере одна из уплотнительных поверхностей, обращенных друг к другу, содержит поверхностные выступы и/или впадины, которые во взаимодействии с уплотнительным газом обеспечивают создание на уплотнительных поверхностях газовой пленки между обоими уплотнительными элементами, так что сухое газовое уплотнение во время предусмотренного вращения работает между вращающимся и неподвижным уплотнительными элементами бесконтактно. Сухое газовое уплотнение для безвредной, или бесконтактной работы требует уплотнительного газа, по существу не содержащего никаких жидких составных частей. Впадины и выступы могут принимать различные формы и, предпочтительно, предусмотрены только на одной уплотнительной поверхности, предпочтительно, на уплотнительной поверхности вращающегося уплотнительного элемента. Для создания стабильной уплотнительной пленки уплотнительного газа между обеими уплотнительными поверхностями впадины могут быть выполнены, например, U-образными или «елочными», или Т-образными, или в виде спирали.
Решающие преимущества достигаются использованием сухих газовых уплотнений, например, на компрессорах, благодаря тому, что утечка относительно незначительна и не нужно никакого смазочного масла, как, например, в уплотнениях, работающих с жидкостями. На сухие газовые уплотнения со стороны высокого давления регулярно подается уплотнительный газ, причем незначительная утечка этого уплотнительного газа минует сухое газовое уплотнение со стороны высокого давления в сторону более низкого давления - сторону низкого давления, где, как правило, происходит эта утечка из отводящей линии в линию для вентилирования (Vent) или сжигания в факеле (Flare). Для сокращения расхода специально предварительно обработанного уплотнительного газа сухое газовое уплотнение обычно окружено другими уплотнениями для вала. В частности, со стороны высокого давления обычно находится лабиринтное уплотнение, сокращающее истечение уплотнительного газа в сторону, противоположную сухому газовому уплотнению. Со стороны высокого давления, как правило, находится технологический газ, находящийся в случае турбокомпрессора под высоким рабочим давлением. Чтобы держать потенциально загрязненный технологический газ подальше от чувствительного сухого газового уплотнения, уплотнительный газ по сравнению с этим технологическим газом должен обладать избыточным давлением.
Исходя из описанного уровня техники, изобретение поставило перед собой задачу, чтобы повреждение сухого газового уплотнения имело самые минимальный последствия для проскальзывания у ротора, вал которого уплотняется сухим газовым уплотнением.
Решение этой вышеназванной задачи предлагается изобретением с помощью системы (устройства) уплотнения вала для уплотнения вала вышеопределенного типа с помощью дополнительных признаков отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления изобретения.
В области понятий изобретения осью вращения является центральная ось устройства для уплотнения вала, именуемая осью вращения потому, что в случае сухого газового уплотнения устройства для уплотнения вала речь идет об уплотнении вала, естественно окружающем вал, вращающийся при работе. Все данные, без дальнейших пояснений входящие в область понятий такого кругового движения, как, например, аксиальный, радиальный, в направлении окружности, диаметр, относятся к оси вращения как к центру вращательного движения.
Кроме того, область понятий различает два принципиально разных типа, а именно уплотнение для вала, герметизирующее два конструктивных элемента, находящихся в движении относительно друг друга, и стационарное уплотнение, герметизирующее два конструктивных элемента, находящихся в покое относительно друг друга.
Со ссылкой на уплотнение для вала согласно изобретению различают понятия стороны высокого и низкого давления, что, другими словами, означает, что уплотнение вала вопреки перепаду давлений предотвращает или сокращает переливание одной жидкой среды в другую со стороны более высокого давления в сторону более низкого давления и, соответственно, поддерживает перепад давлений.
Изобретение раскрывает особые преимущества при перепаде давлений в устройстве для уплотнения вала, превышающем 200 бар. В этом случае, в частности, целесообразно, чтобы уплотнительная поверхность, простирающаяся в направлении окружности и в аксиальном направлении, между неподвижной частью лабиринтного уплотнения на пятом диаметре коаксиально оси вращения, по существу, была идентична четвертому диаметру, на котором находится четвертое стационарное уплотнение между частью статора и неподвижным уплотнительным элементом сухого газового уплотнения, поскольку большее отклонение от этого геометрического требования может вызвать большие усилия на аксиальном подшипнике, если сухое газовое уплотнение обнаружит дефект. Предпочтительно, разница между четвертым и пятым диаметрами составляет менее 10% пятого диаметра.
Способом согласно изобретению в случае повреждения сухого газового уплотнения устройства для уплотнения вала согласно изобретению осуществляется лишь относительно незначительное изменение проскальзывания на валу турбомашины, поскольку диаметры, на которых различные давления, различающиеся перепадом давлений в сухом газовом уплотнении, прилегают к ротору, при уменьшении перепада давлений в сухом газовом уплотнении даже не отличаются от случая уменьшения перепада давлений на подсоединенном лабиринтном уплотнении.
В частности, у компрессора с сухим газовым уплотнением, понижающим перепад давлений с более чем 200 бар и находящимся в нормальном рабочем состоянии, аксиальный подшипник, как правило, не в состоянии выдержать изменения проскальзывания, если сухое газовое уплотнение имеет повреждение и из этого при невыполнении вышеопределенного критерия в отношении диаметра вытекает изменение проскальзывания вала.
Чтобы уплотнительные элементы сухого газового уплотнения устройства для уплотнения вала не подвергались никаким ненужным высоким давлениям, устанавливающим необходимую геометрию для образования смазочной пленки, обеспечивающей отсутствие контакта между уплотнительными поверхностями, целесообразно, чтобы между роторной частью и вращающимся уплотнительным элементом на третьем диаметре было установлено третье стационарное уплотнение и чтобы третий диаметр отличался от четвертого диаметра не более чем на 10% четвертого диаметра.
Вариант осуществления согласно изобретению особенно предпочтителен в случае устройств для уплотнения вала, в которых неподвижный уплотнительный элемент сухого газового уплотнения герметизирован от статорной части посредством четвертого стационарного уплотнения на четвертом диаметре, а расположенная посредине поверхность лабиринтного уплотнения, простирающаяся в направлении окружности и в аксиальном направлении, установлена между неподвижной и вращающейся частями лабиринтного уплотнения на пятом диаметре коаксиально оси вращения, причем пятый диаметр меньше или равен четвертому диаметру.
Другой задачей является уменьшение сложности турбомашины, содержащей устройство для уплотнения вала вышеописанного типа, причем монтаж такой турбомашины может быть упрощен, а потребность в месте для устройства для уплотнения вала может быть сокращена.
Уже упомянутую выше статорную часть следует понимать как неподвижный конструктивный элемент, являющийся опорой конструктивных элементов по меньшей мере сухого газового уплотнения устройства для уплотнения вала.
Статорная часть, предпочтительно, выполнена в виде статорной гильзы устройства для уплотнения вала, вставляемой в выемку статора, предпочтительно, выполненного в качестве корпуса турбомашины. При этом речь может идти также о конструктивных элементах, соединенных с корпусом, так что предусмотрена опосредованная связь статорной части с корпусом турбомашины. Во всяком случае статорная часть в одном из вариантов осуществления изобретения в качестве статорной гильзы пригодна для сведения конструктивных элементов устройства для уплотнения вала в единый блок, так чтобы в случае устройства для уплотнения вала речь шла о самом по себе подвижном модуле, устанавливаемом в рамках монтажа на валу ротора как единое целое. Предпочтительно, устройство для уплотнения вала согласно изобретению сначала устанавливается на валу, а затем вместе с валом вводится, например, в горшкообразный корпус (barrel-type-casing) или в нижнюю половину корпуса и крепится в корпусе.
Особые преимущества вытекают из формы выполнения устройства для уплотнения вала со статорной и роторной гильзами, которые обе являются соответствующими опорами лабиринтного уплотнения в результате уменьшения сложности благодаря сокращению числа деталей турбомашины, поскольку лабиринтное уплотнение, прилегающее к сухому газовому уплотнению устройства для уплотнения вала, является тем самым составной частью устройства для уплотнения вала. Преимущество упрощения, в частности, в рамках монтажа, является значимым, поскольку на валу приходится устанавливать лишь один отдельный модуль, а сложные работы по выверке ротора для устройства для уплотнения вала и для установленной отдельно от него прокладки лабиринтного уплотнения сильно упрощаются или частично отпадают. В уровне техники приходилось выполнять требующие больших затрат времени и частично сложные выверки относительно друг друга, в частности таких конструктивных элементов, как ротор, сухое газовое уплотнение, лабиринтное уплотнение или корпус. Кроме того, благодаря комбинации лабиринтного уплотнения с сухим газовым уплотнением в предпочтительном устройстве для уплотнения вала можно уменьшить монтажное пространство для уплотнения вала турбомашины, в частности, поскольку лабиринтное уплотнение не требует больше собственного закрепления на корпусе, а закреплено с устройством для уплотнения вала прямо на корпусе. Эта экономия места ведет, в частности, к меньшей потребности в аксиальном монтажном пространстве, что обеспечивает уменьшение необходимой длины вала ротора, из чего вытекают решающие преимущества, связанные с динамикой ротора, в частности, амплитуды колебаний становятся меньше, а возможные резонансные частоты вследствие жесткого крепления выгодным образом повышаются. При в остальном одинаковых рабочих параметрах турбомашины это обеспечивает уменьшение диаметра вала, так что при полагаемой одинаковой потребности в радиальном люфте с помощью уплотнения вала необходимо уплотнять меньшую поверхность, так что потенциально появляется лишь небольшая утечка и коэффициент полезного действия турбомашины возрастает.
В качестве самого крайнего аксиального уплотнения вала со стороны высокого давления целесообразно устанавливать лабиринтное уплотнение, так чтобы никакие загрязнения со стороны высокого давления гарантированно не могли беспрепятственно попасть в сухое газовое уплотнение устройства для уплотнения вала. Целесообразно снабжать устройство для уплотнения вала на статорной части вторым стационарным уплотнением, так чтобы статорная часть вставлялась в выемку статора уплотняющим образом. Кроме того, стационарным уплотнением целесообразно снабжать роторную часть, так чтобы роторная часть устанавливалась на валу ротора уплотняющим образом. Предпочтительно, вал ротора можно снабжать уступом, на котором роторная часть соприкасается с аксиальной контактной поверхностью. В случае, например, со стационарными уплотнениями между валом и роторной частью или между выемкой статора и статорной частью речь идет об уплотнениях с V-образным поперечным сечением (PTFE Cup seals), расширяющимся под действием перепада давлений таким образом, чтобы поддержать фитильный эффект.
Изобретение относится не только к устройству для уплотнения вала, но и к турбомашине, содержащей устройство для уплотнения вала согласно изобретению, по меньшей мере к корпусу и к ротору с валом.
Целесообразно, чтобы предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения содержал подводящую линию для подачи уплотнительного газа между лабиринтным и сухим газовым уплотнениями устройства для уплотнения вала в аксиальное промежуточное пространство, так чтобы лабиринтное уплотнение уменьшало выход предварительно обработанного и чистого уплотнительного газа в направлении стороны высокого давления и чтобы в сухое газовое уплотнение подавался только чистый уплотнительный газ. Для этого целесообразно, чтобы уплотнительный газ по сравнению с технологическим газом по ту сторону от лабиринтного уплотнения на стороне высокого давления находился под избыточным давлением, так чтобы никакая часть технологического газа не могла достичь сухого газового уплотнения. Со стороны низкого давления сухого газового уплотнения целесообразно предусмотреть уплотнительную отводящую линию, при необходимости подающую чистый уплотнительный газ в качестве смеси с находящимся на стороне низкого давления другим газом на предварительную обработку уплотнительного газа или на сжигание в факеле.
Предпочтительную форму выполнения неподвижной и вращающейся частей лабиринтного уплотнения как деталей статорной или роторной частей следует понимать таким образом, что охвачена также по меньшей мере частично монолитная форма выполнения обоих этих соответствующих конструктивных элементов. Как вращающаяся, так и неподвижная части лабиринтного уплотнения могут иметь острия, причем речь может идти об истинном лабиринте или о виде лабиринта в просвете. Под жесткой установкой частей лабиринтного уплотнения согласно изобретению при необходимости на выполненных в виде гильз статорной и роторной частях следует понимать разъемное крепление, которое может быть предусмотрено альтернативно по меньшей мере частично монолитной форме выполнения.
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, причем для специалиста, в частности, из любой комбинации пунктов формулы изобретения вытекают возможности осуществления изобретения, отличающиеся от примеров выполнения.
На фиг.1-3 изображен соответствующий продольный разрез устройства для уплотнения вала согласно изобретению.
В следующем описании идентичные конструктивные элементы или конструктивные элементы с идентичными функциями обозначены одинаковыми позициями. Выражения типа аксиальный, радиальный, направление по окружности, диаметр и радиус относятся к оси АХ вращения, являющейся центральной осью устройства DGSM для уплотнения вала. Устройство DGSM для уплотнения вала, изображенное на фиг.1 и 2, содержит статорную часть CS и роторную часть RS, а также сухое газовое уплотнение DGS и лабиринтное уплотнение LS. Роторная часть RS устройства DGSM для уплотнения вала посредством второго стационарного уплотнения STS2 уплотняющим образом установлена на диаметре DSS2 на валу SH ротора R. Вал SH точно так же является опорой по меньшей мере одного не показанного рабочего колеса турбомашины СО, выполненной более подробно не показанным способом в качестве центробежного компрессора.
Статорная часть CS посредством первого стационарного уплотнения STS1 уплотняющим образом вставлена на первом диаметре DSS1 в выемку CR статора. Первое стационарное уплотнение STS1 и второе стационарное STS2 имеют V-образный профиль, установленный в соответствующем простирающемся в направлении окружности уплотнительном пазу таким образом, чтобы V-образный профиль расширялся, если на стационарное уплотнение подается давление со стороны HPS высокого давления. Устройство DGSM для уплотнения вала имеет аксиальную сторону HPS высокого давления и аксиальную сторону LPS низкого давления, причем сторона HPS высокого давления подвержена воздействию технологического газа PG, находящегося по сравнению со стороной LPS низкого давления под избыточным давлением. Статорная часть CS напротив выемки CR статора дополнительно уплотнена круглым кольцевым уплотнением. Устройство DGSM для уплотнения вала на фиг.1, 2, 3 является составной частью не полностью изображенного уплотнения SHS вала.
Промежуточное пространство IR между статорной частью CS и роторной частью RS уплотнено посредством сухого газового уплотнения DGS с одной стороны и последовательно с ним посредством лабиринтного уплотнения LS с другой стороны. При этом сухое газовое уплотнение DGS служит для основного сокращения перепада давлений между стороной HPS высокого давления и стороной LPS низкого давления. Между сухим газовым уплотнением DGS и лабиринтным уплотнением LS предусмотрена подводящая линия SGS для особо чистого уплотнительного газа SG. При этом функцией лабиринтного уплотнения LS является уменьшение выхода уплотнительного газа SG в направлении стороны высокого давления, т.е. в потенциально загрязненный и химически агрессивный технологический газ PG. Поэтому в сухое газовое уплотнение DGS со стороны высокого давления подается только чистый и сухой уплотнительный газ SG, обнаруживающий по сравнению с технологическим газом PG избыточное давление. Со стороны LPS низкого давления сухого газового уплотнения DGS предусмотрена отводящая линия SGE для уплотнительного газа с лишь незначительной утечкой, ведущая на не показанную вентиляцию (Vent) или, предпочтительно, на сжигание в факеле.
Сухое газовое уплотнение DGS содержит вращающийся уплотнительный элемент RSE и неподвижный уплотнительный элемент SSE, противолежащие соответствующими уплотнительными поверхностями на общей уплотнительной поверхности DGSSS сухого газового уплотнения. Вращающийся уплотнительный элемент RSE от перепада давлений уплотнен относительно вращающейся части RS посредством третьего стационарного уплотнения SS3, простирающегося на третьем диаметре DSS3 в направлении окружности. Статорная часть CS содержит упругий элемент ЕЕ, который посредством направляющей GD и поршня РТ подпирает неподвижный уплотнительный элемент SSE относительно вращающегося уплотнительного элемента RSE. Неподвижный уплотнительный элемент SSE от перепада давлений уплотнен относительно поршня РТ посредством четвертого стационарного уплотнения SS4 на четвертом диаметре DSS4. В области понятий изобретения упругий элемент ЕЕ и поршень РТ, а также направляющая GD относятся к статорной части CS.
Лабиринтное уплотнение LS содержит неподвижную часть SLSM лабиринтного уплотнения и вращающуюся часть RLSM лабиринтного уплотнения, противолежащие друг другу на поверхности LSS лабиринтного уплотнения, расположенной посредине и простирающейся по оси и в направлении окружности, причем поверхность LSS, расположенная посредине, в направлении окружности простирается на пятом диаметре. Под поверхностью лабиринтного уплотнения следует понимать поверхность, простирающуюся по оси и в направлении окружности вдоль постоянного пятого диаметра DSS5, причем пятый диаметр является результатом отнесенного к единице поверхности окружности взвешенного усреднения наружного диаметра со стороны высокого давления, внутреннего диаметра со стороны высокого давления, наружного диаметра со стороны низкого давления, внутреннего диаметра отверстия лабиринтного уплотнения LS со стороны низкого давления.
Вращающийся уплотнительный элемент RSE установлен напротив неподвижного уплотнительного элемента SSE на поверхности DGSSS сухого газового уплотнения с вращающейся уплотнительной поверхностью DGSRS, снабженной, предпочтительно, клиновидными и/или спиральными выступами и впадинами. Неподвижный уплотнительный элемент SSE имеет на неподвижной уплотнительной поверхности DGSTS, обращенной к поверхности DGSSS сухого газового уплотнения, и подогнан к форме выполнения противолежащей вращающейся уплотнительной поверхности DGSRS таким образом, чтобы была обеспечена бесконтактная работа сухого газового уплотнения DGS с образованием соответствующей смазочной пленки уплотнительного газа SG.
Согласно изобретению во всех трех примерах выполнения особая предрасположенность к использованию высокого давления существует при перепадах давлений порядка 200 бар. Поверхность LSS лабиринтного уплотнения на пятом, по существу идентичном диаметре DSS5, ведет себя как четвертое стационарное уплотнение SS4 между роторной частью RS и вращающимся уплотнительным элементом RSE, т.е. разница между пятым диаметром DSS5 и четвертым диаметром DSS4, составляя менее 10% пятого диаметра, имеется.
Кроме того, для минимизации механической нагрузки на уплотнительные элементы сухого газового уплотнения DGS разница между третьим диаметром DSS3 и четвертым диаметром DSS4 составляет менее 10% третьего диаметра DSS3 или альтернативно менее 10% четвертого диаметра DSS4. При этом решающей является соответствующая близость пятого DSS5, четвертого DSS4 и третьего DSS3 диаметров, причем близость пятого диаметра DSS5 с четвертым диаметром DSS4 является приоритетной.
На фиг.1 изображена форма выполнения устройства DGSM для уплотнения вала, в котором сухое газовое уплотнение DGS, содержащее статорную часть CS и роторную часть RS, устанавливается на валу. По существу, независимо от этого вращающийся элемент RLSM лабиринтного уплотнения выполнен в виде уступа на валу, примыкающего к участку вала, на котором установлена роторная часть RS. Стационарная часть CS лабиринтного уплотнения SLSM жестко соединена с уступом на выемке CR статора и, соответственно, только опосредованно со статорной частью CS.
На фиг.2, в частности, в качестве решения с помощью дооборудования, изображена соответствующая форма выполнения устройства DGSM для уплотнения вала согласно изобретению. Лабиринтное уплотнение LS, при известных условиях первоначально не установленное с конфигурацией диаметров согласно изобретению, сопоставимо с неподвижной частью SLSM лабиринтного уплотнения, закрепленной на фиг.1 на уступе выемки CR статора. Вращающаяся часть уплотнения RLSM вала выполнена в виде гильзы SL, увеличивающей диаметр вала, которая специально рассчитана таким образом, чтобы параметры диаметров согласно изобретению имели место у сухого газового уплотнения DGS и лабиринтного уплотнения LS. Подобная конфигурация представляет интерес не только в качестве решения с помощью дооборудования, а предпочтительна также постольку, поскольку диаметр уплотнения сухого газового устройства DGS, увеличенный с обеих сторон относительно окружающего вала SH, в частности, четвертый диаметр DSS4, конструктивно не обязательно должен приводить к большому уступу на валу SH, который, в свою очередь, чтобы ротор R был сопрягаемым, требует больших диаметров рабочего колеса. Вместо этого в качестве вращающегося уплотнительного элемента RLSM лабиринтного уплотнения LS предусмотрена гильза SL, увеличивающая диаметр вала SH в области лабиринтного уплотнения LS. Увеличение посредством этой гильзы SL может гибко подстраиваться под остальные конструктивные данности турбомашины.
Дополнительно, как это показано на фиг.1-3, возможно, чтобы обтекаемый контур IMP имел вблизи вала выемку RC, в которой располагался бы аксиальный участок устройства DGSM для уплотнения вала. Таким образом в интересах динамики ротора укорачивается вал SH, так что принимаемые во внимание колебания становятся меньше, а радиальные люфты на пользу увеличения коэффициента полезного действия могут рассчитываться меньшими.
В форме выполнения, изображенной на фиг.3, если вращающаяся часть RLSM и неподвижная часть SLSM лабиринтного уплотнения LS являются постоянным составным элементом роторной части RS или статорной части CS или если они установлены на них на постоянной основе, то дополнительно экономится аксиальное монтажное пространство.
Такая одномодульная конструкция дополнительно экономит затраты на монтаж и выверку во время монтажа, поскольку такого рода монолитное устройство DGSM для уплотнения вала само по себе может быть выверено уже заранее.