РОТАЦИОННАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)
ROTARY MACHINE (VERSIONS)

Уровень техники
Описанные варианты осуществления относятся, в общем, к ротационным машинам, а более конкретно к системам уплотнения поверхностей раздела между вращающимися и неподвижными элементами.
В ротационных машинах, таких как центробежные компрессоры, для предотвращения утечки технологического газа по вращающемуся валу в атмосферу обычно используют сухое газовое уплотнение. Смазочное масло, подаваемое к одному или более радиальных подшипников вращающегося вала, часто имеет тенденцию обволакивать вал ротора и загрязнять верхние поверхности сухого газового уплотнения. Барьерные уплотнения (называемые также «третичными уплотнениями») предусмотрены между сухим газовым уплотнением и радиальным подшипником для предотвращения перетекания масла к сухому газовому уплотнению. Обычно барьерное уплотнение включает пару уплотнений, между которыми имеется канал для газового потока (см. например, патент США 5249812). Барьерные уплотнения могут включать лабиринтные уплотнения, углеродные торцевые уплотнения, металлические щеточные уплотнения или другие им подобные.
Однако барьерные уплотнения не могут эффективно предотвращать перетекание масла в случае уменьшенного потока буферного газа. Например, барьерные уплотнения не могут эффективно предотвращать перетекание масла от подшипника к сухому газовому уплотнению, если поток под этими уплотнениями является относительно небольшим по сравнению с эффективными зазорами данных уплотнений. Более того, в данном случае между этой парой уплотнений также увеличивается потребление разделительного газа.
Соответственно, существует необходимость в такой системе уплотнения, которая бы эффективно предотвращала перетекание масла от одного или более подшипников к сухому газовому уплотнению при различных условиях эксплуатации данной машины. Существует также необходимость в такой системе уплотнения, которая бы уменьшала потребление разделительного газа между данной парой уплотнений.
Краткое описание изобретения
В соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения ротационная машина содержит ротор, подшипник, соединенный с ротором машины, статор и уплотнительное устройство, расположенное между ротором и статором машины. Уплотнительное устройство содержит сухое газовое уплотнение и первое щеточное уплотнение, расположенное между сухим газовым уплотнением и подшипником. Первое щеточное уплотнение содержит множество неметаллических волокон. Второе щеточное уплотнение расположено на второй стороне между первым щеточным уплотнением и подшипником. Второе щеточное уплотнение содержит множество неметаллических волокон.
В соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения ротационный компрессор содержит ротор компрессора, подшипник, соединенный с ротором компрессора, статор компрессора и уплотнительное устройство, расположенное между ротором и статором компрессора. Уплотнительное устройство включает сухое газовое уплотнение и первое щеточное уплотнение, расположенное на стороне компрессора между сухим газовым уплотнением и подшипником. Первое щеточное уплотнение содержит множество неметаллических волокон. На стороне подшипника между первым щеточным уплотнением и подшипником расположено второе уплотнение.
Согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения ротационный компрессор содержит ротор компрессора, подшипник, соединенный с ротором компрессора, статор компрессора и уплотнительное устройство, расположенное между ротором компрессора и статором компрессора. Уплотнительное устройство содержит сухое газовое уплотнение и первое уплотнение, расположенное на стороне компрессора между сухим газовым уплотнением и подшипником. Второе уплотнение расположено на стороне подшипника между первым уплотнением и подшипником. Второе уплотнение содержит щеточное уплотнение, имеющее множество неметаллических волокон.
Краткое описание чертежей
Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятнее после рассмотрения следующего далее подробного описания со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, при этом:
Фиг.1 представляет собой схематичный вид ротационной машины, имеющей уплотнительное устройство в соответствии с одним примером осуществления, раскрытым здесь;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид щеточного уплотнительного устройства в соответствии с другим примером осуществления, раскрытым здесь;
Фиг.3 представляет собой схематичный вид барьерного уплотнительного устройства, имеющего, по меньшей мере, два щеточных уплотнения в соответствии с еще одним примером осуществления, раскрытым здесь;
Фиг.4 представляет собой схематичный вид барьерного уплотнительного устройства, имеющего, по меньшей мере, два щеточных уплотнения в соответствии с еще одним примером осуществления, раскрытым здесь; и
Фиг.5 представляет собой схематичный вид гибридного барьерного уплотнительного устройства, имеющего, по меньшей мере, два щеточных уплотнения и лабиринтное уплотнение в соответствии с еще одним примером осуществления, раскрытым здесь.
Подробное описание изобретения
Как подробно описано ниже, в вариантах осуществления настоящего изобретения предлагается ротационная машина, имеющая уплотнительное устройство, расположенное между ротором и статором этой машины. Уплотнительное устройство содержит сухое газовое уплотнение, первое уплотнение, расположенное на первой стороне между сухим газовым уплотнением и подшипником, соединенным с ротором машины, и второе уплотнение, расположенное на второй стороне между первым уплотнением и подшипником. В некоторых примерах осуществления первое уплотнение содержит щеточное уплотнение, включающее неметаллические волокна. В некоторых примерах осуществления второе уплотнение содержит щеточное уплотнение. В некоторых примерах осуществления первое и второе уплотнения могут включать щеточные уплотнения, каждое из которых содержит множество неметаллических волокон. Первое и второе уплотнения выполнены таким образом, чтобы предотвращать утечку масла к сухому газовому уплотнению. В некоторых вариантах осуществления в сочетании с первым и вторым уплотнениями используются другие виды уплотнений, такие как лабиринтные уплотнения или углеродные торцевые уплотнения. Считается, что именно использование неметаллических волокон прежде всего способствует предотвращению утечки масла при всех эксплуатационных режимах ротационной машины. При этом также сокращается потребление разделительного газа между уплотнениями. В некоторых случаях ротационная машина может включать центробежный компрессор. Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения приводятся ниже со ссылками на фиг.1-5.
На фиг.1 показана согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения примерная ротационная машина 10 (такая, как центробежный компрессор). Машина 10 включает в себя ротор 12 (такой, как вал компрессора), расположенный внутри статора 14 машины (иногда называемого «картером»). Ротор 12 машины прикреплен к статору 14 с помощью одного или более опорных подшипников 15. Между ротором 12 и статором 14 машины расположено уплотнительное устройство 16, которое выполнено таким образом, чтобы уменьшать утечку текучей среды между ротором 12 и статором 14 машины.
В показанном варианте осуществления уплотнительное устройство 16 включает основное сухое газовое уплотнение 18, вспомогательное сухое газовое уплотнение 20, внутреннее лабиринтное уплотнение 22 и барьерное уплотнение 24, выполненное таким образом, чтобы уменьшать утечку технологического газа. Этот технологический газ может включать такие газы, как углекислый газ, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться более чем два сухих газовых уплотнения, по одному на каждом конце ротора 14. В некоторых других вариантах осуществления может использоваться одно единственное сухое газовое уплотнение, расположенное так, что оно непосредственно прилегает к рабочему колесу (не показано). Каждое сухое газовое уплотнение обычно включает парный статор газового уплотнения (невращающееся кольцо) и ротор газового уплотнения (вращающееся кольцо). Детали сухого газового уплотнения на фиг.1 не показаны. Во время работы машины канавки в статоре газового уплотнения и в роторе этого газового уплотнения производят газодинамическую силу, заставляющую статор газового уплотнения отделиться от ротора газового уплотнения, создавая тем самым «рабочий зазор» между статором газового уплотнения и ротором газового уплотнения. Вспомогательное сухое газовое уплотнение 20 выступает в качестве резервного для основного сухого газового уплотнения 18. Следует отметить, что показанный центробежный компрессор представляет собой лишь один пример осуществления и что в соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения сухое газовое уплотнение может также быть применимо к другим ротационным машинам, нуждающимся в уплотнительных устройствах для предотвращения утечки технологического газа. Можно также отметить, что положения настоящего изобретения не ограничены в применении только ротационной машиной, а могут применяться и с другими машинами, сухое газовое уплотнение которых в процессе эксплуатации подвергаются загрязнению.
Попадание загрязнений в рабочий промежуток между статором газового уплотнения и ротором газового уплотнения может повлиять на рабочие показатели уплотнения, приводя к избыточной утечке газа к вентиляционной отдушине. В результате между статором газового уплотнения и ротором газового уплотнения возрастают силы сдвига. Сухие газовые уплотнения 18, 20 могут быть загрязнены вследствие влияния различных факторов, таких как технологический газ, смазочное масло для подшипников или другие им подобные материалы. Внутреннее лабиринтное уплотнение 22 выполнено таким образом, чтобы отделять технологический газ от сухих газовых уплотнений 18, 20. Барьерное уплотнение 24 выполнено таким образом, чтобы отделять основное и вспомогательное газовые уплотнения 18, 20 от подшипников 15 вала компрессора. Это барьерное уплотнение 24 может быть демпфировано воздухом или азотом. Барьерное уплотнение 24 предотвращает возможность попадания потока смазочного масла подшипников или масляного тумана в сухие газовые уплотнения 18, 20, что объясняется более подробно со ссылкой на последующие чертежи.
На фиг.2 подробно показано щеточное уплотнение 25. Это щеточное уплотнение 25 в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения включает множество неметаллических волокон 28, выполненных таким образом, чтобы контактировать с ротором 12 для уменьшения утечки смазочного масла подшипников, а также для уменьшения температуры поверхности раздела «уплотнение-ротор».
Щеточное уплотнение 25 включает держатель 30, выполненный с возможностью соединения со статором машины. Этот держатель 30 включает первую пластину (переднюю пластину) 32 и вторую пластину (заднюю пластину) 34. Между первой пластиной 32 и второй пластиной 34 держателя 30 расположено множество неметаллических волокон 28. Обычно волокна 28 могут быть наклонены под заданным углом. Как известно специалистам в данной области техники, наклон волокон 28 улучшает упругую деформацию данного уплотнения относительно ротора 12. Такое радиальное отклонение волокон 28 способствует обеспечению «нежной проходки» по контактным поверхностям для предотвращения структурной деформации волокон. Угол наклона зависит от выбора оптимального соотношения между такими показателями, как, например, структурная стабильность данных волокон и степень трудоемкости присоединения этих волокон 28 к пластинам 32, 34. Волокна 28, вставленные между пластинами 32, 34, сжаты достаточно плотно, чтобы предотвращать перетекание смазочного масла через эти волокна в сухое газовое уплотнение. Плотность сжатия этих волокон выполняется в заданных пределах таким образом, чтобы увеличить эффективность уплотнения и избежать какого-либо существенного увеличения силы трения, возникающей из-за фрикционного контакта между данными волокнами и контактными поверхностями.
Каждое волокно 28 включает первый конец 36, присоединенный к держателю 30, и второй конец 38, расположенный в непосредственной близости от ротора 12. В некоторых примерах осуществления второй конец 38 волокна 28 выполнен с возможностью контактирования с ротором 12. В показанном варианте осуществления держатель 30 включает зажимное приспособление, такое как эпоксидный материал 40, расположенный между первой пластиной 32 и второй пластиной 34. Этот эпоксидный материал 40 выполнен с возможностью обеспечения соединения неметаллических волокон 28 с держателем 30. В некоторых примерах осуществлений первая и вторая пластины 32, 34 включают металлический материал, или композиционный материал, или их комбинацию. Волокна 28 зажаты между первой и второй пластинами 32, 34. Первый конец 36 каждого волокна 28 присоединен к эпоксидному материалу 40, а второй конец 38 выступает наружу из пластин 32, 34 в сторону ротора 12. В некоторых других примерах осуществлений волокна 28 приварены к пластинам 32, 34. И еще в некоторых других примерах осуществлений волокна 28 прикреплены к пластинам 32, 34 с помощью кольцевой проволоки и удерживающих хомутов (не показаны).
Неметаллические волокна могут включать кевларовые волокна, углеродные волокна, волокна карбида или их комбинацию. Следует отметить, что данный список неметаллических волокон не является исчерпывающим, и могут быть также предложены и другие неметаллические волокна. Материалы волокон и их диаметры выбираются в зависимости от выбора оптимального соотношения их свойств, таких, например, как жесткость, сопротивление ползучести, износостойкость и химическая инертность по отношению к маслу. Диаметры волокон выбираются так, чтобы можно было гарантировать их структурную стабильность относительно аэродинамических сил, воздействующих на эти волокна в виде рабочей текучей среды, при этом во внимание принимаются такие факторы оптимального соотношения свойств, как структурная стабильность и требуемая упругая деформация. Например, неметаллические волокна меньших диаметров приводят к более низкому эффективному зазору на поверхности раздела компонента «уплотнение-ротор», а также к меньшей жесткости, приводящей к меньшей выработке тепла.
На фиг.3 показано барьерное уплотнение 24, имеющее согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения первое щеточное уплотнение 26 и второе щеточное уплотнение 42. Первое щеточное уплотнение 26 расположено на первой стороне (называемой также «стороной компрессора») 44 между сухими газовыми уплотнениями и подшипником. Второе щеточное уплотнение 42 расположено на второй стороне (также называемой «стороной подшипника») 46 между первым уплотнением и подшипником. В одном примере осуществления первое щеточное уплотнение 26 включает уплотнение такого типа, как щеточное уплотнение 25 с фиг.2. Следует отметить, что второе щеточное уплотнение 42 может быть того же самого или другого типа по сравнению с первым щеточным уплотнением 26. В одном примере осуществления щеточные уплотнения 26, 42 присоединены к картеру статора с помощью картерного кольца 48 и зажимного кольца 50, при этом между щеточными уплотнениями 26, 42 устанавливается разделительное кольцо 52. Между щеточными уплотнениями 26, 42 выполнен канал подачи разделительного газа (не показан) для обеспечения потока разделительного газа между этими уплотнениями 26, 42.
Обычно для предотвращения перетекания смазочного масла подшипников в сухие газовые уплотнения использовались углеродные торцевые уплотнения, лабиринтные уплотнения и металлические щеточные уплотнения, при этом металлические щеточные уплотнения располагались на стороне компрессора, а не на стороне подшипника. Вследствие того что при использовании лабиринтных уплотнений зазор вала является большим, требуемое количество нагнетаемого разделительного газа является гораздо большим, чем при использовании сегментированных углеродных торцевых уплотнений. Углеродное торцевое уплотнение не всегда способно предотвратить перетекание смазочного масла подшипников в сухие газовые уплотнения. В некоторых случаях при заливе подшипника очень слабый поток разделительного газа является просто недостаточным для «сдерживания» перетекания смазочного масла подшипника в сухие газовые уплотнения. В таких случаях сухие газовые уплотнения должны быть подняты вверх от смазочного масла подшипников, которое имеет тенденцию к обволакиванию вала ротора 12 для предотвращения загрязнения контактных поверхностей сухих газовых уплотнений.
Согласно примеру осуществления настоящего изобретения барьерное уплотнение 24, имеющее щеточные уплотнения 26, 42, эффективно выполняет функцию барьерного уплотнения в ротационной машине. А именно, когда щеточные уплотнения 26, 42 имеют неметаллические волокна такого типа, как описано в отношении фиг.2, ожидается, что данное уплотнительное устройство способно эффективно предотвращать затекание смазочного масла подшипников во время всех эксплуатационных режимов ротационной машины, включая запуск и выключение. Поток разделительного газа между щеточными уплотнениями 26, 42 отклоняет неметаллические волокна в направлении ротационного компонента и подшипника так, что эти волокна контактируют с поверхностью этого ротационного компонента и подшипника для обеспечения уплотнения между ними. Неметаллические щеточные уплотнения считаются особенно подходящими для предотвращения затекания смазочного масла подшипников при более низких показателях перепада давления разделительного газа и скоростей потока. В этом случае также попутно уменьшается потребление разделительного газа.
На фиг.4 показано барьерное уплотнение 55, имеющее согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения первое неподвижное щеточное уплотнение 54 и второе неподвижное щеточное уплотнение 56. Первое неподвижное щеточное уплотнение 54 расположено на стороне 44 компрессора между сухими газовыми уплотнениями и подшипником. Второе неподвижное щеточное уплотнение 56 расположено на стороне 46 подшипника между первым неподвижным щеточным уплотнением 54 и подшипником. Следует отметить, что второе неподвижное щеточное уплотнение 56 может быть того же самого или другого типа по сравнению с первым неподвижным щеточным уплотнением 54. Между щеточными уплотнениями 54, 56 расположено разделительное кольцо 58. Выступающие концы 60 щеточных уплотнений 54, 56 расположены в непосредственной близости или контактируют с втулкой, например роторной втулкой 62 ротационной машины. Втулка 62 прикреплена к ротору данной машины и имеет такую конфигурацию, чтобы противостоять центробежным силам, действующим во время работы этой машины. Кроме того, втулка 62 предотвращает просачивание роторного хладагента через данный ротор в воздушный зазор между ротором и статором, которое приводит к так называемым «вентиляционным потерям». Неподвижные щеточные уплотнения отличаются отсутствием относительного перемещения между уплотнительными поверхностями или между уплотнительной поверхностью и сопряженной с ней поверхностью. В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения барьерное уплотнение 55, имеющее неподвижные щеточные уплотнения 54, 56, эффективно выполняет функцию барьерного уплотнения в ротационной машине, то есть щеточные уплотнения 54, 56, имеющие неметаллические волокна, эффективно предотвращают вытекание смазочного масла подшипников во время всех эксплуатационных режимов ротационной машины.
На фиг.5 в соответствии с еще одним примером осуществления показан гибридный тип барьерного уплотнения 63. В показанном варианте осуществления этот гибридный тип барьерного уплотнения 63 включает первое щеточное уплотнение 26, которое расположено на стороне 44 компрессора между сухими газовыми уплотнениями и подшипником, и второе щеточное уплотнение 42, расположенное на стороне 46 подшипника между первым щеточным уплотнением и этим подшипником. Показанное барьерное уплотнение 63 включает первое лабиринтное уплотнение 64 и второе лабиринтное уплотнение 66, уложенные параллельно первому щеточному уплотнению 26 и второму щеточному уплотнению 42 соответственно. Хотя на чертеже показаны два лабиринтных уплотнения 64, 66, в альтернативных вариантах осуществления параллельно данным щеточным уплотнениям может быть уложено больше чем два лабиринтных уплотнения. В некоторых других примерах осуществления параллельно первому щеточному уплотнению 26 и второму щеточному уплотнению 42 может быть уложено одно или более таких уплотнений, как углеродные торцевые уплотнения, истирающиеся лабиринтные уплотнения, металлические щеточные уплотнения или их комбинации.
Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения первое щеточное уплотнение 26 и второе щеточное уплотнение 42 включают множество неметаллических волокон 28, выполненных с возможностью контактирования с ротором 12 для уменьшения протекания смазочного масла подшипников, а также для уменьшения температуры поверхности раздела «уплотнение-ротор». Между щеточными уплотнениями 26, 42 выполнен канал 68 для подачи разделительного газа для обеспечения потока разделительного газа (например, азота) между этими уплотнениями 26, 42. Во время эксплуатации барьерного уплотнения 24 через канал подачи 68 между первым щеточным уплотнением 26 и вторым щеточным уплотнением 42 проходит уплотнительный газ (инертный газ, например азот) и выходит через дополнительное отверстие 70. Этот газовый поток производит силу размыкания, которая перемещает второе щеточное уплотнение 42 к подшипнику, предотвращая в результате затекание смазочного масла подшипников в сухие газовые уплотнения. В некоторых других примерах осуществления лабиринтные уплотнения 64, 66 могут быть уложены параллельно неподвижным щеточным уплотнениям и выполнены с возможностью контактирования с роторной втулкой ротационной машины.
Хотя здесь были рассмотрены варианты осуществлений, в которых оба уплотнения барьерного уплотнения содержат щеточные уплотнения, включающие неметаллические волокна, принимаются к рассмотрению и другие комбинации. Например, уплотнение, расположенное ближе всего к подшипнику (называемое в данном тексте «вторым уплотнением»), в обычных вариантах осуществления не является щеточным уплотнением. Предполагается, что использование щеточного уплотнения любого типа для этого второго уплотнения будет являться удачным выбором и что использование щеточного уплотнения, включающего неметаллические волокна, обеспечит дополнительные преимущества. Аналогично, независимо от того, содержит ли второе уплотнение щеточное уплотнение или нет, наличие уплотнения, которое расположено ближе всего к компрессору (называемое здесь «первым уплотнением») и при этом содержит щеточное уплотнение, включающее неметаллические волокна, также предполагает наличие упомянутых выше преимуществ.
Хотя в данном тексте были описаны только некоторые особенности настоящего изобретения, специалисты в данной области техники поймут, что в него может быть внесено множество модификаций. Исходя из этого следует понимать, что прилагаемая Формула изобретения предназначена для того, чтобы охватить все такие модификации, которые попадают в объем настоящего изобретения.
Перечень элементов
10
ротационная машина
12
ротор машины
14
статор машины
15
опорные подшипники
16
уплотнительное устройство
18
основное сухое газовое уплотнение
20
вспомогательное сухое газовое уплотнение
22
внутреннее лабиринтное уплотнение
24
барьерное уплотнение
25
щеточное уплотнение
26
первое щеточное уплотнение
28
неметаллические волокна
30
держатель
32
первая пластина
34
вторая пластина
36
первый конец
38
второй конец
40
зажимное приспособление
42
второе щеточное уплотнение
44
первая сторона
46
вторая сторона
48
картерное кольцо
50
зажимное кольцо
52
разделительное кольцо
54
первое статическое щеточное уплотнение
55
барьерное уплотнение
56
второе статическое щеточное уплотнение
58
разделительное кольцо
60
выступающие концы
62
втулка ротора
63
барьерное уплотнение гибридного типа
64
первое лабиринтное уплотнение
65
второе лабиринтное уплотнение
68
канал подачи разделительного газа
70
дополнительное отверстие