CN118056076A - 涡轮机中具有密封组件的转子结构和与其相关的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于涡轮机械、比如离心式压缩机的压缩机转子。公开的实施方式包括拉紧螺栓和与拉紧螺栓配合的转子轴，以在该拉紧螺栓和该转子轴之间限定出腔室。密封组件定位成将腔室与第一空间隔开，泄漏检测器与第一空间流体连通，并且能够操作成产生指示流体从腔室泄漏到第一空间的信号。

Description

涡轮机中具有密封组件的转子结构和与其相关的方法

技术领域

公开的实施方式总体上涉及涡轮机械的领域，并且更具体地涉及涡轮机、比如压缩机中的转子结构，并且甚至更具体地涉及具有密封组件的转子结构和与该转子结构相关的方法。

背景技术

涡轮机械广泛用于许多行业，比如用于执行过程流体的压缩、将热能转化为机械能、流体液化等。这种涡轮机械的一个示例是压缩机、比如离心式压缩机。

附图说明

图1图示了所公开的转子结构的一个非限制性示例的局部横截面视图。

图2至图3可以用于图示和描述某些非限制性结构和/或操作关系，这些结构和/或操作关系可以结合图1所示的实施方式与干式流体密封系统一起实现。

图4图示了所公开的转子结构的一个非限制性实施方式的局部横截面图，该转子结构包括将拉紧螺栓的端部部分封围的盖。

图5图示了所公开的转子结构的另一个非限制性实施方式的局部横截面图。

图6和图7分别图示了所公开的转子结构的其他非限制性实施方式的局部横截面图。

图8和图9分别图示了所公开的转子结构的附加非限制性实施方式的局部横截面图。

具体实施方式

如本领域技术人员将理解的，涡轮机械、比如离心式压缩机可以涉及拉紧螺栓构造(在本领域中也称为贯穿螺栓或拉杆构造)的转子，其中，拉紧螺栓支承多个叶轮本体，并且其中，相邻的叶轮本体可以通过弹性平均联接技术、比如包括端面齿联轴器或弧齿端面联轴器的弹性平均联接技术彼此相互连接。这些联轴器类型使用不同形式的平面齿轮齿(分别为直的和弯曲的)，以在两个部件之间形成牢固联接。将理解的是，所公开的实施方式可以用能够在相邻转子部件之间传递扭矩的销、凸片或任何其他机械连接来实施。也就是说，所公开的实施方式不限于端面齿联轴器或弧齿端面联轴器。

这些联轴器和相关联的结构可以承受变化很大的力(例如，离心力)、比如从零转每分钟(RPM)的初始转子速度变化至最大转子速度(例如，如可能涉及几万RPM)。另外，例如，可以在转子中限定内腔的这些联轴器和相关联的结构可能暴露于在由压缩机处理的过程流体中可能存在的污染物和/或副产物。在有毒化合物是过程流体的一部分的应用中，必须适当地抑制过程流体从转子到大气中的泄漏。

至少鉴于前述考虑，本发明人已经认识到，在涡轮机械、比如离心式压缩机中获得一致的高性能和长期耐久性可能涉及对转子过程流体进行适当密封以及安全引导出来，转子过程流体可能在压缩机运行期间泄漏到转子中。

所公开的实施方式可以不受限制地在包括阶梯式拉紧螺栓的涡轮机械中实现，其中，拉紧螺栓的各个端部可以延伸至涡轮机械的大气压力侧。所公开的实施方式被设计成以成本有效且可靠的方式防止可能泄漏到转子中并且可能沿着拉紧螺栓流动的过程流体从转子端部泄漏到大气中。

在以下详细描述中，阐述了各个具体细节以提供对这样的实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式，本发明的各方面不限于所公开的实施方式，并且本发明的各方面可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，没有对本领域技术人员将很好理解的方法、过程和部件进行详细描述，以避免不必要且繁琐的解释。

此外，可以将各种操作描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有说明，否则描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按照其被呈现的顺序来执行，也不应被解释为这些操作甚至依赖于顺序。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定指相同的实施方式，尽管该短语的重复使用可以指相同的实施方式。应当注意的是，所公开的实施方式不必被解释为相互排斥的实施方式，因为这些所公开的实施方式的各方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要来适当地组合。

图1图示了用于涡轮机、比如压缩机的所公开的转子结构200的一个非限制性实施方式的局部横截面图，其中，拉紧螺栓102支承叶轮本体106。将理解的是，为了简化图示，图1中仅示出了一个叶轮本体；然而，叶轮本体106通常是由拉紧螺栓102支承的多个叶轮本体中的一个叶轮本体。叶轮本体106通过端面齿联轴器109机械地联接至转子轴104。在一个非限制性实施方式中，转子轴104与拉紧螺栓102配合以限定出可以位于拉紧螺栓102与转子轴104之间的腔室111。在一个非限制性实施方式中，密封组件108定位成将腔室111与第一空间110分开。在一个非限制性实施方式中，泄漏检测器112可以与第一空间110流体连通，并且能够操作成产生指示流体从腔室111泄漏到第一空间110的信号。

在一个非限制性实施方式中，转子轴104可以限定穿过转子轴104的导管114。导管114可以流体连接至腔室111，以将流体传送至例如第一空间110。在一个非限制性实施方式中，穿过转子轴104的导管114在转子轴104的径向向内表面处具有第一开口116，以提供与腔室111的流体连通。导管114在转子轴104的径向向外表面处具有第二开口118，以提供流体的出口。

如在图1中可以理解的，沿着转子轴线103在拉杆螺栓102周围可以设置一个或更多个腔162。在压缩机的运行期间，过程流体(例如，在压缩机的加压过程侧被压缩的流体)可能泄漏到腔162中，并且过程流体通过可能形成在拉紧螺栓周围的导管、空隙间隙、空间等可以形成朝向较低压力位置的流体流动。该流动可以由图1中的箭头163示意性地表示。

可以由密封组件108提供的一种非限制性功能是抑制流体流动至例如压缩机的大气压力侧。可以由密封组件108(例如，与导管114结合的密封组件108)提供的另一非限制性功能是将流体流动引导至期望的位置(例如，第一空间110)，在该位置处可以比如通过泄漏检测器112来检测泄漏。后一种功能在例如密封组件108的第一O形环120中出现缺口的情况下使用，该缺口使得流体能够流入腔室111中并且进而流至导管114。

在一个非限制性实施方式中，密封组件108包括围绕转子轴104周向设置的第一O形环120。第一O形环120可以设置在腔室111的第一压力侧。在该非限制性实施方式中，密封组件108还包括围绕转子轴104周向设置的第二O形环122(并且可选地可以包括另外的O形环122)。第二O形环122可以设置在腔室111的第二压力侧。与腔室111的第二压力侧(例如，第二O形环122暴露的一侧)相比，腔室111的第一压力侧(例如，第一O形环120暴露的一侧)可以处于更高的压力。通过示例的方式，腔室111的第一压力侧可以对应于压缩机的加压过程侧，并且腔室111的第二压力侧可以对应于压缩机的大气压力侧。

在一个非限制性实施方式中，如图2和图3所示，干式流体密封系统130可以相互连接成提供导管114的排气出口。如本领域技术人员将理解的，干式流体密封系统通常用于过程气体离心式压缩机中，以将压缩机的加压过程侧与压缩机的大气侧分开。某些公开的实施方式允许公开的密封组件的一个示例实施方式与干式流体密封系统的成本有效且创新的结合，从而更有效地处理流体的泄漏，否则流体可能不利地进入压缩机的大气压力侧。

干式流体密封系统130可以不受限制地采用串联密封构型，该串联密封构型包括固定密封元件和可旋转密封元件。干式流体密封系统130可以设置在转子轴104的径向向外部段处，并且如上所述，可以用于提供流体的排放出口132，否则流体将从腔室111泄漏到空间110。在一个非限制性实施方式中，导管114流体连接至干式流体密封系统130，以抑制流体流向涡轮机的大气压力侧。在一个非限制性实施方式中，泄漏检测器112(图1)可以是测量干式密封系统130的排放出口中的质量流量变化的质量流量计。在一个示例应用中，排放出口132可以流体连接至与干式流体密封系统130结合使用的处理系统、比如火炬系统，以用于处理流体，在火炬系统中流体可以通过燃烧的方式被处理。

在一个非限制性实施方式中，可以根据第一O形环120的状况评估与干式流体密封系统130相关的可能出现的潜在故障。例如，如果在第一O形环120处于第一状况(例如，第一O形环120的完好状况，如图2所示)时，发生潜在故障，则潜在故障指示与干式流体密封系统130相关的真正故障。也就是说，第一O形环120的第一状况指示干式流体密封系统的真正故障。

相比之下，如果在第一O形环120处于第二状况(例如，破裂的第一O形环120，如图3示意性所示)时，发生潜在故障，则潜在故障指示与干式流体密封系统130相关的虚假故障。因此，可以由密封组件108的该实施方式提供的又一非限制性功能是提供有助于识别与干式流体密封系统有关的不一致性的根本原因的指示。也就是说，第一O形环120的第二状况指示干式流体密封系统的虚假故障。

图4图示了所公开的转子结构200的另一个非限制性实施方式的局部横截面图。在该示例中，密封组件包括具有封闭端部152的盖150，盖150将拉紧螺栓102的端部部分154封围，在没有盖的情况下，该端部部分154将位于压缩机的大气压力侧。在一个非限制性实施方式中，盖150轴向远离盖150的封闭端部152延伸至盖150的敞开端部156，敞开端部156接纳转子轴104的一部分。

在一个非限制性实施方式中，转子轴104可以包括凹槽158，凹槽158构造成接纳围绕转子轴104周向布置的O形环160，以将盖150的敞开端部156密封。另一个O形环162可以围绕转子轴104周向设置成向流体提供初始密封点，流体在不被O形环162阻挡的情况下将从压缩机的加压过程侧流向拉紧螺栓102的端部部分154，比如通过拉紧螺栓102与转子轴104之间的空间164、例如空隙间隙流向拉紧螺栓102的端部部分154。在该实施方式中，空间164至少部分地构成由密封组件(例如，在该实施方式中由盖150和O形环156、162构成的密封组件)与第一空间110隔开的腔室。

在一个非限制性实施方式中，止推环170可以连接至盖150，以周向地接合盖150的敞开端部156，使得例如转子轴104与盖150的敞开端部156邻接的部分通过止推环170所提供的周向压缩力接合。也就是说，盖150的敞开端部156可以压缩地固定至转子轴104的邻接部分上。在一个非限制性实施方式中，止推环170的接合盖150的敞开端部156的表面172具有截头圆锥形形状，如在放大视图180中可以理解的。

在该实施方式中，第一空间110可以位于涡轮机的大气压力侧，并且泄漏检测器182、比如检测循环压力变化的压力测量装置和/或气体监测探头可以设置在盖的敞开端部附近，以在O形环160和162均出现故障的情况下产生流体泄漏指示。例如，假设在O形环160的某个圆周位置处产生有孔口，那么在转子的每一转期间，压力测量装置将感测到由于过程流体通过该孔口泄漏而导致的压力增加。类似地，可以选择气体监测探头来检测过程流体中存在的某些分子的存在，并且该检测将提供流体从盖的敞开端部泄漏的指示。

如在图5中可以理解的，在某些实施方式中，不包括将拉紧螺栓102的端部部分154封围的盖(例如，图4中的盖150)，密封组件可以包括围绕转子轴104周向设置的第一O形环190，以向流体提供初始密封点，如果不存在第一O形环190，流体将通过拉紧螺栓102与转子轴104之间的空间164从涡轮机的加压过程侧流向拉紧螺栓102的端部部分154。在该实施方式中，靠近拉紧螺栓102的端部部分154围绕转子轴104周向设置的第二O形环192提供备用功能，使得流体不会逸出到涡轮机的大气压力侧。在该实施方式中，导管114可以流体连接成将流体传送至例如第一空间110，在这种情况下，第一空间110可以位于涡轮机的加压过程侧。在该示例中，泄漏检测器182、比如用于检测周期性压力变化的压力测量装置和/或气体监控探头可以设置在导管114的出口附近，以在O形环190发生故障的情况下生成流体泄漏的指示。

在一个非限制性实施方式中，如图6和图7所示，密封组件196、比如释压阀或破裂盘可以定位于导管114中，并且可以与腔室111流体连通，以将泄漏流体传送至第一空间110，第一空间110可以位于涡轮机的加压过程侧。泄压阀或破裂盘通常处于关闭状态，并且因此这些元件中的任一个通常用作密封件。只有当腔室111中的压力超过足以将泄压阀或破裂盘设定为打开状态的预定压力水平时，泄压阀或破裂盘才会出现打开状态。该理念是为了提供一种理想的流体泄漏路径，同时保护涡轮机械的部件免受涡轮机运行期间可能产生的过大压力波动。在某些实施方式中，泄压阀或破裂盘可以布置成提供指示流体泄漏的声音信号(例如，一个或更多个频率的声音信号，例如产生哨声)。如图7所示，在某些实施方式中，泄漏检测器182、比如用于检测周期性压力变化的压力测量装置和/或气体监测探头可以可选地靠近泄压阀或破裂盘的出口设置在第一空间110中，以提供检测流体泄漏的替代(或其他)形式。

在一个非限制性实施方式中，如图8和图9所示，相应的转子部段可以适于完全阻止泄漏流体流向涡轮机的大气压力侧。通过示例的方式，图8图示了由第一拉紧螺栓102支承的背对背叶轮压缩级的中心悬挂构型。在该实施方式中，中间转子轴部段104'可以经由螺栓连接的端面齿接头210机械联接至相邻的叶轮本体212，该中间转子轴部段104'提供了相对于第一空间214的气密密封，该第一空间214可以围绕第一拉紧螺栓102形成。中间转子轴部段104'又可以经由端面齿接头216机械联接至端部转子轴部段104”。端部转子轴部段104”由与涡轮机的大气压力侧连通的第二拉紧螺栓102'机械地支承。可以形成在端部转子轴部段104”与第二拉紧螺栓102'之间的第二空间218与空间214完全流体分离。在第一拉紧螺栓102的相对端部处可以使用类似的密封方法。如上所述，可以使用密封组件196、例如泄压阀或破裂盘来避免过度的压力波动，并且使泄漏流体返回到涡轮机的加压过程侧。

图9图示了由第一拉紧螺栓102支承的叶轮压缩级的直通式构型。在该示例中，经由螺栓连接的端面齿接头210机械联接至相邻的叶轮本体212的平衡活塞222提供了相对于围绕第一拉紧螺栓102形成的空间214的气密密封。平衡活塞222又经由端面齿接头216机械联接至端部转子轴部段104”。端部转子轴部段104”由与涡轮机的大气压力侧连通的第二拉紧螺栓102'机械地支承。形成在端部转子轴部段104”与第二拉紧螺栓102'之间的空间218与空间214完全流体分离。如上所述，在第一拉紧螺栓102的相对端部处可以使用类似的密封方法。同样，密封组件196、例如泄压阀或破裂盘可以用于避免过度的压力波动，并且使泄漏流体返回到涡轮机的加压过程侧。

在操作中，所公开的实施方式允许对压缩机运行期间可能产生的转子过程流体的泄漏进行适当密封和安全引导。在操作中，所公开的实施方式可以抑制泄漏流体流向例如压缩机的大气压力侧，并且可以将泄漏流体的流动引导至期望的位置，在该位置处可以通过泄漏检测器来检测泄漏。在操作中，某些公开的实施方式可以使用密封组件来提供指示，该指示有助于识别与干式流体密封系统有关的不一致性的根本原因。

Claims (23)

1.一种涡轮机中的转子结构，所述转子结构包括：

拉紧螺栓；

转子轴，所述转子轴与所述拉紧螺栓配合以在所述转子轴与所述拉紧螺栓之间限定出腔室；

密封组件，所述密封组件定位成将所述腔室与第一空间隔开；以及

泄漏检测器，所述泄漏检测器与所述第一空间流体连通，并且能够操作成产生指示流体从所述腔室泄漏到所述第一空间的信号。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述转子轴限定了穿过其中的导管，所述导管与所述腔室流体连接，以将所述流体传送至所述第一空间。

3.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述密封组件包括围绕所述转子轴周向设置的第一O形环，所述第一O形环设置在所述腔室的第一压力侧。

4.根据权利要求3所述的转子结构，其中，所述密封组件还包括围绕所述转子轴周向设置的第二O形环，所述第二O形环设置在所述腔室的第二压力侧。

5.根据权利要求4所述的转子结构，其中，与所述第二压力侧承受的压力相比，所述第一压力侧承受更高的压力。

6.根据权利要求1所述的转子结构，还包括干式流体密封系统，所述干式流体密封系统位于所述转子轴的径向向外部段周围，以将所述涡轮机的加压过程侧与所述涡轮机的大气压力侧分开，其中，所述导管与所述干式流体密封系统流体连接，以抑制所述流体流向所述涡轮机的所述大气压力侧。

7.根据权利要求6所述的转子结构，其中，基于所述第一O形环的状况对与所述干式流体密封系统相关的潜在故障进行评估，其中，所述第一O形环的第一状况指示所述干式流体密封系统的真正故障。

8.根据权利要求7所述的转子结构，其中，所述第一O形环的第二状况指示所述干式流体密封系统的虚假故障。

9.根据权利要求8所述的转子结构，其中，所述第一状况对应于破裂的第一O形环，并且所述第二状况对应于完好的第一O形环。

10.根据权利要求6所述的转子结构，其中，所述泄漏检测器包括质量流量计，所述质量流量计测量与所述导管流体连接的所述干式流体密封系统的排放出口中的质量流量变化。

11.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述密封组件包括具有封闭端部的盖，所述盖将所述拉紧螺栓的端部部分封围，其中，所述盖沿轴向远离所述封闭端部延伸至所述盖的敞开端部，所述敞开端部接纳所述转子轴的一部分，其中，所述转子轴包括凹槽，所述凹槽构造成接纳围绕所述转子轴周向设置的O形环，以将所述盖的所述敞开端部密封。

12.根据权利要求11所述的转子结构，其中，所述盖包括大致圆柱形的结构。

13.根据权利要求11所述的转子结构，还包括止推环，所述止推环连接至所述盖以周向地接合所述盖的所述敞开端部，其中，所述盖的所述敞开端部通过所述止推环提供的周向压缩力被压缩固定至所述转子轴的所述部分。

14.根据权利要求13所述的转子结构，其中，所述止推环的与所述盖的所述敞开端部接合的表面为截头圆锥形形状。

15.根据权利要求11所述的转子结构，其中，所述第一空间位于所述涡轮机的大气压力侧，并且所述泄漏检测器包括以下各项中的至少一项：压力测量装置，所述压力测量装置检测所述盖的所述敞开端部附近的周期性压力变化；以及气体监测探头，所述气体监测探头设置在所述盖的所述敞开端部附近。

16.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述密封组件包括泄压阀或破裂盘，所述泄压阀或破裂盘设置在穿过所述转子轴的导管中，所述导管与所述腔室流体连接，以将所述流体传送至所述第一空间。

17.根据权利要求16所述的转子结构，其中，所述泄压阀或破裂盘能够操作成产生流体泄漏的声音指示。

18.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述泄漏检测器包括以下各项中的至少一项：压力测量装置，所述压力测量装置检测所述导管的出口附近的周期性压力变化；以及气体监测探头，所述气体监测探头设置在所述导管的所述出口附近。

19.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述涡轮机是离心式压缩机。

20.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述拉紧螺栓包括第一拉紧螺栓，其中，所述涡轮机的转子部段限定了将所述第一拉紧螺栓的端部部分封围的盖，其中，所述拉紧螺栓还包括与所述涡轮机的所述大气压力侧连通的第二拉紧螺栓，其中，围绕第一拉紧螺栓形成的第一空间通过由所述涡轮机的所述转子部段限定的所述盖与在所述第二拉紧螺栓与端部转子轴部段之间形成的第二空间流体分离，所述端部转子轴部段机械地联接至所述涡轮机的限定所述盖的所述转子部段。

21.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述涡轮机的限定所述盖的所述转子部段是中间转子轴部段或者是平衡活塞。

22.一种方法，包括：

将拉紧螺栓布置成与转子轴配合，以在所述转子轴与所述拉紧螺栓之间限定出腔室；

将密封组件定位成将所述腔室与第一空间分开；

将导管流体连接至所述腔室，以将从所述腔室泄漏的流体传送至所述第一空间，所述导管被限定为穿过所述转子轴，

其中，所述密封组件包括围绕所述转子轴周向设置的第一O形环，所述第一O形环设置在所述腔室的第一压力侧，其中，所述密封组件还包括围绕所述转子轴周向设置的第二O形环，所述第二O形环设置在所述腔室的第二压力侧；

将干式流体密封系统定位成围绕位于所述涡轮机的加压过程侧与所述涡轮机的大气压力侧之间的所述转子轴的径向向外部段；

将所述导管流体连接至所述干式流体密封系统，以抑制所述流体流向所述涡轮机的所述大气压力侧；以及

基于所述第一O形环的状况评估与所述干流体密封相关的潜在故障，其中，所述第一O形环的第一状况指示所述干流体密封系统的真正故障，其中，所述第一O形环的第二状况指示所述干流体密封系统的虚假故障，其中，所述第一状况对应于完好的第一O形环，并且所述第二状况对应于破裂的第一O形环。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，与所述第二压力侧承受的压力相比，所述第一压力侧承受更高的压力。