МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ТУРБОМАШИНА
MULTISTAGE CENTRIFUGAL TURBO-MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к многоступенчатым центробежным турбомашинам и центробежным рабочим колесам для многоступенчатых центробежных турбомашин, в частности, но не исключительно, для применения в нефтяной и газовой отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Центробежная турбомашина представляет собой роторную машину, в которой механическая энергия передается между рабочей текучей средой и роторным узлом, содержащим по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо. В нефтегазовых отраслях промышленности, где текучая среда представляет собой, как правило, газообразную текучую среду, применяются центробежные машины, содержащие компрессоры и детандеры. Компрессор представляет собой турбомашину, выполненную с возможностью увеличения давления газообразной среды путем использования механической энергии. Детандер представляет собой турбомашину, в которой используется давление рабочей газообразной среды для производства механической работы на валу роторного узла путем расширения текучей среды в рабочем колесе (колесах).
Центробежные турбомашины для несжимаемой текучей среды, например воды, содержат насосы и турбину, передающие энергию между текучей средой и рабочим колесом путем, аналогичным для компрессоров и детандеров соответственно. В целом, во всех случаях рабочая текучая среда обменивается энергий с центробежной машиной путем протекания в рабочем колесе в радиальном наружном направлении, от оси вращения рабочего колеса к его периферийной кольцевой кромке.
В частности, рабочее колесо турбокомпрессора передает механическую энергию, подводимую от двигателя, приводящего в движение указанную турбомашину, рабочей газообразной среде, сжимаемой путем ускорения текучей среды в рабочем колесе. При перемещении текучей среды в наружном направлении через ограничивающие ее движение диффузор и корпус машины кинетическая энергия, переданная рабочим колесом рабочей текучей среде, преобразуется в энергию давления.
Центробежные турбомашины часто называются одноступенчатыми турбомашинами, если они снабжены одним рабочим колесом, или многоступенчатыми центробежными турбомашинами, если они снабжены группой последовательно установленных рабочих колес.
На фиг. 1 изображен общий вид в разрезе многоступенчатого центробежного компрессора 100, выполненного по известному из уровня техники варианту выполнения.
В многоступенчатом центробежном компрессоре 100 используется рабочий газ под давлением от входного давления до выходного давления, превышающего входное давление. Рабочий газ может представлять собой, например, газ, выбранный из группы, содержащей двуокись углерода, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или смесь перечисленных газов.
Компрессор 100 содержит статор 102, внутри которого установлен роторный узел 103, содержащий вал 104, на котором расположена группа идентичных, установленных последовательно рабочих колес (в варианте выполнения, показанном на фиг. 1, имеется три рабочих колеса 110, 111, 112). Вал 104 проходит по оси Y вращения в компрессоре 100 и имеет осевой участок А, измеряемый от первого рабочего колеса 110 до последнего рабочего колеса 112.
Каждое рабочее колесо 110, 111, 112 имеет типовую закрытую конфигурацию и содержит ступицу 113, которая плотно охватывает вал 104, и рабочие лопатки 108, проходящие между задним диском 123 рабочего колеса и передним покрывающим диском 119. Диск 123 имеет переднюю сторону 124, поддерживающую рабочие лопатки 108, и заднюю сторону 125, расположенную напротив передней стороны 124. Каждое рабочее колесо 110, 111, 112 соответственно содержит впускную сторону 110а, 111а, 112а низкого давления, ограниченную проемом 115 рабочего колеса, выполненным на покрывающем диске 109, и выпускную сторону 110b, 111b, 112b высокого давления, ограниченную периферийной кольцевой кромкой рабочего колеса 110, 111, 112.
Компрессор 100 разделен на ступени 107а, b, с (в варианте выполнения, показанном на фиг. 1, имеется три ступени), каждая из которых содержит соответствующее рабочее колесо из группы рабочих колес 110, 111, 112.
Между первой и второй ступенями 107а, b в статоре 102 выполнен проход 105 для рабочего газа, перетекающего от выпускной стороны 110b первого колеса 110 к впускной стороне 111а второго колеса 111. Проход 105 содержит диффузор 126, расположенный ниже по потоку за выпускной стороной 110b, направляющий аппарат 128, расположенный выше по потоку перед впускной стороной 111а, и U-образное колено 127, соединяющее диффузор 126 и направляющий аппарат 128. В направляющем аппарате 128 предусмотрены статорные лопатки 115 для направления рабочей текучей среды к входной стороне 111а второго рабочего колеса 111. Рабочий газ, протекающий в диффузоре 126, направляется в первом, радиальном наружном, направлении, проходящем ортогонально к оси Y вращения, при этом газ, протекающий в направляющем аппарате 128, направляется во втором, радиально внутреннем направлении, ориентированном по направлению к оси Y вращения, причем поворотный канал 127 обеспечивает поворот потока газа на 180°.
Аналогичным образом, в статоре 102 имеется проход, такой же, как проход 105, предназначенный для того же рабочего газа, протекающего от выпускной стороны 111b второго рабочего колеса 111 к впускной стороне 112а третьего рабочего колеса 112.
Проход 105 выполнен в диафрагме 118, проходящей в статоре 102 от одного рабочего колеса до следующего рабочего колеса из ряда колес 110, 111, 112. Диафрагма 118 содержит первую часть 138, проходящую вдоль оси, то есть в осевом направлении, параллельном оси Y вращения, от диффузора 126 и задней стороны 125 диска 123 рабочего колеса до направляющего аппарата 128, и проходящую в радиальном направлении, ортогонально оси Y вращения, между валом 102 и поворотным каналом 127. В зазоре 131 между первой частью 138 диафрагмы 118 имеется уплотнение 130 для предотвращения протечки рабочего газа через зазор 131. Диафрагма 118 содержит вторую часть 139, проходящую вдоль оси от направляющего аппарата 128 к следующей степени из группы ступеней 107а, b, с. Между проемом рабочего колеса, являющимся частью переднего покрывающего диска 119 каждого центробежного рабочего колеса 110, 111, 112, и соответствующей частью 139 диафрагмы 118 имеется уплотнение 140 проема рабочего колеса, выполненное по лабиринтному типу и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды в пространстве между каждым колесом 110, 111, 112 и соответствующей частью 139 от выпускной стороны высокого давления рабочего колеса к впускной стороне низкого давления рабочего колеса.
Желательно максимально уменьшить осевой участок А для уменьшения габаритных размеров, массы и соответственно стоимости турбомашины. Кроме того, уменьшение осевого участка приведет к улучшению динамических характеристик ротора с улучшением стабильности роторного узла, которые зависят от соотношения между осевыми и радиальными размерами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения состоит в оптимизации конструкции многоступенчатой центробежной турбомашины для уменьшения ее осевых размеров.
Согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения указанная цель достигнута в многоступенчатой центробежной турбомашине, содержащей роторный узел, имеющий вал, на котором расположено по меньшей мере первое рабочее колесо и второе рабочее колесо, и статор, содержащий проход для текучей среды, протекающей от выпускной стороны первого рабочего колеса к впускной стороне второго рабочего колеса, причем указанный проход содержит диффузор, расположенный ниже по потоку за выпускной стороной первого рабочего колеса, направляющий аппарат, расположенный выше по потоку перед впускной стороной второго рабочего колеса, и поворотный канал, соединяющий диффузор и направляющий аппарат, при этом в направляющем аппарате расположены статорные лопатки, предназначенные для направления текучей среды к впускной стороне второго рабочего колеса, по меньшей мере часть направляющего аппарата ограничена первым рабочим колесом, и статорные лопатки проходят, по меньшей мере частично, в указанной части направляющего аппарата. Конструкция рабочих колес и диафрагм, расположенных между рабочими колесами, обеспечивает возможность создания турбомашины, в которой часть направляющего аппарата между первым и вторым рабочими колесами, установленными последовательно, создана посредством профиля диска первого рабочего колеса. Эта часть направляющего аппарата содержит часть статорных лопаток, внося, таким образом, значительный вклад в направление текучей среды по направлению к рабочему колесу непосредственно вниз по потоку от направляющего аппарата. Это позволяет уменьшить до минимума осевой участок диафрагмы путем удаления, в традиционной ступени многоступенчатой турбомашины, той части диафрагмы, которая проходит между диском рабочего колеса и направляющим аппаратом ниже по потоку за рабочим колесом. Это позволяет уменьшить полный осевой участок турбомашины.
Во втором варианте выполнения настоящего изобретения предложено центробежное рабочее колесо для центробежной турбомашины, содержащей роторный узел, имеющий вал, на котором расположены по меньшей мере два рабочих колеса, и статор, содержащий проход для текучей среды, протекающей от выпускной стороны первого рабочего колеса ко второму рабочему колесу, причем указанный проход содержит диффузор, расположенный ниже по потоку за первым рабочим колесом, направляющий аппарат, расположенный выше по потоку перед вторым рабочим колесом и предназначенный для направления потока во второе рабочее колесо, причем рабочее колесо содержит рабочие лопатки и диск, имеющий переднюю сторону, на которой расположены рабочие лопатки, и заднюю сторону, расположенную противоположно передней стороне и имеющую такую форму, что она ограничивает по меньшей мере часть возвратного канала многоступенчатой центробежной турбомашины.
Преимущества, описанные выше со ссылкой на первый вариант выполнения предлагаемого изобретения, достигаются также и посредством второго варианта выполнения.
Другие преимущественные особенности первого и второго вариантов выполнения получены посредством многоступенчатой центробежной турбомашины и посредством рабочего колеса, описанных в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов выполнения изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает продольный разрез традиционной центробежной турбомашины;
фиг. 2 изображает продольный разрез предложенной центробежной турбомашины;
фиг. 3 изображает продольный разрез, на котором сравниваются традиционная и предложенная центробежные турбомашины.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ
ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Оба варианта выполнения настоящего изобретения, первый и второй, изображены на фиг. 2.
Согласно фиг. 2 многоступенчатая центробежная турбомашина 1 представляет собой многоступенчатый центробежный компрессор. Турбомашина 1 содержит роторный узел 3, содержащий вал 4, на котором расположена группа последовательно расположенных рабочих колес (в варианте выполнения, показанном на фиг. 2, это первое рабочее колесо 10, второе рабочее колесо 11 и третье рабочее колесо 12), и статор 2, внутри которого установлен роторный узел 3. Вал 4 проходит по оси Y вращения в турбомашине 1 и имеет осевой участок В, измеряемый от первого рабочего колеса 10 до последнего рабочего колеса 12.
Корпус 2 и роторный узел 3 разделены на (три) соединенные последовательно ступени 1а, 1b, 1с, которые содержат рабочие колеса 10, 11 и 12 соответственно. В отношении компонентов, которые не описаны далее, компрессор 1 должен рассматриваться в качестве традиционного компрессора, аналогичного вышеописанному компрессору 100, изображенному на фиг. 1.
Каждое рабочее колесо 10, 11, 12 выполнено по типу закрытого колеса и соответственно содержит впускную сторону 10а, 11а, 12а низкого давления, ограниченную проемом 9а рабочего колеса, выполненным в переднем покрывающем диске 9, и выпускную сторону 10b, 11b, 12b высокого давления, ограниченную периферийной кольцевой кромкой 13 колеса 10, 11, 12. Каждое рабочее колесо 10, 11, 12 дополнительно содержит рабочие лопатки 22 и диск 23, имеющий переднюю сторону 24, на которой крепятся рабочие лопатки 22, и заднюю сторону 25, расположенную противоположно передней стороне 24.
Статор 2 содержит диафрагму 18, проходящую между первым и вторым колесами 10, 11, причем для рабочего газа, протекающего от выпускной стороны 10b первого рабочего колеса 10 к впускной стороне 11а второго рабочего колеса 11, предусмотрен первый проход 5а. Для того же рабочего газа, протекающего от выпускной стороны 11b второго рабочего колеса 11 к впускной стороне 12а третьего рабочего колеса 12, статор 2 содержит второй проход 5b, аналогичный проходу 5а. Выполнение проходов 5а, 5b аналогичными друг другу позволяет рассматривать следующее описание прохода 5а действительным, с внесением необходимых изменений, для описания также прохода 5b.
Проход 5а содержит диффузор 6, расположенный ниже по потоку за выпускной стороной 10b первого рабочего колеса 10, направляющий аппарат 8, расположенный выше по потоку перед впускной стороной 11а второго рабочего колеса 11, U-образный поворотный канал 7, соединяющий диффузор 6 и направляющий аппарат 8, причем в направляющем аппарате 8 расположены статорные лопатки 15, предназначенные для направления текучей среды к входной стороне 11а второго рабочего колеса 11.
Направляющий аппарат 8 содержит первую часть 8а, расположенную ниже по потоку за поворотным каналом 7, и вторую часть 8b, расположенную непосредственно ниже по потоку за первой частью 8а. Первая часть 8а направляющего аппарата 8 ограничена первой и второй поверхностями 19, 20 на диафрагме 18. Первая и вторая поверхности 19, 20 расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении, параллельном оси Y вращения, причем первая поверхность 19 расположена ближе к первому рабочему колесу 10, чем вторая поверхность 20.
Вторая поверхность 20 проходит за пределы первой части 8а направляющего аппарата 8 таким образом, что она ограничивает также его вторую часть 8b.
Вторая часть 8b направляющего аппарата 8 ограничена второй поверхностью 20 диафрагмы 18 и третьей поверхностью 21, расположенной на задней стороне диска 23 первого колеса 10. Третья поверхность 21 примыкает к первой поверхности 19 диафрагмы 18 и расположена, в осевом направлении, на некотором расстоянии от второй поверхности 20. Третья поверхность 21 имеет такую форму, что она ограничивает вторую часть 8b направляющего аппарата, таким образом, внося вклад в направление текучей среды к впускной стороне 11а второго рабочего колеса 11.
Каждая статорная лопатка 15 содержит первую часть 15а, проходящую в первой части 8а направляющего аппарата 8 между первой и второй поверхностями 19, 20 диафрагмы 18. Каждая лопатка 15 дополнительно содержит вторую часть 15b, проходящую во второй части 8b направляющего аппарата 8 между второй поверхностью 20 диафрагмы 18 и третьей поверхностью 21 задней стороны 25 диска 23 рабочего колеса.
В зазоре 31 между первой и третьей поверхностями 19, 21 имеется лабиринтное уплотнение 30 для предотвращения протекания текучей среды от выпускной части 10b, 11b первого и второго колес 10, 11 непосредственно в соответствующий направляющий аппарат 8, без предварительного протекания через соответствующий диффузор 6 и поворотный канал 7. Уплотнение 30 имеет ту же функцию, что и уплотнение 130, описанное со ссылкой на традиционное решение, показанное на фиг. 1, то есть предназначено для предотвращения протечек от выпускной стороны 10b, 11b каждого колеса 10, 11 к соответствующему следующему колесу 11, 12.
Уплотнение 30 расположено между периферийной кромкой 13 диска 23 рабочего колеса и той частью 38 диафрагмы 18, которая проходит в осевом направлении между диффузором 6 и направляющим аппаратом 8 и в радиальном направлении между диском 23 и поворотным каналом 7.
Уплотнение 30 содержит уплотнительные зубцы, которые могут быть роторными, то есть изготовленными вместе с лопаточным диском, как показано на фиг. 2, или статорными, то есть установленными на части 38 диафрагмы 18.
В конструкции описанной выше турбомашины 1 вторая часть 8b направляющего аппарата 8 ограничена поверхностью рабочего колеса 10, при этом лопатки 15 частично проходят в части 8b.
Текучая среда, протекающая в диффузоре 6, направляется в первом радиальном направлении Х1 потока, ортогональном к оси Y вращения, а текучая среда, протекающая в аппарате 8, направляется во втором направлении Х2 потока, ориентированном в направлению к оси Y. При этом угол W между первым и вторым направлениями потока Х1, Х2 превышает 180°. Значение угла W находится, как правило, в диапазоне 185-210°.
Настоящее изобретение может быть также использовано применительно к центробежным детандерам.
В самом общем случае настоящее изобретение может быть использовано также в центробежных турбомашинах для сжимаемых и несжимаемых текучих сред, содержащих насосы и водные турбины.
Конструкция рабочих колес и диафрагм между рабочими колесами позволяет уменьшить до минимума размер диафрагмы вдоль оси путем удаления, в отношении традиционной многоступенчатой турбомашины (фиг. 1), той части диафрагмы, которая проходит между диском рабочего колеса и направляющим аппаратом ниже по потоку за рабочим колесом, другими словами, путем максимально возможного уменьшения той части 38 диафрагмы 18, на которой установлено лабиринтное уплотнение 30. Эта возможность обеспечивается путем использования задней стороны диска каждого рабочего колеса для ограничения части направляющего аппарата. Это позволяет уменьшить общий осевой участок турбомашины, в частности осевой участок А и В (фиг. 3). Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достичь вышеуказанную цель и реализовать вышеуказанные преимущества.
Кроме этого, предлагаемое изобретение позволяет достичь дополнительных преимуществ. В частности, экспериментальные испытания показали положительное влияние на термодинамические и гидродинамические характеристики текучей среды, протекающей во второй части 8b направляющего аппарата в контакте с вращающейся поверхностью 21 каждого рабочего колеса. Вращение рабочего колеса вносит эффективный вклад в придание энергии текучей среде для предотвращения или задержки разделения текучей среды в направляющем аппарате. По вышеуказанной причине предлагаемое изобретение позволяет лучше направлять текучую среду к впускной стороне ступеней турбомашины, расположенных за первой ступенью, улучшая, таким образом, общую эффективность.
В данном описании используются примеры, включающие наилучший вариант выполнения, для раскрытия изобретения, а также для того, чтобы дать возможность любому специалисту практически использовать изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и осуществление любых связанных с ними способов. Патентоспособный объем изобретения ограничен пунктами формулы изобретения и может содержать другие примеры, которые возникают у специалистов в данной области техники. Подобные другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквально описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквально описанных в формуле изобретения.