УСТАНАВЛИВАЕМАЯ В ГОРЛОВИНЕ СИСТЕМА ВХОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК ГАЗОВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2014 года по МПК F04D29/46 F04D27/00 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

Приоритет настоящей заявки основан на предварительной патентной заявке US 61/227032 под названием "Removable Throat Mounted Inlet Guide Vane", поданной 20 июля 2009 г., которая во всей полноте в порядке ссылки включена в настоящую заявку.

Предпосылки создания изобретения

В этом разделе будут приведены некоторые сведения о существующем уровне техники, которые могут иметь отношение к различным особенностям настоящего изобретения, описанным и(или) заявленным далее. Они могут послужить исходной информацией для лучшего понимания различных особенностей настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что эти сведения следует интерпретировать в таком свете, а не как их признание известным уровнем техники.

Газовые компрессоры применяются в самых разнообразных отраслях, включая авиакосмическую промышленность, автомобилестроение, нефтегазовую промышленность, выработку электроэнергии, производство пищевых продуктов и напитков, фармацевтику, очистку воды и т.п. Сжатым газом может являться воздух, азот, кислород, природный газ или газ любого другого типа. Газовые компрессорные установки обычно имеют устройства, которые повышают давление газа путем уменьшения его объема (например, сжатия). В газовых компрессорах некоторых типов применяется один или несколько механизмов с использованием крутящего момента для сжатия поступающего газа. Например, в центробежной газовой компрессорной установке газ подают в корпус через впускное отверстие, сжимают его с помощью вращающейся крыльчатки и вытесняют газ из корпуса. Тем не менее, достаточно часто эти газовые компрессоры занимают довольно большое пространство. Кроме того, эти газовые компрессоры часто являются довольно сложными, что делает технический уход за ними и их обслуживание более продолжительными и дорогостоящими.

Различные признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты при ознакомлении со следующим далее подробным описанием со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:

на фиг. 1 показан вид в перспективе одного из примеров осуществления центробежной компрессорной установки,

на фиг. 2 показан вид в перспективе одного из примеров осуществления центробежной ступени компрессора центробежной компрессорной установки, показанной на фиг. 1,

на фиг. 3 показан вид с местным разрезом примеров осуществления наружного корпуса, разделительного кольца и впускного кожуха центробежной ступени компрессора,

на фиг. 4 показан вид с местным разрезом одного из примеров осуществления центробежной ступени компрессора, на котором проиллюстрирована пригонка различных компонентов друг к другу,

на фиг. 5 показано изображение в разобранном виде одного из примеров осуществления центробежной ступени компрессора, на котором дополнительно проиллюстрирована пригонка различных компонентов друг к другу,

на фиг. 6А и 6Б показаны местные виды в поперечном разрезе примеров осуществления спиральной камеры, впускного кожуха и блока входных направляющих лопаток центробежной ступени компрессора,

на фиг. 7А и 7Б показаны виды в перспективе примеров осуществления блока входных направляющих лопаток, на которых проиллюстрированы входные направляющие лопатки при частично открытой ориентации и закрытой ориентации соответственно,

на фиг. 8 показано изображение в разобранном виде одного из примеров осуществления блока входных направляющих лопаток,

на фиг. 9 показано изображение в разобранном виде некоторых компонентов одного из примеров осуществления узла силового привода входных направляющих лопаток,

на фиг. 10 показан местный вид сбоку блока входных направляющих лопаток, и

на фиг. 11 показан местный вид в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ведущего вала, разделительного кольца и пневматического цилиндра блока входных направляющих лопаток.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления

Далее будет описан один или несколько конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Эти описываемые варианты осуществления являются лишь примерами осуществления настоящего изобретения. Кроме того, для краткости при описании этих примеров осуществления могут быть рассмотрены не все признаки практического осуществления. Следует учесть, что при разработке любого такого варианта практического осуществления, например при любой опытно-конструкторской разработке, для достижения целей разработки необходимо принять множество зависящих от реализации решений, таких как соблюдение системных, деловых, государственных и иных ограничений, которые могут меняться в зависимости от реализации. Кроме того, подразумевается, что такая разработка может являться сложной и трудоемкой, но, тем не менее, типовой задачей для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с настоящим описанием.

Как отмечалось выше, центробежные компрессорные установки обычно занимают значительное пространство. Соответственно, существует постоянная потребность в уменьшении пространства, занимаемого этими установками. Тем не менее, довольно часто попытки уменьшить размер центробежных компрессорных установок приводят к объединению компонентов, что обычно усложняет установки и во многих случаях ухудшает как эксплуатационную гибкость, так и гибкость технического обслуживания. В вариантах осуществления изобретения эти недостатки устранены за счет интеграции до определенной степени компонентов центробежного компрессора и при этом также обеспечения простоты технического обслуживания путем сохранения некоторых компонентов в раздельном виде.

В частности, в вариантах осуществления изобретения предложен блок входных направляющих лопаток в виде съемного устройства, которое может быть установлено в горловине узла компрессора. В вариантах осуществления изобретения предусмотрена возможность уменьшения общего размера каждой центробежной ступени компрессора и снижения потребности во внешних опорах. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения также упрощено техническое облуживание за счет облегчения демонтажа съемного блока входных направляющих лопаток. Помимо этого в вариантах осуществления изобретения предусмотрен вращательный приводной механизм входных направляющих лопаток в отличие от линейного приводного механизма. За счет этого может быть снижена потребность в дорогостоящих и более сложных методах уплотнения. Вместо этого в вариантах осуществления изобретения предусмотрен пневматический цилиндр, установленный вокруг вращающегося ведущего вала, который приводит в действие входные направляющие лопатки. Пневматический цилиндр может иметь впускное окно с буфером и выпускное окно с буфером. Во впускное окно с буфером может нагнетаться буферный газ с целью вытеснения через выпускное окно с буфером буферного газа и технологического газа, утечка которого происходит на протяжении ведущего вала. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения предусмотрена кольцевая траектория вокруг внутреннего корпуса, позволяющая кулачковым следящим устройствам сводить к минимуму осевое смещение приводного кольца относительно внутреннего корпуса.

На фиг.1 показан вид в перспективе одного из примеров осуществления центробежной компрессорной установки 10. Центробежная компрессорная установка 10 обычно предназначена для сжатия газа при ее применении в различных областях. Например, центробежная компрессорная установка 10 может применяться в автомобилестроении, электронике, авиакосмической промышленности, нефтегазовой промышленности, при выработке электроэнергии, в нефтехимической промышленности и т.п. Помимо этого центробежная компрессорная установка 10 может применяться для сжатия газов, содержащих некоторые корродирующие элементы. Например, газы могут содержать угольную кислоту, серную кислоту, двуокись углерода и т.п.

Обычно центробежная компрессорная установка 10 имеет одну или несколько центробежных ступеней, рассчитанных на повышение давления поступающего газа (например, путем сжатия). В некоторых вариантах осуществления центробежная компрессорная установка 10 имеет номинальную мощность приблизительно от 150 до приблизительно 3000 лошадиных сил (л.с.), давление на выходе приблизительно 80-150 фунтов на квадратный дюйм (фунт/кв.дюйм) и производительность приблизительно 600-15000 кубических футов в минуту (куб. фут/мин). Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления показана только одна из множества компоновок компрессорной установки, в других вариантах осуществления центробежной компрессорной установки 10 могут использоваться различные компоновки и необязательные параметры. Например, центробежная компрессорная установка 10 может иметь более низкую номинальную мощность, применимую в случаях более низкой производительности и(или) более низких перепадов давлений, более высокую номинальную мощность, применимую в случаях более высокой производительности и(или) более высоких перепадов давлений, и т.п.

В проиллюстрированном варианте осуществления центробежная компрессорная установка 10 имеет пульт 12 управления, привод 14, компрессор 16, промежуточный охладитель 18, систему 20 смазки и общее основание 22. Общее основание 22 обычно упрощает сборку и монтаж центробежной компрессорной установки 10. Например, пульт 12 управления, привод 14, компрессор 16, промежуточный охладитель 18 и система 20 смазки соединены с общим основанием 22. За счет этого для монтажа и сборки центробежной компрессорной установки 10 могут использоваться предварительно собираемые и(или) собираемые на месте модульные компоненты.

Пульт 12 управления содержит различные устройства и средства управления для контроля и регулирования работы центробежной компрессорной установки 10. Например, в одном из вариантов осуществления пульт 12 управления имеет переключатель питания системы и(или) множество устройств (например, жидкокристаллические дисплеи и(или) светоизлучающие диоды), отображающих рабочие параметры центробежной компрессорной установки 10. В других вариантах осуществления пульт 12 управления имеет усовершенствованные функциональные возможности, такие как программируемый логический контроллер (ПЛК) и т.п.

Привод 14 обычно содержит устройство для снабжения центробежной компрессорной установки 10 движущей силой. Привод 14 служит для снабжения энергией обычно посредством вращающегося вала привода, который используется для сжатия поступающего газа. Обычно вращающийся вал привода соединен с внутренними структурами компрессора 16, при этом вращение вала привода преобразуется во вращение рабочего колеса для сжатия поступающего газа. В проиллюстрированном варианте осуществления привод 14 содержит электродвигатель, служащий для обеспечения крутящего момента на валу привода. В других вариантах осуществления привод 14 может содержать другие движители, такие как двигатель с воспламенением от сжатия (например, дизельный двигатель), двигатель с искровым зажиганием (например, газовый двигатель), газотурбинный двигатель и т.п.

Компрессор 16 обычно имеет коробку 24 передач, которая соединена с валом привода. Коробка 24 передач обычно содержит различные механизмы, служащие для распределения движущей силы от привода 14 (например, путем вращения вала привода) на рабочие колеса центробежных ступеней компрессора. Например, во время работы центробежной компрессорной установки 10 вращение вала привода посредством внутреннего зубчатого зацепления подводится к различным рабочим колесам первой центробежной ступени 26 компрессора, второй центробежной ступени 28 компрессора и третьей центробежной ступени 30 компрессора. В проиллюстрированном варианте осуществления внутреннее зубчатое зацепление коробки 24 передач обычно содержит усиленную шестерню, соединенную с ведущим валом, который подводит крутящий момент к рабочему колесу.

Следует учесть, что такая система (например, в которой привод 14 опосредованно соединен с ведущим валом, который подводит крутящий момент к рабочему колесу) обычно называется системой опосредованного привода. В некоторых вариантах осуществления в систему опосредованного привода может входить одно или несколько зубчатых колес (например, коробка 24 передач), сцепление, трансмиссия, ременной привод (например, ремень и шкивы) или любое другое средство опосредованной связи. Тем не менее, в другом варианте осуществления центробежная компрессорная установка 10 может содержать систему прямого привода. В одном из вариантов осуществления с использованием системы прямого привода коробка 24 передач и привод 14 могут быть преимущественно объединены в компрессоре 16 для подачи крутящего момента непосредственно на ведущий вал. Например, в системе прямого привода движитель (например, электродвигатель) расположен вокруг ведущего вала, чтобы непосредственно (например, без промежуточной передачи) передавать крутящий момент ведущему валу. Соответственно, в одном из вариантов осуществления с использованием системы прямого привода для приведения в действие одного или нескольких ведущих валов и рабочих колес на каждой ступени компрессора 16 может использоваться множество электродвигателей. Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления может использоваться система опосредствованного или прямого привода любого типа.

Коробка 24 передач обладает свойствами, которые обеспечивают более высокую надежность и более простое техническое облуживание центробежной компрессорной установки 10. Например, коробка 24 передач может иметь цельнолитую многоступенчатую конструкцию для улучшения характеристик. Иными словами, коробка 24 передач может быть отлита как одно целое, включая все три спиральные камеры, помогающие уменьшить сложности сборки и технического обслуживания, обычно связанные с центробежными компрессорными установками 10. Кроме того, коробка 24 передач может иметь крышку с разъемом в горизонтальной плоскости, позволяющую легко извлекать и осматривать компоненты, расположенные внутри коробки 24 передач.

Как вкратце описано выше, компрессор 16 обычно имеет одну или несколько центробежных ступеней сжатия, которые последовательно сжимают поступающий газ. Например, в проиллюстрированном варианте осуществления компрессор 16 имеет три центробежные ступени сжатия (например, трехступенчатый центробежный компрессор), включая первую центробежную ступень 26 компрессора, вторую центробежную ступень 28 компрессора и третью центробежную ступень 30 компрессора. Каждая из центробежных ступеней компрессора 26, 28 и 30 имеет центробежную спиральную камеру, которая имеет корпус, в котором помещается одно или несколько рабочих колес. Во время работы поступающий газ последовательно подается в каждую из центробежных ступеней компрессора 26, 28 и 30 до его выпуска под повышенным давлением.

Работа центробежной компрессорной установки 10 включает впуск газа в первую центробежную ступень 26 компрессора через впускное отверстие 32 компрессора в направлении по стрелке 34. Как показано, компрессор 16 также может иметь направляющую лопатку 36 (например, внешнюю направляющую лопатку). Направляющей лопаткой 36 может являться лопатка и другие механизмы для направления потока газа при его поступлении в первую центробежную ступень 26 компрессора. Например, направляющая лопатка 36 может сообщать входящему потоку газа вихревое движение в направлении вращения рабочего колеса первой центробежной ступени 26 компрессора и тем самым помогать снижать затрату энергии рабочим колесом на сжатие поступающего газа. Как подробнее описано далее, в некоторых вариантах осуществления направляющая лопатка 36 может быть непосредственно включена в каждую отдельную центробежную ступень компрессора.

После впуска газа в центробежную компрессорную установку 10 через впускное отверстие 32 компрессора он подвергается сжатию в первой центробежной ступени 26 компрессора, из которой сжатый газ выпускается по первому каналу 38. Сжатый газ подается по первому каналу 38 в первую ступень 40 промежуточного охладителя 18. Сжатый газ, вытесненный с первой центробежной ступени 26 компрессора, направляется через первую ступень 40 промежуточного охладителя и выпускается из промежуточного охладителя 18 по второму каналу 42.

Обычно каждая стадия промежуточного охладителя 18 имеет систему теплообмена для охлаждения сжатого газа. В одном из вариантов осуществления промежуточный охладитель 18 имеет конструкцию водотрубного типа, позволяющую эффективно удалять тепло из сжатого газа при его прохождении через теплообменные элементы внутри промежуточного охладителя 18. После каждой центробежной ступени компрессора предусмотрена ступень промежуточного охлаждения для снижения температуры газа и повышения кпд каждой последующей ступени сжатия. Например, в проиллюстрированном варианте осуществления сжатый газ подается по второму каналу 42 во вторую центробежную ступень 28 компрессора и вторую ступень 44 промежуточного охладителя 18 перед его подачей в третью центробежную ступень 30 компрессора.

После сжатия газа на третьей центробежной ступени 30 компрессора сжатый газ выпускается через выходной патрубок 46 компрессора в направлении по стрелке 47. В проиллюстрированном варианте осуществления сжатый газ подается с третьей центробежной ступени 30 компрессора в выходной патрубок 46, минуя стадию промежуточного охлаждения (например, третью ступень промежуточного охлаждения). Тем не менее, в других вариантах осуществления центробежная компрессорная установка 10 может иметь третью ступень промежуточного охлаждения или аналогичное устройство для охлаждения сжатого газа, выходящего с третьей центробежной ступени 30 компрессора. Кроме того, с выходным патрубком 46 могут быть соединены дополнительные каналы для эффективного распределения сжатого газа в желательных целях (например, сушки).

На фиг.2 показан вид в перспективе одного из примеров осуществления центробежной ступени 48 компрессора, такой как первая, вторая и третья центробежные ступени 26, 28, 30 компрессора, показанные на фиг.1. Как описано выше, газ может поступать в центробежную ступень 48 компрессора в осевом направлении вдоль центральной оси 50 центробежной ступени 48 компрессора, как показано стрелкой 52, и выходить с центробежной ступени 48 компрессора под повышенным давлением через спиральную камеру 54 по касательной траектории, как показано стрелкой 56. Как описано выше, в некоторых вариантах осуществления центробежная ступень 48 компрессора может иметь встроенные входные направляющие лопатки 58 в отличие от внешней направляющей лопатки 36, показанной на фиг.1. Как показано, входные направляющие лопатки 58 могут быть расположены по радиусу вокруг центральной оси 50 центробежной ступени 48 компрессора. Как подробнее описано далее, входные направляющие лопатки 58 могут вращаться с целью изменения скорости потока газа, поступающего на центробежную ступень 48 компрессора.

В частности, в некоторых вариантах осуществления на разделительном кольце 62 центробежной ступени 48 компрессора с помощью монтажного кронштейна 64 может быть установлен вращательный привод 60. Вращательный привод 60 может быть рассчитан на сообщение возвратно-поступательного вращения ведущему валу 66 вокруг оси 68, как показано стрелкой 70. Так, вращательный привод 60 может использовать исключительно вращательное, а не прямолинейное движение для регулирования входных направляющих лопаток 58. В некоторых вариантах осуществления вращательным приводом 60 может являться четвертьоборотный вращательный привод. Тем не менее, в других вариантах осуществления вращательным приводом 60 может являться полуоборотный или 3/4-оборотный вращательный привод. Как подробнее описано далее, вращение ведущего вал 66 вокруг оси 68 может влиять на ориентацию входных направляющих лопаток 58 относительно центральной оси 50 центробежной ступени 48 компрессора и тем самым регулировать количество газа, поступающего на центробежную ступень 48 компрессора. Например, в ответ на вращение ведущего вала 66 каждая направляющая лопатка 58 может вращаться вокруг оси (например, радиальной оси), поперечной центральной оси 50.

За счет использования вращательного привода 60 вместо, например, привода линейного перемещения может снижаться общая стоимость системы привода, а также уменьшаться потребность в более сложных системах линейного привода со сбалансированным давлением. Кроме того, за счет приведения в действие входных направляющих лопаток 58 путем придания вращения ведущему валу 66 вокруг оси 68, а не путем сообщения поступательного движения ведущему валу 66 в осевом направлении по оси 68 может быть снижена потребность в более сложных уплотнительных устройствах, которые могут быть необходимы при осевом перемещении ведущего вала 66 в корпус и из корпуса центробежной ступени 48 компрессора.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления центробежная ступень 48 компрессора может иметь пневматический цилиндр 72, расположенный между вращательным приводом 60 и разделительным кольцом 62. Пневматический цилиндр 72 окружает ведущий вал 66 и, как подробнее описано далее, может сводить к минимуму утечку газа, сжимаемого в центробежной ступени 48 компрессора. Например, пневматический цилиндр 72 может содержать несколько уплотнений (например, уплотнительных колец) и промежуточных отверстий, которые могут использоваться для выпуска и продувания газа (например, коррозионного газа), из пространства между уплотнениями. Другие компоненты центробежной ступени 48 компрессора, проиллюстрированные на фиг. 2, включают наружный корпус 74 и впускной кожух 76.

На фиг. 3 показан вид с местным разрезом примеров осуществления наружного корпуса 74, разделительного кольца 62 и впускного кожуха 76 центробежной ступени 48 компрессора, на котором дополнительно проиллюстрирован поток газа через центробежную ступень 48 компрессора. Как описано выше, газ может поступать в центробежную ступень 48 компрессора вдоль центральной оси 50, как показано стрелкой 52. Входные направляющие лопатки 58 могут изменять скорость потока газа, поступающего в центральную полость 78 внутри впускного кожуха 76 центробежной ступени 48 компрессора. Как описано выше со ссылкой на фиг. 1, рабочее колесо 80 может приводиться в действие ведущим валом, который придает рабочему колесу 80 вращение вокруг центральной оси 50 центробежной ступени 48 компрессора, как показано стрелкой 82. В результате вращения лопаток 84 рабочего колеса 80 происходит сжатие газа внутри центральной полости 78 впускного кожуха 76. Сжатый газ выходит из впускного кожуха 76, как показано стрелками 86 и как описано выше, через спиральную камеру 54, проиллюстрированную на фиг. 2.

Как показано, в некоторых вариантах осуществления центробежная ступень 48 компрессора может иметь внутренний корпус 88, в котором помимо всего прочего помещаются входные направляющие лопатки 58. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления центробежная ступень 48 компрессора может иметь приводное кольцо 90, которое, как подробнее описано далее, может использоваться для изменения ориентации (например, вращения) входных направляющих лопаток 58 и тем самым регулирования скорости потока газа, поступающего в центробежную ступень 48 компрессора. В некоторых вариантах осуществления приводное кольцо 90 может вращаться вокруг внутреннего корпуса 88 с помощью множества кулачковых следящих устройств 92, сохраняющих позиционирование приводного кольца 90 по оси относительно внутреннего корпуса 88. В частности, как подробнее описано далее со ссылкой на фиг. 10, кулачковые следящие устройства 92 могут иметь клиновидные канавки 128, которые сопрягаются с клиновидной направляющей 130, проходящей в радиальном направлении от внутреннего корпуса 88. Таким образом, кулачковые следящие устройства 92 проходят по круговой траектории, концентричной оси 50, и блокируют осевое перемещение по оси 50.

Как также подробнее описано далее, вращение приводного кольца 90 вокруг внутреннего корпуса 88 может придавать вращение множеству коленчатых рычагов 94 посредством множества сочленений 96, что может вызывать изменение ориентации входных направляющих лопаток 58 (например, вращение вокруг радиальных осей относительно центральной оси 50). В частности, коленчатые рычаги 94 могут быть прикреплены штифтами к валам лопаток, которые проходят в радиальном направлении через отверстия в наружном и внутреннем корпусах 74, 88 и соединены с соответствующими входными направляющими лопатками 58. Вращение коленчатых рычагов 94 может придавать вращение валам лопаток и в свою очередь входным направляющим лопаткам 58.

На фиг. 4 показан вид с местным разрезом одного из примеров осуществления центробежной ступени 48 компрессора, на котором проиллюстрирована пригонка различных компонентов друг к другу. Как описано выше, вращательный привод 60 способен придавать ведущему валу 66 вращение вперед и назад вокруг оси 68, как показано стрелкой 70. Как подробнее описано далее, ведущий вал 66 может быть соединен непосредственно с ведущим валом, который может придавать вращение основной входной направляющей лопатке 58. Вращение ведущего вала 66 также может придавать вращение ведущему коленчатому рычагу 98, соединенному непосредственно с ведущим валом 66. Вращение ведущего коленчатого рычага 98 может придавать вращение приводному кольцу 90 вокруг внутреннего корпуса 88. В частности, сочленение 96, соединенное с ведущим коленчатым рычагом 98, может придавать вращение приводному кольцу 90 относительно внутреннего корпуса 88 при вращении ведущего коленчатого рычага 98. При вращении приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88 остальные коленчатые рычаги 94 придают вращение соответствующим валам лопаток, которые в свою очередь придают вращение входным направляющим лопаткам 58. По существу, вращение ведущего вала 66 непосредственно (например, без помощи коленчатых рычагов 94 или сочленений 96) придает вращение ведущей входной направляющей лопатке 58 и с помощью приводного кольца 90 опосредованно (например, посредством коленчатых рычагов 94 или сочленений 96) придает вращение остальным входным направляющим лопаткам 58.

На фиг. 5 показано изображение в разобранном виде одного из примеров осуществления центробежной ступени 48 компрессора, на котором дополнительно проиллюстрирована пригонка различных компонентов друг к другу. Как показано, внутри спиральной камеры 54 может помещаться впускной кожух 76. В частности, в некоторых вариантах осуществления впускной кожух 76 может быть привинчен болтами или иным способом соединен со спиральной камерой 54 и образует единый узел 100 компрессора. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления остальные компоненты центробежной ступени 48 компрессора могут быть соединены друг с другом в единый съемный блок 102 входных направляющих лопаток. Например, в некоторых вариантах осуществления для крепления внутреннего корпуса 88 к наружному корпусу 74 могут использоваться винты с головкой, а для крепления разделительного кольца 62 к наружному корпусу 74 могут использоваться винты с потайной головкой. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления блок 102 входных направляющих лопаток может быть соединен с узлом 100 компрессора. Например, в некоторых вариантах осуществления винты с головкой могут проходить через наружный корпус 74, разделительное кольцо 62 и впускной кожух 76 и входить в резьбовые отверстия в спиральной камере 54. Следует отметить, что многие из компонентов, которые могут быть отнесены к узлу 104 привода входных направляющих лопаток (например, включая ведущий вал 66, коленчатые рычаги 94, сочленения 96, валы лопаток, входные направляющие лопатки 58 и т.п.), будут подробнее описаны далее со ссылкой на фиг. 8-10. Все компоненты, которые проиллюстрированы на фиг. 5 как часть блока 102 входных направляющих лопаток, могут быть выполнены с возможностью извлечения как из узла 100 компрессора, так и из других компонентов блока 102 входных направляющих лопаток.

На фиг. 6А и 6Б показаны местные виды в поперечном разрезе примеров осуществления спиральной камеры 54, впускного кожуха 76 и блока 102 входных направляющих лопаток центробежной ступени 48 компрессора. Как показано на фиг. 6А, газ может подаваться в блок 102 входных направляющих лопаток по центральной оси 50, как показано стрелкой 52, поступать в центральную полость 78 внутри впускного кожуха 76, подвергаться сжатию рабочим колесом 80, выпускаться в спиральную камеру 54, как показано стрелками 86, и, наконец, выходить из спиральной камеры 54, как показано стрелкой 56.

Тем не менее, на фиг. 6А показан съемный блок 102 входных направляющих лопаток, соединенный с впускным кожухом 76 и спиральной камерой 54. В отличие от этого на фиг. 6Б показан блок 102 входных направляющих лопаток, выполненный отдельно как от впускного кожуха 76, так и спиральной камеры 54 (например, узла 100 компрессора). В действительности, возможность извлечения блока 102 входных направляющих лопаток из впускного кожуха 76 и спиральной камеры 54 является одним из преимуществ настоящего изобретения. В частности, блок 102 входных направляющих лопаток может быть установлен в горловине впускного кожуха 76 и при этом с возможностью легкого извлечения блока 102 входных направляющих лопаток. За счет этого обеспечивается более высокая гибкость технического обслуживания блока 102 входных направляющих лопаток и его соответствующих компонентов, а также возможность эксплуатации центробежной ступени 48 компрессора при более высоком давлении. Кроме того, за счет того, что приводное кольцо 90, внутренний корпус 88 и узел 104 привода входных направляющих лопаток помещаются в узле 100 компрессора, блок 102 входных направляющих лопаток может быть выполнен в целом значительно меньшим по размеру и весу, чем обычные блоки направляющих лопаток, таких как внешняя направляющая лопатка 36, показанная на фиг. 1, и при этом с возможностью выдерживать более высокие рабочие давления. Иными словами, узел 100 компрессора используется как оболочка для приводного кольца 90, внутреннего корпуса 88 и узла 104 привода входных направляющих лопаток вместо использования отдельной оболочки помимо узла 100. Таким образом, блок 102 входных направляющих лопаток является не автономным, а после сборки входит в узел 100 компрессора.

На фиг. 7А и 7Б показаны виды в перспективе примеров осуществления блока 102 входных направляющих лопаток, на которых проиллюстрированы входные направляющие лопатки 58 при частично открытой ориентации и закрытой ориентации соответственно. В частности, на фиг. 7А показаны входные направляющие лопатки 58 при частично открытой ориентации. Иными словами, входные направляющие лопатки 58 ориентированы под определенным углом к плоскости, лежащей ортогонально центральной оси 50. В отличие от этого на фиг. 7Б показаны входные направляющие лопатки 58 при закрытой ориентации. Иными словами, входные направляющие лопатки 58 ориентированы в плоскости, лежащей ортогонально центральной оси 50. Следует отметить, что на фиг. 7Б не показано приводное кольцо 90, чтобы упростить изображение входных направляющих лопаток 58 при закрытой ориентации. В вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг. 7А и 7Б, используются 8 треугольных входных направляющих лопаток 58. Тем не менее, в других вариантах осуществления может использоваться другое число (например, 4, 6, 10, 12 и т.д.) входных направляющих лопаток 58. Кроме того, как отмечалось выше, входные направляющие лопатки 58 образуют единое целое со съемным блоком 102 входных направляющих лопаток, который может непосредственно устанавливаться в горловине ступени сжатия (например, узла 100 компрессора) с возможностью извлечения из нее. В этом состоит отличие, например, от внешней направляющей лопатки 36, проиллюстрированной выше на фиг. 1, а также от направляющих лопаток, которые непосредственно встроены в узел 100 компрессора.

На фиг. 8 показано изображение в разобранном виде одного из примеров осуществления блока 102 входных направляющих лопаток. Кроме того, на фиг. 8 показаны основные компоненты узла 104 привода входных направляющих лопаток. Как описано выше, узел 104 привода входных направляющих лопаток может иметь ведущий вал 66, коленчатые рычаги 94, сочленения 96 и входные направляющие лопатки 58. Кроме того, узел 104 привода входных направляющих лопаток может иметь упомянутые выше валы 106 лопаток, включая вал 108 основной лопатки. Как показано, каждый вал 106 лопатки может иметь входную направляющую лопатку 58, прикрепленную к концу вала 106. Как описано выше, вращение ведущего вала 66 вокруг 68, как показано стрелкой 70, может придавать непосредственное вращение валу 108 основной лопатки и тем самым регулировать ориентацию основной направляющей лопатки 110 (например, основной входной направляющей лопатки 58, 110). Иными словами, ведущий вал 66 и вал 108 основной лопатки (и основная входная направляющая лопатка 110) вращаются вокруг общей оси 68 вращения в непосредственном согласии друг с другом.

Как также описано выше, вращение ведущего вала 66 вокруг оси 68 может придавать опосредованное вращение остальным (вспомогательным) валам 106 за счет придания приводному кольцу 90 вращения относительно внутреннего корпуса 88. В частности, вращение ведущего вала 66 также может придавать вращение ведущему коленчатому рычагу 98. Затем вращение ведущего коленчатого рычага 98 посредством соответствующего сочленение 96 может передаваться приводному кольцу 90. Остальные сочленения 96, прикрепленные к приводному кольцу 90, могут придавать вращение соответствующим коленчатым рычагам 94, которые в свою очередь придают вращение соответствующим валам 106 и тем придают вращение остальным (вспомогательным) входным направляющим лопаткам 58. По существу, ориентация всех входных направляющих лопаток 58 может быть преимущественно синхронизирована. Следует отметить, что в отличие от вала 108 основной лопатки ведущий вал 66 и вспомогательные валы 106 (и вспомогательные входные направляющие лопатки 58) не вращаются вокруг общей оси вращения в непосредственном согласии друг с другом.

На фиг. 9 показано изображение в разобранном виде некоторых компонентов одного из примеров осуществления узла 104 привода входных направляющих лопаток. В частности, ведущий вал 66 может быть соединен непосредственно с соединительным переходником 112. В проиллюстрированном варианте осуществления ведущий вал 66 может иметь конец 114 с выемкой, сопряженный с отверстием 116 с выемкой в соединительном переходнике 112, в результате чего соединительному переходнику 112 может передаваться крутящий момент от ведущего вала 66. Соединительный переходник 112 в свою очередь может быть установлен на ведущем коленчатом рычаге 98 для соединения ведущего коленчатого рычага 98 с ведущим валом 66. В некоторых вариантах осуществления между коленчатыми рычагами 94, такими как ведущий коленчатый рычаг 98, и валами 106 лопаток (например, валом 108 основной лопатки) может находиться пара антифрикционных упорных шайб 118 и антифрикционный вкладыш 120. Валы 106 лопаток (например, вал 108 основной лопатки) также могут иметь конец 122 с выемкой, сопряженный с коленчатыми рычагами 94 (например, ведущим коленчатым рычагом 98).

Как описано выше, вращение ведущего вала 66 может придавать непосредственное вращение валу 108 основной лопатки и, по существу, может непосредственно регулировать угловую ориентацию ведущей входной направляющей лопатки 110. Кроме того, вращение ведущего вала 66 может придавать вращение ведущему коленчатому рычагу 98, который в свою очередь посредством приводного кольца 90 может придавать опосредованное вращение остальным валам 106 лопаток. По существу, вращение ведущего вала 66 может опосредованно регулировать ориентацию остальных входных направляющих лопаток 58. В частности, как описано выше, вращение ведущего коленчатого рычага 98 посредством сочленения 96, прикрепленного к ведущему коленчатому рычагу 98, может передаваться приводному кольцу 90. Как показано на фиг. 9, сочленения 96 могут быть прикреплены к коленчатым рычагам 94, таким как ведущий коленчатый рычаг 98, посредством сферических подшипников 124, прикрепленных к одному из концов каждого коленчатого рычага 94. Как показано на фиг. 10, приводное кольцо 90 также может иметь сферические подшипники 124, к которым могут крепиться сочленения 96. В частности, на обоих концах сочленений 96 могут быть выполнены два круглых отверстия 126 (например, отверстия в форме глаза), в которые могут входить сферические подшипники 124. За счет сочленений 96 на сферических подшипниках может обеспечиваться передача вращения коленчатых рычагов 94 приводному кольцу 90 и от него, в результате чего может облегчаться корректировка ориентации приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88 с минимальным осевым смещением приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88.

Как описано выше, кулачковые следящие устройства 92, прикрепленные к приводному кольцу 90, могут дополнительно облегчать согласование осей приводного кольца 90 и внутреннего корпуса 88. На фиг.10 показан местный вид сбоку блока 102 входных направляющих лопаток. Как показано на фиг.10, кулачковые следящие устройства 92 могут иметь клиновидные канавки 128, которые сопрягаются с клиновидной направляющей 130 на наружной поверхности 132 внутреннего корпуса 88. В частности, клиновидная направляющая 130 представляет собой круговую направляющую, проходящую по окружности наружной поверхности 132 внутреннего корпуса 88. Таким образом, кулачковые следящие устройства 92 направляются по круговой направляющей через границу между клиновидными канавками 128 и клиновидной направляющей 130. При вращении приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88, как показано стрелкой 134, кулачковые следящие устройства 92 перемещаются по клиновидной направляющей 130, сводя к минимуму осевое перемещение приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88.

Как описано выше, при вращении приводного кольца 90 относительно внутреннего корпуса 88, как показано стрелкой 134, сочленения 96 могут придавать вращение коленчатым рычагам 94, как показано стрелками 136. Поскольку коленчатые рычаги 94 соединены с валами 106 лопаток, вращение коленчатых рычагов 94 придает вращение валам 106 лопаток и тем самым вызывает вращение входных направляющих лопаток 58 на конце каждого соответствующего вала 106.

Как описано выше, пневматический цилиндр 72 может обеспечивать защиту от утечек для сведения к минимуму утечки сжатого газа на протяжении ведущего вала 66. На фиг.11 показан местный вид в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ведущего вала 66, разделительного кольца 62 и пневматического цилиндра 72. Как показано, в некоторых вариантах осуществления ведущий вал 66 может иметь множество канавок 138 (например, кольцевых канавок), которые проходят вокруг ведущего вала 66 и внутри которых помещается уплотнения, такие как скользящие уплотнительные кольца (например, кольцевые уплотнения), для блокирования определенного количества газа, утекающего на протяжении ведущего вала 66. В проиллюстрированном варианте осуществления предусмотрены три канавки 138, хотя в других вариантах осуществления может быть предусмотрено другое число канавок 138 (например, одна, две, четыре или пять канавок).

Кроме того, пневматический цилиндр 72 также может иметь впускное окно 140 с буфером и выпускное окно 142 с буфером. В некоторых вариантах осуществления во впускное окно 140 с буфером может нагнетаться буферный газ (например, воздух или другой некоррозионный газ) под повышенным давлением, в результате чего может быть преодолено давление технологического газа, утекающего на протяжении ведущего вала 66. В результате, технологический газ, утекающий на протяжении ведущего вала 66, может вытесняться через выпускное окно 142 с буфером, а не вытекать дальше на протяжении ведущего вала 66. Как показано, как впускное, так выпускное окна 140, 142 с буфером обычно могут находиться в уплотненных областях 144 на протяжении ведущего вала 66. Иными словами, как впускное, так выпускное окна 140, 142 с буфером обычно могут находиться на протяжении ведущего вала 66 между парами канавок 138 и соответствующих уплотнений.

В вариантах осуществления изобретения обеспечивается несколько выгод. Например, за счет использования блока 102 входных направляющих лопаток в непосредственной близости от узла 100 компрессора (например, установленный в горловине узла 100 компрессора), а не снаружи, как в случае направляющей лопатки 36, показанной на фиг.1, может быть сведено к минимуму пространство, занимаемое каждой отдельной центробежной ступенью 48 компрессора. Кроме того, также может быть снижена потребность во внешних опорах. Тем не менее, при использовании съемного блока 102 входных направляющих лопаток может облегчаться техническое обслуживание за счет возможности простого извлечения блока 102 входных направляющих лопаток и его компонентов из узла 100 компрессора. Кроме того, за счет приведения в действие входных направляющих лопаток 58 путем вращения ведущего вала 66 в радиальном направлении, а не смещения ведущего вала 66 в осевом направлении, снижается потребность в дорогостоящих и сложных методах уплотнения. Вместо этого функции уплотнения и вентиляции может в достаточной степени обеспечивать описанный пневматический цилиндр 72 путем нагнетания буферного газа под давлением через впускное окно 140 с буфером и вытеснения буферного газа, а также технологического газа, утекающего на протяжении ведущего вала 66, через выпускное окно 142 с буфером. Кроме того, для обеспечения минимального осевого смещения между приводным кольцом 90 и внутренним корпусом 88 может быть выгодным использовать кулачковые следящие устройства 92.

Хотя изобретение допускает различные усовершенствования и альтернативные формы, на чертежах в порядке примера проиллюстрированы и далее подробно описаны конкретные варианты его осуществления. Вместе с тем, подразумевается, что описание конкретных вариантов осуществления не имеет целью каким-либо образом ограничить изобретение частными раскрытыми формами, а напротив изобретение считается охватывающим все усовершенствования, эквиваленты и альтернативы, входящие в пределы существа и объема изобретения, охарактеризованного приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к компрессоростроению. Описана система для сжатия газа, которая в некоторых вариантах осуществления содержит блок входных направляющих лопаток. Блок входных направляющих лопаток имеет множество входных направляющих лопаток, образующих радиальную структуру вокруг центральной оси и способных вращаться вокруг осей, ортогональных центральной оси. Блок входных направляющих лопаток также имеет множество валов лопаток, каждый из которых соединен с соответствующей входной направляющей лопаткой и способен вращаться вместе с соответствующей входной направляющей лопаткой вокруг соответствующей ортогональной оси. Блок входных направляющих лопаток дополнительно имеет ведущий вал, соединенный непосредственно с одним из валов лопаток и способный придавать непосредственное вращение валу лопатки, с которым он непосредственно соединен, и придавать опосредованное вращение остальным валам лопаток из множества валов лопаток. Кроме того, блок входных направляющих лопаток имеет вращательный привод, соединенный с ведущим валом и способный придавать вращение ведущему валу. Изобретение направлено на уменьшение габаритов компрессора и упрощение конструкции. 10 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Система для сжатия газа, содержащая блок входных направляющих лопаток, который в свою очередь содержит: множество входных направляющих лопаток, образующих радиальную структуру вокруг центральной оси и способных вращаться вокруг осей, ортогональных центральной оси, ведущий вал, соединенный с основной входной направляющей лопаткой из множества входных направляющих лопаток, при этом вращение ведущего вала приводит к вращению основной входной направляющей лопатки вокруг общей оси вращения, и указанное вращение ведущего вала придает вспомогательным входным направляющим лопаткам из множества входных направляющих лопаток вращение вокруг соответствующих осей, смещенных от общей оси вращения, и вращательный привод, соединенный с ведущим валом и способный придавать вращение ведущему валу.

2. Система по п.1, в которую входит узел компрессора, соединенный с блоком входных направляющих лопаток, при этом узел компрессора имеет впускной кожух и спиральную камеру.

3. Система по п.1, в которой блок входных направляющих лопаток имеет пневматический цилиндр, расположенный вокруг ведущего вала, при этом пневматический цилиндр имеет впускное окно с буфером для впуска буферного газа и выпускное окно с буфером для вытеснения буферного газа и технологического газа, утекающего на протяжении ведущего вала.

4. Система по п.3, в которой ведущий вал имеет множество канавок, проходящих по окружности вокруг ведущего вала, а впускное и выпускное окна с буфером пневматического цилиндра расположены по оси между соседними канавками из множества канавок.

5. Система по п.4, в которой блок входных направляющих лопаток имеет множество уплотнений, а каждое уплотнение из множества уплотнений расположено внутри соответствующей канавки из множества канавок ведущего вала.

6. Система по п.1, содержащая множество валов лопаток, в которой каждый из множества валов лопаток соединен с соответствующей входной направляющей лопаткой из множества входных направляющих лопаток и скомпонован для вращения вместе с соответствующей входной направляющей лопаткой из множества входных направляющих лопаток вокруг соответствующей оси.

7. Система по п.6, в которой блок входных направляющих лопаток имеет множество коленчатых рычагов, где каждый коленчатый рычаг из множества коленчатых рычагов соединен с соответствующим валом лопатки из множества валов лопаток и скомпонован для вращения вместе с соответствующим валом лопатки из множества валов лопаток.

8. Система по п.7, в которой блок входных направляющих лопаток имеет: внутренний корпус, расположенный вокруг центральной оси и окружающий множество входных направляющих лопаток, приводное кольцо, расположенное вокруг внутреннего корпуса, и множество сочленений, где каждое сочленение из множества сочленений соединено с соответствующим коленчатым рычагом из множества коленчатых рычагов и с приводным кольцом.

9. Система по п.8, в которой множество сочленений скомпоновано для обеспечения вращения приводного кольца относительно внутреннего корпуса при вращении множества коленчатых рычагов.

10. Система по п.8, в которой блок входных направляющих лопаток имеет множество кулачковых следящих устройств, соединенных с приводным кольцом, при этом каждое кулачковое следящее устройство из множества кулачковых следящих устройств содержит клиновидную канавку, сопряженную с клиновидной направляющей, проходящей по окружности вокруг наружной поверхности внутреннего корпуса.

11. Система по п.8, в которой каждое сочленение из множества сочленений содержит пару отверстий в форме глаза, сопряженных со сферическими подшипниками на множестве коленчатых рычагов и приводном кольце.