РЕВЕРСИВНАЯ СИСТЕМА ВВОДА И ВЫВОДА ГАЗА ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ МАШИН, РАБОТАЮЩИХ С ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ Российский патент 2015 года по МПК F04D17/14 

Настоящее изобретение относится к реверсивной системе ввода и вывода газа, предназначенной для вращательной машины, работающей с текучей средой, в частности для центробежного компрессора.

Как известно, компрессор представляет собой машину для повышения давления сжимаемой текучей среды (газа) с помощью механической энергии. Среди различных типов компрессоров, используемых в промышленности, есть так называемые центробежные компрессоры, в которых газ получает энергию в результате центробежного ускорения при вращении элемента (ротора), состоящего из одного или нескольких колес или центробежных роторов. Вращение осуществляется приводом (электродвигателем, паровой турбиной или газовой турбиной). Центробежные компрессоры могут иметь только один ротор (так называемая одноступенчатая конфигурация) или несколько последовательно расположенных роторов (многоступенчатые компрессоры). Каждая ступень центробежного компрессора обычно содержит трубу для всасывания газа, подлежащего сжатию; ротор, сообщающий газу кинетическую энергию, и трубу, соединяющую один ротор со следующим ротором и служащую для преобразования кинетической энергии газа, выходящего из ротора, в энергию давления. Такие трубы состоят из первой трубной части или диффузора для вывода газа из ротора, по существу U-образного фитинга или переходной части, и второй трубной части для ввода газа в следующий ротор, называемой обратным каналом.

Современные многоступенчатые центробежные компрессоры, используемые в нефтехимической промышленности, могут быть выполнены с системами ввода и/или вывода газа на промежуточных ступенях, т.е. с боковыми потоками. Типичными применениями таких компрессоров являются машины, работающие в рефрижераторных циклах, в которых используются газы с большим молекулярным весом, такие как пропан и пропилен. Эти газы вводятся или выводятся на промежуточных ступенях, в зависимости от технологических требований. Вывод или ввод газа обычно осуществляется через улитки, выполненные в статорных частях компрессора между двумя соседними ступенями и соединенные с наружным фланцем.

Обычно такая улитка имеет по существу форму спирали, которая проходит по периферии машины вокруг ее оси и поперечное сечение которой имеет такую форму, чтобы потери динамического давления текучей среды были как можно меньше.

Поскольку эффективность и нормальная работа компрессора зависят от аэродинамических потерь в его статорных частях, входные и выходные улитки должны иметь оптимальную геометрию, обеспечивающую правильное протекание газа как из компрессора к наружному фланцу (для систем вывода), так и из наружного фланца в компрессор (для систем ввода).

Современные центробежные компрессоры, снабженные червяками и соответствующими системами ввода и вывода газа на промежуточных ступенях, установленными на едином корпусе многоступенчатого компрессора, не позволяют оптимизировать поток газа при его вводе и выводе. Это в основном обусловлено тем, что в известных системах ввода и вывода газа на промежуточных ступенях используется улитка на каждой ступени, что приводит к большой потере напора, когда газ заставляют течь в компоненты системы в направлении, противоположном тому направлению течения газа, которое соответствует их конструкции. Иначе говоря, большие скорости газа в компрессоре приводят к большому снижению напора, если выходная улитка используется для ввода газа, и наоборот.

Следовательно, оптимальная работа компрессора в обоих режимах возможна только при условии, что центробежный компрессор имеет несколько отдельных корпусов, функционально связанных друг с другом посредством труб, соединяющих выходной фланец одного корпуса компрессора со всасывающим фланцем следующего корпуса.

Иначе говоря, если требуется высокоэффективная реверсивная система для ввода и вывода газа на промежуточных ступенях, то необходимо прерывать процесс сжатия с разделенными машинами и подавать боковой поток снаружи машины непосредственно в рабочую трубу. Однако это влечет за собой увеличение затрат (на изготовление машины, укладку фундаментов и т.п.) и снижение надежности (из-за увеличения количества вспомогательных устройств, соединительных труб и т.п.).

Основной целью изобретения является создание реверсивной системы ввода и вывода газа для работающей с текучей средой вращательной машины, которая не имеет указанных недостатков известных машин. В частности, целью изобретения является создание реверсивной системы ввода и вывода газа для работающей с текучей средой вращательной машины, которая позволяет оптимизировать поток газа как в режиме ввода газа, так и в режиме его вывода, без необходимости в очень длинной цепи сжатия, состоящей из нескольких статорных корпусов, соединенных друг с другом внешними трубами.

Другой целью изобретения является создание реверсивной системы ввода и вывода газа для вращательной машины, работающей с текучей средой, которая обладает эксплуатационной гибкостью для получения боковых потоков и при этом имеет преимущества в отношении надежности, простоты конструкции и сравнительно низкой стоимости компрессоров, имеющих только один статорный корпус.

Эти и другие цели достигаются путем создания реверсивной системы ввода и вывода газа для вращательной машины, работающей с текучей средой, в частности для центробежного компрессора, согласно п.1 формулы изобретения.

Другие особенности и преимущества изобретения указаны в зависимых пунктах его формулы.

Особенности и преимущества выполненной согласно изобретению реверсивной системы ввода и вывода газа для вращательной машины, работающей с текучей средой, станут более понятны из приведенного ниже описания и прилагаемых чертежей, которые не ограничивают изобретение. На чертежах:

фиг.1 схематично изображает с частичным разрезом обычный центробежный многоступенчатый компрессор, имеющий один статорный корпус и несколько роторов, закрепленных на валу между двумя опорными втулками;

фиг.2 изображает схему, поясняющую работу реверсивной системы ввода и вывода газа согласно изобретению, которая может использоваться в обычном центробежном многоступенчатом компрессоре;

фиг.3 схематично изображает вертикальный разрез центробежного многоступенчатого компрессора, в котором используется вариант выполнения реверсивной системы ввода и вывода газа, показанной на фиг.2; и

фиг.4 изображает в увеличенном масштабе вертикальный разрез части центробежного многоступенчатого компрессора, показанного на фиг.3.

На фиг.1 схематично изображен известный центробежный многоступенчатый компрессор 100, содержащий один статорный корпус 120, в котором на опорных втулках 160 установлен с возможностью вращения вал 140. На валу 140 закреплено несколько центробежных роторов 180, по одному на каждую ступень компрессора 100. Каждый ротор 180 имеет несколько расположенных по окружности лопастей, ориентированных по существу радиально. На корпусе 120 находятся трубы 220 для прохождения сжимаемой текучей среды (газа) с выхода первого ротора 180 на второй ротор следующей ступени компрессора и так далее, вплоть до вывода газа из компрессора 100.

Каждая труба 220 состоит из диффузора для вывода текучей среды (газа) из ротора 180, по существу U-образного фитинга или переходной части трубы, и обратного канала, не показанного на фиг.1, чтобы не усложнять чертеж.

Сжимаемая текучая среда (газ) поступает в компрессор 100 из входной улитки 239, проходит последовательно отдельные ступени компрессора 100 и выходит из него через выходную улитку 261 (путь газа показан стрелками F1).

Компрессор содержит также первую промежуточную входную улитку 240, выполненную в статорном корпусе 120 и служащую для соединения, с возможностью протекания текучей среды, первого бокового фланца 260 с трубой 220, и вторую промежуточную улитку 260 для соединения, с возможностью протекания текучей среды, второго бокового фланца 280 с трубой 220 следующей ступени. В зависимости от конкретных требований к системе, из боковых фланцев 260 и 280 в компрессор 100 может дополнительно вводиться текучая среда.

На фиг.2 изображен центробежный компрессор 10 согласно варианту осуществления изобретения, имеющий несколько ступеней, показанных схематично. В первую ступень 20 поступает газ, а после последней ступени 24 газ выводится из компрессора 10 (путь газа показан стрелками F10).

Перед первой, по ходу газа, ступенью 20 предпочтительно расположена сообщающаяся с ней входная улитка 23 для всасывания газа, подлежащего сжатию в компрессоре, например, из накопительного резервуара 30 или другого устройства системы. За последней, по ходу газа, ступенью 24 установлена соединенная с ней функционально выходная улитка 26 для вывода газа, сжатого компрессором 10. Между первой ступенью 20 и последней ступенью 24 компрессора 10 предпочтительно установлены три промежуточные ступени 32А, 32В и 32С, позволяющие повысить общий коэффициент сжатия газа компрессором.

Описанный центробежный компрессор 10 представлен только в качестве примера. В зависимости от конкретного применения может использоваться компрессор другого типа, например с другим количеством ступеней или не имеющий входной улитки 23 или какого-либо другого элемента.

Согласно варианту осуществления изобретения, в дополнение к первой всасывающей улитке 23 и последней выходной улитке 26 компрессор 10 снабжен боковой системой 40 ввода и боковыми реверсивными системами 41А и 41В ввода и/или вывода газа на промежуточных ступенях 32А, 32В и 32С, так что на каждой ступени можно получить так называемый «боковой поток» газа.

В зависимости от требований, реверсивные системы 41А и 41В ввода и/или вывода газа позволяют на соответствующих промежуточных ступенях 32В и 32С, с которыми они связаны, вводить или выводить дополнительное количество газа, поступающего из специальных соединительных каналов С1, С2, С3 и С4, и/или выводить из этих промежуточных ступеней газ с данным промежуточным давлением, которое ниже максимального давления, достигаемого на выходе из компрессора 10, с целью подачи газа в специальную систему или накопительный резервуар, обозначенные на фиг.2 позициями 34А и 34В (см. также фиг.3 и 4).

Такие реверсивные системы 41А и 41В ввода и/или вывода предпочтительно связаны с некоторыми промежуточными ступенями 32В и 32С многоступенчатого компрессора 10, как в случае описанного здесь варианта осуществления изобретения, но эти системы могут быть связаны со всеми ступенями компрессора 10 или только с последней 24 и/или первой 20 ступенями. Или же они могут быть установлены на одноступенчатом центробежном компрессоре или на других элементах, в пределах объема настоящего изобретения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, для должной работы (в плане общей эффективности) бокового потока газа, как при его вводе в компрессор 10, так и при выводе из него, каждая реверсивная система 41А и 41В содержит соответствующие входные улитки 36А и 36 В и соответствующие выходные улитки 38А и 38В. Таким образом, каждая промежуточная ступень 32А-32С имеет первую выходную улитку 38А-38В и второю входную улитку 36А-36В, установленные в едином статорном корпусе 12. Каждый червяк 36А-36В и 38А-38В сообщается с соответствующим выходным боковым фланцем 43А, 43В, 43С и 34D.

Входные 36А-36В и выходные 38А-38В улитки выполнены так, что коэффициенты гидравлических потерь имеют малую величину только при прохождении газа через соответствующую улитку в предназначенном для него направлении. Это позволяет удовлетворительно использовать каждую выполненную согласно изобретению реверсивную систему 41А-41В ввода и вывода газа даже при отсутствии изолирующих клапанов, т.е. когда фланцы 43A-43D просто соединены с соответствующими трубами для всасывания газа и удаления газа из накопительных резервуаров 34А-34В или специальных устройств системы.

На фиг.3, изображающей вертикальный разрез центробежного компрессора 10 согласно фиг.2, видно, что сжимаемая текучая среда (газ) поступает в компрессор 10 из входного фланца 50 во входной червяк 23, из которого направляется к ступеням 20, 32А, 32В, 32С и 24 компрессора 10 и выходит из компрессора 10 через выходную улитку 26 (путь газа показан стрелками F10).

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, компрессор 10 содержит единый статорный корпус или кожух 12, на котором неподвижно закреплен статорный элемент или перегородка 13 и внутри которого на нескольких опорных втулках 16 установлен с возможностью вращения вал 14.

Каждая ступень 20, 32А, 32В, 32С и 24 содержит центробежный ротор 18, 18А, 18В, 18С и 18D, соответственно, а также трубы 22А, 22В, 22С, 22D и 22Е, соответственно, для прохождения сжимаемой текучей среды (газа) с выхода ротора данной ступени к ротору следующей ступени до тех пор, пока текучая среда не выйдет из компрессора 10. Трубы 22А, 22В, 22С, 22D и 22Е имеют такую форму, что увеличение скорости текучей среды, достигаемое в роторах 18, 18А, 18 В, 18С и 18D, преобразуется в увеличение давления.

Компрессор 10 содержит первую входную улитку 35, выполненную в перегородке 13 и служащую для ввода текучей среды, поступающей из первого бокового фланца 43, расположенного, по ходу газа, за трубой 22А. Первая входная улитка 35 расположена радиально относительно вала 14 и служит для введения, по ходу газа за первым ротором 18, дополнительного потока текучей среды из системы или внешнего накопительного резервуара 33А.

Текучая среда проходит через второй ротор 18А и трубу 22В к третьему ротору 18В. Труба 22В содержит реверсивную систему 41А ввода и/или вывода, имеющую выходную улитку 38А и входную улитку 36В, описанные более подробно при рассмотрении фиг.4.

Затем текучая среда проходит через третий ротор 18В и трубу 22С, связанную с реверсивной системой 41В ввода и/или вывода, состоящей из выходной улитки 38В, служащей для вывода части рабочей текучей среды, и входной улитки 36В, служащей для ввода дополнительного потока текучей среды после ротора 18В.

После прохождения через трубу 22С текучая среда проходит через четвертый ротор 18С и трубу 22D к последнему ротору 18D без дополнительного ввода или вывода газа. После ротора 18D текучая среда проходит через трубу 22Е к выходной улитке 26 и выходит из компрессора 10 через фланец 51.

На фиг.4, где в увеличенном масштабе показана часть компрессора 10 согласно фиг.3, видны труба 22А, ротор 18А, труба 22В и последовательно расположенные роторы 18В, 18С и 18D.

Труба 22В имеет первую трубную часть 19А или диффузор для приема текучей среды из ротора 18А, по существу U-образный промежуточный фитинг 19В или переходную часть, и вторую трубную часть 19С или обратный канал, из которого текучая среда поступает в следующий ротор 18В.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3 и 4, выходная улитка 38А сообщается с трубой 22В на конце ее диффузора 19А через соединительный канал С1, форма которого облегчает протекание текучей среды из трубы 22В с минимальными динамическими потерями давления.

Входная улитка 36А предпочтительно сообщается с трубой 22В за ее фитингом 19В, по ходу газа, через соединительный канал С2, форма которого облегчает протекание текучей среды к трубе 22В с минимальными динамическими потерями давления.

Улитки 36А и 38В соединены с соответствующими фланцами 43А и 43В корпуса 12, которые могут быть изолированы при помощи соответствующих клапанов 44А и 44В от остальной части системы или резервуара 34А, расположенных вне компрессора 10 (см. фиг.2 и 3).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения следующая труба 22С имеет диффузор 29А, промежуточный фитинг или переходную часть 29В и обратный канал 29С.

Выходная улитка 38А сообщается также с трубой 22С на конце диффузора 29А через соединительный канал С3, форма которого облегчает протекание текучей среды из трубы 22С с минимальными динамическими потерями давления.

Входная улитка 36В сообщается с трубой 22С за ее обратным каналом 29С, по ходу газа (но не за фитингом, как червяк 36А), через соединительный канал С4, форма которого облегчает протекание текучей среды к трубе 22С с минимальными динамическими потерями давления.

Следует заметить, что соединительные каналы С1, С2 и С3, С4 могут сообщаться с трубами 22В и 22С в любом другом месте, т.е. предпочтительный вариант осуществления изобретения согласно фиг.4 представлен только для примера и не ограничивает изобретение.

Улитки 38В и 36В соединены с соответствующими фланцами 43С и 43D корпуса 12, которые могут быть изолированы при помощи соответствующих клапанов 44С и 44D от остальной части системы или резервуара 34В, расположенных вне компрессора 10 (см. фиг.2 и 3).

Регулировка «бокового потока» газа через каждую реверсивную систему 41А-41В может осуществляться полуавтоматически или предпочтительно автоматически при помощи специальной приводной и управляющей системы.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения конструкция улиток 38А, 36А, 38В и 36В может быть образована путем выполнения модульной перегородки 13 с множеством элементов, на боковых поверхностях которых могут находиться, по меньшей мере частично, указанные улитки. Эти боковые поверхности можно легко и дешево обработать обычными инструментами для механической обработки.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения (см. фиг.4) перегородка 13 каждой из ступеней 32А и 32В состоит, соответственно, из промежуточной перегородки 13А и 13В, отклоняющей перегородки 13С и 13D и соединительной перегородки 13Е и 13F. Промежуточные перегородки 13А и 13В и соединительные перегородки 13Е и 13F закреплены на статорном корпусе 12, а отклоняющие перегородки 13С и 13D закреплены на промежуточных перегородках 13А и 13В при помощи крепежных элементов или статорных лопаток 15. В этом случае входная 36А и выходная 38А улитки первой ступени 41А выполнены в промежуточных перегородках 13А и 13В, а входная 36В и выходная 38В улитки второй ступени 41В выполнены в соединительной перегородке 13F, в пределах имеющегося пространства.

Очевидно, что такие улитки и/или перегородки могут использоваться с другими системами или для других способов работы, в зависимости от конкретной конструкции или рабочих требований.

Следует иметь в виду, что улитка представляет собой по существу спиралевидный элемент, проходящий по окружности машины (как было указано выше), однако он может иметь другую форму или другое поперечное сечение, в зависимости от конкретной конструкции или рабочих требований.

Из данного описания должно быть понятно, что выполненная согласно изобретению реверсивная система ввода и вывода газа для работающей с текучей средой вращательной машины обеспечивает достижение указанных выше целей. Такие системы могут использоваться для получения центробежного компрессора с боковым введением газа для достижения оптимальной аэродинамической эффективности как при выводе газа, так и при его вводе в машину, при этом компрессор, имеющий один статорный корпус, будет иметь преимущества в отношении стоимости и надежности, а компрессор, имеющий несколько отдельных корпусов, - в отношении общей эффективности.

Реверсивная система ввода и вывода газа для вращательной машины, работающей с текучей средой, согласно изобретению, допускает различные модификации и может иметь другие варианты выполнения в пределах концепции изобретения. Все детали машины могут быть заменены технически эквивалентными элементами. Используемые материалы, а также форма и размеры элементов могут быть изменены в соответствии с техническими требованиями. Объем изобретения определяется его формулой.

Система ввода и вывода газа предназначена для работающей с текучей средой вращательной машины, содержащей по меньшей мере один статорный корпус, одну первую ступень для приема газа, поступающего в машину, одну последнюю ступень, после которой газ выводится из машины, и по меньшей мере одну промежуточную ступень, расположенную между первой ступенью и последней ступенью. Каждая ступень состоит из одного центробежного ротора и связанной с ним неподвижной трубы, выполненной на указанном статорном корпусе. Система содержит по меньшей мере одну первую улитку для вывода газа из машины и по меньшей мере одну вторую улитку для ввода газа в машину, которые функционально связаны с по меньшей мере одной ступенью машины. Система позволяет вводить и/или выводить газ реверсивным образом по меньшей мере через одну из ступеней машины. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система ввода и вывода газа для работающей с текучей средой вращательной машины (10), содержащей по меньшей мере один статорный корпус (12), одну первую ступень (20) для приема газа, поступающего в машину (10), одну последнюю ступень (24), после которой газ выходит из машины (10), и по меньшей мере одну промежуточную ступень (32А, 32В, 32С), расположенную между первой ступенью (20) и последней ступенью (24), причем каждая ступень (20, 24, 32А, 32В, 32С) состоит из одного центробежного ротора (18, 18A, 18B, 18C, 18D) и связанной с ним неподвижной трубы (22A, 22B, 22C, 22D, 22E), выполненной на указанном одном статорном корпусе (12), отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну первую улитку (38А, 38В) для вывода газа из машины (10) и по меньшей мере одну вторую улитку (36А, 36В) для ввода газа в машину (10), причем обе улитки функционально связаны с по меньшей мере одной ступенью (20, 32А, 32В, 32С, 24) машины (10) так, что обеспечивается возможность ввода и/или вывода газа реверсивным образом через указанную по меньшей мере одну ступень (20, 32А, 32В, 32С, 24) машины (10).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первая улитка (38А, 38В) для вывода газа и вторая улитка (36А, 36В) для ввода газа установлены на статорном корпусе (12) рядом друг с другом.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первая улитка (38А, 38В) для вывода газа сообщается с указанной трубой (22В, 22С) на конце ее диффузора (19А, 29А) через соединительный канал (С1, С3), форма которого облегчает протекание текучей среды к этой трубе (22В, 22С), минимизируя динамические потери давления текучей среды.

4. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вторая улитка (36А) для ввода газа сообщается с указанной трубой (22В) за ее фитингом (19В), по ходу газа, через соединительный канал (С2), форма которого облегчает протекание текучей среды к этой трубе (22В), минимизируя динамические потери давления текучей среды.

5. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вторая улитка (36В) для ввода газа сообщается с указанной трубой (22С) за ее обратным каналом (29С), по ходу потока, через соединительный канал (С4), форма которого облегчает протекание текучей среды к этой трубе (22С), минимизируя динамические потери давления текучей среды.

6. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первая улитка (38А, 38В) для вывода газа и вторая улитка (36А, 36В) для ввода газа выполнены так, что коэффициенты гидравлических потерь имеют малую величину только при прохождении газа через улитку (38А, 38В) для вывода газа и/или улитку (36А, 36В) для ввода газа в направлении, для которого она предназначена.

7. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первая улитка (38А, 38В) для вывода газа и вторая улитка (36А, 36В) для ввода газа соединены с соответствующими двумя фланцами (43A, 43B, 43C, 43D), разделенными указанным одним статорным корпусом (12).

8. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первая улитка (38А, 38В) для вывода газа и вторая улитка (36А, 36В) для ввода газа выполнены на боковых поверхностях элементов (13A-13F), которые при соединении друг с другом образуют перегородку (13) статорного корпуса (12).

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанные фланцы (43А, 43В, 43С, 43D) изолированы от остальной части системы, расположенной снаружи машины (10), при помощи соответствующих клапанов (44А, 44В, 44С, 44D).

10. Вращательная машина (10), работающая с текучей средой, отличающаяся тем, что она содержит систему ввода и вывода газа (41А, 41В) согласно любому из предыдущих пунктов.

11. Вращательная машина (10), работающая с текучей средой, по п.10, отличающаяся тем, что она представляет собой центробежный компрессор.