MX2014012988A - Compresor, suministro de gas de sellado, y metodo. - Google Patents

Abstract

Un sistema de suministro de gas de sellado para un sello extremo en el eje de rotor de una turbomáquina, incluye un pasaje de gas de sellado (122) para suministrar un gas de sellado al sello extremo, y un distribuidor de gas de sellado (140) para recibir por lo menos una porción del gas de sellado desde el pasaje de gas de sellado (122), el distribuidor de gas de sellado (140) tiene una pluralidad de agujeros (160) para distribuir el gas de sellado alrededor del eje de rotor (120) durante una parada de la turbomáquina; los agujeros se localizan en una superficie cilíndrica y típicamente están dispuestos en todo alrededor de dicho eje del rotor, de preferencia de manera regular en todo el derredor de dicho eje del rotor.

Description

COMPRESOR. SUMINISTRO DE GAS DE SELLADO. Y MÉTODO MEMORIA DESCRIPTIVA Las modalidades de la materia que se describe en la presente se refieren generalmente a turbomáquinas, y más particularmente, al suministro de gas de sellado en un sello extremo de compresor.

Un compresor es una máquina que acelera las partículas de un fluido de proceso para, por último, aumentar la presión del fluido de proceso, por ejemplo, un gas, con el uso de energía mecánica. Los compresores se usan comúnmente en la industria de energía para producir, procesar, re-inyectar y transportar muchos tipos diferentes de gases. Entre los distintos tipos de compresores se encuentran los llamados compresores centrífugos, en los que funciona la energía mecánica en la entrada del fluido de proceso al compresor por medio de aceleración centrífuga, por ejemplo, haciendo girar un impulsor centrífugo por el cual está pasando el fluido de proceso. Hablando en un sentido más general, se puede decir que los compresores centrífugos forman parte de una clase de maquinaria conocida como "turbomáquinas" o "turbomáquinas rotativas".

Muchas turbomáquinas, y en particular los compresores centrífugos, incorporan el uso de sellos extremos del eje en los que se puede inyectar un gas de sellado, por ejemplo, para mejorar el desempeño del sello creando una barrera contra la fuga del gas de proceso. Actualmente se conocen muchos compresores provistos con uno o más sellos secos de gas en cualquiera de los extremos, o en ambos extremos, del compresor para mejorar el desempeño de la máquina y reducir la fuga de fluido. Por ejemplo, y como se muestra en las figuras 1 y 2, un compresor 10 puede incluir un eje de rotor 20 dispuesto giratoriamente con relación a un estator 12. Se puede disponer un sello extremo de eje en forma de un sello seco de gas, indicado generalmente con el número 14 en la figura 1 , entre el eje de rotor 20 y el estator 12. El sello seco de gas 14 puede incluir anillos de rotor de sello primario y secundario 26 y anillos de estator de sello primario y secundario 28, cada uno desviado hacia el respectivo de los anillos de rotor de sello primario y secundario 26. Durante el funcionamiento del compresor 10, unas ranuras (no se muestran) en los anillos de sello de rotor de gas seco 26 y los anillos de sello de estator 28, pueden generar una fuerza dinámica de fluido para crear un espacio corredizo que proporciona una función de sellado sin que haya contacto entre los anillos de sellado.

Se proporciona un gas de sellado, que típicamente es un gas de proceso filtrado, en el sello seco de gas para soportar el espacio corredizo y mejorar el desempeño del compresor 10. Como se muestra en las figuras. 1 y 2, el gas de sellado puede ser suministrado a través de una abertura 30 en el estator 12.

Durante el funcionamiento del compresor 10, el calor generado por el proceso de compresión y otros procesos a los cuales es sometido el gas de proceso, con frecuencia genera una cantidad significativa de calor que puede ser absorbido por el gas de sellado (proceso). Además, el gas de sellado puede ser calentado adicionalmente por un dispositivo dedicado, como un calentador o un intercambiador de calor, para ayudar en la prevención o e la supresión de la condensación, que puede surgir durante o antes de la expansión del gas de sellado dentro del sello seco de gas. Así, el gas de sellado que entra al sello seco de gas a través del puerto 30 puede tener una temperatura alta con relación a, por ejemplo, el aire ambiental y/o el gas que ya está presente dentro del sello seco de gas 14.

Durante un paro temporal del compresor, este gas de sellado caliente puede seguir siendo suministrado al sello seco de gas. Además, la temperatura del gas de sellado puede aumentar más durante un paro temporal del compresor, debido a la absorción del calor residual, por ejemplo, de los componentes estacionarios del compresor.

El calor dentro del gas de sellado que es suministrado continuamente al compresor durante un paro temporal, puede hacer que una región o unas regiones del eje 20, que están próximas al sello seco de gas 14, se calienten en forma dispareja, es decir, que una o más regiones del eje del rotor 20 puedan desarrollar una diferencial de temperatura con respecto a las regiones vecinas del eje del rotor 20. Estos llamados puntos calientes resultan potencialmente problemáticos. Por ejemplo, el gas de sellado que entra en el sello seco de gas a través del puerto 30 puede chocar contra un componente del sello seco de gas que es adyacente al eje del rotor del compresor, o lo que es peor, directamente contra una superficie del mismo eje del rotor.

Dependiendo de ciertos factores, como la velocidad de transferencia de calor a través de los componentes del sello seco de gas que son adyacentes al eje del rotor, la velocidad de flujo del gas de sellado, la temperatura del gas de sellado, etc., uno o más de dichos puntos calientes pueden provocar la deformación, por ejemplo, doblez, enrollamiento, etc., en el eje del rotor. Durante el subsiguiente arranque del compresor, se puede inducir una vibración en el ensamble rotativo, como consecuencia de la deformación. La vibración puede tener una magnitud suficiente para hacer que el compresor sea vulnerable al daño, en particular cuando el compresor llega a su primera velocidad crítica. Dicha vibración puede necesitar uno o más paros temporales adicionales y reinicia para permitir que se disipe un calentamiento disparejo del ensamble rotativo y que mejore la deformación. En casos severos o en caso del daño del compresor relacionado con la vibración, podría ser necesario un paro completo.

Por lo tanto, lo que se necesita es un compresor, y más particularmente, un sistema de suministro de gas de sellado, que distribuye en forma pareja el calor del gas de sellado dentro del sello extremo, que permite que un compresor sea más fácilmente reiniciado después de un paro temporal, lo que evita un choque localizado del gas de sellado caliente contra un eje de rotor del compresor, lo que evita la deformación térmica del eje del rotor, lo que proporciona una solución fácil de reajustar, que tiene un bajo costo, que mantiene el peso, la configuración y la manera de operación existentes de un compresor y el sello seco de gas, y que proporciona una alternativa para la distribución de calor efectuada por la rotación del eje del compresor.

De acuerdo con una modalidad ejemplar, un sistema de suministro de gas de sellado para un sello extremo en el eje de rotor de una turbomáquina incluye un pasaje de gas de sellado para suministrar un gas de sellado al sello extremo y un distribuidor de gas de sellado para recibir por lo menos una porción del gas de sellado desde el pasaje de gas de sellado, el distribuidor de gas de sellado tiene una pluralidad de agujeros para distribuir el gas de sellado alrededor del eje del rotor durante una parada de la turbomáquina, los agujeros se localizan sobre una superficie cilindrica; de esta manera se induce un remolino en el gas de sellado alrededor del eje por medio del distribuidor.

Los agujeros normalmente están dispuestos cilindricamente. De preferencia los agujeros se disponen en todo el derredor del eje del rotor, con más preferencia en forma regular alrededor de dicho eje de rotor.

De acuerdo con otra modalidad ejemplar, una turbomáquina incluye un estator, un eje de rotor que gira con relación al estator, y un sello extremo dispuesto entre el estator y el rotor, un pasaje de gas de sellado para suministrar un gas de sellado al sello extremo, y un distribuidor de gas de sellado para recibir por lo menos una porción del gas de sellado del pasaje de gas de sellado y distribuir el gas de sellado alrededor del eje del rotor; el distribuidor de gas de sellado tiene una pluralidad de agujeros, y sus agujeros se localizan en una superficie cilindrica; de esta manera, durante una parada de la turbomáquina, se induce un remolino en el gas de sellado alrededor del eje, basándose en una orientación de los agujeros en el sello.

Típicamente se proporciona un contenedor para contener el gas de sellado; el contenedor está conectado fluidamente con el distribuidor de gas de sellado.

Un método para operar una turbomáquina que incluye un sello extremo en un eje de rotor de la misma, puede incluir los pasos de suministrar un gas de sellado al sello extremo durante una parada de la turbomáquina, y distribuir el gas de sellado alrededor del eje del rotor a través de una pluralidad de agujeros dispuestos en todo el derredor de dicho eje de rotor, para prevenir el calentamiento disparejo del eje del rotor.

De preferencia, para inducir un remolino más fuerte en el gas de sellado alrededor del eje, el flujo de gas de sellado expulsado desde por lo menos algunos, de preferencia todos, los agujeros, está inclinado con respecto a una dirección radial correspondiente definida con relación a un eje longitudinal del eje del rotor.

Los dibujos anexos, los cuales se incorporan en y constituyen una parte de la especificación, ilustran una o más modalidades y, junto con la descripción, explican estas modalidades. En los dibujos: La figura 1 es una vista en sección transversal parcial de un compresor.

La figura 2 es una vista de corte parcial del compresor que se muestra en la figura 1.

La figura 3 es una vista en sección transversal parcial de un compresor de acuerdo con una modalidad ejemplar.

La figura 4 es una vista en perspectiva parcial de un distribuidor del compresor que se muestra en la figura 3.

La figura 5 es una vista en sección transversal parcial de un compresor de acuerdo con otra modalidad ejemplar.

La figura 6 es una vista en perspectiva parcial de un distribuidor del compresor que se muestra en la figura 5.

La figura 7 representa un método de acuerdo con una modalidad ejemplar.

La siguiente descripción de las modalidades ejemplares se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican los mismos elementos o similares. La siguiente descripción detallada no limita la invención. Más bien, el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas. Las siguientes modalidades se discuten, por razones de simplicidad, con respecto a la terminología y la estructura de sistemas de turbomáquina. Sin embargo, las modalidades a analizar a continuación no están limitadas a estos sistemas ejemplares, y se pueden aplicar a otros sistemas.

Una referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "la modalidad" significa que un rasgo, estructura o característica particular descrito en relación con una modalidad es incluida en al menos una modalidad de la materia descrita. Así, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en cualquier modalidad" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Adicionalmente, los rasgos, estructuras o características particulares se pueden combinar de cualquier manera adecuada en una o más modalidades.

Las figuras 3 y 4 muestran una modalidad ejemplar de un sistema de suministro de gas de sellado de acuerdo con la presente invención. En el mismo, un compresor 1 10 incluye un estator 112 que tiene un pasaje de gas de sellado 122 que se extiende a través del estator 112 hasta un sello seco de gas 1 14. El gas de sellado puede ser suministrado a través de un puerto primario 154 en el estator 1 12 al sello seco de gas 1 14.

El compresor 110 también incluye un sello de laberinto 158 adyacente al sello seco de gas 1 14. Como se muestra en la figura 3, el sello de laberinto 158 está provisto con un distribuidor 140 en forma de una porción de anillo que se extiende desde el sello de laberinto 158. El distribuidor 140 está provisto con una pluralidad de agujeros de inyección de gas 160; los agujeros 160 se localizan en una superficie cilindrica, en particular, se disponen circularmente de acuerdo con un círculo.

Durante una parada temporal o inactividad del compresor 1 10, el gas de sellado puede seguir siendo suministrado al sello de gas 114, como ya se describió previamente. Por lo menos una porción del gas de sellado puede ser recibida por el distribuidor 140 y liberada alrededor de la circunferencia del eje del rotor 120, a través de cada uno de la pluralidad de agujeros de inyección de gas de sellado 160. Esta acción puede mejorar una distribución homogénea del gas de sellado alrededor del eje, con o sin movimiento de remolino, y así inhibir el calentamiento localizado del eje del rotor 120.

Además, el distribuidor 140 también puede evitar que el gas de sellado que sale del puerto 154 choque directamente contra el eje del rotor 120. Por ejemplo, y como se muestra en la figura 3, el sello de laberinto 158 y el sello seco de gas 4 definen una cámara 56 en la que la superficie del turboeje 120 está expuesta directamente al gas de sellado. Como el distribuidor 140 está dispuesto entre el eje de rotor 120 y la ventilación 130, se inhibe o previene el choque directo del gas de sellado potencialmente caliente contra esta superficie.

Como también se puede apreciar en la figura 4, los agujeros de inyección de gas 160 también pueden estar configurados para proporcionar un remolino circunferencial del gas de sellado dentro de la cámara 156 para promover más la circulación del gas en la distribución uniforme del calor alrededor del eje 120. Como se muestra en la figura 4, cada agujero de inyección de gas 160 puede definir un eje 164 a un ángulo 168 con una línea radial 166 que se extiende desde un eje longitudinal del eje del rotor 120, a través del centro del agujero de inyección de gas 160; en otras palabras, el flujo de gas de sellado expulsado por los agujeros 160 se inclina con respecto a una dirección radial correspondiente definida con relación a un eje longitudinal de dicho eje de rotor. Alternativamente puede variar el ángulo 168 entre los agujeros 160 del distribuidor 140, por ejemplo, para inducir un mayor grado de turbulencia, proporcionando un calentamiento uniforme del eje 120 en la cámara 156.

Las figuras 5 y 6 muestran otra modalidad ejemplar. En éstas, un sistema de suministro de gas incluye un pasaje de gas de sellado 222 que se extiende a través del estator 212 hasta un puerto 254. El gas de sellado que sale del puerto 254 entra por una ranura 255 en el estator 212.

Un distribuidor en forma de un segmento de arco o cilindro completo 240 que tiene extremos 278, se dispone en forma próxima a la ventilación 254 dentro de la ranura 255. El distribuidor 240 se puede fijar mecánicamente dentro de la ranura 255, por ejemplo, por un ajuste por fricción o un sujetador, o mecánicamente, por ejemplo, un adhesivo o soldadura. En la modalidad de las figuras 5 y 6, un punto medio del distribuidor 240 se puede disponer entre la ventilación 254 y el eje del rotor del compresor 210 para recibir el gas de sellado que sale por la ventilación 254. El gas de sellado que sale por la ventilación 254 inicialmente se puede desviar y así ser guiado hacia la ranura 255, por ejemplo, en el sentido de las manecillas del reloj y en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. El gas de sellado también puede pasar a través de cualquiera de los agujeros 276. De esta manera el gas de sellado puede ser distribuido alrededor del eje del rotor del compresor 210, y así se puede evitar o inhibir para que no forme un área de alta temperatura localizada en o cerca del eje del rotor durante un paro temporal del compresor 210. El distribuidor 240 se puede proveer dentro de la ranura 255 como parte del proceso de fabricación del compresor 210, es decir, como un equipo original, o alternativamente, el distribuidor 240 se puede proveer como un producto post-venta introducido en la ranura 255 durante el acondicionamiento.

En la modalidad mostrada en las figuras 5 y 6, el distribuidor 240 se muestra como un segmento de arco que tiene una pluralidad de agujeros 260; los agujeros 260 se localizan en una superficie cilindrica, en particular, se disponen cilindricamente de acuerdo con un número (específicamente cinco) de círculos paralelos; los agujeros 260 se disponen todos alrededor del eje del rotor; de acuerdo con el ejemplo preferido de la figura 6, se disponen todos regularmente alrededor del eje del rotor. Sin embargo, el distribuidor 240 también puede estar provisto en otras configuraciones. Por ejemplo, el distribuidor 240 puede estar provisto con agujeros 276 de manera que la totalidad del gas de sellado recibido por el distribuidor 240 sea desviado a lo largo de la ranura 255. Como otro ejemplo, el distribuidor 240 puede estar provisto en una configuración de anillo completo o una serie de segmentos de anillo. También puede variar el tamaño y la configuración de los agujeros 260 en el distribuidor 240. Por ejemplo, si se provee el distribuidor 240 como una serie de segmentos de anillo, el espacio que hay entre cada segmento puede definir una pluralidad de agujeros, a través de los cuales se puede controlar el flujo de gas de sellado.

Así, de acuerdo con una modalidad ejemplar que se muestra en el diagrama de flujo de la figura 7, un método (1000) para operar una turbomáquina que incluye un sello extremo en un eje del estator de la misma, puede incluir los pasos de suministrar (1002) un gas de sellado al sello extremo durante una parada de la turbomáquina y distribuir (1004) el gas de sellado alrededor del eje del rotor para prevenir el calentamiento disparejo del eje del rotor.

Aunque se ha descrito el distribuidor de gas de sellado como un componente del compresor, un distribuidor de gas de sellado de acuerdo con la presente invención puede ser provisto como un componente del mismo sello extremo. Por ejemplo, un experto en la técnica apreciará que el sistema de suministro de gas de sellado puede estar configurado de tal manera que el distribuidor se pueda incorporar en un cartucho de sello seco de gas.

Normalmente el gas de sellado llega fluidamente al distribuidor de gas de sellado desde un contenedor que forma parte de una turbomáquina; dicho contenedor puede ser pequeño o grande, y no necesariamente tiene que estar dedicado sólo a la función de contener el gas de sellado.

Las modalidades antes descritas pretenden ser ilustrativas, y no restrictivas, en todos los aspectos de la presente invención. Se considera que todas estas variaciones y modificaciones están dentro del alcance y el espíritu de la presente invención, que está definida por las siguientes reivindicaciones. Ningún elemento, acto o instrucción que se utilice en la descripción de la presente solicitud deberá ser considerado como importante o esencial para la invención, a menos que se describa explícitamente como tal. También, como se usa en la presente, el artículo "un/a" pretende incluir uno o más artículos.

Claims (15)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1 - Un sistema de suministro de gas de sellado para un sello extremo en un eje de rotor de turbomáquina, dicho sistema de suministro de gas de sellado comprende: un pasaje de gas de sellado para suministrar un gas de sellado a dicho sello extremo; un distribuidor de gas de sellado para recibir por lo menos una porción de dicho gas de sellado desde dicho pasaje de gas de sellado, dicho distribuidor de gas de sellado tiene una pluralidad de agujeros para distribuir dicho gas de sellado alrededor de dicho eje de rotor durante una parada de la turbomáquina; en donde dichos agujeros se localizan en una superficie cilindrica.

2. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dichos agujeros están dispuestos circularmente.

3. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dichos agujeros están dispuestos todos alrededor de dicho eje de rotor, de preferencia regularmente todo alrededor de dicho eje de rotor.

4 - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque dicha pluralidad de agujeros están separados con relación a una superficie circunferencial de dicho eje de rotor.

5. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque dicha pluralidad de agujeros están separados con relación a una superficie longitudinal de dicho eje de rotor.

6. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque cada uno de la pluralidad de agujeros define un eje y dicho eje está a un ángulo no cero con relación a una línea radial que se extiende desde un eje longitudinal de dicho eje de rotor a través de un centro de cada uno de dicha pluralidad de agujeros.

7 - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque se dispone un sello de laberinto de manera próxima a dicho sello extremo y dicho distribuidor comprende una porción de anillo que se extiende desde dicho sello de laberinto.

8. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque dicho distribuidor de gas de sellado comprende un segmento de arco o cilindro completo.

9. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque dicho distribuidor de gas de sellado comprende un anillo.

10. - El sistema de suministro de gas de sellado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque dicho sello extremo es un sello seco de gas.

11. - Una turbomáquina, que comprende: un estator; un eje de rotor que gira con relación a dicho estator; un sello extremo dispuesto entre dicho estator y dicho rotor; un pasaje de gas de sellado para suministrar un gas de sellado a dicho sello extremo; y un distribuidor de gas de sellado para recibir por lo menos una porción de dicho gas de sellado desde dicho pasaje de gas de sellado y distribuir dicho gas de sellado alrededor de dicho eje de rotor durante una parada de la turbomáquina; en donde dicho distribuidor de gas de sellado tiene una pluralidad de agujeros y en donde dichos agujeros se localizan en una superficie cilindrica.

12. - La turbomáquina de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizada además porque comprende un sistema de suministro de gas de sellado como el que se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

13. - La turbomáquina de conformidad con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, caracterizada además porque comprende un contenedor que contiene gas de sellado, en donde dicho contenedor está conectado fluidamente con dicho distribuidor de gas de sellado.

14.- Un método para operar una turbomáquina que incluye un sello extremo en un eje de rotor de la misma, dicho método comprende: suministrar un gas de sellado a dicho sello extremo durante una parada de la turbomáquina; y distribuir dicho gas de sellado alrededor de dicho eje de rotor a través de una pluralidad de agujeros dispuestos en todo el derredor de dicho eje de rotor para evitar el calentamiento disparejo de dicho eje de rotor.

15.- El método para operar una turbomáquina de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el flujo de gas de sellado expulsado desde por lo menos algunos, de preferencia todos, los agujeros, está inclinado con respecto a una dirección radial correspondiente definida con relación a un eje longitudinal de dicho eje del rotor.