СИСТЕМА СУХОГО ГАЗОВОГО УПЛОТНЕНИЯ И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ СИСТЕМУ СУХОГО ГАЗОВОГО УПЛОТНЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК F01D11/04 

Изобретение относится к системе сухого газового уплотнения для турбомашины согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к турбомашине, содержащей такую систему сухого газового уплотнения.

В турбомашинах, таких, например, как турбокомпрессоры, все шире используются сухие газовые уплотнения, которые заменяют обычные уплотнения на масляной пленке для уплотнения компонента стороны ротора турбомашины относительно компонента стороны статора турбомашины.

На фиг. 1 и 2 показаны элементы системы 1 сухого газового уплотнения известного уровня техники, которая предназначена для уплотнения компонента 2 стороны ротора турбомашины относительно компонента 3 стороны статора турбомашины. На фиг. 1 показаны два сухих газовых уплотнения 4, которые предназначены для уплотнения компонента 2 стороны ротора относительно компонента 3 стороны статора, при этом каждое сухое газовое уплотнение 4 содержит уплотнительное устройство 5, состоящее из уплотнительного элемента 5 стороны ротора и уплотнительного элемента 7 стороны статора. Соответствующий уплотнительный элемент 7 стороны статора уплотнительного устройства 5 соответствующего сухого газового уплотнения 4 прикреплен к поддерживающему устройству 8 стороны статора соответствующего сухого газового уплотнения 4 и поджат или прижат к уплотнительному элементу 6 стороны ротора с определенной силой с помощью пружинного элемента 9, который упирается с одной стороны в соответствующее поддерживающее устройство 8 стороны статора, а с другой стороны – в компонент стороны статора. Вследствие этого, уплотнительный элемент 7 стороны статора определенным образом прижимается к уплотнительному элементу 6 стороны ротора.

Таким образом, каждое сухое газовое уплотнение 4 системы 1 сухого газового уплотнения снабжается, с одной стороны, так называемым уплотняющим газом 10, при этом уплотняющий газ 10 представляет собой очищенный технологический газ 11, извлеченный из турбомашины 12 и пропущенный через устройство 13 очистки для очистки. Кроме того, каждое сухое газовое уплотнение 4 снабжается двумя дополнительными потоками газа, а именно, с одной стороны, буферным газом 14 и разделительным газом 15. Буферный газ 14 и разделительный газ 15 представляют собой, например, N₂, который хранится в готовом состоянии в резервуаре 25 хранения, и после кондиционирования подается к соответствующему сухому газовому уплотнению 4 через подходящее регулирующее устройство 26.

Рециркуляция газов сухого газового уплотнения включает в себя утечку 16 уплотняющего газа 10, который повторно проходит через турбомашину 12 и таким образом участвует в процессе, утечку 17 смеси уплотняющего газа 10 и буферного газа 14, которую также называют внутренней утечкой, утечку 18 смеси буферного газа 14 и разделительного газа 15, которую также называют внешней утечкой, утечку 19 разделительного газа 15 через опору, которую также называют опорной утечкой.

Соответственно, как уже пояснено выше, в системах 1 сухого газового уплотнения необходимо извлекать технологический газ 11 из процесса, то есть из турбомашины, очищать его в устройстве 13 очистки и подавать очищенный технологический газ 11 к соответствующему сухому газовому уплотнению 4 в качестве уплотняющего газа 10. В системах 1 сухого газового уплотнения известного уровня техники очистка технологического газа 11 выполняется с помощью внешних фильтров.

Имеется потребность в упрощении конструкции системы сухого газового уплотнения. Вследствие этого в основу изобретения положена задача создания системы сухого газового уплотнения более простой конструкции.

Эта задача решена с помощью системы сухого газового уплотнения согласно пункту 1 формулы изобретения. Согласно изобретению, устройство очистки выполнено в виде центробежного устройства, интегрированного в ротор турбомашины.

При использовании изобретения внешнее устройство очистки в виде фильтрующего устройства для кондиционирования технологического газа, извлекаемого из турбомашины, который используется в качестве уплотняющего газа, может быть исключено. Вместо этого в изобретении предлагается интегрировать устройство очистки, выполненное в виде центробежного устройства, в ротор турбомашины, что обеспечивает очистку очищаемого технологического газа для получения очищенного уплотняющего газа. Так как внешнее устройство очистки становится излишним, конструкция системы сухого газового уплотнения может быть упрощена. Затраты, сложность и чувствительность к ошибкам системы сухого газового уплотнения уменьшаются.

В одном из дальнейших предпочтительных вариантов осуществления, центробежное устройство интегрировано в вал ротора турбомашины, причем вал предпочтительно имеет по меньшей мере одно входное отверстие для технологического газа, по меньшей мере одно радиальное выходное отверстие для уплотняющего газа для каждого сухого газового уплотнения, и по меньшей мере одно радиальное выходное отверстие для загрязнений. При интеграции центробежного устройства в вал ротора возможно особенно преимущественное кондиционирование технологического газа для получения очищенного уплотняющего газа. Дополнительное преимущество состоит в том, что благодаря ротору с просверленной полостью или валу с просверленной полостью может быть обеспечена лучшая динамика ротора. Кроме того, существующие турбомашины могут быть легко модифицированы или доработаны.

В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления система сухого газового уплотнения включает в себя внешний резервуар для хранения уплотняющего газа. С внешним резервуаром для хранения уплотняющего газ гарантируется, что при неподвижном роторе турбомашины будет поддерживаться уплотнительная функция одного или каждого сухого газового уплотнения.

В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления система сухого газового уплотнения включает в себя нагревательное отверстие в статоре и/или в крышке корпуса. Благодаря этому может предотвращаться так называемое замораживание или залипание сухого газового уплотнения.

В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления устройство очистки в роторе включает в себя подходящее промывочное устройство (на чертежах не показано) с внешней жидкостью, причем эта жидкость подается, например, через входное отверстие, в ряде случаев, также с дополнительным носиком. Загрязненная промывочная вода сливается через одно или более выходных отверстий.

Турбомашина согласно изобретению определена в пункте 7 формулы изобретения.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и из последующего описания. Типичные варианты осуществления изобретения более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, но не ограничиваются этими вариантами.

На фиг. 1 показана область системы сухого газового уплотнения с оборудованием известного уровня техники, схематичный вид в разрезе по осевой плоскости;

на фиг. 2 – блок-схема системы сухого газового уплотнения с оборудованием известного уровня техники; и

на фиг. 3 – турбомашина с системой сухого газового уплотнения согласно изобретению, схематичный вид в разрезе по осевой плоскости.

Изобретение относится к системе 1 сухого газового уплотнения турбомашины, в частности, турбокомпрессора, и к турбомашине, оснащенной системой 1 сухого газового уплотнения.

Система 1 сухого газового уплотнения включает в себя по меньшей мере одно сухое газовое уплотнение 4, которое предназначено для уплотнения компонента 2 стороны ротора турбомашины, далее кратко называемого ротором 2, относительно компонента 3 стороны статора турбомашины, далее кратко называемого статором или корпусом.

На фиг. 3 показана турбомашина в области системы 1 сухого газового уплотнения согласно изобретению, вид в разрезе, на котором видны сухие газовые уплотнения 4 системы 1 сухого газового уплотнения, которые уплотняют ротор 2 турбомашины относительно статора 3 или корпуса, который на фиг. 3 не показан. На фиг. 3 показано рабочее колесо 20, посаженное на ротор 2, предназначенное для направления потока технологического газа.

Как уже пояснялось, технологический газ 11 в системах сухого газового уплотнения извлекают, очищают и подают к сухим газовым уплотнениям 4 в качестве уплотняющего газа 10.

С точки зрения изобретения, устройство очистки, предназначенное для очистки технологического газа 11 для получения уплотняющего газа 10, интегрировано в ротор 2 турбомашины и выполнено в виде центробежного устройства, которое использует энергию вращения ротора 2, вращающегося в направлении стрелки 21, чтобы отделять загрязнения и/или жидкости от технологического газа 11, таким образом получая очищенный уплотняющий газ 10 из технологического газа 11.

Здесь, центробежное устройство интегрировано в вал ротора 2 турбомашины, причем этот вал 2 имеет по меньшей мере одно входное отверстие 22 для технологического газа 11 для каждого сухого газового уплотнения 4, по меньшей мере одно выходное отверстие 23 для очищенного уплотняющего газа 10 и по меньшей мере одно выходное отверстие 24 для загрязнений, отделенных от технологического газа 11.

В изобретении, соответственно, используются центробежные силы, чтобы удалять загрязнения из технологического газа 11 и таким образом получать уплотняющий газ 10 для сухого газового уплотнения 4.

Благодаря центробежным силам и условиям потока в компрессоре, начальные загрязнения уже удаляются из технологического газа 11 выше по потоку входного отверстия 22, так что они не могут войти внутрь вала или ротора в первом месте. Прочие загрязнения отделяются от технологического газа внутри ротора или вала 2 и удаляются через одно или каждое выходное отверстие 24. Очищенный технологический газ, то есть уплотняющий газ 10, может тогда подаваться к сухому газовому уплотнению 4 через выходные отверстия 23.

В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления изобретения имеется внешний резервуар для хранения (на чертежах не показан) очищенного уплотняющего газа 10, который во время нормального функционирования с вращающимся ротором 2 может заполняться очищенным уплотняющим газом 10, чтобы извлекать его из резервуара для хранения, в частности, когда ротор 2 неподвижен, и подавать его к соответствующему сухому газовому уплотнению 4. Это имеет место, в частности, во время фазы охлаждения, когда турбомашина неподвижна.

В одном из дополнительных предпочтительных вариантов осуществления предлагается выполнять в статоре 3 и/или крышке корпуса по меньшей мере одно нагревательное отверстие (на чертеже не показано) для контроля температуры системы 1 сухого газового уплотнения, в частности, сухих газовых уплотнений 4 при неподвижном роторе 2, чтобы таким образом предотвращать их залипание.

Соответственно, согласно изобретению предлагается система 1 сухого газового уплотнения или турбомашина с системой 1 сухого газового уплотнения, в которых кондиционирование извлеченного технологического газа 11, а именно, очистка этого газа осуществляется с помощью ротора 2 или вала ротора, а именно, центробежным устройством, интегрированным в вал ротора, которое использует центробежные силы для очистки технологического газа 11.

Упомянутые центробежные силы присутствуют, в любом случае, во время работы турбомашины с вращающимся ротором 2, так что внешние устройства 13 очистки, такие, например, как фильтры, могут быть опущены. В целом сложность, чувствительность к ошибкам и стоимость системы 1 сухого газового уплотнения и, вследствие этого, турбомашины, оснащенной такой системой 1 сухого газового уплотнения, уменьшены. Согласно изобретению, существующие турбомашины могут быть модифицированы или доработаны.

В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления устройство 13 очистки в роторе 2 содержит подходящее промывочное устройство (на чертежах не показано) с внешней жидкостью, причем эта жидкость подается, например, через входное отверстие 22, в ряде случаев, также с дополнительным носиком. Загрязненная промывочная вода сливается через одно или более выходных отверстий 23, 24.

Список ссылочных обозначений

1 Система сухого газового уплотнения

2 Ротор

3 Статор

4 Сухое газовое уплотнение

5 Уплотнительное устройство

6 Уплотнительный элемент стороны ротора

7 Уплотнительный элемент стороны статора

8 Поддерживающее устройство

9 Пружина

10 Уплотняющий газ

11 Технологический газ

12 Турбомашина

13 Устройства очистки

14 Буферный газ

15 Разделительный газ

16 Утечка (уплотнительный газ)

17 Утечка/внутренняя утечка

18 Утечка/внешняя утечка

19 Утечка/опорная утечка

20 Рабочее колесо

21 Направление вращения

22 Входное отверстие

23 Выходное отверстие

24 Выходное отверстие

25 Резервуар для хранения

26 Регулирующее устройство

27 Бустерная система

Система (1) сухого газового уплотнения турбомашины, в частности турбокомпрессора, содержащая по меньшей мере одно сухое газовое уплотнение (4) для уплотнения компонента (2) стороны ротора турбомашины относительно компонента (3) стороны статора турбомашины и устройство очистки для очистки технологического газа (11), извлекаемого из турбомашины, который после очистки может подаваться к одному или каждому сухому газовому уплотнению (4) в качестве очищенного уплотняющего газа (10); устройство (13) очистки выполнено в виде центробежного устройства, интегрированного в компонент (2) стороны ротора турбомашины. Достигается упрощение конструкции системы сухого газового уплотнения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система (1) сухого газового уплотнения турбомашины, в частности турбокомпрессора, с по меньшей мере одним сухим газовым уплотнением (4) для уплотнения компонента (2) стороны ротора турбомашины относительно компонента (3) стороны статора турбомашины и с устройством очистки для очистки технологического газа (11), извлекаемого из турбомашины, который после очистки может подаваться к одному или каждому сухому газовому уплотнению (4) в качестве очищенного уплотняющего газа (10), отличающаяся тем, что устройство (13) очистки выполнено в виде центробежного устройства, интегрированного в компонент (2) стороны ротора турбомашины, причем центробежное устройство интегрировано в вал (2) турбомашины и вал (2) имеет по меньшей мере одно входное отверстие (22) для технологического газа (11) и для каждого сухого газового уплотнения (4) по меньшей мере одно радиальное выходное отверстие (23) для уплотняющего газа (10).

2. Система (1) сухого газового уплотнения по п. 1, отличающаяся тем, что вал (2) имеет по меньшей мере одно выходное отверстие (24) для загрязнений.

3. Система сухого газового уплотнения по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит внешний резервуар для хранения уплотняющего газа (10).

4. Система сухого газового уплотнения по любому из пп. 1-3 отличающаяся наличием по меньшей мере одного нагревательного отверстия в валу (2) и в статоре (3) и/или в крышке корпуса.

5. Турбомашина, в частности турбокомпрессор, содержащий статор (3), ротор (2) и систему (1) сухого газового уплотнения, отличающаяся тем, что система (1) сухого газового уплотнения выполнена в виде системы по любому из пп. 1-4.