ЦЕНТРОБЕЖНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2016 года по МПК F01D5/04 F04D29/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к центробежным турбомашинам, к центробежным рабочим колесам для турбомашин и к соответствующим способам производства, в частности, но не исключительно, для применения в нефтяной и газовой отраслях.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Центробежная турбомашина представляет собой ротационную машину, в которой осуществляется передача механической энергии между рабочей текучей средой и центробежным рабочим колесом. В случае применения в нефтяной и газовой отраслях, где текучая среда обычно является газообразной средой, центробежные турбомашины содержат компрессоры и детандеры. Компрессор представляет собой турбомашину, которая повышает давление газообразной текучей среды путем использования механической энергии. Детандер представляет собой турбомашину, которая использует давление рабочей газообразной текучей среды для создания механической работы на валу путем использования рабочего колеса, в котором происходит расширение указанной текучей среды.

В несжимаемой текучей среде, например воде, центробежные турбомашины содержат насосы и турбины, которые переносят энергию между текучей средой и рабочим колесом способом, аналогичным соответственно компрессорам и детандерам. По существу, во всех случаях рабочая текучая среда обменивается энергией с центробежной машиной при ее прохождении в центробежном рабочем колесе в радиально наружном направлении, т.е. от оси вращения рабочего колеса к его периферическому круговому краю.

В частности, центробежное рабочее колесо компрессорной турбомашины переносит механическую энергию, вырабатываемую двигателем, который приводит турбомашину в действие, к рабочей газообразной текучей среде, сжимаемой вследствие ее ускорения в центробежном рабочем колесе. Кинетическая энергия, сообщаемая рабочим колесом рабочей текучей среде, преобразуется в энергию давления при ограничении перемещения текучей среды в наружном направлении диффузором и корпусом машины.

Центробежные турбомашины могут быть выполнены с одним рабочим колесом, причем в этом случае их часто называют одноступенчатыми турбомашинами, или с набором установленных последовательно рабочих колес, и в этом случае их часто называют многоступенчатыми турбомашинами.

На фиг.1 изображен разрез известного варианта выполнения многоступенчатого центробежного компрессора 100 в общем виде, а на фиг.2 и 3 изображены его более подробные разрезы. Компрессор 100 заключен в корпус 102, внутри которого установлены вал 101 и набор рабочих колес 110. Указанный вал проходит вдоль оси X вращения компрессора 100. Вал 101 и рабочие колеса 110 расположены в роторном узле 103, который поддерживается парой подшипников 150 и 160, обеспечивающих возможность вращения роторного узла вокруг оси X. Многоступенчатый компрессор 100 содержит набор ступеней 107 (семь ступеней 107 в изображенном на фиг.1 варианте выполнения), каждая из которых содержит одно рабочее колесо из указанного набора колес 110 и часть корпуса 102, в которой выполнены впускной канал 170, расположенный выше по потоку от колеса 110, и выпускной канал 180, расположенный ниже по потоку от колеса 110. Рабочее колесо 110 имеет типичную для закрытой конструкции конфигурацию, содержащую втулку 113, которая плотно охватывает вал 101, и лопатки 108, проходящие между задним диском 114 рабочего колеса и передним покрывающим диском 119. Рабочее колесо 110 имеет впускную сторону 111 низкого давления, ограниченную входным отверстием 115 рабочего колеса, образованным покрывающим диском 109, и выпускную сторону 112 высокого давления, ограниченную периферическим круговым краем колеса 110.

В процессе эксплуатации рабочего колеса 110 каждая ступень 107 многоступенчатого компрессора 100 обеспечивает забор технологического газа, проходящего по впускному каналу 170, с направлением газа от впускной стороны 111 к выпускной стороне 112 колеса 110 и последующим вытеснением газа через выпускной канал 180 под выходным давлением, превышающим его давление на входе.

Технологический газ может быть, например, любым из следующих газов: двуокисью углерода, сероводородом, бутаном, метаном, этаном, пропаном, сжиженным природным газом или их смесью.

Между входным отверстием 115 каждого центробежного рабочего колеса 110 и корпусом 102 выполнено уплотнение 120 входного отверстия, предотвращающее протечку текучей среды в зазор между корпусом 102 и колесом 110 от выпускной стороны 112 к впускной стороне 111. Корпус 102 содержит впускное кольцо 104, обращенное к входному отверстию 105 и имеющее полость для размещения уплотнения 120 входного отверстия рабочего колеса.

Уплотнение 120 представляет собой уплотнение лабиринтного типа с набором зубцов 121а-е (с пятью зубцами 121а-е в варианте выполнения, изображенном на фиг.1-3). Каждый зубец 121а-е проходит в радиальном направлении к оси X вращения и в окружном направлении вокруг указанной оси X. Огибающий контур зубцов 121а-е имеет конусообразную форму со средним диаметром 122. Уплотнение 120 установлено в пазу в корпусе 102 и расположено таким образом, что первый зубец 121а, расположенный у впускной стороны 111, имеет меньший диаметр по сравнению с последним (пятым) зубцом 121е, расположенным у выпускной стороны 111. Для обеспечения соответствия форме уплотнения 120 входное отверстие 115 имеет ступенчатую область 116 с набором уступов 117а-е (с пятью уступами 117а-е в варианте выполнения, изображенном на фиг.1-3), каждый из которых обращен к соответствующему зубцу из набора зубцов 121а-е. Уступы 117а-е содержат первый уступ 117а, который расположен у впускной стороны 111 и диаметр которого меньше диаметра 123е последнего (пятого) уступа 117е, расположенного у выпускной стороны 112 колеса 110.

Протечки текучей среды через уплотнение 120 должны быть по возможности уменьшены ввиду того, что часть протечки текучей среды от выпускной стороны к впускной стороне подвергается повторному сжатию при прохождении через рабочее колесо со снижением тем самым эффективности турбомашины.

Рабочее колесо, имеющее такую же конструкцию, что и колесо 110, также может использоваться в детандере, при этом основное отличие заключается в том, что газообразная текучая среда в рабочем колесе расширяется, т.е. впускная сторона, соответствующая входному отверстию рабочего колеса, является стороной высокого давления, тогда как выпускная сторона, соответствующая периферическому круговому краю, является стороной низкого давления. В детандере уплотнение входного отверстия рабочего колеса препятствует протечке текучей среды в зазоре между корпусом и колесом от впускной стороны высокого давления к впускной стороне низкого давления. Протечки текучей среды через указанное уплотнение в детандере также должны быть по возможности уменьшены ввиду того, что часть протечки текучей среды от впускной стороны к выпускной стороне не проходит через рабочее колесо и, следовательно, не участвует в создании механической работы на валу, что снижает эффективность турбомашины.

Соответственно, существует необходимость в разработке и создании усовершенствованного уплотнительного устройства для уменьшения потока протечки вблизи входного отверстия центробежного рабочего колеса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является создание центробежной турбомашины и центробежного рабочего колеса, обеспечивающих усовершенствованное уплотнительное устройство входного отверстия рабочего колеса для снижения потока протечки между корпусом турбомашины и рабочим колесом.

В соответствии с первым вариантом выполнения указанная цель достигается с помощью данного изобретения путем создания центробежной турбомашины, содержащей корпус, роторный узел, содержащий по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо для текучей среды, проходящей от впускной стороны к выпускной стороне рабочего колеса, уплотнение входного отверстия, проходящее между входным отверстием центробежного рабочего колеса и корпусом и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды между корпусом и центробежным рабочим колесом, причем указанное уплотнение имеет по меньшей мере первую часть, расположенную со стороны впускной стороны, и последнюю часть, расположенную со стороны выпускной стороны рабочего колеса, причем диаметр последней части меньше диаметра первой части.

В соответствии с другой преимущественной особенностью первого варианта выполнения уплотнение входного отверстия представляет собой уплотнение лабиринтного типа с набором зубцов, проходящих в радиальном направлении к оси вращения рабочего колеса.

В соответствии с другими преимущественными особенностями первого варианта выполнения лабиринтное уплотнение входного отверстия установлено на впускном кольце корпуса, обращенном к ступенчатой области входного отверстия, содержащей по меньшей мере первый уступ, расположенный со стороны нагнетания, и последний уступ, расположенный с выпускной стороны рабочего колеса, причем диаметр последнего уступа меньше диаметра первого уступа, количество зубцов уплотнения входного отверстия равно количеству уступов в ступенчатой области входного отверстия рабочего колеса, и указанное уплотнение установлено на впускном кольце корпуса таким образом, что каждый зубец уплотнения обращен к соответствующему уступу входного отверстия колеса.

В соответствии с другой преимущественной особенностью первого варианта выполнения количество уступов в ступенчатой области входного отверстия рабочего колеса составляет от 4 до 10.

В соответствии с другой преимущественной особенностью первого варианта выполнения центробежное рабочее колесо представляет собой колесо закрытого типа, при этом ступенчатая область входного отверстия выполнена на покрывающем диске колеса.

В соответствии с другой преимущественной особенностью первого варианта выполнения центробежная турбомашина представляет собой компрессор, при этом впускная сторона рабочего колеса находится под меньшим давлением, чем выпускная сторона.

Во втором варианте выполнения данное изобретение обеспечивает центробежное рабочее колесо для центробежной турбомашины, содержащее входное отверстие, которое имеет ступенчатую область по меньшей мере с первым уступом, расположенным с впускной стороны, и последним уступом, расположенным с выпускной стороны центробежного рабочего колеса, причем диаметр последнего уступа меньше диаметра первого уступа.

Конфигурация входного отверстия рабочего колеса и установка уплотнения входного отверстия в вышеописанных вариантах выполнения обеспечивают возможность уменьшения среднего диаметра указанного входного отверстия и его уплотнения без уменьшения диаметра впускного отверстия рабочего колеса, т.е. без изменения газового потока, проходящего через рабочее колесо. Поскольку протечка текучей среды через входное отверстие рабочего колеса пропорциональна среднему диаметру указанного отверстия, уменьшение этого диаметра приводит к уменьшению протечки текучей среды с достижением, таким образом, цели данного изобретения.

Дополнительные преимущества обусловлены снижением веса рабочего колеса, обеспечиваемым новой конструкцией в соответствии с данным изобретением. Более легкое рабочее колесо обеспечивает повышение роторно-динамических характеристик и упрощение компенсации осевых усилий.

Еще одной целью данного изобретения является разработка способа создания указанной турбомашины и указанного рабочего колеса.

В соответствии с третьим вариантом выполнения данное изобретение обеспечивает достижение этой дополнительной цели с помощью способа уменьшения протечек через уплотнение входного отверстия в центробежной турбомашине, содержащей корпус, роторный узел, содержащий по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо для текучей среды, проходящей от впускной стороны рабочего колеса к его выпускной стороне, уплотнение входного отверстия, проходящее между входным отверстием центробежного рабочего колеса и корпусом и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды между корпусом и центробежным рабочим колесом, причем указанное уплотнение имеет по меньшей мере первую часть и последнюю часть, диаметр которой меньше диаметра первой части, при этом указанный способ включает этап установки лабиринтного уплотнения так, что его первая часть расположена с впускной стороны, а последняя часть расположена с выпускной стороны рабочего колеса.

Третий вариант выполнения обеспечивает достижение тех же преимуществ, что изложены выше в отношении первого и второго вариантов выполнения данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие особенности и преимущества данного изобретения станут очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения изобретения при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает продольный разрез обычной центробежной турбомашины,

фиг.2 изображает продольный разрез основной части центробежной турбомашины, показанной на фиг.1,

фиг.3 изображает продольный разрез, подробно показывающий элементы центробежной турбомашины, изображенной на фиг.1 и 2,

фиг.4 изображает продольный разрез центробежной турбомашины в соответствии с данным изобретением,

фиг.5 изображает продольный разрез, соответствующий разрезу на фиг.3 и показывающий предложенное центробежное рабочее колесо, входящее в состав центробежной турбомашины, показанной на фиг.3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.4 и 5 показаны соответственно первый и второй варианты выполнения данного изобретения.

В соответствии с фиг.4 центробежная турбомашина 1 содержит центробежный многоступенчатый компрессор, содержащий статорный корпус 2 и роторный узел 3. Корпус 2 и узел 3 разделены на несколько (семь) ступеней 7, соединенных последовательно. В том что касается не рассматриваемых ниже элементов, компрессор 1 следует считать обычным и аналогичным вышеописанному компрессору 100, показанному на фиг.1-3,

Каждая ступень 7 содержит центробежное рабочее колесо 10 для газообразной текучей среды, проходящей от впускной стороны 11 низкого давления к выпускной стороне 12 высокого давления рабочего колеса 10. Колесо 10 представляет собой колесо закрытого типа и содержит покрывающий диск 19, в котором выполнено входное отверстие 15 колеса 10. Отверстие 15 ограничивает впускную сторону 11, через которую текучая среда поступает в колесо 10 в направлении, по существу параллельном оси X вращения колеса 10. Выпускная сторона 12, через которую текучая среда выходит из рабочего колеса 10, ограничена периферическим круговым краем колеса 10.

Каждая ступень 7 также содержит уплотнение 20 входного отверстия, относящееся к лабиринтному типу, проходящее между входным отверстием 15 колеса 10 и впускным кольцом 4 корпуса 2 и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды между корпусом 2 и колесом 10 от выпускной стороны 12 к впускной стороне 11.

Лабиринтное уплотнение 20 имеет набор зубцов 21а-е (пять зубцов 21а-е в варианте выполнения, изображенном на фиг.4 и 5), проходящих в радиальном направлении к оси X вращения колеса 10 и в окружном направлении вокруг указанной оси X. Огибающий контур зубцов 21а-е имеет конусообразную форму со средним диаметром 22. Набор зубцов 21а-е содержит первый зубец 21а, расположенный с впускной стороны 11, и последний зубец 21е, расположенный с выпускной стороны 12 колеса 10, причем диаметр последнего зубца 21е меньше диаметра первой части 21а.

Лабиринтное уплотнение 2 установлено в полости, выполненной во впускном кольце 4 корпуса 2 и обращенной к ступенчатой области 16 входного отверстия 15. Ступенчатая область 16 содержит первый уступ 17а, расположенный со стороны нагнетания, и последний уступ 17е, расположенный с выпускной стороны рабочего колеса 10. Для обеспечения соответствия контуру лабиринтного уплотнения 20 диаметр 23е последнего уступа 17е меньше соответствующего диаметра 23а первого уступа 17а области 16.

Предпочтительно количество зубцов 21а-е в уплотнении 20 равно количеству уступов 17а-е в ступенчатой области 16 отверстия 15, причем уплотнение 20 установлено на впускном кольце 4 таким образом, что каждый зубец из набора зубцов 21а-е уплотнения 20 обращен к соответствующему уступу из набора уступов 17а-е отверстия 15.

Предпочтительно количество уступов 17а-е в области 16 и количество зубцов 21а-е в уплотнении 20 составляет от 4 до 10.

Данное изобретение также может использоваться в центробежных детандерах, в которых уплотнение входного отверстия препятствует протечке газообразной текучей среды между корпусом и центробежным рабочим колесом от впускной стороны высокого давления к выпускной стороне низкого давления.

В самых общих чертах, данное изобретение также может использоваться в центробежных турбомашинах для сжимаемых и несжимаемых текучих сред, причем к последним турбомашинам относятся насосы и водяные турбины.

Из сравнения обычного решения, показанного на фиг.3, с предложенным решением, показанным на фиг.5, с очевидностью следует, что при одинаковых значениях диаметров первых уступов 117а, 17а ступенчатых областей 116, 16 значение среднего диаметра 22 уплотнения 20 меньше среднего диаметра 122 уплотнения 120 входного отверстия обычного рабочего колеса. Это приводит к уменьшению потока протечки через уплотнение 20.

Из дальнейшего сравнения обычного центробежного колеса 110 (фиг.3) с центробежным колесом 10 согласно данному изобретению (фиг.5) также с очевидностью следует, что при одинаковой геометрии потока указанных двух колес 110, 10 вес колеса 10 меньше веса колеса 110. Фактически при одинаковых значениях диаметров первых уступов 117а, 17а ступенчатых областей 116, 16 значения диаметров со второго по пятый уступов 17b-е ступенчатой области 16 меньше, чем значения диаметров со второго по пятый уступов 117b-е обычной ступенчатой области 16. Это приводит к снижению веса, которое обычно составляет около 10%. Вследствие уменьшенного веса колесо 10 демонстрирует улучшенные роторно-динамические характеристики и улучшенную компенсацию осевых усилий.

В соответствии с третьим вариантом выполнения данного изобретения способ уменьшения протечек через уплотнение 20 вышеописанной центробежной турбомашины 1 включает этап установки лабиринтного уплотнения 20 так, что его первый зубец 21а расположен с впускной стороны 11, а последняя часть 21е расположена с выпускной стороны 12 колеса 10.

Все варианты выполнения данного изобретения обеспечивают достижение вышеуказанной цели и преимуществ.

Кроме того, данное изобретение обеспечивает возможность получения дополнительных преимуществ. В частности, вышеописанный способ может использоваться при модернизации обычной турбомашины 100 путем замены центробежных колес 110 и набора уплотнений 120 набором колес 10 и набором уплотнений 20 с получением тем самым турбомашины 1 согласно данному изобретению без изменения других элементов обычной турбомашины.

По существу, для всех вариантов выполнения данного изобретения дополнительное преимущество заключается в том, что если геометрические параметры ступенчатой области 16, т.е. высота и ширина уступов, являются такими же, что и в случае обычного применения, то возможно использование тех же уплотнений, что и при обычном применении, путем простого поворота уплотнений на 180° и их установки на впускное кольцо корпуса так, что зубец большего диаметра расположен у впускной стороны рабочего колеса.

В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.

Центробежная турбомашина, содержащая корпус, роторный узел, содержащий по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо для текучей среды, проходящей от впускной стороны рабочего колеса к его выпускной стороне, и уплотнение входного отверстия, проходящее между входным отверстием центробежного рабочего колеса и корпусом и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды между корпусом и центробежным рабочим колесом. Указанное уплотнение имеет по меньшей мере первую часть, расположенную у впускной стороны, и последнюю часть, расположенную у выпускной стороны рабочего колеса, при этом диаметр последней части меньше диаметра первой части. Изобретение направлено на снижение протечки между корпусом и рабочим колесом турбомашины. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Центробежная турбомашина (1), содержащая
корпус (2),
роторный узел (3), содержащий по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо (10) для текучей среды, проходящей от впускной стороны (11) рабочего колеса (10) к его выпускной стороне (12),
уплотнение (20) входного отверстия рабочего колеса, проходящее между входным отверстием (15) центробежного рабочего колеса (10) и корпусом (2) и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды от стороны высокого давления к стороне низкого давления рабочего колеса (10), и
при этом указанное уплотнение (20) имеет по меньшей мере первую часть (21а), расположенную с впускной стороны (11), и последнюю часть (21е), расположенную с выпускной стороны (12) рабочего колеса (10), причем диаметр последней части (21е) меньше диаметра первой части (21а).

2. Центробежная турбомашина (1) по пункту 1, в которой уплотнение (20) входного отверстия представляет собой уплотнение лабиринтного типа с набором зубцов (21а-е), проходящих в радиальном направлении к оси (X) вращения рабочего колеса (10).

3. Центробежная турбомашина (1) по пункту 1, в которой уплотнение (20) входного отверстия установлено на впускном кольце (4) корпуса (2), обращенном к области (16) входного отверстия (15), имеющей по меньшей мере первую часть (17а), расположенную со стороны нагнетания, и последнюю часть (17е), расположенную с выпускной стороны рабочего колеса (10), причем диаметр последней части (17е) меньше диаметра первой части (17а).

4. Центробежная турбомашина (1) по пункту 2, в которой лабиринтное уплотнение (20) входного отверстия установлено на впускном кольце (4) корпуса (2), обращенном к ступенчатой области (16) входного отверстия (15), содержащей по меньшей мере первый уступ (17а), расположенный со стороны нагнетания, и последний уступ (17е), расположенный с выпускной стороны рабочего колеса (10), причем диаметр последнего уступа (17е) меньше диаметра первого уступа (17а).

5. Центробежная турбомашина (1) по пункту 4, в которой количество зубцов (21а-е) в уплотнении (20) равно количеству уступов (17а-е) в ступенчатой области (16) входного отверстия (15) рабочего колеса, при этом уплотнение (20) установлено на впускном кольце (4) корпуса (2) таким образом, что каждый зубец (21а-е) уплотнения (20) обращен к соответствующему уступу (17а-е) входного отверстия (15).

6. Центробежная турбомашина (1) по пункту 4, в которой количество уступов (17а-е) в ступенчатой области (16) составляет от 4 до 10.

7. Центробежная турбомашина (1) по пункту 3, в которой центробежное рабочее колесо (10) представляет собой колесо закрытого типа, при этом ступенчатая область (16) входного отверстия (15) выполнена на покрывающем диске (19) рабочего колеса (10).

8. Центробежная турбомашина (1) по любому из п. 1-7, которая представляет собой компрессор, при этом впускная сторона (11) рабочего колеса находится под меньшим давлением, чем выпускная сторона (12).

9. Центробежное рабочее колесо (10) для центробежной турбомашины (1), содержащее входное отверстие (15), которое имеет ступенчатую область (16) по меньшей мере с первым уступом (17а), расположенным с впускной стороны (11), и последним уступом (17е), расположенным с выпускной стороны (12) центробежного рабочего колеса (10), причем диаметр последнего уступа (17е) меньше диаметра первого уступа (17а).

10. Способ уменьшения протечек через уплотнение (20) входного отверстия рабочего колеса в центробежной турбомашине (1), содержащей корпус (2), роторный узел (3), содержащий по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо (10) для текучей среды, проходящей от впускной стороны (11) рабочего колеса (10) к его выпускной стороне (12), уплотнение (20) входного отверстия, проходящее между входным отверстием (15) центробежного рабочего колеса (10) и корпусом (2) и предназначенное для предотвращения протечки текучей среды между корпусом (2) и центробежным рабочим колесом (10), причем указанное уплотнение (20) имеет по меньшей мере первую часть (21а) и последнюю часть (21е), диаметр которой меньше диаметра первой части (21а), при этом указанный способ включает установку лабиринтного уплотнения (20) так, что его первая часть (21а) расположена с впускной стороны (11), а последняя часть (21е) расположена с выпускной стороны (12) рабочего колеса (10).