ОСЕЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР, СНАБЖЕННЫЙ СИСТЕМОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАЗОРА Российский патент 2013 года по МПК F01D11/24 F04D29/16 F04D29/58 

Предметом настоящего изобретения является осецентробежный компрессор, имеющий систему регулирования зазора.

Осецентробежный компрессор содержит первый участок, где цилиндрические ротор и статор концентричны осевой линии компрессора, и дополнительно участок, где они расширяются в радиальном направлении таким образом, что соответствующий участок ротора, называемый крыльчаткой, выходит за пределы статора в осевом направлении. Одним из его преимуществ является уменьшение размеров машины в направлении оси и создание более компактных машин с более легким весом.

Производительность компрессоров и машин, в которые их можно встраивать, в значительной степени зависит от зазоров, существующих между ротором и статором, и которые обусловливают потери энергии в потоке газов. Обычно эти зазоры регулируются пропусканием потока газа с заданной температурой и скоростью для обеспечения разного термического расширения между ротором и статором в радиальном направлении. Воздух отбирается с участка компрессора и нагнетается по трубопроводам к месту, где необходимо регулировать разницу термического расширения. С помощью клапана можно изменять скорость потока газа и количество передаваемого им тепла, соразмерно корректировке зазора, требуемого для каждой эксплуатационной скорости машины.

Однако в традиционных устройствах система регулировки радиального зазора применяется к статорам. Более того, данные устройства применяются только в осевых компрессорах.

Также существуют вентиляционные устройства для ротора, в которых воздушный поток, выходящий из статора, проходит радиальный кронштейн, поддерживающий ротор, перед попаданием в центральную полость последнего. Данные вентиляционные устройства имеют единственной целью предотвращение избыточного нагрева ротора. А именно они не регулируют скорость потока, что не позволяет регулировать зазор.

Однако, необходимо отметить патент FR 2698667, в котором регулировка осевого зазора крыльчатки осецентробежного компрессора достигается балансом сил давления; патенты US-A-4687412 и DE-A-2169528, в которых осевой зазор регулируется механическими средствами (прокладками или шайбами на болтах) и патент FR-A-2722836, где он регулируется осевым смещением, с помощью сервопривода опорного подшипника ротора.

Задачей данного изобретения является обеспечение регулировки осевого зазора в расширенном участке осецентробежного компрессора за счет разницы термических деформаций, что не предлагалось ранее. Применение традиционных устройств вентиляции не дает хороших результатов, так как осевой зазор регулируется одновременно с радиальным зазором первого участка компрессора, что не обеспечивает достижение удовлетворительных результатов.

В соответствии с настоящим изобретением данный компрессор характеризуется тем, что содержит ротор и статор, формирующие канал потока и имеющие цилиндрический участок и расширенный участок, при этом цилиндрические участки являются концентричными осевой линии и установлены с радиальным зазором, а расширенные участки направлены вдоль осевой линии и установлены с осевым зазором. Компрессор содержит вентиляционный канал, обеспечивающий регулировку осевого зазора между статором и ротором, и первый канал, снабженный первым регулирующим клапаном, и второй канал, снабженный теплообменником и вторым регулирующим клапаном.

В устройстве можно выполнять требуемую регулировку осевого зазора без взаимовлияния регулировки осевого зазора и радиального зазора по причинам, подробно описанным далее.

Так как оба канала обеспечивают регулируемый поток, а второй канал обеспечивает изменение температуры газа для вентиляции, то достигается достаточная регулировка зазора.

В соответствии с различными усовершенствованиями данного изобретения каналы имеют общую исходную точку, в полости статора, и в них подается один и тот же газ, при этом второй канал обходит первый. Устройство, содержащее один источник, из которого подается вентиляционный газ, является простым, что является преимуществом, так как осецентробежные компрессоры имеют малые размеры.

Теплообменник обеспечивает охлаждение второго канала таким образом, что ротор сжимается. Больший зазор имеет место при пуске и ускорении, когда регулировочное устройство неактивно, а на эксплуатационной скорости оно используется. Применение данного устройства на эксплуатационной скорости является преимуществом, так как в этом случае можно получить наиболее значительную экономию. Больший зазор допускается на ускорении и стартовых скоростях, которые имеют короткую длительность, а полное исчезновение зазоров может повредить компрессор. Более того, эксплуатационные скорости стабильны и точно определяются так, что зазоры также определяются с большей точностью, чем во время нестабильных условий.

Теплообменник может представлять собой участок второго канала, проходящего через наружную полость статора, контактирующую с более холодным воздухом, т.е. теплообмен обеспечивается без использования специальной конструкции.

Далее описан предпочтительный, но не ограничивающий вариант реализации изобретения с поясняющими чертежами, где фиг.1 - общий вид компрессора и устройства для регулировки зазора и фиг.2 - более подробный вид устройства регулировки.

Осецентробежный компрессор содержит ротор 1 и статор 2, между которыми проходит канал 3 для газового потока. Ротор 1 и статор 2 каждый имеют практически цилиндрические осевые участки 4 и 5 и далее расширяющиеся участки 6 и 7 соответственно. Участок 6 ротора 1 является крыльчаткой. Регулироваться должен осевой зазор 8 между данными расширяющимися участками 6 и 7. Его величина обычно составляет несколько десятых миллиметра в состоянии покоя (например, 0,7 или 0,8 мм).

Статор 2 содержит полости 9, расположенные вокруг канала 3. Трубопровод 10 входит в одну из них и подает поток газа. Затем трубопровод 10 разделяется на первый канал 11, оснащенный первым регулирующим клапаном 12, и второй канал 13, оснащенный вторым регулирующим клапаном 14 и теплообменником 15. Каналы 11 и 13 затем соединяются, и их потоки подаются в полость 16 ротора 1 по общему каналу 17. Это не обязательно, потоки могут оставаться раздельными до полости 16. Система управления 18, показанная схематично, управляет открытием клапанов 12 и 14 в соответствии со скоростью машины, определяемой по датчикам давления, температуры, скорости вращения и т.д., которые измеряют данные параметры в различных точках. Таким образом, можно управлять скоростью газового потока, поступающего в полость 16, и его температурой изменением объема данного газа, проходящего через теплообменник 15. В результате осуществляется изменение осевого зазора 8, который может уменьшаться на несколько десятых миллиметра (например, 0,3 или 0,4 мм, что в результате дает зазор менее 0,5 мм вычитанием предыдущих значений и что является вполне приемлемым). Регулировка скоростей двух потоков в каналах 11 и 13 позволяет изменять в достаточной степени объем тепла, транспортируемого последними. Первый канал 11 используется, прежде всего, для обеспечения вентиляции на всех скоростях машины, когда существенное охлаждение (через второй канал 13) применяется. Более того, это позволяет подавать обогревающий газ на ротор 1 для увеличения осевого зазора 8 на фазах пуска и обеспечивать безопасную работу. Регулировка осуществляется системой управления 18 в соответствии с испытаниями и измерениями, которые предшествуют фактической работе компрессора и которые позволяют определять осевые зазоры и значения, на которые их можно уменьшать. Система управления 18 преимущественно работает при эксплуатации, когда рабочие характеристики стабильны и хорошо известны, как и зазоры, так что их можно уменьшать до низкого значения без риска их полного исчезновения и возникновения износа машины или даже более серьезного повреждения, например, воспламенением титана.

Для демонстрации актуальности данного устройства необходимо дать несколько пояснений. Ротор 1 поддерживается статором 2 посредством подшипника 19 противоположного крыльчатке 6, и, несмотря на его осецентробежную конструкцию, ротор 1 намного больше вытянут по осевой линии X, чем в радиальном направлении. Смещения от термических деформаций, создаваемыми вентиляционным газом, таким образом, больше в местах, расположенных вдали от подшипника 19, т.е. особенно на крыльчатке 6. Осевые смещения осевого участка 4 ротора 1 намного меньше и в любом случае приемлемы, так как они только в самой малой степени меняют расстояние между неподвижной 20 и подвижной 21 лопатками, а расширения ротора 1 в радиальном направлении намного менее значительны, чем в осевом направлении, порядка нескольких сотых миллиметра (0,02 или 0,03 мм), так что их можно не учитывать. Традиционную систему контроля радиального зазора между осевыми участками 4 и 5 ротора 1 и статора 2 можно устанавливать в статоре 2 и регулировать независимо от устройства по данному изобретению.

Таким образом, как уже было упомянуто, каналы 11 и 13 могут быть отделены друг от друга и входить в разные полости, но при этом преимущественным является использование одного источника вентиляционного газа. Полость 9, где находится вентиляционный газ, может быть одной из полостей, непосредственно окружающих внутреннюю оболочку 22 статора 2, куда отвод 23 подает сжатый воздух, поступающий из определенного участка компрессора. Второй канал 13 может располагаться в наружной полости 24, которая находится между полостью 9 и вспомогательным каналом 25, образуя наружный участок статора 2. Так как наружная полость 24 более холодная, воздух, проходящий через второй канал 13, охлаждается без каких-либо других действий и теплообменник 15, таким образом, образован данным участком второго канала 13, проходящего через наружную полость 24. Для более сильного охлаждения можно также обеспечить, чтобы второй канал 13 проходил через дополнительный канал 25. Подразумевается, что значительное охлаждение достигается, когда он проходит рядом с одним из воздухозаборников 26, который соединяет наружную полость 24 с дополнительным каналом 25. Далее по потоку обычный канал 17 может проходить через один из радиальных кронштейнов 16, поддерживающих ротор 1, и далее через открытый торец последнего.

В осецентробежном компрессоре, ротор которого содержит крыльчатку (6), осевой зазор (8) регулируется специальной воздушной вентиляцией в роторе, устройством, содержащим два параллельных капала (11, 13), в которых скорости потоков регулируются соответствующими клапанами (12, 14), при этом температура в одном из них изменяется теплообменником (15). Изобретение направлено на обеспечение регулировки осевого зазора в расширенном участке осецентробежного компрессора за счет разницы термических деформаций. Таким образом, осуществляется регулировка температуры и скорости потока вентиляционного воздуха. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Осецентробежный компрессор, содержащий ротор (1) и статор (2), установленные с радиальным зазором, образующие канал (3) потока и имеющие соответственно осевые участки (4, 5), концентричные осевой линии (X) и расширяющиеся вдоль осевой линии (X) участки (6, 7), установленные с осевым зазором (8), отличающийся тем, что он содержит средства вентиляции, обеспечивающие регулировку осевого зазора между статором и ротором и содержащие первый канал (11), снабженный первым регулирующим клапаном (12), и второй канал (13), оснащенным теплообменником (15) и вторым регулирующим клапаном (14).

2. Осецентробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что упомянутые каналы связаны с полостью (9) статора, расположенной рядом с каналом (3).

3. Осецентробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что второй канал (13), более холодный ниже по потоку после теплообменника (15), чем первый канал (11).

4. Осецентробежный компрессор по п.3, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде участка второго канала, расположенного в наружной полости (24) статора.

5. Осецентробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что второй регулирующий клапан оснащен средством регулировки (18), обеспечивающим его открытие при постоянной скорости компрессора.