МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2019 года по МПК F04D17/12 

Данное изобретение относится к многосекционному центробежному компрессору. Такие компрессоры используют для обработки рабочей текучей среды в газообразном или парообразном состоянии. Например, такие компрессоры могут использоваться для сжатия углекислого газа.

Многосекционный компрессор известен из уровня техники. Такой компрессор может содержать первую и вторую секции. Данные секции работают последовательно, при этом вторая секция обеспечивает обработку выходного потока из первой секции.

Обе секции имеют общую ось вращения, при этом каждая секция содержит несколько рабочих колес, каждое из которых содержит лопатки. Рабочие колеса каждой секции расположены последовательно. Соответственно, выполняется последовательное сжатие рабочей текучей среды посредством каждого рабочего колеса, при этом обеспечивая изменение давления от начального давления до конечного давления.

Каждая секция также имеет центральную и периферийную зону. В действительности каждая секция содержит впускной и выпускной канал, расположенные в периферийной зоне. Выпускной канал первой секции, как правило, проточно сообщается с впускным каналом второй секции. Другими словами, вторая секция обеспечивает сжатие рабочей текучей среды после обработки в первой секции.

Помимо этого, компрессор содержит первую и вторую выпускную улитку, которые предназначены для сбора рабочей текучей среды из последнего рабочего колеса, соответственно, первой и второй секции для ее перемещения к выпускному соплу. Вследствие ротодинамических ограничений для обеспечения минимально возможного расстояния между подшипниками ротора, одну или более выпускных улиток располагают в окружном направлении снаружи U-образных обратных направляющих каналов диафрагменных узлов указанных первой и второй секций.

Согласно предшествующему уровню техники первая и вторая секции могут быть расположены либо выходными частями друг к другу, либо последовательно. При расположении секций выходными частями друг к другу выпускные улитки первой и второй секций расположены рядом друг с другом в средней части корпуса компрессора. При последовательном расположении выпускная улитка первой секции, также расположенная в середине компрессора, находится рядом с впускным отверстием второй секции. Кроме того, выпуск на второй фазе происходит на противоположной стороне от входа первой секции. Однако в любом случае, поскольку для достижения приемлемых ротодинамических характеристик компрессора необходимо уменьшать расстояние между подшипниками ротора, выпускную улитку первой секции располагают снаружи относительно U-образных обратных направляющих каналов как при расположении секций выходными частями друг к другу, так и при последовательном расположении. Неблагоприятным при этом является то обстоятельство, что, поскольку размер выпускной улитки определен в соответствии с требованиями к аэродинамическим характеристикам, следствием этого является увеличенный диаметр наружного кожуха компрессора, что в свою очередь отрицательно сказывается в целом на весе компрессора, его себестоимости и управляемости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, первый вариант выполнения изобретения относится к многосекционному центробежному компрессору, содержащему по меньшей мере первую и вторую секции. Каждая секция содержит по меньшей мере одно рабочее колесо с лопатками и имеет ось вращения. Каждая секция имеет центральную и периферийную зоны и содержит впускной канал и выпускной канал, расположенные в периферийной зоне. Выпускной канал первой секции проточно сообщается с впускным каналом второй секции, так что вторая секция выполнена с возможностью сжатия текучей среды после того, как она была сжата в первой секции. Помимо этого, выпускной канал первой секции расположен в концевой части компрессора. Выпускной канал второй секции расположен смежно с впускным каналом первой секции.

Преимущественно такое решение обеспечивает возможность размещения первой выпускной улитки в концевой части компрессора в осевом направлении. В свою очередь, это обеспечивает возможность значительно уменьшить диаметр наружного кожуха без увеличения расстояния между подшипниками.

Другие признаки и конкретные варианты выполнения изобретения будут рассмотрены со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает вид сбоку в разрезе многосекционного центробежного компрессора в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения,

Фиг. 1а изображает фрагмент вида сбоку в разрезе многосекционного центробежного компрессора в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения,

Фиг. 2 схематично изображает многосекционный центробежный компрессор, показанный на Фиг. 1, и

Фиг. 3 схематично изображает многосекционный центробежный компрессор в соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 1а.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одни и те же или подобные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. При этом объем правовой охраны определен прилагаемой формулой изобретения.

Используемые в тексте описания слова «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении одного варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в разных местах в тексте описания не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.

Таким образом, многосекционный центробежный компрессор описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых он обозначен номером 1 позиции. Центробежный компрессор 1 предназначен для сжатия рабочей текучей среды от начального давления до конечного давления. Точные величины указанных давлений могут изменяться в зависимости от конкретного применения. Однако начальное давление может изменяться от величины ниже атмосферного давления и до нескольких десятков МПа (нескольких сотен бар). Конечное давление может составлять, например, 80 МПА (800 бар).

Если подробнее, компрессор 1 содержит по меньшей мере первую секцию 2 и вторую секцию 3. Каждая из секций 2, 3 имеет центральную зону 2а, 3а и периферийную зону 2b, 3b. Первая секция 2 предназначена для сжатия рабочей текучей среды с изменением давления от начального до промежуточного. Вторая секция 3 предназначена для сжатия рабочей текучей среды с изменением давления от промежуточного до конечного давления. Например, при начальном давлении в 1 МПа (10 бар) и конечном давлении 10 МПа (100 бар) промежуточное давление может составлять, например, 3,5 МПа (35 бар). Кроме того, каждая из секций 2, 3 содержит впускные каналы 7, 8 и выпускные каналы 9,10. Эти каналы 7, 8, 9, 10 расположены в периферийных зонах 2b, 3b соответствующей секции. Другие признаки каналов 7, 8, 9, 10 будут приведены в следующей части данного изобретения.

Если подробнее, каждая секция 2, 3 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо 4, содержащее лопатки 5. В соответствии с вариантом выполнения изобретения, показанным на Фиг. 1, каждая секция 2, 3 содержит несколько рабочих колес 4. Рабочие колеса 4 каждой из секций 2, 3 расположены последовательно, при этом рабочая текучая среда, сжатая каждым колесом 4, поступает к следующему колесу 4 для дальнейшего сжатия. Каждое рабочее колесо выполнено с возможностью всасывания рабочей текучей среды из впускного отверстия 11, расположенного вблизи центра колеса 4, и выпуска ее в диффузор 12. Как правило, диффузор 12 каждого колеса 4 проточно сообщается непосредственно с впускным отверстием 11 следующего рабочего колеса 4. Впускное отверстие 11 первого рабочего колеса 4 каждой из секций 2, 3 проточно сообщается непосредственно с соответствующим впускным каналом 7, 8. Диффузор 12 последнего колеса 4 проточно сообщается с выпускным каналом 9, 10 соответствующей секции 2, 3.

Кроме того, компрессор 1 также содержит первую выпускную улитку 18, проточно сообщающуюся с выпускным каналом 9 первой секции 2. Предпочтительно, первая улитка 18 расположена над первой секцией 2 на расстоянии от нее. Компрессор 1 также содержит вторую выпускную улитку 19, проточно сообщающуюся с выпускным каналом 10 второй секции 3. Предпочтительно, диффузор 12 последнего колеса 4 каждой из секций 2, 3 проточно сообщается непосредственно с соответствующей улиткой 18, 19. Если точнее, выпускные улитки 18, 19 представляют собой по существу круговые каналы с переменным сечением, в которых собирается текучая среда, поступающая из диффузора 12 последнего колеса 4 каждой секции 2, 3. В действительности, улитки 18, 19 также расположены с обеспечением перемещения рабочей текучей среды к выпускному каналу 9, 10 соответствующей секции 2, 3. В соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 1, вторая улитка 19 расположена снаружи относительно второй секции 3. Поскольку в области применения центробежных компрессоров улитки 18, 19 известны, в данном документе они подробно не описаны.

Компрессор 1 содержит вал 6, присоединенный к первой секции 2 и ко второй секции 3. Данный вал присоединен к двигателю (не показан на чертежах), сообщающему энергию валу 6 и, соответственно, рабочим колесам 4 как первой секции 2, так и второй секции 3. В частности, вал 6 имеет центральную ось «А», которая является его осью вращения.

Каждая секция 2, 3 имеет ось вращения, которая в показанных вариантах выполнения соответствует центральной оси «А» вала 6. Другими словами, секции 2, 3 являются коаксиальными.

Выпускной канал 9 первой секции 2 проточно сообщается с впускным каналом 8 второй секции 3. Другими словами, вторая секция 3 предназначена для сжатия текучей среды, сжатой первой секцией 2. Таким образом, для обеспечения сжатия вторая секция 3 расположена ниже по потоку относительно первой секции 2. Кроме того, между выпускным каналом 9 первой секции 2 и впускным каналом 8 второй секции 3 расположен теплообменник 15. Таким образом, рабочая текучая среда охлаждается между первой 2 и второй 3 секциями.

В соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 1, выпускной канал 10 второй секции 3 проходит смежно с впускным каналом 7 первой секции 2. Если подробнее, компрессор 1 имеет стенку 13, по меньшей мере частично ограничивающую выпускной канал 10 второй секции 3. На практике стенка 13 действует в качестве межфазовой диафрагмы, предназначенной для восприятия осевой нагрузки, обусловленной разностью давлений во впускном канале 7 первой секции 2 и выпускном канале 10 второй секции 3. Кроме того, форма стенки 13 обеспечивает возможность размещения как впускного канала 7 первой секции 2, так и выпускного канала 10 второй секции 3, при этом минимизируя влияние на увеличение расстояния между подшипниками компрессора. Наклонная форма стенки 13 также обеспечивает сведение к минимуму частичного осевого отклонения по мере уменьшения ее толщины.

В соответствии с вариантом выполнения изобретения компрессор 1 содержит межфазовое уплотнение 14, размещенное между выпускным каналом 10 второй секции 3 и впускным каналом 7 первой секции 2. Другими словами, уплотнение 14 работает между указанными выше начальным давлением и конечным давлением. Если подробнее, межфазовое уплотнение 14 размещено внутри стенки 13. Межфазовое уплотнение 14 предпочтительно представляет собой лабиринтное уплотнение, однако, также возможно использование любого известного уплотнения подходящего типа.

Если подробнее, последняя ступень второй секции 3 расположена с возможностью проточного сообщения с впускным каналом 7 первой секции 2 через межфазовое уплотнение 14. Другими словами, рабочая текучая среда может протекать из последнего рабочего колеса 4 второй секции 3 обратно во впускной канал 7 первой секции 2 благодаря разности давлений между конечным давлением в выпускном канале 10 второй секции 3 и начальным давлением во впускном канале 7 первой секции 2.

Для ограничения потери эффективности при таком расположении предложен другой вариант выполнения межфазового уплотнения 14, показанный на Фиг. 1а и 3. Если точнее, диффузор 12 последнего колеса 4 второй секции 3 также может быть расположен с возможностью проточного сообщения с выпускным каналом 9 первой секции 2 через межфазовое уплотнение 14, как показано, например, на Фиг. 3. В описываемой конструкции межфазовое уплотнение 14 содержит первую часть 14а и вторую часть 14b. Первая часть 14а уплотнения 14 расположена смежно с первой секцией 2, а именно смежно с впускным каналом 7 первой секции 2. Вторая часть 14b уплотнения 14 расположена смежно с второй секцией 3, а именно смежно с выпускным каналом 10 второй секции 3.

Кроме того, в описываемой конструкции присутствует дополнительная линия 16 уплотнительного газа, которая проточно сообщается с камерой 22, расположенной между частями 14а, 14b межфазового уплотнения 14, а также с выпускным каналом 9 первой секции 2, предпочтительно выше по потоку от теплообменника 15.

Таким образом, протечки горячего газа со стороны более высокого давления уплотнения 14, т.е. второй части 14b, смешиваются с газом, выходящим из выпускного отверстия первой секции и также имеющим высокую температуру. Это смешивание происходит выше по потоку от теплообменника 15 для охлаждения как указанных протечек, так и выпускаемого газа, поступающего из первой секции 2.

Вышеуказанное проточное сообщение между выпускным каналом 9 первой секции 2 и камерой 22 обеспечивает возможность получения внутри камеры 22 давления, соответствующего промежуточному давлению, благодаря большим размерам выпускного канала 9 по сравнению с камерой 22. Таким образом, разность давлений между камерой 22 и впускным отверстием первой секции 2 уменьшается, соответственно, обеспечивая уменьшение протечек между этими двумя зонами.

В данном варианте выполнения компрессор 1 также содержит два дополнительных уплотнительных средства 17. Первое уплотнительное средство 17 расположено за последней ступенью первой секции 2 между центральной осью «А» и первой выпускной улиткой 18. Второе уплотнительное средство 17 расположено вблизи впускного канала 8 второй секции 3.

Компрессор 1 также содержит упорный подшипник 23, расположенный рядом с выпускным каналом 9 первой секции 2 в соответствии с рассмотренными вариантами выполнения изобретения. Поскольку конструкция подшипника 23 известна специалисту, ее подробное описание не приведено.

В данном варианте выполнения величина давления газа у двух концов компрессора является приблизительно одинаковой. Помимо увеличения эффективности компрессора из-за отсутствия необходимости в выравнивающей уплотнительной линии между двумя концами компрессора это обстоятельство также обеспечивает возможность дополнительного уменьшения расстояния между подшипниками компрессора, так как нет необходимости размещать дополнительное концевое лабиринтное уплотнение вала или устанавливать уравновешивающий поршень.

Компрессор 1 также содержит кожух 20, по меньшей мере частично окружающий первую и вторую секции 2, 3. Предпочтительно, указанный кожух вмещает как первую 2, так и вторую секцию 3. Внутренний диаметр кожуха 20 по существу равен наружному диаметру второй улитки 19. В действительности, благодаря указанному взаимному расположению секций 2, 3 размер кожуха 20 может быть существенно уменьшен по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Многосекционный центробежный компрессор (1) содержит по меньшей мере первую и вторую секции (2, 3), причем каждая из указанных секций (2, 3) содержит впускной канал (7, 8) и выпускной канал (9, 10). Выпускной канал (9) первой секции (2) расположен с возможностью проточного сообщения с впускным каналом (8) второй секции (3). Вторая секция (3) выполнена с возможностью сжатия текучей среды, сжатой первой секцией (2). Выпускной канал (10) второй секции (3) расположен смежно с впускным каналом (7) первой секции (2). 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многосекционный центробежный компрессор (1), содержащий по меньшей мере первую и вторую секции (2, 3), каждая из которых содержит по меньшей мере одно рабочее колесо (4), имеющее ось (А) вращения, при этом каждая из указанных секций (2, 3) также имеет центральную зону (2а, 3а) и периферийную зону (2b, 3b) и содержит впускной канал (7, 8) и выпускной канал (9, 10), расположенные в периферийной зоне (2b, 3b), при этом выпускной канал (9) первой секции (2) расположен с возможностью проточного сообщения с впускным каналом (8) второй секции (3), а вторая секция (3) выполнена с возможностью сжатия текучей среды, сжатой первой секцией (2), причем выпускной канал (10) второй секции (3) расположен смежно с впускным каналом (7) первой секции (2).

2. Компрессор (1) по п. 1, в котором выпускной канал (9) первой секции (2) расположен в концевой части указанного компрессора.

3. Компрессор (1) по п. 2, содержащий первую выпускную улитку (18), проточно сообщающуюся с выпускным каналом (9) первой секции (2), причем первая выпускная улитка (18) расположена с нависанием над первой секцией (2) в окружном направлении относительно первой секции (2).

4. Компрессор (1) по п. 1, содержащий межсекционную стенку (13), по меньшей мере частично ограничивающую выпускной канал (10) второй секции (3) и впускной канал (7) первой секции (2).

5. Компрессор (1) по п. 4, в котором выпускной канал (9) первой секции (2) и впускной канал (8) второй секции (3) расположены на противоположных концах относительно указанной межсекционной стенки (13).

6. Компрессор (1) по п. 1, содержащий межфазовое уплотнение (14) между выпускным каналом (10) второй секции (3) и впускным каналом (7) первой секции (2).

7. Компрессор (1) по п. 6, в котором межфазовое уплотнение (14) размещено в указанной межсекционной стенке (13).

8. Компрессор (1) по п. 6, в котором каждое рабочее колесо (4) выполнено с возможностью всасывания рабочей текучей среды из впускного отверстия (11) и выпуска указанной рабочей текучей среды в диффузор (12), при этом диффузор (12) второй секции (3) проточно сообщается с впускным отверстием (11) первой секции (2) через указанное межфазовое уплотнение (14).

9. Компрессор (1) по п. 8, в котором указанный диффузор (12) также проточно сообщается с выпускным каналом (9) первой секции (2) через указанное межфазовое уплотнение (14).

10. Компрессор (1) по п. 9, в котором указанное межфазовое уплотнение (14) имеет первую часть (14а), расположенную смежно с указанной первой секцией (2), и вторую часть (14b), расположенную смежно с второй секцией (3).

11. Компрессор (1) по п. 10, в котором указанная первая часть (14а) расположена смежно с впускным каналом (7) первой секции (2).

12. Компрессор (1) по п. 10, в котором указанная вторая часть (14b) межфазового уплотнения (14) расположена смежно с выпускным каналом (10) второй секции (3).

13. Компрессор (1) по п. 1, содержащий дополнительное уплотнение (17), расположенное между выпускным каналом (9) первой секции (2) и внешней средой, и первую выпускную улитку (18), которая проточно сообщается с указанным выпускным каналом (9), при этом указанное дополнительное уплотнение (17) расположено между указанной осью (А) вращения и первой выпускной улиткой (18).

14. Компрессор (1) по п. 13, содержащий вторую выпускную улитку (19), которая проточно сообщается с указанным вторым выпускным каналом (10), причем вторая выпускная улитка (19) расположена в окружном направлении относительно по меньшей мере одного рабочего колеса (4) второй секции (3).

15. Компрессор (1) по п. 14, содержащий кожух (20), по меньшей мере частично окружающий указанные первую секцию (2) и вторую секцию (3), причем внутренний диаметр кожуха (20) по существу равен наружному диаметру второй выпускной улитки (19).

16. Компрессор по любому из пп. 1-15, содержащий упорный подшипник (23), расположенный рядом с выпускным каналом (9) первой секции (2).

17. Двухсекционный компрессор (1) по любому из пп. 1-16.