Диафрагма центробежного компрессора
CENTRIFUGAL COMPRESSOR DIAPHRAGM

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности, компрессоростроения, и может быть использовано при разработке многоступенчатых центробежных компрессоров с внутренним межступенчатым частичным охлаждением рабочего газа, а именно - при разработке конструкции узла диафрагмы.
Компрессор обеспечивает сжатие и подачу воздуха или другого газа под давлением. Многоступенчатое сжатие обеспечивает получение газа высокого давления. В различных отраслях промышленности широко применяются центробежные многоступенчатые компрессоры, характеризующиеся высокой производительностью, сравнительно небольшими габаритными размерами и массой. Ступень центробежного компрессора состоит из рабочего колеса и диафрагмы, которая является одним из статорных элементов проточной части центробежного компрессора. Диафрагма может быть закреплена в корпусе компрессора или выполняется с ним заодно. Обычно конструкция диафрагмы включает в себя диск диафрагмы, диффузор, в котором происходит преобразование скорости газа, полученной от рабочего колеса, в энергию давления, и обратный направляющий аппарат, профилированные лопатки которого образуют каналы, по которым поток рабочего газа (сжимаемого газа) из диффузора поступает в следующую ступень сжатия. Сжатие газа сопровождается повышением его температуры, в связи с чем в конструкциях многоступенчатых компрессоров может быть предусмотрено промежуточное охлаждение газа между секциями компрессора, а также межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа, что позволяет сократить затраты потребляемой компрессором мощности, при этом объемная производительность будет тем выше, чем ниже температура газа на входе в ступень или секцию. В качестве охлаждающей среды (также называемой охлаждающим веществом или охладителем) может использоваться, например, вода или газ, в частности, воздух. На практике в конструкциях многоступенчатых центробежных компрессоров широко применяются промежуточные охлаждающие устройства, представляющие собой отдельные установки. Так, например, в состав компрессионной установки высокого давления по патенту № RU 2542657 С2 (МПК F04D 25/06, дата публ. 20.02.2015) входит наружное охлаждающее устройство, обеспечивающее промежуточное охлаждение рабочей текучей среды, что позволяет повысить эффективность установки. Также известно применение системы промежуточного охлаждения турбокомпрессора по патенту № US 7278472 В2 (МПК F02B 1/00, F04D 29/58, дата публ. заявки 25.03.2004), в которой внутреннее охлаждающее устройство представляет собой трубчато-пластинчатый кольцевой теплообменник, расположенный в корпусе турбокомпрессора между первой и второй ступенью концентрично оси вала, при этом наружный диаметр теплообменника значительно превышает диаметр рабочих колес. Применение охлаждающих устройств, представляющих собой отдельные установки, увеличивает габаритные размеры компрессора, требует дополнительного оборудования (теплообменников, трубопроводов), вследствие чего требуется увеличение сроков на проведение плановых ремонтных работ, а также требуются дополнительные затраты потребляемой мощности, что снижает КПД компрессора.
Известно, что внутреннее межступенчатое частичное охлаждение сжимаемого газа даже на несколько десятков градусов позволяет обеспечить значительное снижение потребляемой компрессором мощности, а также уменьшение температуры газа на выходе, при этом обеспечивается снижение температуры статорных элементов компрессора, что повышает эксплуатационную надежность установки и амортизационный срок службы (в частности, за счет повышения долговечности уплотнительных элементов), а также позволяет сократить время ремонтного обслуживания агрегата. В настоящее время исследования и разработки ведущих российских и зарубежных компаний в области создания современного компрессорного оборудования направлены на повышение надежности и эффективной систем межступенчатого частичного охлаждения рабочего газа, что в свою очередь обеспечивает повышение производительности ступеней компрессора, уменьшая при этом потребность в промежуточных охлаждающих установках и сокращая затраты потребляемой мощности, в том числе и на максимальных режимах работы компрессора.
С учетом изложенных выше факторов представляется актуальным использование в центробежном компрессоре внутриканального охлаждения в узле диафрагмы, как наиболее эффективного для последних ступеней компрессора и, при этом, в отличие от применения внешних или встроенных охлаждающих устройств, не требующего значительного дополнительного увеличения потребляемой компрессором мощности.
Задача повышения эффективности межступенчатого охлаждения сжимаемого газа в центробежных компрессорах имеет давние исторические корни. Британская компания Thomson-Houston Со. (в настоящее время -General Electric Со.) осуществляла разработки в данном направлении еще в начале прошлого века: например, известна конструкция центробежного воздушного компрессора многоступенчатого типа по патенту № GB 191500353 A «Improvements in and relating to centrifugal compressors» (МПК F04D 29/58, дата публ. 10.01.1916), содержащая диафрагмы с внутренним охлаждением. Для поглощения тепла, возникающего в результате сжатия воздуха, в полых диафрагмах выполнены перегородки, расположенные в радиальном направлении в шахматном порядке и образующие извилистый серпантинный ход, т.е. камеры, через которые может циркулировать охлаждающая среда, например, вода. Выполненные в перегородках вентиляционные отверстия препятствуют образованию теплоизоляционных воздушных карманов, ухудшающих контакт охлаждающей воды с нагретым металлом. Однако, известная конструкция охлаждаемой диафрагмы отличается невысокими параметрами жесткости, что обуславливает невозможность ее применения в современных компрессорах с учетом создаваемого в них высокого давления газа. Кроме того, известное техническое решение характеризуется большими габаритами, что для современных конструкций является нежелательным фактором.
Известна конструкция многоступенчатого центробежного компрессора по патенту № JP Н 06294398 A «Multiple stage centrifugal compressor provided with intercooling mechanism» (МПК F04D 17/12, F04D 29/58, дата публ. 21.10.1994), в котором предусмотрено выполнение двух каналов для охлаждающей воды, проходящих в осевом направлении через лопатки обратного направляющего аппарата. В данной конструкции площадь охлаждаемой поверхности, контактирующей с потоком сжимаемого газа, невелика, что обуславливает незначительную эффективность отвода тепла. Кроме того, известная конструкция имеет высокое гидравлическое сопротивление, что повышает затраты потребляемой мощности.
Известен центробежный компрессор по патенту № RU 2244167 С2 (МПК F04D 17/12, F04D 29/58, дата публ. 10.01.2005), в котором для сокращения внутренних тепловых перетоков между ступенями проточной части компрессора сборные диафрагмы содержат встроенные теплоизоляционные элементы, толщина которых увеличивается от первой до последней ступени. Известное техническое решение реализует пассивный способ уменьшения межступенчатого подогрева, однако, характеризуется низкой эффективностью уменьшения перетоков тепла.
Известен многоступенчатый центробежный компрессор (заявка РСТ № WO 2014134266 Al «Method of construction for internally cooled diaphragms for centrifugal compressor)), МПК F04D 29/40, F04D 29/30, дата публикации 04.09.2014), содержащий охлаждаемую диафрагму, в компонентах которой выполнено множество охлаждающих каналов. Диафрагма установлена в корпусе компрессора и содержит диск диафрагмы, с двух сторон которого выполнены каналы для циркулирующей охлаждающей жидкости, а также обратный направляющий аппарат, в лопатках и с обеих сторон диска которого также выполнены каналы для охлаждающей среды, которая подается в каналы от внешнего источника. В качестве недостатка известного технического решения следует отметить высокую конструктивную и технологическую сложность, что снижает надежность работы узла и сокращает срок службы компрессора. Кроме того, следует отметить необходимость обеспечения высокой степени чистоты охлаждающей жидкости для ее циркуляции во множестве узких каналов, выполненных как в отдельных компонентах диафрагмы, так и в лопатках обратного направляющего аппарата, а также высокое гидравлическое сопротивление каналов, увеличивающее затраты потребляемой мощности.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению, предлагается диафрагма многоступенчатого центробежного компрессора высокого давления, известного по патенту № ЕР 2990662 A1 «Centrifugal compressors with integrated intercooling» (МПК F04D 29/44, F04D 29/58, дата публ. 02.03.2016). В конструкции стационарной диафрагмы ступени центробежного компрессора реализована система внутриканального охлаждения рабочего газа. Диафрагма расположена в корпусе компрессора и объединена с рабочим колесом. Диафрагма содержит наружную часть, представляющую собой дисковую часть (или диск) диафрагмы, и внутреннюю часть диафрагмы, имеющие кольцевую форму. Наружная и внутренняя диафрагменные части имеют центральные отверстия, предназначенные для размещения в них вала ротора компрессора. Внутренняя часть диафрагмы расположена между диффузором и обратным каналом. При этом диффузор образован между стенками наружной диафрагменной части предыдущей (по ходу потока рабочего газа) ступени и внутренней части рассматриваемой ступени. Обратный канал гидравлически соединен с диффузором и образован между стенками внутренней части и наружной части диафрагмы рассматриваемой ступени. Обратный канал снабжен множеством неподвижных профилированных лопаток, равномерно распределенных вокруг оси вращения ротора. Лопатки механически соединяют внутреннюю и наружную части диафрагмы. Обратный канал, стенки внутренней части диафрагмы и лопатки обратного канала образуют обратный направляющий аппарат. Во внутренней диафрагменной части выполнена внутренняя полость, имеющая кольцевую форму и расположенная вокруг оси вращения ротора. Указанная полость выполнена открытой со стороны предыдущей (по ходу потока рабочего газа) ступени и закрыта посредством элемента, соединенного с внутренней частью диафрагмы. Такой элемент может представлять собой крышку или пластину, которая, например, приварена к внутренней части диафрагмы или соединена с помощью крепежа. Внутри указанной полости расположен внутренний сердечник, также имеющий кольцевую форму. Таким образом между сердечником и внутренней поверхностью внутренней части диафрагмы сформирован первый канал для протекания охлаждающей жидкости (охладителя), имеющий петлеобразную форму, открытая полость которого закрыта, как уже указано выше, с помощью элемента, закрывающего внутреннюю полость внутренней диафрагменной части. В наружной диафрагменной части вдоль поверхности, обращенной к внутренней части, выполнен второй канал для протекания охладителя, при этом образована тонкая кольцевая стенка наружной части диафрагмы, граничащая с обратным каналом. Вдоль поверхности другой стороны (противоположной стороне второго канала) наружной части диафрагмы выполнен третий канал для протекания охлаждающей жидкости (охладителя), при этом образована тонкая стенка, граничащая с диффузором следующей (по ходу потока рабочего газа) ступени, а между вторым и третьим охлаждающими каналами заключен сердечник наружной части диафрагмы. Третий охлаждающий канал гидравлически соединен посредством портов (каналов), проходящих через сердечник наружной части диафрагмы, с впускными каналами, проходящими через лопатки обратного направляющего аппарата и соединяющими указанные порты с первым охлаждающим каналом. Также через лопатки обратного направляющего аппарата проходят выпускные каналы, соединяющие первый и второй охлаждающие каналы. Указанные первый, второй и третий каналы являются охлаждающими каналами, предназначенными для протекания по ним охладителя. Третий охлаждающий канал через кольцевую впускную камеру соединен с одним или несколькими входными каналами для подачи охладителя. На той же стороне сердечника наружной диафрагменной части выполнена кольцевая выпускная камера, соединяющая второй охлаждающий канал с одним или несколькими выходными каналами для отвода охладителя.
При работе компрессора охладитель поступает через канал подачи (входной канал) и впускную камеру в третий охлаждающий канал, затем через порты в теле сердечника наружной части диафрагмы и впускные каналы, выполненные в лопатках обратного направляющего аппарата, поступает в первый охлаждающий канал, протекает по его петлеобразной секции и выходит через выпускные каналы, проходящие через лопатки обратного направляющего аппарата, во второй охлаждающий канал, из которого выходит через выпускную камеру в канал отвода охладителя (выходной канал). При этом происходит теплообмен между рабочим газом, протекающим по диффузору и обратному направляющему аппарату, и охладителем, протекающим по охлаждающим каналам. Теплообмен осуществляется через тонкие стенки, разделяющие указанные участки проточной части и охлаждающие каналы.
В известном техническом решении выполнение системы охлаждающих каналов направлено на обеспечение возможности теплообменного контакта охлаждающей жидкости и рабочего газа по всей протяженности его пути через диффузор и обратный направляющий аппарат, при этом, как отмечено в описании прототипа, выполнение узких каналов для прохода охладителя внутри наружной и внутренней частей диафрагмы и тонких стенок, разделяющих полости охлаждающих каналов и участки протекания рабочего газа в проточной части (диффузор и обратный канал), направлено на повышение скорости протекания охладителя и ускорение теплообмена, что обеспечивает эффективное межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа и снижение потребляемой мощности.
Однако в качестве недостатка известного технического решения необходимо отметить его высокую конструктивную и технологическую сложность, заключающуюся в выполнении системы охлаждающих каналов, проходящих в наружной и внутренней частях диафрагмы и ограниченных тонкостенными статорными элементами, а также в выполнении переходных каналов (соединяющих между собой первый и второй охлаждающие каналы), проходящих в том числе через лопатки обратного направляющего аппарата. Также следует отметить, что указанные факторы (сложность технологического выполнения и наличие тонкостенных элементов конструкции, обладающих низкой жесткостью и подверженных статическим и динамическим деформациям в результате значительных перепадов давления при работе компрессора) влияют на снижение надежности работы узла диафрагмы, а следовательно, и центробежного компрессора в целом.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции диафрагмы центробежного компрессора, а также повышение надежности работы устройства при обеспечении эффективного внутреннего межступенчатого частичного охлаждения сжимаемого газа.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается диафрагма центробежного компрессора, которая выполнена с горизонтальным разъемом и состоит из верхней части и нижней части, которые имеют возможность соединения друг с другом. Диафрагма содержит диск с центральным отверстием, диффузор и обратный направляющий аппарат. Лопатки обратного направляющего аппарата выполнены на одной поверхности диска и расположены вокруг центрального отверстия диска. На другой, противоположной, поверхности диска в каждой части диафрагмы выполнены охлаждающие каналы, предназначенные для протекания по ним охладителя. Охлаждающие каналы выполнены в каждой части диафрагмы на поверхности диска в виде глухих пазов дугообразной формы, огибающих центральное отверстие диска и расположенных друг за другом в радиальном направлении. Также в каждой части диафрагмы выполнены соединенные с охлаждающими каналами входной канал для подачи охладителя и выходной канал для отвода охладителя. В каждой части диафрагмы охлаждающие каналы последовательно соединены друг с другом таким образом, что каждый охлаждающий канал, расположенный между охлаждающим каналом, непосредственно соединенным с входным каналом, и охлаждающим каналом, непосредственно соединенным с выходным каналом, одним своим концевым участком соединен с концевым участком охлаждающего канала, являющегося соседним с ним со стороны входного канала (т.е. канала, являющегося предыдущим в направлении от входного к выходному каналу), а другим своим концевым участком соединен с концевым участком охлаждающего канала, являющегося соседним с ним со стороны выходного канала (т.е. канала, являющегося последующим в направлении от входного к выходному каналу). Также в каждой части диафрагмы полости каналов, открытые со стороны поверхности диска, на которой каналы выполнены, закрыты с помощью закрывающего элемента, соединенного с диском.
Общим в выполнении заявляемого технического решения и прототипа является выполнение в составе диафрагмы следующих элементов: диска с центральным отверстием; диффузора; обратного направляющего аппарата с лопатками; охлаждающих каналов, предназначенных для протекания по ним охладителя и соединенных между собой; каналов для подачи и отвода охладителя (т.е. входного и выходного каналов), соединенных с охлаждающими каналами; закрывающего элемента, который установлен в диафрагме и закрывает открытые полости каналов, по которым в процессе работы компрессора протекает охладитель. Также следует отметить, что в конструкции центробежного компрессора с горизонтальным разъемом (являющейся наиболее предпочтительной с точки зрения технологичности изготовления, надежности эксплуатации, а также простоты монтажа и планового ремонтного обслуживания) используется диафрагма с горизонтальным разъемом, состоящая из верхней и нижней части, выполненных с возможностью соединения друг с другом. Отличием заявляемого технического решения от прототипа является выполнение на одной поверхности диска диафрагмы лопаток обратного направляющего аппарата, а на другой (противоположной) поверхности диска - охлаждающих каналов (в виде глухих пазов на поверхности диска); выполнение охлаждающих каналов отдельно в верхней и отдельно в нижней части диафрагмы; конструктивное выполнение охлаждающих каналов согласно тому, как описано выше (форма, расположение на поверхности диска в каждой части диафрагмы, соединение между собой); выполнение в каждой части диафрагмы как входного, так и выходного каналов, соединенных с охлаждающими каналами, выполненными в той же части диафрагмы.
Предлагаемое выполнение охлаждающих каналов в каждой части диафрагмы в виде глухих пазов на поверхности диска (представляющих собой выполненные на поверхности диска несквозные выборки, при этом полости выборок открыты только со стороны поверхности диска), имеющих дугообразную форму (например, форму дуги окружности, дуги эллипса, дуги параболы), огибающих центральное отверстие диска и расположенных друг за другом в радиальном направлении (между центральным отверстием и периферией диска), направлено на увеличение площади теплообменных поверхностей и является более простой, по сравнению с прототипом (имеющим сложную систему охлаждающих и соединительных каналов, в том числе проходящих через лопатки обратного направляющего аппарата), конструктивной реализацией. Кроме того, предлагаемое выполнение последовательного соединения охлаждающих каналов между собой так, как описано выше, обеспечивает при работе компрессора возможность протекания охладителя вдоль протяженности каждого охлаждающего канала (т.е. между его концевыми участками), что также направлено на повышение эффективности теплообмена, и обеспечивает перетекание охладителя в следующий соседний канал. Предлагаемое выполнение также обеспечивает технологичность конструкции, поскольку охлаждающие каналы такой геометрии могут быть, например, выфрезерованы на поверхности диска в каждой части диафрагмы.
Для формирования закрытых полостей каналов, по которым протекает охладитель, чтобы исключить перетечки и смешение сред охладителя и рабочего газа, открытые полости каналов в каждой части диафрагмы перекрывают закрывающим элементом (например, крышкой или пластиной), который может быть, например, приварен к поверхности диска или закреплен на ней с помощью крепежных элементов.
Одновременно с этим, предлагаемое выполнение охлаждающих каналов раздельно в верхней и нижней части диафрагмы в виде глухих пазов, с подводом и отводом охладителя для охлаждающих каналов каждой части диафрагмы через входной и выходной каналы, также выполненные отдельно в каждой части, обеспечивает повышение надежности работы узла диафрагмы, так как исключается пересечение каналами места горизонтального разъема диафрагмы, что, в свою очередь, исключает возможные протечки и смешение сред охладителя и рабочего газа между собой, а также необходимость использования в конструкции дополнительных уплотнительных элементов. Предотвращение возможности перетечек сред охладителя и рабочего газа также способствует повышению эффективности теплообмена.
Выполнение каналов в виде глухих пазов на поверхности диска позволяет реализовать теплообменный контакт охладителя, протекающего в охлаждающих каналах, и рабочего газа, протекающего в обратном направляющем аппарате, через стенку, разделяющую полость обратного направляющего аппарата и полости охлаждающих каналов и образованную в диске со стороны обратного направляющего аппарата, при этом одна поверхность стенки является внутренней поверхностью обратного направляющего аппарата и на ней выполнены лопатки, а другая поверхность является внутренней поверхностью полости охлаждающих каналов. В теплообмене между рабочим газом и охладителем участвуют и лопатки обратного направляющего аппарата, выполненные на поверхности диска диафрагмы, поскольку при формировании потока рабочего газа лопатками обратного направляющего аппарата через них также отводится тепло рабочего газа к элементам охлаждающих каналов (выполненных с другой стороны диска), далее передающееся к протекающему по каналам охладителю. Стенки между каналами, образованные при выполнении каналов (пазов в диске диафрагмы) и разделяющие соседние каналы по их протяженности, также формируют поверхности, участвующие в теплообмене. Кроме того, как показали расчетные исследования, указанные стенки, как элементы конструкции (ребра), обладают достаточно высокой жесткостью.
Также следует отметить, что в предложенном выполнении конструкции диафрагмы лопатки обратного направляющего аппарата, выполненные на поверхности одной стороны диска диафрагмы, и стенки, разделяющие соседние охлаждающие каналы, выполненные на поверхности другой стороны диска, и по сути конструктивно представляющие собой ребра, выполненные в теле диска диафрагмы, в проекции расположены пересекающимися, т.е. в скрещивающихся направлениях, что служит повышению жесткости конструкции диафрагмы, а следовательно, и повышению надежности работы устройства.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обеспечено упрощение конструкции диафрагмы и повышение ее технологичности, что, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности работы узла диафрагмы и центробежного компрессора в целом. Кроме того, как показали расчетные исследования, предлагаемая конструкция обладает высокой жесткостью, в том числе и ее статорные элементы, формирующие теплообменные поверхности, что повышает надежность работы заявляемой диафрагмы по сравнению с прототипом, в конструкции которого имеются протяженные тонкостенные статорные элементы, обладающие низкой жесткостью и подверженные деформациям при работе компрессора.
С целью повышения эффективности теплообмена в диафрагме центробежного компрессора лопатки обратного направляющего аппарата выполнены монолитными с телом диска диафрагмы, так как при выполнении диска диафрагмы и лопаток обратного направляющего аппарата из единой заготовки (т.е. монолитными) между поверхностью диска и лопатками исключается граница участков с различной теплопроводностью. На данный фактор следует обратить внимание, поскольку лопатки обратного направляющего аппарата, помимо своего основного функционального назначения (формирование потока от периферии к оси), также выполняют функцию поверхностей теплообмена.
С целью обеспечения эффективного вытеснения воздуха при пуске агрегата, способствующего повышению эффективности теплообмена и надежности работы устройства, в диафрагме центробежного компрессора в нижней части диафрагмы входной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к периферийной части диска, а выходной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к центральной части диска, при этом в верхней части диафрагмы входной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к центральной части диска, а выходной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к периферийной части диска.
С целью дополнительного повышения эффективности теплообмена в диафрагме центробежного компрессора охлаждающие каналы расположены концентрично центральному отверстию диска диафрагмы, так как предлагаемое выполнение позволяет обеспечить максимальную площадь теплообменных поверхностей.
С целью снижения гидравлического сопротивления при протекании охладителя по охлаждающим каналам и дополнительного снижения потребляемой мощности соседние охлаждающие каналы соединены между собой ближними друг к другу концевыми участками. Проведенные теплотехнические расчеты показали эффективность теплообмена как в случае соединения между собой соседних охлаждающих каналов путем соединения их ближних концевых участков, так и в случае соединения соседних каналов дальними концевыми участками (такое соединение по сути представляет собой зигзагообразное расположение охлаждающих каналов), однако результаты гидродинамических расчетов подтвердили, что более предпочтительным является соединение соседних охлаждающих каналов ближними концевыми участками.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого технического решения. На фиг. 1 представлен главный вид (разрез) диафрагмы центробежного компрессора в сборе (показана диафрагма, установленная в корпусе компрессора), на фиг. 2 - разрез А-А главного вида, на котором изображены лопатки обратного направляющего аппарата, а также (линиями невидимого контура) охлаждающие каналы и разделяющие их стенки, на фиг. 3 - разрез Б-Б главного вида, на котором показаны охлаждающие каналы, а также входные и выходные каналы.
Узел диафрагмы входит в состав ступени центробежного компрессора. На фиг. 1-3 показана диафрагма с горизонтальным разъемом, состоящая из верхней части 1 и нижней части 2, соединенных между собой, и установленная во внешнем корпусе 3 центробежного компрессора. При сборке компрессора производят сборку статора пакета, в который объединены все диафрагмы, имеющие горизонтальный разъем, отдельно соединяя в блоки сначала верхние части диафрагм, затем нижние части, после чего их соединяют вместе и, выполнив сборку пакета (сменной проточной части) целиком, осуществляют его установку в корпус компрессора. Диафрагма в сборе содержит диск 4, выполненный с центральным отверстием 5. В отверстии 5 размещен вал 6 ротора компрессора. Также диафрагма содержит диффузор 7 и обратный направляющий аппарат 8. Профилированные лопатки 9 обратного направляющего аппарата 8 выполнены на поверхности 10 диска 4 (со стороны подачи рабочего газа) и расположены вокруг центрального отверстия диска (т.е. вокруг вала ротора). Для исключения границы между участками с различной теплопроводностью лопатки 9 могут быть изготовлены из единой заготовки с диском или, например, из того же материала, что и диск, и припаяны к диску. С другой стороны диска на поверхности 11 в верхней части 1 диафрагмы выполнены охлаждающие каналы 14, которые в представленном примере выполнены в форме дуги окружности и расположены концентрично центральному отверстию 5 (при таком выполнении обеспечивается максимальная площадь поверхностей теплообменного контакта). Каналы 14 разделены между собой стенками 15. В нижней части 2 диафрагмы аналогично выполнены охлаждающие каналы 16, разделенные стенками 17. Охлаждающие каналы 14, 16 представляют собой глухие пазы - выфрезерованные несквозные выборки, выполненные на поверхности 11 диска 4, при этом полости пазов открыты со стороны поверхности 11 диска. Со стороны поверхности 10 диска диафрагмы охлаждающие каналы разделены с полостью обратного направляющего аппарата стенками 18 (в верхней части диафрагмы) и 19 (в нижней части диафрагмы). Чтобы сформировать закрытые полости каналов, по которым при работе компрессора должен протекать охладитель, и избежать смешения сред охладителя и рабочего газа (которое может появиться в результате перетечек) в каждой части диафрагмы указанные каналы перекрыты крышкой 20 (в верхней части) и крышкой 21 (в нижней части диафрагмы). Крышки могут содержать уплотнительные элементы (на фиг. не показаны), обычно применяемые для предотвращения протечек. Крышки 20, 21 закреплены на поверхности 11 диска 4, например, с помощью сварки. В каждой части диафрагмы соседние охлаждающие каналы последовательно соединены между собой ближними друг к другу концевыми участками, как показано на фиг. 3, что обеспечивает возможность протекания охладителя по каждому охлаждающему каналу и поступления в следующий канал. В представленном примере выполнения диафрагмы каналы 14, выполненные в верхней части диафрагмы, соединены между собой соединительными каналами (переходами) 22. Каналы 16, выполненные в нижней части диафрагмы, аналогично соединены между собой соединительными каналами (переходами) 23. В каждой части диафрагмы выполнены входной и выходной каналы. В представленном примере выполнения в верхней части диафрагмы выполнен входной канал 24 для подачи охладителя в охлаждающие каналы 14 и выходной канал 25 для отвода охладителя из каналов 14, в нижней части диафрагмы - входной канал 26 для подачи охладителя в охлаждающие каналы 16 и выходной канал 27 для отвода охладителя из каналов 16. Канал 26 в нижней части диафрагмы соединен с ближайшим к периферии диска охлаждающим каналом, а канал 27 - с ближайшим к центру диска охлаждающим каналом. Канал 24 в верхней части диафрагмы соединен с ближайшим к центру диска охлаждающим каналом, а канал 25 - с ближайшим к периферии диска охлаждающим каналом (фиг. 3). Каналы 24-27 могут быть выполнены, как показано на фиг. 3, в виде сквозных отверстий, расточенных в теле диска 4 и выходящих в полость соответствующего охлаждающего канала. В диафрагме в сборе, т.е. уже установленной в корпус компрессора, указанные каналы должны быть соединены с соответствующими каналами (отверстиями), выполненными во внешнем корпусе 3 компрессора (на фиг. 3 отдельными позициями не обозначены).
Для изготовления диафрагмы может быть использована низкоуглеродистая сталь, например, Ст20 или Ст09НГ2С (которая выпускается листом толщиной до 160 мм), характеризующаяся достаточно хорошей теплопроводностью, а также коэффициентом линейного расширения, практически одинаковым с коэффициентом линейного расширения других элементов конструкции центробежного компрессора, что исключает неравномерность тепловых деформаций.
Как отмечалось ранее, в процессе сжатия рабочего газа в ступени компрессора его температура повышается. Чтобы снизить потребление мощности для дальнейшего сжатия рабочего газа, необходимо частично снизить температуру газа перед его поступлением в следующую ступень компрессора. Перед началом работы компрессора из охлаждающих каналов 14, 16, выполненных в диске 4 диафрагмы и предназначенных для протекания по ним охладителя, из системы подачи охладителя (на фиг. 3 не показана) в охлаждающие каналы 16 нижней части 2 диафрагмы через входной канал 26 осуществляют подачу охладителя, в качестве которого может быть использован, например, антифриз, который проходит по каналам 16 и переходам 23 и выходит в выходной канал 27. Канал 27 может быть соединен с внешней системой или через перепускной канал (на фиг. 3 не показан) с входным каналом 24 верхней части 1 диафрагмы. Во входной канал 24 из системы подачи охладителя или через перепускной канал подается охладитель, который проходит по каналам 14 и соединяющим их переходам 22 и отводится через выходной канал 25 во внешнюю систему, откуда может поступать в другие системы агрегата. Предлагаемое соединение охлаждающих каналов между собой обеспечивает последовательное протекание охладителя по всей длине каждого охлаждающего канала, что способствует повышению эффективности теплообмена. Приведенное в примере выполнения диафрагмы соединение входных и выходных каналов с охлаждающими каналами в каждой части диафрагмы (при котором охладитель в нижней части протекает по охлаждающим каналам от периферии к центру, а в верхней части - от центра к периферии) обеспечивает наиболее быстрое вытеснение воздуха при пуске компрессора, что подтверждено результатами испытаний и пробных пусков. Следует отметить, что возможна организация прохождения охладителя по охлаждающим каналам в иных направлениях, однако в этих случаях потребуется значительно большее время для вытеснения воздуха из охлаждающих каналов, а наличие примеси воздуха в охладителе снижает эффективность теплообмена. При работе компрессора сжимаемый газ после выхода из рабочего колеса поступает в диффузор 7, переходит в обратный направляющий аппарат 8, обтекая лопатки 9. При этом продолжает осуществляться подача охладителя в охлаждающие каналы и его протекание по ним. Отвод тепла потока рабочего газа, протекающего в полости обратного направляющего аппарата 8, осуществляется через стенки 18 и 19, разделяющие в верхней и нижней части диафрагмы полость обратного направляющего аппарата 8 и полости охлаждающих каналов 14, 16. Теплообмен также осуществляется через лопатки 9, выполненные на поверхности 10 диска 4, причем при выполнении лопаток 9 и диска 4 из единой заготовки при теплопередаче будет исключена граница теплового сопротивления между телом диска и лопаток. Также в теплообменном контакте будут участвовать и стенки (ребра) 15, 17, разделяющие каналы 14, 16, образованные в теле диска. Выполнение каналов 14, 16 (и соответственно, стенок 15, 17) в виде дуг концентрично расположенных окружностей обеспечивает наибольшую площадь теплообменного контакта стенок каналов. При отводе тепла от потока рабочего газа к охладителю через поверхности теплообменного контакта происходит снижение температуры рабочего газа. Таким образом осуществляется частичное снижение температуры рабочего газа, после чего рабочий газ поступает в следующую ступень компрессора.
Результаты расчетных исследований показали, что применение предлагаемой конструкции диафрагмы в семиступенчатом центробежном компрессоре на последних трех ступенях обеспечивает снижение температуры сжимаемого природного газа на 10-15°С на каждой ступени, что позволяет получить температуру нагнетаемого газа в пределах 150°С. Таким образом, использование предлагаемого технического решения при работе центробежного компрессора обеспечивает эффективное межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа.
В предлагаемой конструкции диафрагмы организованы отдельные системы внутриканального охлаждения в верхней и нижней части диафрагмы, что в диафрагмах с горизонтальным разъемом исключает протечки в соединении верхней и нижней части диафрагмы и исключает необходимость применения здесь уплотнительных элементов. Выполнение на одной поверхности диска диафрагмы лопаток обратного направляющего аппарата, а на другой поверхности диска - охлаждающих каналов в виде глухих пазов (в соответствии с предлагаемой формой, соединением и расположением), разделенных стенками, обеспечивает эффективность теплообмена, а также простоту и технологичность конструкции. Кроме того, конструктивное выполнение, при котором стенки (ребра), разделяющие каналы, выполненные с одной стороны диска, и лопатки, выполненные с другой стороны диска, в проекции расположены в скрещивающихся направлениях, направлено на повышение жесткости конструкции диафрагмы и повышение надежности работы устройства, а также дополнительно способствует эффективности теплообмена. Результаты расчетных исследований предлагаемой конструкции показали высокую жесткость элементов конструкции, подверженных воздействию значительных перепадов давления при работе компрессора.
Таким образом, в предлагаемой диафрагме центробежного компрессора обеспечено, по сравнению с прототипом, более простое конструктивное выполнение, при этом диафрагма является технологичной и содержит конструктивные элементы, обеспечивающие повышение ее жесткости. Также указанные факторы обеспечивают повышение надежности работы узла диафрагмы и компрессора в целом. При этом предлагаемая конструкция диафрагмы обеспечивает эффективное внутреннее межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа при работе центробежного компрессора.