УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ТОРЦЕВОЙ КРЫШКИ КОМПРЕССОРА Российский патент 2015 года по МПК F04D29/12 F04D29/58 F04D29/62 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Иллюстративные варианты выполнения относятся в целом к компрессорам и, в частности, к выполнению тепловых барьеров для обеспечения бесперебойной работы компрессора в широком диапазоне температур.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Компрессор представляет собой механизм, который увеличивает давление сжимаемой текучей среды, например газа, за счет использования механической энергии. Компрессоры используются в целом ряде различных приложений и в целом ряде производственных процессов, включая производство электроэнергии, сжижение природного газа и в других процессах. Среди различных типов компрессоров, используемых в таких процессах и технологических установках, имеются так называемые центробежные компрессоры, в которых механическая энергия действует на входе газа в компрессор путем центробежного ускорения, например путем вращения рабочего колеса центробежного компрессора

[0003] Центробежные компрессоры могут быть снабжены одним рабочим колесом, то есть иметь одноступенчатую конфигурацию, или несколькими рабочими колесами, расположенными в ряд, и в этом случае их называют многоступенчатыми компрессорами. Каждая из этих ступеней центробежного компрессора обычно содержит входной канал для сжимаемого газа, рабочее колесо, способное придать кинетическую энергию поступающему газу, и диффузор, который преобразует кинетическую энергию газа, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.

[0004] Многоступенчатый компрессор 100 изображен на Фиг.1. Компрессор 100 содержит вал 120 и несколько рабочих колес 130. Вал 120 и рабочее колесо 130 образуют ротор, который поддерживается подшипниками 190 и 190' и герметично закрыт от внешней среды уплотнениями 180 и 180'.

[0005] Многоступенчатый центробежный компрессор работает так, что в него поступает технологический газ из входного канала 160 для увеличения давления технологического газа путем приведения в действие ротора, а затем технологический газ выпускается из компрессора через выходной канал 170 при выходном давлении, которое выше, чем давление на входе. Технологический газ может, например, представлять собой один из следующих газов: углекислый газ, сероводород, бутан, метан, этан, пропан, сжиженный природный газ или их комбинацию. Между рабочим колесом 130 и подшипниками 190 и 190' расположены уплотнения 180 и 180' для предотвращения протекания технологического газа к подшипникам.

[0006] Каждое из рабочих колес 130 увеличивает давление технологического газа. Каждое колесо 130 может считаться одной из ступеней многоступенчатого компрессора 100. Дополнительные ступени, следовательно, приводят к увеличению отношения выходного давления к входному давлению.

[0007] Компрессоры в нефтяной и газовой промышленности и в электростанциях работают с разной температурой газа. Температура варьируется от криогенных до очень высоких температур. Внутренние поверхности компрессоров, работающих на газе, выделяющемся при кипении (BOG), подвергаются воздействию криогенных температур, тогда как наружные поверхности компрессора подвергаются воздействию атмосферной температуры. Криогенная температура приводит к тепловому сжатию компонентов. Из-за вариации температуры на различных участках сжатие является не равномерным. Неравномерное сжатие уменьшает допуск и/или создает люфт между соседними элементами и влияет на производительность компрессора. В BOG компрессорах дифференциальное термическое сжатие между уплотнениями 180 и 180' (в целом, механические уплотнения или сухие газовые уплотнения), торцевой крышкой 140 и 140' (которые могут также включать нагреваемый держатель уплотнения), подшипниками 190 и 190' и валом 120 создает между ними люфт и влияет на нормальную работу компрессора.

[0008] В целях устранения или уменьшения термического напряжения во всем диапазоне рабочих температур сухие газовые уплотнения 180 и 180' заключены в нагреваемые держатели 140 и 140' для уплотнения, которые также выступают в качестве тепловых экранов.

[0009] Было бы желательно свести к минимуму тепловые напряжения и механические напряжения в сухом газовом уплотнении и в торцевой крышке, установив вокруг сухого газового уплотнения тепловой барьер для обеспечения бесперебойной работы BOG компрессора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Системы и способы, выполненные в соответствии с этими иллюстративными вариантами выполнения, обеспечивают радиальные и аксиальные тепловые барьеры для сведения к минимуму теплового напряжения и механического напряжения, которые действуют на механическое уплотнение и торцевую крышку, путем установки теплового барьера вокруг механического уплотнения для обеспечения бесперебойной работы BOG компрессора.

[0011] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения торцевая крышка компрессора для обеспечения теплового барьера вблизи механического уплотнения содержит внутреннюю крышку и наружную крышку. Наружная торцевая крышка имеет отверстие, выполненное в центре и предназначенное для охватывания внутренней торцевой крышки, выходное отверстие и канавки, проходящие по боковым поверхностям смежно в радиальном направлении с указанным отверстием. Внутренняя крышка имеет отверстие в центре, входное отверстие, канавки, выполненные в указанном отверстии для охватывания торцевой части вала компрессора, и проточный проход, проходящий вдоль наружной поверхности.

[0012] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения торцевая крышка компрессора для обеспечения теплового барьера вблизи механического уплотнения содержит внутреннюю крышку и наружную крышку. Внутренняя торцевая крышка имеет отверстие в центре, входное отверстие, канавки, выполненные в указанном отверстии для охватывания торцевой части вала компрессора. Наружная торцевая крышка имеет отверстие в центре для охватывания внутренней торцевой крышки, выходное отверстие, канавки, проходящие по боковым поверхностям смежно в радиальном направлении с указанным отверстием, входную камеру, соединенную с входным отверстием, выходную камеру, соединенную с выходным отверстием, и аксиальные каналы, соединяющие входную камеру и выходную камеру.

[0013] В соответствии с другим вариантом выполнения компрессор содержит вал, рабочие колеса, уплотнения, внутреннюю торцевую крышку и наружную торцевую крышку, расположенные вблизи уплотнений. Наружная торцевая крышка в центре имеет отверстие для охватывания внутренней торцевой крышки, выходное отверстие и канавки, проходящие по боковым поверхностям смежно в радиальном направлении с указанным отверстием. Внутренняя крышка имеет отверстие в центре, входное отверстие, канавки, выполненные в указанном отверстии для охватывания торцевой части вала компрессора, и проточный проход, проходящий вдоль наружной поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Прилагаемые чертежи иллюстрируют иллюстративные варианты выполнения, на которых:

[0015] Фиг.1 изображает многоступенчатый компрессор;

[0016] Фиг.2 изображает торцевую крышку сухого газового уплотнения, выполненную в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0017] Фиг.3 и 4 изображают виды в разрезе торцевой крышки сухого газового уплотнения, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0018] Фиг.5 и 6 изображают внутреннюю и наружную стороны наружной торцевой крышки, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0019] Фиг.7 изображает вид в разрезе наружной торцевой крышки, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0020] Фиг.8 и 9 изображают внутренний и наружный виды в разрезе внутренней торцевой крышки, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0021] Фиг.10 изображает проточный проход для масла во внутренней торцевой крышке, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0022] Фиг.11 изображает проточный проход для масла в торцевой крышке, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0023] Фиг.12 и 13 изображают виды в разрезе торцевой крышки сухого газового уплотнения, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

[0024] Фиг.14 изображает вид в разрезе наружной торцевой крышки, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения; и

[0025] Фиг.15 и 16 изображают виды в разрезе внутренней торцевой крышки, выполненной в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0026] Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на различных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

[0027] В иллюстративных вариантах выполнения люфт между механическим уплотнением и торцевой крышкой предотвращается путем установки осевых тепловых барьеров вокруг механического уплотнения для обеспечения бесперебойной работы BOG компрессора.

[0028] Для BOG приложений механическое уплотнение (такое как уплотнение 180 и 180' на Фиг.1) может, как известно, содержать сухое газовое уплотнение, заключенное в нагреваемый держатель уплотнения. Сухое газовое уплотнение закрывает компрессор, герметизируя его от внешней среды.

[0029] Сухое газовое уплотнение может находиться в контакте с торцевой крышкой 140 и 140' на торце компрессора. Как показано на Фиг.2, торцевая крышка 200 может содержать внутреннюю торцевую крышку 210 и наружную торцевую крышку 220. Каждая или обе торцевые крышки 210 и 220 могут быть круглыми или могут иметь другую форму, но в иллюстративных вариантах выполнения показаны как круглые. В некоторых вариантах выполнения торцевая крышка 200 может быть образована путем, например, сварки внутренней торцевой крышки 210 и наружной торцевой крышки 220.

[0030] Круглая или кольцеобразная наружная торцевая крышка 220 изображена на Фиг.5 и 6. Наружная торцевая крышка 220 может в центре иметь круглое отверстие 221, в которое по окружности может быть заключена или установлена (как показано на Фиг.2) внутренняя торцевая крышка 210.

[0031] Как показано на Фиг.2, наружная торцевая крышка 220 имеет выходное отверстие 224 для горячего масла, выполненное на внутренней боковой поверхности 222. Наружная торцевая крышка 220 также имеет круговую канавку 225, проходящую по окружности круглого отверстия 221, в котором внутренняя торцевая крышка 210 может быть приварена к наружной торцевой крышке 220 для формирования замкнутого цилиндрического объема. Наружная торцевая крышка 220 может иметь канавки 225, проходящие вдоль обеих боковых поверхностей (например, внутренней боковой поверхности и наружных боковых поверхностей). Внутренняя торцевая крышка 210 имеет входное отверстие 213 для горячего масла.

[0032] Виды в разрезе наружной и внутренней поверхностей внутренней торцевой крышки 210 показаны на Фиг.8 и 9. Крышка 210 имеет расположенное в центре круглое отверстие 211. Как показано на Фиг.8, внутренняя торцевая крышка 210 имеет несколько канавок 212, расположенных внутри отверстия для облегчения размещения и уплотнения торцевой части вала компрессора.

[0033] Диаметр крышки 210 может быть примерно равен диаметру круглого отверстия 221 наружной торцевой крышки 220, в целях облегчения закрытия внутренней торцевой крышки 210 наружной торцевой крышкой 220.

[0034] Как показано на Фиг.9, крышка 210 может также иметь проточный проход 214 для масла, проходящий по наружной поверхности. Проточный проход 214 может представлять собой спиральный проточный проход. Проточный проход 214, проходящий по наружной поверхности, может быть образован между канавками 212, расположенными на внутренней поверхности внутренней торцевой крышки. То есть, спиральный проход 214, расположенный на наружной поверхности, может соответствовать выступающим частям внутренней поверхности внутренней торцевой крышки между канавками 212 (проход 214 может быть размещен на наружной поверхности, соответствуя выступающим частям между канавками 212 на внутренней поверхности крышки 210). В некоторых вариантах выполнения проточный проход 214 может соответствовать канавкам 212. Когда крышка 210 приварена к наружной торцевой крышке 220, проточный проход 214 может обеспечивать проход для горячего масла или газа, проходящего от входного отверстия 213 к выходному отверстию 224.

[0035] Торцевая крышка 200, изображенная на Фиг.3 и 4, показывает спиральный проточный проход 214 и выходное отверстие 224 для горячего масла или газа. Если эти чертежи рассматривать совместно с Фиг.2, то горячее масло или газ, поступающие во входное отверстие 213 внутренней торцевой крышки 210, протекает по спиральному проточному проходу 214 к выходному отверстию 224 наружной торцевой крышки 220.

[0036] Наружная поверхность крышки 210 может иметь спиральный проточный проход 214, как описано выше и показано на Фиг.10. Проточный проход может быть похож на спиральный проход, обеспечивающий аксиальный тепловой барьер, как показано на Фиг.11. Проточный проход, как описано в этом документе, обеспечивает тепловой барьер между торцевой крышкой и сухим газовым уплотнением.

[0037] В некоторых вариантах выполнения может быть также предусмотрен дополнительный тепловой барьер. Как показано на Фиг.7, камера 223 для горячего масла / газа, расположенная вблизи наружной боковой поверхности наружной торцевой крышки 220 (ближе к сухому газового уплотнению), дополнительно снижает перепад температуры. В этом варианте выполнения масло в спиральном проточном проходе 214 протекает в камеру 223 и в выходное отверстие 224.

[0038] Для того чтобы предотвратить утечку из спирального проточного прохода, в некоторых вариантах выполнения между крышками 210 и крышкой 220 может быть выполнена легкая посадка с натягом. В некоторых вариантах выполнения внутренняя и наружная торцевые крышки могут быть прикреплены болтами к корпусу компрессора.

[0039] В некоторых вариантах выполнения спиральный проточный проход может быть заменен прямыми отверстиями, выполненными в наружной торцевой крышке, для обеспечения нагрева внутренней торцевой крышки так, что внутренняя торцевая крышка и сухое газовое уплотнение могут поддерживаться при требуемой температуре, чтобы избежать возникновения люфта между сухим газовым уплотнением и торцевой крышкой, когда компрессор обрабатывает или пропускает газ при криогенных температурах.

[0040] Со ссылкой на Фиг.12 и 13, торцевая крышка 300 содержит внутреннюю торцевую крышку 310 и наружную торцевую крышку 320 (соответствует внутренней торцевой крышке 210 и наружной торцевой крышке 220 крышки 200, как описано выше). Внутренняя торцевая крышка 310 имеет входное отверстие для горячего масла 313. Наружная торцевая крышка 320 имеет выходное отверстие 324 для горячего масла и канавку 325 для облегчения сварки крышки 310 к крышке 320. Наружная торцевая крышка также содержит входную камеру 326 для газа или масла и выходную камеру 327 для газа или масла.

[0041] Вблизи входного отверстия 313 для горячего масла внутренней торцевой крышки предусмотрена камера 326 для получения масла из входного отверстия 313. Несколько проходов 328, выполненных в наружной торцевой крышке 320 (изображены на Фиг.14), обеспечивают поток масла из входной камеры 326 в выходную камеру 327. Выходная камера 327 соединена с выходным отверстием 324 для масла. В иллюстративных вариантах выполнения может быть предусмотрено четыре прохода (или канала или отверстия) 328.

[0042] Камеры 326 и 327 могут быть соединены друг с другом через прямые отверстия 328, выполненные в крышке 320, для содействия равномерному потоку горячего масла вдоль оси крышки 310.

[0043] Внутренняя торцевая крышка 310 может иметь форму, показанную на Фиг.15 и 16. Внутренняя торцевая крышка 310 может также способствовать протеканию масла по ее наружной поверхности 315 от входного отверстия 313 к выходному отверстию 324 крышки 320. Внутренняя торцевая крышка 310 может обеспечивать лабиринтное уплотнение.

[0044] Термин «внутренняя боковая поверхность» наружной торцевой крышки (или внутренней торцевой крышки), используемый в настоящем документе, может относиться к той стороне торцевой крышки, которая обращена к рабочему колесу (т.е. расположена между рабочим колесом и торцом вала). Термин «наружная боковая поверхность», используемый в настоящем документе, может относиться к той стороне торцевой крышки, которая находится на стороне, не обращенной к рабочему колесу (т.е. стороне торцевой крышки, которая обращена к наружной стороне корпуса).

[0045] Наружная поверхность наружной торцевой крышки находится рядом с механическим уплотнением. Механическое уплотнение может представлять собой сухое газовое уплотнение. Для горячего масла или газа могут быть предусмотрены входное отверстие, выходное отверстие, камера (показанная на Фиг.7) и проточный проход.

[0046] Входная камера 326 и выходная камера 327 обеспечивают радиальный тепловой барьер. Каналы или проходы 328 (показаны на Фиг.12) могут представлять собой аксиальные каналы и обеспечивать аксиальный тепловой барьер.

[0047] Иллюстративные варианты выполнения, как описано в этом документе, обеспечивают несколько преимуществ. Система нагрева, выполненная в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, обеспечивает радиальный и аксиальный тепловой барьер. Тепловой барьер снижает теплообмен между входным отверстием и областью вокруг сухого газового уплотнения, что приводит к бесперебойной работе BOG компрессора. Оптимизированный проточный проход обеспечивает постепенное изменение температуры в радиальном и осевом направлениях вокруг сухого газового уплотнения, а также снижает внутренние тепловые напряжения. Кроме того, система нагрева, выполненная в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, предотвращает возникновение люфта между сухим газовым уплотнением и торцевой крышкой. Система проста и компактна. Система также предотвращает люфт и обеспечивает бесперебойную работу BOG компрессора при криогенных температурах.

[0048] Иллюстративные варианты выполнения, так как они описаны в настоящем документе, обеспечивают аксиальный тепловой барьер или аксиальный и радиальный тепловой барьер для управления температурными градиентами в применениях с паром, выделяющимся при кипении. Торцевая крышка может быть привинчена болтами к компрессору. Для формирования торцевой крышки внутренние и наружные торцевые крышки могут быть установлены посадкой с натягом.

[0049] Описанные выше иллюстративные варианты выполнения предназначены во всех отношениях для иллюстрации, а не для ограничения изобретения. Таким образом, настоящее изобретение может иметь много изменений в детальной реализации, которые могут быть получены специалистом в этой области техники из приведенного в настоящем документе описания. Все эти варианты и модификации считаются находящимися в пределах объема и сущности настоящего изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. Ни один элемент, действие или инструкцию, используемые в описании данной заявки, не следует рассматривать как критические или существенные для изобретения, если только явным образом это не указано. Кроме того, как используется в настоящем документе, использование единственного числа также предусматривает включение одного или нескольких элементов.

Торцевая крышка (200) компрессора для обеспечения теплового барьера вблизи механического уплотнения содержит внутреннюю торцевую крышку (210) и наружную торцевую крышку (220). Наружная торцевая крышка (220) имеет отверстие (221) в центре для размещения внутренней торцевой крышки (210), выходное отверстие (224) и канавки (225), проходящие по боковым поверхностям смежно в радиальном направлении с указанным отверстием (221). Внутренняя торцевая крышка (210) имеет расположенное в центре отверстие (211), входное отверстие (213), канавки (212), выполненные в отверстии (211) для размещения торцевой части вала компрессора, и проточный проход, выполненный по наружной поверхности. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Торцевая крышка (200) компрессора для обеспечения теплового барьера для механического уплотнения, содержащая внутреннюю торцевую крышку (210), имеющую расположенное в центре отверстие (211), входное отверстие (213), канавки (212), выполненные в указанном отверстии (211) для размещения торцевой части вала компрессора, и проточный проход, выполненный по наружной поверхности, и наружную торцевую крышку (220), имеющую расположенное в центре отверстие (221) для размещения внутренней торцевой крышки (210), выходное отверстие (224) и канавки (225), проходящие по боковым поверхностям смежно в радиальном направлении с указанным отверстием (221).

2. Торцевая крышка по п. 1, в которой наружная торцевая крышка дополнительно имеет камеру, смежную с указанной канавкой вдоль наружной поверхности.

3. Торцевая крышка по п. 1, в которой наружная поверхность наружной торцевой крышки расположена вблизи механического уплотнения.

4. Торцевая крышка по п. 1, в которой механическое уплотнение представляет собой сухое газовое уплотнение.

5. Торцевая крышка по п. 1, в которой диаметр внутренней торцевой крышки приблизительно равен диаметру указанного отверстия в центре наружной торцевой крышки.

6. Торцевая крышка по п. 1, в которой проточный проход, расположенный на наружной поверхности внутренней торцевой крышки, соответствует канавкам, расположенным на внутренней поверхности внутренней торцевой крышки.

7. Торцевая крышка по п. 1, в которой входное отверстие, выходное отверстие, проточный проход и камера предназначены для горячего масла или газа.

8. Торцевая крышка по п. 1, в которой проточный проход соединен с входным отверстием и выходным отверстием.

9. Торцевая крышка по любому из пп. 1-8, в которой проточный проход представляет собой спиральный проточный проход и обеспечивает по меньшей мере аксиальный тепловой барьер для механического уплотнения.

10. Торцевая крышка по п. 9, в которой поток обеспечивает радиальный тепловой барьер для механического уплотнения.

11. Торцевая крышка по любому из пп. 1-8, в которой внутренняя торцевая крышка приварена к наружной торцевой крышке вдоль канавок наружной крышки.

12. Торцевая крышка по п. 1, дополнительно содержащая входную камеру (326), соединенную с входным отверстием (213), выходную камеру (327), соединенную с выходным отверстием (224), и аксиальные каналы (328), соединяющие входную камеру (326) и выходную камеру (327).

13. Торцевая крышка по п. 12, в которой входная камера (326) соединена с входным отверстием внутренней торцевой крышки, а выходная камера (327) соединена с выходным отверстием.

14. Торцевая крышка по п. 12 или 13, в которой нагревающее вещество вытекает из входного отверстия во входную камеру (326), а из входной камеры через один из каналов поступает в выходную камеру (327).

15. Компрессор (100), содержащий вал (120), рабочие колеса (130), внутреннюю торцевую крышку (210), имеющую расположенное в центре отверстие (211), входное отверстие (213), канавки (212), выполненные по поверхностям смежно с указанным отверстием (211) для размещения торцевой части вала, и по меньшей мере один проточный проход, проходящий по радиально наружной поверхности, и наружную торцевую крышку (220), имеющую в центре отверстие (221) для размещения внутренней торцевой крышки (210), выходное отверстие (224) и канавки (225), проходящие по внутренней поверхности и наружной поверхности смежно в радиальном направлении с указанным отверстием (221).