NO171692B - Gasskompressor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en gasskompressor innbefattende et hus med et sugeinnløp og et trykkutløp, som angitt i innledningen til patentkrav 1.

I de fleste typer av kompressorer som vanligvis benyttes for å øke trykket i gassoverføringsledninger, festes ett eller flere sentrifugal- eller aksial-løpehjul på en aksel og utgjør en rotor som roterer inne i et gassrom i kompressorhuset for å forflytte gass fra et sugeinnløp til et trykk-utløp. Akselen er av bjelketypen hvor løpehjulet eller løpehjulene er festet mellom to lagre. Denne art av kompressor vil bli referert til som å være "av typen beskrevet". En slik kompressor er vanligvis koblet til en gassturbin som utgjør drivanordningen.

I slike kompressorer trykksettes hele rommet hvor løpehjulene roterer, til minst gasstrykket, som skal økes. Gasslekkasje inn i lagerrommene kontrolleres ved hjelp av tetninger. 01je-tetninger har tradisjonelt blitt benyttet for dette formål, men disse har visse ulemper, spesielt ved at oljesystemet behøver kompleks oljekjøling, pumping og rensing. Risiko for oljeforurensing og brann er høy. I den senere tid har tørrgasstetninger blitt effektivt utviklet for dette formål. I slike tetninger tilveiebringes tetningsfunksjonen av en meget tynn film av gass som lekker mellom to i forhold til hverandre roterende ringformede overflater. Lekkasjen over flaten av slike tørrgasstetninger er relativt lav selv når trykkforskjellene er relativt høye.

Slike tørrgasstetninger omfatter vanligvis en rotor festet til akselen og en stator som ikke kan roteres, men kan forskyves i forhold til kompressorhuset, idet tetningsmellomrommet tilveiebringes mellom tilstøtende overflater av rotoren og statoren. Tilstøtende ikke-roterende, glidende deler av tetningen og resten av statorstrukturen forsegles ved hjelp av en såkalt balanserende 0-ring eller forseglingsring, som separerer en høytrykkssone som omgir det meste av den ytre del av statoren fra en lavtrykkssone Inne 1 statoren og som forbindes med lavtrykksenden av tetnings-mellomrommet. Diameteren av denne forseglingsring bestemmer dermed aksialkraften tilført via statoren til kompressorakselen i retningen motsatt den tilveiebragt av det interne trykk som virker på rotoren.

To slike tørrgasstetninger benyttes vanligvis ved hver ende av akselen, der disse er en primærtetning som er utsatt for det meste av trykkforskjellen mellom gass- og lagerrommene, og en sekundærtetning som virker som en reservetetning.

Gasskompressorer av typen som beskrevet har høy aksialkraft virkende på rotorakselen av reaksjonskreftene forårsaket av løpehjulene som akselerer gasssene. Det er en nåværende praksis å begrense størrelsen av aksialkraftlagerene ved hjelp av såkalte utbalanserende innretninger som er festet på løpehjulakselen nær utløpsenden av kompressoren, med en labyrinttetning tilveiebragt mellom den ytre omkrets av innretningen og kompressorhuset. Gass som lekker gjennom labyrinttetningen returneres normalt til innsugningssiden av kompressoren. Dermed er utbalanseringsinnretningen utsatt på den ene siden av utløpstrykket og på den andre siden av et trykk lik sugetrykket, og med egnet størrelsesvalg av den utbalanserende innretningen vil dette motvirke en stor del av reaksjonskreftene på løpehjulet eller løpehjulene. Selv om dette systemet er adekvat for å lette aksialkraften, er en ulempe at det reduserer kompressorvirkningsgraden, siden trolig 3 til 5$ av gassen som har blitt komprimert, lekker over labyrinttetningen og må gjenkomprimeres. Utbalanserende innretninger tilfører også vekt til rotoren og øker aksel-lengden, noe som betydelig påvirker rotordynamikken og gjør den vanskeligere.

Hensikten med oppfinnelsen er å muliggjøre en aksialkraft-påvirkning av akselen. Denne aksialkraft skal kunne benyttes for utbalansering av krefter som skyldes trykkforskjellen mellom Innløpet og utløpet, og kreftene på rotoren i kompressoren.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en gasskompressor som nevnt Innledningsvis, med det kjennetegnende trekk at tetningene har ulike effektive diametre, for dannelse av en arealforskjell mellom dem, hvorved et trykk i kammeret over det nevnte andre trykk vil generere en ekstra aksialkraft på akselen.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil gå frem av de uselv-stendige krav.

Fra US-PS 3.758.226 og 4.417.734 er det kjent bruk av tetningsringer som har like diametre. En økning av kammer-trykket vil altså i de kjente utførelser gi like krefter i begge krefter i begge retninger og man oppnår derfor ikke den ønskede overskuddskraft i aksialretningen.

Ifølge oppfinnelsen virker den trykksatte gass i gassrommet på tørrgasstetningene og tilknyttede deler og tilveiebringer en netto aksialkraft på akselen i en retning mot utløpsenden av kompressoren. Dette tillater akslene å bli balansert uten behovet for tillegg av en balanserende innretning og uten tapet av komprimert gass tilknyttet dermed.

Oppfinnelsen er spesielt egnet i en kompressor benyttet for høytrykksgasser, slik som de i gassoverføringsledninger, hvor trykkfallet over de primære tørrgasstetninger er flere tusen kPa, og vanligvis minst 4100 kPa. Dette er mye høyere enn trykkfallet som oppstår over en utbalanserende innretning og tillater at betydelige krefter tilføres til kompressorakselen selv når diameteren av den primære gasstetning ved avgassutløpssiden ikke er mye større enn den ved primærtørr-gasspakningen ved innsugningsenden. Det at det ikke benyttes ekstra utbalanserende innretninger bidrar til en ytterligere effekt, siden dette betyr at den primære tørrgasspakning ved avgassutløpsenden er utsatt for utløpstrykk, mens den primære gasstetning ved den andre enden er utsatt kun for innsug-nings- eller innløpstrykk.

Oppfinnelsen er spesielt egnet hvor det er ønskelig å benytte kun magnetiske lager i akslingen, siden kraften tilført til et magnetisk aksialkraftlager må holdes innenfor visse grenser. En modifikasjon av oppfinnelsen benytter signaler fra et magnetisk aksialkraftlager for å forsikre at aksialkraften holdes innenfor slike grenser selv med store varier-ende vilkår inne i kompressoren.

Oppfinnelsen vil nå bli mer spesielt beskrevet med referanse til de vedlagte tegninger, hvor: fig. 1 er et delvis langsgående snitt gjennom en ett-trinns kompressor ifølge oppfinnelsen;

og

fig. 2 er et forstørret riss av akseltettearrange-mentet ved avgass- eller utløpsenden av kompressoren.

Fig. 1 viser et langsgående snitt gjennom den øvre del av en gasskompressor ned til senterlinjen CL for akselen. Kompressoren har et hus 10 med innsugningsløp (innløp) 12 og trykkutløp (utløp) 14; den nedre del av kompressoren er generelt lik, bortsett fra innløp og utløp. Begrepet "inn-sugning" i denne forbindelse betyr egentlig et positivt trykk, vanligvis flere tusen kPa. Endene av huset er lukket ved hjelp av innløps- og utløpsdeksler 16 og 18, og disse endedeksler bærer lagerhusene 20, som bærer akselen 22. Disse lagerene omfatter magnetisk radielle lågere 24, et magnetisk aksialkraftlager 26 og hjelpekulelager 28 som vil bære aksel når de magnetiske lagerene blir inoperative.

Akselen 22 bærer et løpehjul 30 som har skovler som danner passasjer 32 som forbinder en innsugningspassasje 34 og en avgasspassasje 35. Passasjen 34 er dannet av en del 16a festet Inne 1 fordypning i endedekslet 16, og en innløpsvegg 36; passasjen 35 er dannet av veggene 36 og 38 i et utløpshus 39 som danner ytterligere passasjer og et rom 40 som fører til avgassutløpet 14. Labyrinttetninger 42 er anordnet mellom roterende og ikke-roterende deler ved hver ende av løpehjulet, dvs. mellom løpehjulet og innløpsveggen 36 og mellom løpehjulet og veggen 38.

Ved hver ende av gassrommet som omfatter passasjer 34, 35 og rom 40, mellom dette rom og lagrene 24, kontrolleres gasslekkasje fra rommet av primære og sekundære tørrgasstet-ninger indikert respektivt ved 52a og 54a for innsugningsenden av kompressoren og ved 52b og 54b for avgassenden av kompressoren. I tillegg tilveiebringes en labyrinttetning 50a mellom en akselendedel 51 i rotorakselen og enheten 16a, mens det ved avgassenden tilveiebringes en labyrinttetning 50b mellom enden av et løpehjul-mellomstykke 56 og en ringformet enhet 57 som settes inne i en fordypning i endedekslet 18. Disse sistnevnte labyrintpakninger er en barriere mellom behandlet gass og ren gass som vil bli beskrevet senere.

De fire tørrgasstetninger er generelt like i utforming, den eneste forskjellen er at, av årsaker som skal beskrives i detalj, den primære tørrgasstetning ved avgassenden av gassrommet er noe større i diameter enn de andre tre tørr-gasstetninger. Detaljer av tørrgasstetninger vil bli beskrevet med referanse til fig. 2, som viser tetningene ved avgassenden.

Hver tørrgasstetning har et meget smalt radielt forløpende mellomrom dannet mellom generelt flate, innbyrdes roterbare ringformede overflater tilveiebragt av et roterende element eller rotor 60 og 60', vanligvis i form av en wolfram-karbid-ring, og et stasjonert element, eller stator 62 og 62', vanligvis i form av en karbon- eller silisiumkarbidring. Rotorene holdes av en hylseenhet 64 festet til akselendedel 66 og holdt til akselenden ved hjelp av låsemutter 75 (flg. 2). Rotorene holdes på plass på hylsen ved hjelp av en gjenget mutter 68 som virker på et første mellomstykke 69 som virker mot rotor 60' og igjen skyver mellomstykket 70 mot rotor 60. Statorene 62 og 62' holdes ved hjelp av respektive holdere 72 og 72' som igjen holdes inne i en boring i dekselet 18 mellom del 57 og holder 74. Denne holderen 74 danner en innsnevrende klaring rundt en gjenget mutter 75 festet på akseldel 66. Holderene 72, 72' har ringformede fordypninger 73 som vender mot rotorene, og disse fordypninger holder statorene 62 og 62' på en måte som tilveiebringer små aksielle bevegelser uten rotasjon. Små fjærer 77 virker mellom bunnen av disse fordypninger og små fordypninger inne i trykkringer 78, for dermed å presse statorene 62 mot rotorene 60. Såkalte "balanserende" 0-ringer 79 forsegler trykkringene 78 mot den indre omkrets av holderene 72 og 72' og tilveiebringer en barriere mot gassen på oppstrømssiden av tetningen, hvilken gass har et relativt høyt trykk ved den primære tetning. Under normal drift foreligger et meget lite mellomrom mellom de tilstøtende overflater av rotorene og statorene, der dette mellomrom innstiller seg selv slik at det er relativt liten lekkasje av gass gjennom dette mellomrommet og ingen kontakt mellom rotorene og statorene. Mellomrommet mellom rotoren og statoren er så lite at disse generelt beveger seg som en enhet, dersom akselen beveger seg aksielt under innflytelsen av gasskrefter. Disse generelle trekk av tørrgasstetninger, og spesielt utformingen av medvirkende flater som kan bli benyttet i stedet for utelukkende flate flater, er kjente. Trykkene inne i tetningsmellomrommet kan være nokså høye, men siden trykket virker likt på både rotor og stator, som er tilbøyelig til å beveges aksielt som en enhet, påvirker ikke dette trykkbalansen av rotoren.

Som vil bli ytterligere beskrevet, står den primære tetning mellom deler 60 og 62 for det meste av trykkfallet mellom avgassenden av gassrommet og lagerrommet, det sistnevnte er vanligvis tilnærmet atmosfærisk trykk; den sekundære tetning, som utgjøres av delene 60' og 62', gir en reservetetning i tilfellet den primære tetning svikter. Bruken av to tørr-gasstetninger tillater også gass å bli fjernet mellom de to tetninger, av hensyn som vil bli beskrevet senere.

Som sees fra fig. 2, er den primære og sekundære tørrgass-tetning ved avgassenden nokså like med hensyn til radiell bredde av rotorene og statorringene, og mellomrommet derimellom, men de virkelige indre og ytre radier av forseglIngskomponentene er forskjellige i kraft av den trinndelte konstruksjonen. Hylseenheten 64 og den ytre holderdel 72' er begge spesifikt tilveiebragt med en trinndannelse slik at de indre og ytre diametere av både rotoren og statoren i den primære tetning er større enn de korresponderende dimensjoner av de sekundære fortetnings-deler, og diameteren av de balanserende tettingsringer 79 i den primære tetning er også større enn i den sekundære tetning. Denne forskjell er typisk mellom omkring 5% og 2056 av den indre diameter av den primære stator, som også er den indre diameter i det primære mellomrom; i hvert tilfelle vil dimensjonene måtte bli beregnet for å gi en korrekt trykkbal-anse. Ved innsugningsenden av mellomrommet benyttes i motsetning hertil identiske tørrgasstetninger, hvis deler har den samme diameter som den sekundære tetning i avgassenden. Som allerede beskrevet oppstår det primære trykkfall fra kompressortrykket til rommet som omgir lagerene ved den primære tørrgasstetning. Selv om tørrgasstetningene har en meget liten diameter i forhold til f.eks. diameterene til de utbalanserende innretninger som tradisjonelt benyttes, tillater de høye trykkfall som eksisterer, disse tørrgasstet-ningene å utøve betydelige krefter på rotoren som motvirker reaksjonskreftene på løpehjulet som igjen driver rotoren mot innsugningsenden av kompressoren.

I tørrgasstetningsarrangementet som vist, erfarer rotoren 60 og tilknyttede deler tilstøtende gassrommet, og deler av statoren 62 utenfor diameteren av ringen 79, et trykk lik det ved avgassenden av kompressoren, mens deler av akselen nedstrøms av det primære tetnings-mellomrom og Inne i diameteren av ringen 79 erfarer et mye lavere trykk, som gir en netto kraft ved hver ende rettet utover fra gassrommet. På grunn av forskjellene i diameter mellom tetningsringene 79 i de primære tetninger ved de motstående akselender, frem-bringes en nettokraft mot avgassenden som på grunn av de store trykkfall er tilstrekkelig for å motvirke kraften tilført akselen av løpehjulet. Denne motvirkende kraft er mye større enn den som ville blitt tilveiebragt av en utbalanserende innretning med lik diameter, siden utbalanserende innretninger opererer med mye mindre trykkfall.

Derfor vil det sees at den foreliggende oppfinnelse elimi-nerer den tidligere bruken av ekstra utbalanserende innretninger, for dermed å redusere kompleksiteten av konstruksjonen og redusere behovet for å gjenkomprimere gass som har lekket over den utbalanserende innretning, for dermed klart å forbedre kompressorvirkningsgraden. Dette har blitt oppnådd uten at ytterligere deler har blitt benyttet, andre enn hva som er nødvendig for de primære og sekundære tørrgasstet-ninger ved hver ende av akselen.

Tilsvarende resultater kan generelt oppnås ved å utføre begge avgassendetetningene med samme diameter som den primære gasstetning vist i fig. 2, med innsugningsendetetningene utført med mindre diameter som beskrevet.

I tegningene vises rotorene 60 og 60' fastholdt av de tilknyttede akseldeler slik at ubetydelig gass vil lekke mellom rotorene og akseldelene. I noen konstruksjoner av tørrgastetninger benyttes en forseglende ring mellom rotoren og akseldelene; i dette tilfellet vil diameteren av en slik ring være den samme som den i den tilknyttede balanserende ring.

Den virkelige aksielle kraftbalansen som oppnås ifølge oppfinnelsen vil avhenge av trykket av gassen som er opprettholdt mellom den primære og sekundære tetning ved avgassenden. Som indikert, er slike trykk normalt i nærheten av atmosfærisk trykk, slik at hovedtrykkfallet er over den primære tetning. Forskjellige innretninger kan allikevel benyttes for å kontrollere dette mellomliggende trykk, og det vil nå først bli beskrevet den tradisjonelle kontrollinnret-ning som har blitt benyttet i kompressorer som benytter tørrgasspakninger, og etterpå en modifikasjon av dette systemet som ytterligere kan forbedre balanseringen av aksialkraften oppnådd ifølge den foreliggende oppfinnelse.

I et system basert på hva som er tradisjonelt, har endedekselet 18 en serie av langsgående kanaler 80a, 82a, 84a og 86a som er i forbindelse med respektive radielle boringer 80b, 82b, 84b og 86b. Disse boringene er alle vist i samme plan, men det bør forstås at de vil normalt bli lagt i ulike radielle plan.

Kanal 80a er i forbindelse med boring 80b som fører til en omkretsfordypning 80c inne i boringen av endedekselet 18 som på sin side er i forbindelse med åpninger gjennom holdeenhet 72 akkurat oppstrøm av det primære gasstette mellomrom. Disse innretninger tillater filtrert gass avledet fra behandlet gass som blir komprimert til å bli pumpet inn i rommet mellom det primære tetnings-mellomrom og labyrinttetningen 50b; dette tilveiebringer en positiv strøm av ren gass som forhindrer eventuelle forurensede gasser fra å entre inn i det tørre tetningsmellomrommet.

Kanal 82a forbindes med radiell boring 82b som fører til fordypning 82c som igjen forbindes med åpninger gjennom holder 72' førende til rommet mellom de primære og sekundære gasstetninger. Disse boringene gir en såkalt "kontrollert ventilasjon", hvis trykk overvåkes. Dersom trykket mellom gasstetningene blir funnet å overskride visse grenser, indikerende enten lukking av primære tetningsmellomrom eller en for vid åpning, avstenges kompressoren.

Kanal 84a fører til radiell boring 84b som forbindes med fordypning 84a som igjen er i forbindelse med en radiell boring som passerer gjennom holder 72' og som forbindes med et rom nedstrøm av den sekundære gasstetning. Disse passasjene gir en såkalt "ukontrollert ventilasjon" som mottar gassen som har lekket over den sekundære tetning.

Kanal 86a forbindes med radiell boring 86b terminerende i fordypning 86c som igjen er i forbindelse med en passasje 88 i labyrintfortetningsholderen 74, førende til den ytre side av denne ringenhet og inn i rommet okkupert av det magnetiske radielle lager. Disse passasjene benyttes for å føre inn en sikker spylegass, dvs. en som kan bli tillatt ført inn i kompressoren. Trykket av spylegassen er tilstrekkelig til at noe av denne gassen lekker mellom delene 74 og 75 og kommer sammen med den behandlede gass som lekker gjennom den ukontrollerte ventilasjon (passasje 84c, b, a). Både de kontrollerte og ukontrollerte ventilasjoner føres til atmosfæren slik at det ikke er noen risiko for at den behandlede skal unnslippe fra kompressoren på annen måte enn gjennom avgassutløp 14.

I dette generelle tradisjonelle system, overvåkes trykket i den kontrollerte ventilasjon, men er ikke kontrollert på annen måte. I en modifikasjon av denne oppfinnelsen kontrolleres dette mellomliggende fortetningstrykk for å gi en videre forbedring til balanseringen av aksialkreftene på rotoren.

I denne modifikasjon tas signaler fra coilen som gir det magnetiske feltet i det magnetiske aksialkraftlager 26. Rotoren i dette lageret har selvsagt et lite klaringsmellom-rom mellom de to elektromagnetene 26a og flens 26b. Bevegelse i akselen forårsaket av forandring i trykk og gasstrømvilkår i kompressoren gir små bevegelser i rotoren. Aksialkraftlageret omfatter en elektromagnetisk posisjonssensor for aksialkraftlageret som minst delvis kompenserer for disse forandringer ved å øke eller senke strømstyrken gjennom magnetene 26a. Disse signalene kan I tillegg bli benyttet for å betjene to solenoid-ventiler som kontrollerer strømmen av gass til og fra et kammer forbundet til den kontrollerte ventilasjonspassasjen 82a. Den første av disse solenoid-ventiler tillater gasstrykket å bli ventilert til atmosfæren. Den andre ventilen forbinder kammeret til en tilførsel av behandlet gass ved et trykk mellom atmosfærisk trykk og innsugningstrykket i kompressoren. I naturgass kan denne tilførsel av gass hensiktsmessig være den samme som brensel-gassledninger, som leverer gass til gassturbinen som driver kompressoren, normalt ved 1825 kPa. Betjeningen av disse to ventiler tillater trykket i rommet mellom den primære og sekundære gasstetning å bli variert fra nærmest atmosfærisk trykk opp til 1825 kPa, avhengig av signalene mottatt fra det magnetiske aksiallager. Ved hjelp av denne anordning kan overlasttilfeller på det magnetiske aksiallager bli unngått for et vidt spekter av kompressorvilkår.

Et lignende system kan bli benyttet for mer tradisjonelle lager, slik som hydrodynamiske lager, ved bruk av en ikke-kontakt aksial posisjonssensor.

Claims (8)

1. Gasskompressor innbefattende et hus (10) med et sugeinnløp (12) og et trykkutløp (14), en rotoranordning i huset for pådrag med fluidum som strømmer gjennom huset fra innløpet til utløpet og innbefattende en aksel (22) som er roterbart opplagret i aksielt avstandsplasserte lagre (24,26,28), med minst et løpehjul (30) montert på akselen (22) mellom lagrene, et par tørrgass-tetningsanordninger (52a,54a, 52b,54b) anordnet ved hver sin ende av huset for avtetting av akselen (22) i huset (10) for å hindre utstrømming av fluidum fra huset, idet i det minste en av tetningsanordningene innbefatter et par aksialt avstandsplasserte tetninger (52a,54a) mellom huset (10) og akselen (22) for derved å danne endevegger i et kammer, idet endeveggen i kammeret pådras av fluidumtrykk i huset og kammerets andre ende pådras av et andre trykk som er lavere enn trykket i huset, karakterisert ved at tetningene har ulike effektive diametre, for dannelse av en arealforskjell mellom dem, hvorved et trykk i kammeret over det nevnte andre trykk vil generere en ekstra aksialkraft på akselen.

2. Gasskompressor ifølge krav 1, karakterisert ved at den er i stand til å operere med et innløpstrykk for innsugningsgass av minst 690 kPa.

3. Gasskompressor ifølge krav 1, karakterisert ved at den er i stand til å operere med et innløpstrykk for innsugningsgass av minst 4100 kPa.

4. Gasskompressor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den andre av tetningsanordningene innbefatter en tørrgasstetning og ved at den balanserende tetningsdiameter for tørrgasstetningen ved utløpsenden er fra 19é til 3056 større enn den balanserende tetningsdiameter i tørrgasstetningen ved innsugningsenden.

5. Gasskompressor ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av tørrgasstetningene ved hver ende av akselen omfatter primære (52a, 52b) og sekundære (54a, 54b) tørrgasstetninger med et mellomliggende kammer, og at den primære tørrgasstetning ved utløpsenden har en balanserende tetningsdiameter som er større enn den korresponderende balanserende tetning i primærgasstetningen ved innsugningsenden .

6. Gasskompressor ifølge krav 4, karakterisert ved innretninger (82a, 82b, 82c, 72') for å kontrollere gasstrykket i kammeret mellom de primære og sekundære tørrgasstetninger ved utløpsenden, idet de kontrollerende innretninger reagerer på signaler mottatt fra en aksiell posisjonssensor som oppfatter aksielle bevegelser i akselen, idet slike bevegelser fra en foretrukket posisjon forårsaker forandringer i trykket i kammeret for retur av akselen til den foretrukne posisjon.

7. Gasskompressor ifølge krav 6, karakterisert ved at akselen er aksielt plasert ved hjelp av et magnetisk aksiallager (26) som omfatter en elektromagnetisk sensor for aksiell posisjon tilknyttet de kontrollerende innretninger.

8. Gasskompressor ifølge krav 6, karakterisert ved at de kontrollerende innretninger omfatter to solenoid-ventiler som kontrollerer gasstrømmen til og fra kammeret, idet hver av ventilene reagerer på elektriske ignaler mottatt fra den aksielle posisjonssensoren, og en av disse ventilene er operativ for å ventilere kammeret til atmosfæren og den andre er operativ for å forbinde kammeret med en kilde av gass ved et trykk som er mellom atmosfærisk trykk og trykket ved sugeinnløpet i kompressoren.