ОХЛАЖДЕНИЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2017 года по МПК F04D29/16 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области турбомашин и, в частности, к центробежным компрессорам.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Центробежные компрессоры широко используются в различных промышленных отраслях для обработки рабочей среды различной природы; в зависимости от области применения высокое давление газа можно обеспечить посредством одной или более ступеней центробежного компрессора. Высокое давление влечет за собой повышение температуры рабочей среды, что может отрицательно повлиять на срок службы компрессора.

В некоторых областях применения в рабочем колесе компрессора может достигаться температура в диапазоне 650-700°C или выше. Усталостная долговечность рабочего колеса является критичной, и на нее отрицательно влияет высокая температура рабочей среды.

Ни один из материалов, применяемых при ковке или в порошковой металлургии и традиционно используемых для производства закрытых рабочих колес, не удовлетворяет требованию усталостной долговечности 60000 часов. Жаропрочные сплавы на основе никеля, такие как Инконель 738, удовлетворяют указанному требованию усталостной долговечности, но технологичность и ремонтопригодность рабочих колес из Инконеля являются критичными.

Вышеупомянутые температурные диапазоны, используемые материалы и требования к усталостной долговечности приведены только для иллюстрации одного из возможных применений, и их не следует рассматривать в качестве ограничительных для объема возможностей применения настоящего изобретения. Технология охлаждения, описанная здесь, может преимущественно использоваться, например, также в случае низкотемпературных диапазонов, особенно, если используются другие, менее эффективные и более традиционные материалы.

На фиг. 1 показан известный многоступенчатый центробежный компрессор, в котором используются закрытые рабочие колеса. Центробежный компрессор 100 содержит кожух 102, в котором закреплен вал 104 ротора. Компрессор 100 содержит впускное отверстие 106, выпускное отверстие 108 и несколько ступеней, каждая из которых содержит рабочее колесо 110A-110G. Рабочие колеса расположены последовательно. Давление рабочей среды возрастает в каждой ступени на пути от впускного отверстия 106 к выпускному отверстию 108. Рабочая среда поступает в каждое рабочее колесо по существу в осевом направлении и подается радиально через соответствующий диффузор 112 к следующему рабочему колесу. Температура рабочей среды возрастает от одной ступени к другой и может достигнуть высокого значения, особенно, в последних ступенях компрессора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно некоторым вариантам выполнения изобретения, описанным здесь, предлагается узел центробежного компрессора, содержащий по меньшей мере одно закрытое рабочее колесо, т.е. рабочее колесо со ступицей и покрывающим диском. Рабочая среда, а именно газ, проходит через рабочее колесо компрессора, и из указанного колеса выходит сжатый газ. Согласно некоторым вариантам выполнения доля или часть сжатого газа используется в качестве охлаждающей среды для охлаждения входной части рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения часть потока сжатого газа отводится от стороны подачи рабочего колеса и подается к его входной части, которую необходимо охлаждать, т.е. отводить тепло от этой области рабочего колеса. Входная часть рабочего колеса является его особенно критичной областью, поскольку от нее зависит усталостная долговечность рабочего колеса.

Сжатый газ может отводиться от стороны подачи рабочего колеса и подаваться к входной части того же рабочего колеса, однако, это не обязательно. Сжатый газ может доставляться к входной части какого-либо другого колеса из тех колес, которыми может быть снабжен компрессор.

В некоторых вариантах выполнения перед подачей к входной части рабочего колеса сжатый газ может охлаждаться.

В некоторых вариантах выполнения давление газа может уменьшаться перед подачей газа к входной части, которую необходимо охладить.

Сжатый газ, используемый в качестве охлаждающей среды, подаваемый в область входной части рабочего колеса, локально отводит тепло и поддерживает температуру входной части и вокруг нее ниже критического значения, таким образом, увеличивая срок службы рабочего колеса.

Согласно некоторым вариантам выполнения изобретения, описанным здесь, предложен узел центробежного компрессора, который содержит кожух и одно или более рабочих колес, удерживаемых с возможностью вращения в кожухе, причем каждое рабочее колесо содержит ступицу, покрывающий диск и входную часть. Входная часть каждого рабочего колеса снабжена уплотнительным устройством. С уплотнительным устройством сопряжен по меньшей мере один канал, здесь и далее также именуемый как канал для охлаждающей среды, предназначенный для подачи охлаждающей среды вокруг входной части рабочего колеса. Охлаждающая среда отводит тепло от входной части рабочего колеса и увеличивает его срок службы.

В предпочтительных вариантах выполнения вокруг входной части рабочего колеса расположено несколько каналов для охлаждающей среды. В некоторых вариантах выполнения каналы для охлаждающей среды равномерно распределены вокруг оси вращения рабочего колеса.

Улучшенное охлаждение входной части рабочего колеса достигается благодаря наличию нескольких отверстий, проходящих от внешней поверхности входной части к ее внутренней поверхности. Таким образом, по меньшей мере часть потока охлаждающей среды поступает в указанные отверстия и проходит к внутренней части покрывающего диска. Выпускной конец каждого отверстия, т.е. его выходное отверстие на внутренней поверхности покрывающего диска, может быть расположено вблизи передней кромки соответствующей лопатки рабочего колеса. Такое расположение выпускного отверстия дает возможность осуществления особенно эффективного охлаждения передней кромки лопатки.

Вдоль ответвляющегося канала, через который часть потока рабочей среды отводится из основного потока и вновь подается в компрессор, могут быть расположены теплообменник и/или дроссельный клапан. Вместо дроссельного клапана может быть использовано другое устройство понижения давления, такое как, например, экспандер.

Как указано в одном из аспектов изобретения, описанного здесь, та же рабочая среда, которая обрабатывается в компрессоре, может использоваться в качестве охлаждающей среды для одного или более рабочих колес компрессора. Часть потока охлаждающей среды может отводиться из основного потока, например, у стороны подачи одного из рабочих колес компрессора, может охлаждаться и/или расширяться до требуемого давления и затем доставляться к входной части рабочего колеса посредством одного или более каналов для охлаждающей среды. Таким образом, для обеспечения требуемого давления охлаждающей среды не требуется отдельных нагнетательных средств. Более того, так как охлаждающая среда является той же рабочей средой, которая проходит через компрессор, состав потока рабочей среды не будет изменяться из-за наличия охлаждающей среды в составе указанного потока.

Согласно другому варианту выполнения сжатый газ, используемый для охлаждения, может подаваться из другой точки контура или системы, в которой расположен компрессор. Например, сжатый газ может подаваться из контейнера или резервуара. Например, в так называемой системе аккумулирования энергии сжатого воздуха (CAES system) один или более компрессоров используются для сжатия воздуха и его хранения в соответствующем контейнере или резервуаре, таком как каверна. Впоследствии сжатый воздух используется для выработки механической энергии путем расширения воздуха в турбоэспандере. Охлаждение входной части рабочего колеса компрессора может быть выполнено с помощью сжатого газа, т.е. сжатого воздуха, подаваемого из накопительного контейнера или резервуара, который впоследствии служит источником охлаждающей среды, и из которого сжатый газ в качестве охлаждающей среды подается в канал или каналы для охлаждающей среды, выполненные в одной или нескольких ступенях компрессора.

В некоторых вариантах выполнения давление сжатого газа, который подается из резервуара или контейнера, может отличаться от давления, необходимого для осуществления охлаждения с помощью этого газа. При необходимости для повышения давления газа может использоваться система нагнетания. Если исходное давление газа выше, чем требуется, система понижения давления, такая как, например, дроссельный клапан или экспандер, может быть выполнена между источником сжатого газа и входной частью рабочего колеса, которую необходимо охладить.

Компрессор может содержать более чем одну ступень, при этом каждая ступень снабжена рабочим колесом. Некоторые рабочие колеса могут быть закрытыми, т.е. могут быть снабжены покрывающим диском и иметь входную часть. Одно или более указанных закрытых рабочих колес могут быть соединены с охлаждающим устройством, как описано выше, т.е. по меньшей мере с одним каналом для охлаждающей среды, посредством которого охлаждающая среда подается в область уплотнительного устройства входной части рабочего колеса. Обычно в многоступенчатом компрессоре температура рабочей среды становится критической только на последней ступени (ступенях) компрессора. Следовательно, в предпочтительных вариантах выполнения охлаждающее устройство для входной части рабочего колеса выполнено, по меньшей мере, на последних ступенях компрессора.

Согласно некоторым вариантам выполнения предложено вспомогательное охлаждающее устройство, предназначенное для охлаждения ступицы рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения устройство охлаждения ступицы рабочего колеса объединено с устройством охлаждения входной части рабочего колеса. В других вариантах выполнения обеспечивается только устройство охлаждения ступицы рабочего колеса. В последнем случае рабочее колесо может также быть открытым колесом, т.е. без покрывающего диска. Охлаждение ступицы рабочего колеса предпочтительно может осуществляться путем использования той же рабочей среды, т.е. того же газа, который обрабатывается компрессором.

Согласно следующему аспекту, описываемое изобретение также относится к способу работы центробежного компрессора, который содержит кожух и, по меньшей мере, одно закрытое рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в кожухе компрессора, причем указанный способ обеспечивает возможность подачи охлаждающей среды в зазор, образованный вокруг входной части рабочего колеса, для отведения тепла из области входной части рабочего колеса. Согласно одному из аспектов изобретения, описанного здесь, ту же рабочую среду, которую обрабатывают компрессором, т.е. газ, сжатый компрессором, используют в качестве охлаждающей среды.

Согласно одному из вариантов выполнения предложен способ работы центробежного компрессора, включающий следующие этапы: пропускание рабочей среды через указанное рабочее колесо; подача потока указанной сжатой рабочей среды в зазор, образованный вокруг входной части рабочего колеса, и обеспечение циркуляции указанной рабочей среды в указанном зазоре для охлаждения входной части рабочего колеса.

Зазор может быть образован между входной частью рабочего колеса и уплотнительным устройством указанной части.

Согласно некоторым вариантам выполнения необходимое количество рабочей среды могут отводить из основного потока сжатой рабочей среды и доставлять к указанной области внутри кожуха компрессора, которую необходимо охладить. Перед повторной подачей в кожух компрессора рабочую среду могут охлаждать до требуемой температуры и расширять до требуемого давления. Доля, составляющая, к примеру, 0,5-5%, и предпочтительно составляющая от 1,0% до 2,5% от всего потока рабочей среды, может быть выведена из указанного потока для осуществления охлаждения.

Согласно другому аспекту изобретения, описываемого здесь, предложен способ работы центробежного компрессора, содержащего кожух и по меньшей мере одно закрытое рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в кожухе компрессора, причем указанный способ обеспечивает введение охлаждающей среды в зазор, образованный вокруг входной части рабочего колеса, для отведения тепла из области входной части указанного колеса. Указанный способ дополнительно включает введение или доставку охлаждающей среды по меньшей мере частично внутрь рабочего колеса, между покрывающим диском и ступицей. В качестве охлаждающей среды может использоваться тот же газ, который обрабатывается компрессором, или другая охлаждающая среда.

Согласно некоторым вариантам выполнения изобретения, описываемого здесь, указанный способ включает следующие этапы: обеспечение, по меньшей мере, одного отверстия, проходящего от внешней поверхности входной части рабочего колеса к внутренней поверхности этой части колеса, при этом через указанное отверстие вводят по меньшей мере часть охлаждающей среды.

Согласно следующему аспекту, настоящее изобретение также относится к способу охлаждения ступицы рабочего колеса совместно с охлаждением входной части рабочего колеса, или независимо от него.

Согласно следующему аспекту, изобретение, описанное здесь, относится к рабочему колесу центробежного компрессора, которое содержит ступицу и покрывающий диск, образующие входную часть указанного колеса. Входная часть имеет радиально-внешнюю и радиально-внутреннюю поверхности. Имеется по меньшей мере одно отверстие, проходящее от внешней поверхности к внутренней поверхности и предназначенное для пропускания потока охлаждающей среды через указанную входную часть рабочего колеса к внутреннему пространству закрытого рабочего колеса.

При этом, согласно следующему аспекту, настоящее изобретение относится к центробежному компрессору, который содержит кожух, по меньшей мере, одно рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в указанном кожухе и содержащее ступицу с передней стенкой, на которой расположены лопатки рабочего колеса, и задней стенкой, расположенной преимущественно радиально, пространство между задней стенкой рабочего колеса и кожухом компрессора, по меньшей мере, один канал для охлаждающей среды, предназначенный и расположенный для подачи охлаждающей среды в указанное пространство, причем указанное пространство находится в проточном сообщении с диффузором компрессора у выпускного отверстия рабочего колеса, при этом охлаждающая среда, доставляемая в пространство между кожухом компрессора и задней стенкой рабочего колеса, протекает в указанный диффузор. В предпочтительных вариантах выполнения охлаждающая среда подается в зазор, образованный между уплотнительным устройством и вращающимся осевым компонентом, который вращается вместе с рабочим колесом, например, это может быть вал, на который рабочее колесо посажено с возможностью вращения и обеспечения крутильной гибкости, или балансировочный диск, расположенный на задней стороне рабочего колеса. Благодаря давлению охлаждающей среды и наличию уплотнительного устройства охлаждающая среда выходит из зазора, образованного уплотнительным устройством и вращающимся осевым компонентом, частично проходя в пространстве между задней стенкой рабочего колеса и кожухом компрессора и частично проходя в противоположном направлении, к задней стороне кожуха компрессора.

Описанное выше устройство может использоваться для осуществления способа работы центробежного компрессора, в котором охлаждающую среду подают в зазор между уплотнительным устройством и вращающимся осевым компонентом, например, валом рабочего колеса или балансировочным диском; причем поток охлаждающей среды частично проходит в пространстве у задней стенки рабочего колеса, и оттуда попадает в диффузор, и частично проходит с противоположной стороны уплотнительного устройства, к задней стенке компрессора. Также в этом случае охлаждающая среда может быть частью или долей рабочей среды, обрабатываемой компрессором, которую должным образом охлаждают и частично расширяют при необходимости перед ее подачей в уплотнительное устройство у задней стороны рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения приблизительно от 1,5% до 2,5% от объема основного потока рабочей среды могут выводить для осуществления охлаждения задней стороны рабочего колеса.

Признаки и варианты выполнения описаны ниже и также представлены в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. Признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения изложены в приведенном выше кратком описании для лучшего понимания последующего подробного описания и для лучшей оценки указанных достижений в области техники. Изобретение также содержит и другие признаки, которые описаны ниже, а также представлены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим перед подробным описанием нескольких вариантов выполнения изобретения следует отметить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в части их применения деталями конструкции и устройством компонентов, которые представлены в следующем описании или показаны на чертежах. Изобретение может содержать другие варианты выполнения и может быть осуществлено и выполнено различным образом. Также следует понимать, что употребляемые здесь формулировки и термины используются для описания изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничительных понятий.

Для специалистов должно быть понятно, что конструктивное исполнение, являющееся основой заявленного изобретения, может легко быть использовано в качестве основы для конструирования других устройств, создания способов и/или систем для выполнения некоторых целей настоящего изобретения. Поэтому важно понимать, что в пунктах формулы изобретения описаны конструкции настоящего изобретения, соответствующие друг другу в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного восприятия описанных вариантов выполнения изобретения и большинства их преимуществ, так же как и для лучшего их понимания, ниже приведено подробное описание, которое следует рассматривать в совокупности с прилагаемыми чертежами.

На чертежах:

Фиг. 1 изображает продольный разрез многоступенчатого центробежного компрессора, выполненного согласно известному уровню техники;

Фиг. 2 изображает схему компрессора с охлаждающей системой согласно первому варианту выполнения объекта настоящего изобретения;

Фиг. 3 изображает схему другого варианта выполнения изобретения;

Фиг. 4 изображает продольный разрез ступени компрессора с системой охлаждения входной части рабочего колеса в комбинации с системой охлаждения ступицы;

Фиг. 5 изображает вид в аксонометрии закрытого рабочего колеса для центробежного компрессора; и

Фиг. 6 и 7 изображают части закрытого рабочего колеса в аксонометрии согласно преимущественному варианту выполнения объекта настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание типовых вариантов выполнения содержит ссылки на прилагаемые чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также следующее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Между тем объем настоящего изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения.

Ссылка, используемая в описании, на "один вариант выполнения", или "вариант выполнения", или "некоторые варианты выполнения", означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к одному из вариантов выполнения, содержатся, по меньшей мере, в одном варианте выполнения объекта настоящего изобретения. Таким образом, использование фразы "в одном варианте выполнения", или "в варианте выполнения", или "в некоторых вариантах выполнения" в разных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Также конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.

Фиг. 2 схематично изображает компрессорный узел в соответствии с настоящим изобретением. На схеме, представленной на Фиг. 2, показан центробежный компрессор, обозначенный в целом как 1. Центробежный компрессор 1 может содержать одну или более ступеней, причем каждая ступень содержит одно рабочее колесо, подобно компрессору 100, показанному на фиг. 1. Рабочая среда, например воздух или любая другая газообразная среда, поступает в компрессор 1 через впускное отверстие 3 компрессора и выходит из компрессора 1 через выпускное отверстие 5. Как схематично показано на фиг. 2, часть рабочей среды, проходящей через выпускное отверстие 5 компрессора, выводится и отводится по каналу 7 и проходит через теплообменник 9, в котором часть отведенной сжатой рабочей среды охлаждается. Теплообменник 9 может быть, например теплообменником в исполнении «газ/воздух» или «газ/вода». Охлажденная рабочая среда может затем проходить через понижающий давление элемент, например дроссельный клапан 11, и может вводиться снова в одну или более ступеней компрессора через проход 13. В других вариантах выполнения в качестве понижающего давление элемента может быть использован экспандер.

Давление рабочей среды, проходящей через дроссельный клапан 11, понижается от более высокого давления Р1 до более низкого давления Р2. Падение давления на дроссельном клапане 11 зависит от давления текучей среды в выпускном отверстии компрессора и давления текучей среды в точке, где охлажденная рабочая среда повторно вводится в компрессор и используется в качестве охлаждающей среды, как подробно описано далее. В других вариантах выполнения, не показанных на чертежах, рабочая среда может выводиться из основного потока в другое местоположение на пути прохождения рабочей среды, например, у выпускного отверстия промежуточной ступени компрессора.

В некоторых возможных случаях применения настоящего изобретения в качестве рабочей среды используется воздух, и температура воздуха у выпускного отверстия 5 компрессора может составлять около 650°C, в то время как температура рабочей среды у выпускного отверстия теплообменника 9 может быть около 450°C. Эти значения приведены только в качестве примера и не должны восприниматься как ограничительные для объема настоящего изобретения. Дальнейшее понижение температуры может быть достигнуто, когда рабочая среда проходит через дроссельный клапан 11. В некоторых вариантах выполнения необходимое охлаждение может быть достигнуто только путем регулирования расхода с помощью дроссельного клапана или только посредством теплообменника.

На фиг. 3 показан модифицированный вариант выполнения компрессорного узла. Одинаковыми номерами позиции обозначены одинаковые или эквивалентные части, показанные на фиг. 2. В этом варианте выполнения охлаждающая среда не отводится непосредственно у выпускного отверстия компрессора, а подается из отдельного источника, не показанного на чертежах. Указанный источник может представлять собой накопитель, контейнер или резервуар, в котором хранится рабочая среда. Например, таким источником может быть каверна системы аккумулирования энергии сжатого воздуха. Для нагнетания потока рабочей среды, используемой в качестве охлаждающей среды, при требуемом давлении может быть предусмотрено компрессионное устройство 14, при этом требуемое давление зависит от рабочего давления компрессора, в который нужно подавать охлаждающую среду, и также зависит от давления, при котором рабочая среда подается из указанного источника. В других вариантах выполнения (не показаны на чертежах) может потребоваться устройство понижения давления, например, дроссельный клапан или экспандер. Это имеет место, например, когда давление рабочей среды в резервуаре выше, чем давление, необходимое для охлаждения входной части рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения могут использоваться и устройство уменьшения давления, и устройство увеличения давления или компрессионное устройство 14. Применение устройств в такой комбинации может быть полезным, например, если давление рабочей среды, подаваемой из источника, колеблется в широком диапазоне значений.

Схемы, приведенные на фиг. 2 и 3, служат только примерами, при этом следует понимать, что могут быть выполнены различные схемы расположения, например, применительно к источнику охлаждающей среды, или к охлаждению текучей среды и/или ее расширению.

Охлаждающая среда, проходящая через проход 13 и вводимая в компрессор, используется для охлаждения некоторых областей одного или более рабочих колес компрессора 1, как будет показано ниже со ссылкой, в частности, на фиг. 4-7. В последующем описании примерного варианта выполнения сделана ссылка на осуществление изобретения согласно фиг. 2, т.е. в котором в качестве охлаждающей среды используется часть рабочей среды, которая выводится из основного потока и повторно подается в компрессор с подходящей температурой и давлением. Однако, как отмечено выше, охлаждающая среда может обеспечиваться из внешнего источника.

Что касается фиг. 4-7, ссылка на них делается в отношении последней ступени многоступенчатого центробежного компрессора. Следует понимать, что одни и те же признаки, которые описаны в отношении рабочего колеса последней ступени компрессора, могут использоваться также в других ступенях многоступенчатого компрессора. Также, следует понимать, что признаки, описанные здесь в отношении многоступенчатого компрессора, могут быть также осуществлены при необходимости в одноступенчатом компрессоре.

На фиг. 4 показан вертикальный разрез части компрессора 1, выполненный вдоль плоскости оси Α-A ротора компрессора. Последняя ступень компрессора содержит рабочее колесо 21, закрепленное на вращающемся валу 23. Рабочее колесо отдельно показано на фиг. 5. В варианте выполнения, показанном здесь, рабочее колесо 21 содержит ступицу 23 и покрывающий диск 25. Лопатки 27 расположены радиально между ступицей 23 и покрывающим диском 25 рабочего колеса, образуя каналы 29 между ними. Покрывающий диск 25 содержит входную часть 31 рабочего колеса, расположенную вокруг впускного отверстия 33 рабочего колеса.

Входная часть 31 может быть снабжена внешними кольцевыми зубцами 35, которые соединяются с уплотнительными кромками 37 уплотнительного устройства 39, установленного в кожухе 41 компрессора. Уплотнительное устройство 39 обеспечивает уплотнение между ступенью компрессора, содержащей рабочее колесо 21, и ступенью компрессора, расположенной выше по потоку (не показана на чертеже).

Рабочая среда, обрабатываемая рабочим колесом 21, выпускается радиально из каналов 29 в диффузор 43, выполненный в кожухе 41, и попадает в улитку 45, которая проточно сообщается с выпускным отверстием 5 компрессора.

Балансировочный диск 47 установлен на задней стороне ступицы 23, т.е. на стороне рабочего колеса 21, противоположной входной части 31. Балансировочный диск 47 работает совместно с уплотнительным устройством 49, которое изолирует пространство, в котором расположено рабочее колесо 21, от задней части компрессора. На схематичном разрезе на фиг. 4 также показаны уплотнительные устройства 51, работающие совместно с вращающимся валом 22.

В некоторых вариантах выполнения один или более каналов 53 для охлаждающей среды расположены вокруг входной части 31. Каналы 53 для охлаждающей среды находятся в проточном сообщении с проходом 13, через который часть охлажденной до необходимой температуры рабочей среды, выведенная из главного выпускного отверстия 5 компрессора, снова подается в кожух компрессора для охлаждения входной части 31 рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения несколько каналов 53 для охлаждающей среды предпочтительно равномерно распределено вокруг кольцевой части уплотнительного устройства 39. Например, может быть выполнено от 2 до 20 каналов 53. В некоторых вариантах выполнения может быть выполнено от 8 до 15, и предпочтительно от 10 до 14 каналов 53 для охлаждающей среды. Через каналы 53 около 2% общего выпускного потока рабочей среды, выходящего из компрессора, может быть повторно введено в кожух компрессора.

Охлаждающая среда, проходящая через каждый из каналов 53, поступает в зазор между уплотнительными кромками 37 уплотнительного устройства 39 и входной частью 31. Давление охлаждающей среды, проходящей через каналы 53, выше, чем давление на впуске соответствующей ступени компрессора. Например, если давление рабочей среды у впускного отверстия рабочего колеса составляет около 55 Бар, охлаждающая среда может быть подана в каналы 53 при давлении около 60 Бар. Следовательно, охлаждающая среда будет вынуждена покинуть зазор между кромками 37 и входной частью 31 рабочего колеса. Часть охлаждающей среды покинет зазор по направлению стрелки fA, а другая часть потока охлаждающей среды покинет указанный зазор по направлению стрелки fB. Первая часть охлаждающей среды, к примеру, около 1,2-1,3% от объема рабочей среды, проходящей через компрессор, будет выходить из указанного зазора по направлению стрелки fA и попадать в ступень компрессора выше по потоку, в то время как другая часть будет течь вдоль внешней поверхности покрывающего диска 25 рабочего колеса 21 вдоль зазора 57, образованного между кожухом 41 компрессора и покрывающим диском 25 рабочего колеса, в конце попадая в диффузор 43.

Поток охлаждающей среды охлаждает внешнюю поверхность входной части 31 рабочего колеса. Температура области входной части рабочего колеса, которая подвержена особенно высоким механическим напряжениям, будет, таким образом, понижаться, благодаря чему продлевается долговечность рабочего колеса.

Согласно дополнительному усовершенствованию изобретения, описанного здесь, входная часть 31 рабочего колеса имеет отверстия 61. В предпочтительных вариантах выполнения, по меньшей мере, одно отверстие предназначено для каждой лопатки 27. Отчетливое изображение одного такого отверстия приведено на фиг. 6 и 7. На этих фигурах показан поперечный разрез части рабочего колеса 21. На этих фигурах показаны фрагменты входной части 31, ступицы 23 и покрывающего диска 25, а также одна из лопаток 27. Каждое отверстие 61 проходит от впускного отверстия на внешней поверхности входной части 31 к выпускному отверстию на внутренней поверхности входной части 31. В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 6 и 7, отверстие 61 входит на внутренней поверхности входной части 31 приблизительно перед передней кромкой 27А соответствующей лопатки 27.

Благодаря такому устройству, по меньшей мере, часть охлаждающей среды, подаваемой через каналы 53, поступает в отверстия 61. Каждое отверстие 61 создает поток охлаждающей среды, который проходит вдоль обеих сторон соответствующей лопатки 27. Поток охлаждающей среды отводит тепло от передней кромки лопатки и области, где лопатка 27 соединена с входной частью 31. Указанная область подвержена высоким температурным и механическим напряжениям. Отведение тепла от этой области понижает температуру и снижает ползучесть, таким образом, дополнительно увеличивая продолжительность службы рабочего колеса.

В некоторых вариантах выполнения дополнительное уменьшение перегрева и ползучести может быть достигнуто благодаря обеспечению потока охлаждающей среды также в области ступицы 23, как схематично показано на фиг. 4. Может быть выполнен один или более дополнительных каналов 71, которые соединяют проход 13 с уплотнительным устройством 49. Доля рабочей среды, выведенная из выпускного отверстия 5, охлажденная в теплообменнике 9 и расширенная в дроссельном клапане 11, протекает через каналы 71 в зазор между уплотнительным устройством 49 и балансировочным диском 47. Этот поток охлаждающей среды покидает зазор между уплотнительным устройством 49 и балансировочным диском 47, и, по меньшей мере, часть указанного потока поступает в пространство между неподвижными частями кожуха 41 компрессора и задней стенкой рабочего колеса 21 по стрелке fC. Эта часть потока охлаждающей среды в завершении поступает в диффузор 57. В некоторых вариантах выполнения охлаждающая среда, подаваемая в зазор между уплотнительным устройством 49 и балансировочным диском 47, может составлять приблизительно 2,0-2,2% от общей величины потока, выпускаемого компрессором, и приблизительно 1/3 указанного потока охлаждающей среды поступает в пространство позади рабочего колеса 23 и в завершении поступает в диффузор 57, в то время как остальная часть указанного потока выйдет из зазора между уплотнительным устройством 49 и балансировочным диском 47 с противоположной стороны.

Некоторые признаки изложенных здесь вариантов выполнения могут быть применены с использованием охлаждающей среды, отличающейся от рабочей среды, обрабатываемой компрессором.

В то время как варианты выполнения изобретения, описанные здесь, показаны на чертежах и полностью описаны выше с указанием особенностей и деталей в соответствии с несколькими типовыми вариантами выполнения, для специалистов будет очевидно, что в отношении настоящего изобретения можно выполнить значительное количество конфигураций, замен и исключений без существенного отклонения от новых идей, принципов и конструкций, представленных здесь, а также преимуществ изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.

Таким образом, истинный объем описанных усовершенствований должен определяться только в свете расширенного толкования пунктов прилагаемой формулы изобретения, чтобы охватить все соответствующие варианты, замены и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов работы или способа могут быть изменены или выполнены в другой последовательности согласно альтернативным вариантам выполнения изобретения.

Предложен центробежный компрессор, содержащий кожух (41), по меньшей мере, одно рабочее колесо (21), установленное с возможностью вращения в кожухе и содержащее ступицу (23), покрывающий диск (25) и входную частью (31), и уплотнительное устройство (39) входной части рабочего колеса, предназначенное для обеспечения уплотнения рабочего колеса в области входной части. Центробежный компрессор дополнительно содержит, по меньшей мере, один канал (53) для охлаждающей среды, расположенный в указанном уплотнительном устройстве и расположенный с обеспечением подачи охлаждающей среды вокруг входной части рабочего колеса. Изобретение направлено на увеличение срока службы компрессора. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Центробежный компрессор, предназначенный для сжатия рабочей среды, содержащий:

кожух,

по меньшей мере, одно рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в указанном кожухе, причем указанное рабочее колесо содержит ступицу, покрывающий диск и входную часть,

устройство для уплотнения входной части рабочего колеса, предназначенное для уплотнения рабочего колеса в области входной части,

по меньшей мере, один канал, расположенный в указанном устройстве для уплотнения входной части рабочего колеса и предназначенный для подачи потока указанной сжатой рабочей среды вокруг указанной входной части рабочего колеса для охлаждения указанной части.

2. Центробежный компрессор по п. 1, в котором во входной части рабочего колеса выполнены отверстия, проходящие от внешней поверхности указанной входной части к ее внутренней поверхности.

3. Центробежный компрессор по п. 2, в котором выполнено по меньшей мере одно отверстие для каждой лопатки из множества лопаток, выполненных между ступицей и покрывающим диском рабочего колеса.

4. Центробежный компрессор по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один канал находится в проточном сообщении с нагнетательным проходом компрессора, предназначенным для прохождения основного потока рабочей среды, сжимаемой указанным компрессором, причем часть указанной сжатой рабочей среды выводится из указанного основного потока, проходящего в нагнетательном проходе, и отводится к указанному по меньшей мере одному каналу для охлаждающей текучей среды.

5. Центробежный компрессор по п. 4, содержащий теплообменник, проходя через который указанная часть сжатой рабочей среды охлаждается перед подачей в указанный канал.

6. Центробежный компрессор по п. 4 или 5, содержащий устройство для понижения давления, предназначенное для понижения давления указанной части сжатой рабочей среды перед ее подачей в указанный канал.

7. Центробежный компрессор по п. 4 или 5, содержащий несколько последовательно расположенных ступеней, каждая из которых содержит соответствующее рабочее колесо, при этом по меньшей мере одно из указанных рабочих колес объединено с указанным уплотнительным устройством входной части и указанным по меньшей мере одним каналом.

8. Центробежный компрессор по п. 1, содержащий, по меньшей мере, один дополнительный канал, предназначенный для подачи дополнительного потока указанной сжатой рабочей среды у задней стороны ступицы указанного по меньшей мере одного рабочего колеса.

9. Центробежный компрессор по п. 8, содержащий вращающийся вал, поддерживающий указанное по меньшей мере одно рабочее колесо и балансировочный диск, который работает совместно со своим уплотнительным устройством, причем указанный по меньшей мере один дополнительный канал расположен с возможностью подачи указанного дополнительного потока сжатой рабочей среды между указанным балансировочным диском и указанным уплотнительным устройством балансировочного диска.

10. Центробежный компрессор по п. 8 или 9, в котором указанный дополнительный канал находится в проточном сообщении с нагнетательным проходом указанного компрессора, который предназначен для пропускания основного потока сжатой рабочей среды, причем часть указанной сжатой рабочей среды выводится из основного потока, проходящего в указанном нагнетательном проходе, и отводится к указанному по меньшей мере одному дополнительному каналу.

11. Способ работы центробежного компрессора, содержащего кожух и по меньшей мере одно вращающееся рабочее колесо, установленное в указанном кожухе и содержащее ступицу, покрывающий диск и входную часть, причем способ включает следующие этапы:

пропускание рабочей среды через указанное рабочее колесо;

введение части потока указанной сжатой рабочей среды в пространство вокруг входной части рабочего колеса и обеспечение циркуляции указанной сжатой рабочей среды в указанном пространстве для отведения тепла от указанной входной части.

12. Способ по п. 11, в котором указанное пространство образовано между указанной входной частью и уплотнительным устройством указанной входной части.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором выводят часть сжатой рабочей среды со стороны подачи рабочего колеса, и

вводят указанную сжатую рабочую среду в указанное пространство.

14. Способ по п. 13, в котором отводят тепло от указанной части сжатой рабочей среды перед ее подачей в указанное пространство.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором понижают давление указанной части сжатой рабочей среды перед ее подачей в указанное пространство.

16. Способ по п. 13 или 14, в котором приблизительно от 0,5% до приблизительно 4% от объема, и предпочтительно от приблизительно 1% до приблизительно 2% от объема рабочей среды выводят для охлаждения указанной входной части.

17. Способ по п. 11 или 12, в котором подают сжатую рабочую среду, по меньшей мере, частично между указанным покрывающим диском рабочего колеса и указанной ступицей рабочего колеса.

18. Способ по п. 11 или 12, в котором выполняют, по меньшей мере, одно отверстие, проходящее от внешней поверхности указанной входной части к ее внутренней поверхности, и подают, по меньшей мере, часть указанной сжатой рабочей среды через указанное по меньшей мере, одно отверстие к указанной внутренней поверхности.

19. Способ по любому одному из пп. 11 или 12, в котором дополнительно охлаждают указанную ступицу рабочего колеса путем подачи сжатой рабочей среды к задней стороне указанной ступицы.

20. Способ по п. 19, в котором:

отводят часть указанной сжатой рабочей среды;

вводят первую долю указанной части сжатой рабочей среды в указанное пространство вокруг указанной входной части для охлаждения указанного покрывающего диска указанного колеса;

вводят вторую долю указанной части сжатой рабочей среды к задней стороне указанной ступицы рабочего колеса для ее охлаждения.

21. Способ по п. 20, в котором для охлаждения указанной ступицы выводят в процентном отношении приблизительно от 0,5% до приблизительно 4% от объема, и предпочтительно от приблизительно 1% до приблизительно 2% от объема указанной сжатой рабочей среды.

22. Рабочее колесо для центробежного компрессора, содержащее ступицу и покрывающий диск, образующие входную часть, причем указанная входная часть имеет радиально внешнюю поверхность и радиально внутреннюю поверхность, причем предусмотрено по меньшей мере одно отверстие, проходящее от указанной внешней поверхности к указанной внутренней поверхности и расположенное с обеспечением подачи потока охлаждающей среды через указанную входную часть.

23. Рабочее колесо по п. 22, в котором указанная входная часть имеет несколько указанных отверстий.

24. Рабочее колесо по п. 22 или 23, в котором указанная входная часть имеет, по меньшей мере, одно отверстие для каждой лопатки из множества лопаток, расположенных между покрывающим диском и ступицей рабочего колеса.

25. Рабочее колесо по п. 24, в котором выход каждого отверстия на указанной внутренней поверхности расположен по существу перед входной кромкой соответствующей лопатки.

26. Центробежный компрессор, содержащий кожух, по меньшей мере, одно рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в указанном кожухе и содержащее ступицу с передней стенкой, на которой расположены лопатки рабочего колеса, и задней стенкой, расположенной преимущественно радиальным образом, пространство между задней стенкой рабочего колеса и кожухом компрессора, по меньшей мере, один канал для охлаждающей среды, предназначенный и расположенный для подачи охлаждающей среды в указанное пространство, причем указанное пространство находится в проточном сообщении с диффузором компрессора в выпускном отверстии компрессора, причем охлаждающая среда, подаваемая в пространство между кожухом компрессора и задней стенкой рабочего колеса, проходит в указанный диффузор.

27. Центробежный компрессор по п. 26, в котором указанный канал для охлаждающей среды предусмотрен для подачи охлаждающей среды в пространство, образованное между уплотнительным устройством и вращающимся осевым компонентом, который вращается вместе с рабочим колесом, причем благодаря давлению указанной охлаждающей среды и благодаря уплотнительному устройству, охлаждающая среда выходит из пространства, образованного уплотнительным устройством и вращающимся осевым компонентом, частично проходя в пространство между задней стенкой рабочего колеса и кожухом компрессора, и частично проходя в противоположном направлении, а именно по направлению к задней части кожуха компрессора.

28. Центробежный компрессор по п. 27, в котором указанный вращающийся осевой компонент является балансировочным диском, который расположен на задней стороне рабочего колеса.