ГАЗОВЫЙ ПОДШИПНИК, РАСПОЛОЖЕННЫЙ В СЕРЕДИНЕ ПРОЛЕТА ВАЛА
GAS BEARING INSTALLED IN SHAFT MIDSPAN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Иллюстративные варианты выполнения в целом относятся к компрессорам и, в частности, к расположенному в середине пролета вала газовому подшипнику в многоступенчатом компрессоре.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Компрессор представляет собой механизм, который повышает давление сжимаемой текучей среды, например газа, за счет использования механической энергии. Компрессоры используются в целом ряде различных приложений и в целом ряде производственных процессов, включая производство электроэнергии, сжижение природного газа, и в ряде других процессов. Среди различных типов компрессоров, используемых в таких процессах и технологических установках, имеются так называемые центробежные компрессоры, в которых механическая энергия воздействует на поступающий в компрессор газ путем центробежного ускорения, например путем вращения центробежного рабочего колеса.
[0003] Центробежные компрессоры могут иметь одно рабочее колесо, то есть иметь одноступенчатую конфигурацию, или несколько центробежных ступеней, расположенных в ряд, и в этом случае их называют многоступенчатыми компрессорами. Каждая ступень центробежного компрессора обычно имеет входное спиральное отверстие для газа, который требуется сжать, ротор, который выполнен с возможностью придания кинетической энергии поступающему газу, и диффузор, который преобразует кинетическую энергию газа, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.
[0004] Многоступенчатый компрессор 100 изображен на Фиг.1. Компрессор 100 содержит вал 120 и несколько рабочих колес 130-136 (только три из семи рабочих колес обозначены). Вал 120 и рабочие колеса 130-136 включены в ротор, который поддерживается подшипниками 150 и 155.
[0005] Каждое из рабочих колес 130-136, которые расположены последовательно, повышает давление технологического газа. То есть рабочее колесо 130 может увеличивать давление газа выше давления, имеющегося во входном канале 160, рабочее колесо 131 может увеличивать давление газа выше давления, имеющегося на выходе из рабочего колеса 130, рабочее колесо 132 может увеличивать давление газа выше давления, имеющегося на выходе из рабочего колеса 131, и т.д. Каждое из этих рабочих колес 130-136 может считаться одной ступенью многоступенчатого компрессора 100.
[0006] Многоступенчатый центробежный компрессор 100 работает так, что принимает поступающий технологический газ из входного канала 160 при входном давлении (Pin), для увеличения давления технологического газа посредством работы ротора, а затем выпускает технологический газ через выходной канал 170 при выходном давлении (Pout1), которое выше, чем входное давление. Технологический газ может, например, представлять собой один из следующих газов: углекислый газ, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или их комбинацию.
[0007] Находящаяся под давлением рабочая текучая среда (между рабочими колесами 130 и 136) изолирована от подшипников 150 и 155 с использованием уплотнений 180 и 185. Одним из примеров уплотнений, которые могут использоваться, является сухое газовое уплотнение. Уплотнения 180 и 185 предотвращают протекание технологического газа через узел к подшипникам 150 и 155 и утечку его в атмосферу. Корпус 110 компрессора выполнен с возможностью закрытия как подшипников, так и уплотнений, а также предотвращения протечки газа из компрессора 100.
[0008] Тогда как дополнительные ступени могут обеспечивать увеличение отношения выходного давления и входного давления (т.е. между входным отверстием 160 и выходным отверстием 170), количество ступеней не может быть просто увеличено для получения более высокого отношения.
[0009] Увеличение числа ступеней в центробежном компрессоре приводит к нескольким проблемам. Подшипники, которые поддерживают вал, находятся снаружи герметизированной области, которая содержит рабочее колесо. Увеличение числа ступеней требует более длинного вала. Более длинный вал не может безопасно поддерживаться на тех же скоростях работы подшипниками, которые оказываются расположенными дальше друг от друга, по мере того как длина вала увеличивается, что увеличивает гибкость вала.
[0010] Когда ротор становится длиннее, вал становится гибким, снижая, следовательно, собственные частоты ротора. При работе на высоких скоростях снижение фундаментальных собственных частот ротора приводит к тому, что система становится более восприимчивой к динамической неустойчивости ротора, что может ограничить скорость работы и производительность.
[ООН] Другая проблема состоит в вынужденной реакции из-за синхронного дисбаланса ротора. Когда скорость работы совпадает с собственной частотой ротора, механизм работает на критической скорости, которая является результатом дисбаланса ротора. Компрессор должен пройти через некоторые из этих собственных частот или критических скоростей, прежде чем он достигнет расчетной скорости работы.
[0012] Когда компрессор проходит через критические скорости, амплитуда колебаний ротора должна быть ограничена затуханием от подшипников. Тем не менее с длинным валом большая часть динамической энергии ротора передается для изгиба ротора, вместо рассеяния энергии в подшипниках. Это приводит к низким модам затухания ротора и высоким коэффициентам усиления на резонансах ротора, что может привести к трениям корпуса и рабочего колеса и даже полному отказу механизма.
[0013] На более высоких скоростях после критических скоростей ротора между ротором и корпусом возникают индуцированные текучей средой силы (то есть индуцированная текучей средой динамическая неустойчивость ротора). Эти пульсации, происходящие из-за сил текучей среды, могут возбуждать деструктивные или даже катастрофические колебания, если они должным образом не гасятся. Динамическая неустойчивость ротора представляет собой другой механизм критических скоростей или реакции дисбаланса и зачастую является гораздо боле трудной проблемой.
[0014] Таким образом, желательно разработать и создать многоступенчатый центробежный компрессор, содержащий дополнительные ступени без увеличения диаметра вала и других конструктивных параметров, которые бы кардинально изменили размер и стоимость механизма.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Системы и способы, выполненные в соответствии с этими иллюстративными вариантами выполнения, предусматривают увеличение числа ступеней в центробежном компрессоре с преодолением проблем, обычно связанных с таким увеличением.
[0016] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, центробежный компрессор содержит ротор, имеющий вал и рабочие колеса, пару подшипников, расположенных на концах вала и выполненных с возможностью поддержки ротора, уплотнительное устройство, расположенное между ротором и подшипниками, и первый газовый подшипник, расположенный между указанными рабочими колесами и выполненный с возможностью поддержки вала. Первый газовый подшипник получает рабочий газ из рабочего колеса, расположенного ниже по потоку от места расположения первого газового подшипника.
[0017] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения способ выполнения технологического процесса над рабочим газом в центробежном компрессоре включает подачу рабочего газа к входному каналу компрессора, пропускание газа через ступени сжатия, каждая из которых повышает скорость газа, выпуск части ускоренного газа за ступенью, которая находится ниже по потоку от центра ступеней сжатия, подачу выпускаемой части газа к подшипнику, повторную подачу газа из подшипника в рабочий газ, протекающий в компрессоре, и выпуск рабочего газа из выходного канала компрессора.
[0018] В соответствии с другим вариантом выполнения центробежный компрессор содержит ротор, имеющий вал и рабочие колеса, пару подшипников, расположенных на концах вала и выполненных с возможностью поддержки ротора, уплотнительное устройство, расположенное между ротором и подшипниками, и газовые подшипники, расположенные между указанными рабочими колесами и выполненные с возможностью поддержки вала. Газовые подшипники получают рабочий газ из соответствующих рабочих колес, расположенных ниже по потоку от места расположения газовых подшипников.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Сопровождающие чертежи иллюстрируют иллюстративные варианты выполнения, на которых:
[0020] Фиг.1 изображает многоступенчатый центробежный компрессор;
[0021] Фиг.2 изображает многоступенчатый центробежный компрессор, выполненный в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения; и
[0022] Фиг.3 иллюстрирует способ, выполненный в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения относится к прилагаемым чертежам. Одни и те же номера позиций на различных чертежах определяют одни и те же или аналогичные элементы. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется формулой изобретения.
[0024] В иллюстративных вариантах выполнения для обеспечения дополнительной жесткости ротора с более длинным валом может использоваться подшипник, расположенный в середине пролета вала, с преодолением важной проблемы критической скорости, о которой говорилось выше. Такой подшипник делает ротор менее гибким и, следовательно, обеспечивает возможность передачи динамической энергии ротора (за счет сил синхронного дисбаланса ротора) к подшипникам.
[0025] Эта конфигурация «с тремя подшипниками» увеличивает затухание мод ротора и сниженные коэффициенты усиления, когда ротор проходит через критическую скорость, обеспечивая возможность безопасной работы ротора. Следовательно, в корпусе может быть предусмотрен расположенный в середине пролета вала подшипник для содействия увеличению числа ступеней (то есть более длинного вала) и преодоления проблем динамической неустойчивости ротора.
[0026] Окружная скорость вала (например, вала 120) является функцией его диаметра. Диаметр в средней части вала больше, чем диаметр в торцевых частях. Разница в скоростях между этими частями (например, между серединой и концом) может быть от 2 до 3 раз. Таким образом, окружная скорость вала больше (с коэффициентом от 2 до 3) в центральной части вала, чем в торцевых частях.
[0027] Подшипники, например подшипники 150 и 155, изображенные на Фиг.1, могут быть обычными масляными подшипниками. Масляные подшипники, однако, ограничены использованием, когда окружная скорость, как правило, ближе к окружной скорости в торцевой части вала.
[0028] Расположенный в середине пролета вала подшипник, выполненный в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, может представлять собой газовый подшипник. Газовые подшипники могут быть использованы там, где окружная скорость ближе к окружной скорости в средних частях вала.
[0029] В существующих системах сильно коррозионные рабочие текучие среды, такие как сероводород, могут повредить традиционные масляные опорные подшипники. Такое повреждение существенно ограничивает срок службы механизма, поскольку масляные подшипники не устойчивы к агрессивным газам. Подшипник со смазкой технологическим газом, однако, не требует таких уплотнений и может работать даже в этой агрессивной среде, сохраняя при этом срок службы установки.
[0030] В дополнение к возможностям вязкой текучей среды при сверхвысоких окружных скоростях в газовых подшипниках имеется незначительная потеря мощности, по сравнению с масляными подшипниками. Масляные подшипники также требуют уплотнительные системы для предотвращения протечки масла в газ, проходящий в компрессоре. Газовые подшипники позволяют избежать необходимости уплотнительных систем.
[0031] На Фиг.2 изображен компрессор, выполненный в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения. Компрессор 200 содержит вал 220, несколько рабочих колес 230-239 (только некоторые из этих рабочих колес обозначены), подшипники 250 и 255, уплотнения 280 и 285, входной канал 260 для принятия входного технологического газа при входном давлении (Pin) и выходной канал 270 для выпуска технологического газа при выходном давлении (Pout2). Корпус 210 компрессора 200 закрывает как подшипники, так и уплотнения и предотвращает протечку газа из компрессора 200.
[0032] Компрессор 200 также содержит подшипник 290. В иллюстративных вариантах выполнения подшипник 290 может быть расположен вблизи середины между первым и последним рабочими колесами 230 и 239. Количество рабочих колес 230-239 может быть увеличено с расположенным в середине пролета вала подшипником, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, чем это возможно сейчас, в связи с дополнительными причинами, описанными далее.
[0033] В настоящее время сдерживающим фактором количества ступеней, которые могут быть включены в компрессор, является соотношение между длиной и диаметром вала. Это соотношение называют соотношением гибкости. Для того чтобы эффективно работать, компрессор может иметь максимальное соотношение гибкости. Это соотношение может быть увеличено с более длинным валом и с газовым подшипником, расположенным в середине пролета вала, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.
[0034] Газ, используемый в газовом подшипнике 290, может представлять собой газ, проходящий в компрессоре 200. Размещение газового подшипника 290 может быть в местоположении, в котором смещение ротора на ближайшей собственной частоте может быть наиболее выражено. Это местоположение может обеспечивать максимальную эффективность с точки зрения динамики ротора.
[0035] Пропускаемый газ может быть «частично выпущен» из выходного отверстия рабочего колеса, которое расположено «ниже по потоку» от газового подшипника 290, с использованием известных элементов/компонентов и способов. Термин «ниже по потоку» в данном случае используется в том смысле, что в случае компрессоров он относится к направлению потока газа и высокого давления. Это означает, что давление выше, чем ниже по потоку, и ниже, чем выше по потоку, относится к конкретному местоположению. Например, как показано на Фиг.2, газовый подшипник 290 находится «выше по потоку» относительно рабочего колеса 235, но «ниже по потоку» относительно рабочего колеса 234.
[0036] Давление рабочего газа, поступающего в подшипник 290, должно иметь более высокое значение, чем давление рабочего газа в «граничных» или «смежных» ступенях относительно газового подшипника, так что газ вытекает из подушки подшипника, а не втекает в подушку подшипника.
[0037] Рабочий газ, следовательно, должен быть «частично выпущен» из ступени, которая находится вне места расположения газового подшипника 290. Если подшипник 290 размещен, например, за пятью ступенями (т.е. за рабочим колесом 234), то рабочий газ должен быть «частично выпущен» из ступени за шестой ступенью (т.е. за рабочим колесом 235). В предпочтительных вариантах выполнения рабочий газ может быть «частично выпущен» из по меньшей мере двух ступеней ниже по потоку от места расположения газового подшипника, расположенного в середине пролета вала (т.е. за рабочим колесом 236). Для стабильной работы подшипнику 290 необходимо высокое давление.
[0038] Рабочий газ, который «частично выпускается» из расположенной ниже по потоку ступени сжатия, может, в некоторых вариантах выполнения, пропускаться через фильтр 240 и подаваться к газовому подшипнику 290.
Фильтр 240 может удалять любые загрязнения и твердые частицы в пропускаемом газе. Ротор может продуваться газом через подшипник 290 для отвода от него тепла. Процент массового потока рабочего газа, поступающего в подшипник 290, может быть меньше чем 0,1% от основного потока.
[0039] Между подшипником 290 и проходом для рабочего потока могут быть предусмотрены каналы малого диаметра. Газ из подшипников 290 может быть проведен в проточный проход через проходы малого диаметра до достижения требуемого давления.
[0040] Увеличение длины вала приводит к увеличению отношения длины к диаметру корпуса/кожуха компрессора. Это облегчает добавление ступеней сжатия в одном кожухе.
[0041] Таким образом, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, способ пропускания газа 300 через многоступенчатый компрессор с расположенным посередине газовым подшипником включает этапы, показанные на блок-схеме, изображенной на Фиг.3. На этапе 310 рабочий газ может подаваться во входной канал компрессора. На этапе 320 рабочий газ может пропускаться через несколько ступеней сжатия для увеличения давления (и скорости). На этапе 330 часть рабочего газа может частично выпускаться из потока через ступени сжатия после того, как она была пропущена через ряд ступеней сжатия. Это число ступеней может быть больше числа половины ступеней сжатия в компрессоре.
[0042] На этапе 340 газ может подаваться к газовому подшипнику для продувки и отвода тепла от ротора, причем газовый подшипник находится выше по потоку от фильтра. Газ, подаваемый в газовый подшипник, может повторно подаваться в поток рабочего газа на этапе 350. На этапе 360 газ из последней ступени сжатия может выпускаться через выходной канал. В некоторых вариантах выполнения газ, который был частично выпущен, может пропускаться с помощью фильтра, чтобы удалить все примеси, прежде чем он будет подан в газовый подшипник.
[0043] Число газовых подшипников, расположенных в середине пролета вала, может быть больше одного. В некоторые варианты выполнения, с использованием описанных выше принципов, могут быть включены дополнительный (или несколько) газовый подшипник, расположенный в середине пролета вала. Кроме того, такой газовый подшипник может быть расположен не совсем в центре - он может быть смещен, в соответствии с конкретной конструкцией и характеристиками, например с нечетным числом ступеней. Каждый из нескольких газовых подшипников может получать рабочий газ из отдельного расположенного ниже по потоку рабочего колеса.
[0044] Если в компрессоре используется несколько газовых подшипников, число ступеней (сжатия) между входным отверстием и первым из газовых подшипников может быть таким же, что и количество ступеней между последним из газовых подшипников и выходным отверстием. Несколько газовых подшипников также могут отстоять друг от друга на одинаковое число ступеней. Таким образом, число ступеней между входным отверстием и первым газовым подшипником может быть таким же, что и число ступеней между первым и вторым газовыми подшипниками (а также между каждыми последующими газовыми подшипниками), причем это число также может быть таким же, что и число ступеней между последним газовым подшипником и выходным отверстием, и т.д.
[0045] Первый из газовых подшипников может получать сжатый газ из ступени, находящейся одновременно ниже по потоку от первого газового подшипника и выше по потоку от второго газового подшипника. То есть первый газовый подшипник может получать сжатый газ из ступени, находящейся между первым и вторым газовыми подшипниками.
[0046] Специалистам должно быть понятно, что определенное количество рабочих колес, описанных выше и изображенных на Фиг.2, является чисто иллюстративным, и что может быть использовано другое число рабочих колес. Может быть предусмотрено большее или меньшее число рабочих колес, в зависимости от применения. Вал может представлять собой один вал.
[0047] Иллюстративные варианты выполнения, как описано в настоящем документе, предоставляют несколько преимуществ, по сравнению с компрессорами, используемыми в настоящее время. Дополнительные рабочие колеса (и более длинные роторы) для повышения давления могут быть размещены в одном корпусе, а не в ряде корпусов. Также увеличивается кпд в каждом корпусе (например, с более длинным ротором). Снижаются требования к пространству для компрессоров, чтобы достичь конкретного соотношения выходного давления к входному давлению. Для облегчения размещения дополнительных рабочих колес увеличивается соотношение гибкости.
[0048] Длина (L2) вала 220 компрессора 200 (Фиг.2), выполненного в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, больше, чем длина (L1) вала 120 компрессора 100 (Фиг.1).
[0049] Кроме того, использование газовых подшипников также устраняет необходимость в сложных уплотнительных системах в корпусе, поскольку масло не попадает в корпус. Таким образом, в результате описанной выше конструкции также резко сокращается стоимость.
[0050] Описанные выше иллюстративные варианты выполнения предназначены для иллюстрации во всех отношениях, а не ограничения настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение может иметь много модификаций в детальной реализации, которые могут быть получены специалистом из приведенного в настоящем документе описания. Считается, что все эти варианты и модификации находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. Ни один элемент, действие или инструкция, используемые в описании данной заявки, не следует рассматривать как критические или существенно важные для изобретения, если только явно не описаны как таковые. Кроме того, как используется в настоящем документе, использование единственного числа также предназначено для включения одного или нескольких элементов.