NO330000B1 - Sentrifugalkompressor utstyrt med en tetning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en sentrifugalkompressor utstyrt med en tetning.

Rotasjonskompressorer er rotasjonsmaskiner ment til å transportere kompressible fluider, og deres hensikt er å overføre mekanisk energi til fluidet som passerer gjennom dem med tanke på å øke dets trykk.

For å oppnå dette omfatter de en drivaksel som driver i rotasjon en samling av hjul som hovedsakelig overfører den mekaniske energien tilført fra motoren som driver akselen til fluidet.

I den hensikt å holde det trykksatte fluidet inne i kompressorelementet er endene til akselen ustyrt med tørre tetninger med tettende gass.

Slike tetninger er vanligvis utstyrt med en hylse, med en stasjonær tetteflatering eller pakningsskive montert på hylsen og med en roterende tetteflatering som roterer som en tettekrave montert på drivakselen til kompressoren, idet disse tetteflateringene f. eks. skal presses mot hverandre under påvirkning av en fjær.

Det vises til EP-A-0 781 948 som omhandler en slik anordning.

Det vises også til US 4 872 689 som omhandler en varmeveksler med tetninger som definerer en tettegrenseflate som separerer områder med høyere og lavere trykk for å påvirke dnftstemperaturen for varmevekslingen.

Det vises videre til EP-A-0 654 607 som omhandler et hus for en pumpe med tetnings-midler.

Når kompressoren anvendes utsettes tetningene for høye termiske belastninger spesielt på grunn av temperaturen til fluidet som passerer gjennom kompressoren, ekspansjonen til fluidet ved tetningen, skjærkraften til fluidfilmen ved tettegrense-flaten mellom de respektive friksjonsoverflatene til de roterende og stasjonære tetteflateringene, og ventilasjonstapene når den roterende tetteflateringen roterer gjennom fluidet transportert av kompressoren.

Det er kjent at disse termiske belastningene danner deformasjoner på den roterende tetteflateringen og den stasjonære tetteflateringen som et resultat av forskjellig ekspansjon, og dette medfører faren for tap av tetning eller til og med til ødeleggelse av delene hvis flateringene kommer i kontakt.

Hva som spesifikt skjer er at lekkasjer oppstår generelt på grenseflaten mellom den stasjonære tetteflateringen og den roterende tetteflateringen, og dette fører til et relativt betydelig lokalt fall i fluidtemperatur nedstrøms, på grunn av ekspansjonen av dette fluidet.

For f.eks. anvendelse ved assistert gjenvinning av petroleum gjennom injeksjon av naturgass, kan dermed likevektstrykket til gassinjeksjonskompressorkretsen være så høy som 250 til 300 bar. Ekspansjonen på grunn av tetteoverflatene til kompressor-tetningen kan lokalt senke temperaturen til rundt -80°C.

Siden de kompressible gassene som generelt anvendes i denne typen kompressor har vann som en bestanddel, vil fallet i temperatur sannsynligvis føre til økning i den følg-ende dannelsen av hydrater, for hvilke dannelsestemperaturen er i området -10°C.

Siden hydrater er faste komponenter, fører deres tilstedeværelse til faren for fast-kjøring av den stasjonære tetteflateringen i forhold til den roterende delen til kompressoren, og dette vil sannsynligvis føre til økning i tap av tetning når maskinen stanses, eller til og med å hindre at denne kan startes opp igjen så lenge temperaturen forblir lavere enn dannelsestemperaturen for hydratene.

Formålet med oppfinnelsen er å redusere disse ulempene og å sørge for en tetning og en sentrifugalkompressor som har mulighet for å varme opp fluidet nedstrøms for tettegrenseflatene til tetningene mens maskinen er stanses under trykk.

I henhold til oppfinnelsen er det derfor foreslått en sentrifugalkompressor omfattende en drivaksel som driver i rotasjon et sett hjul som kan overføre den mekaniske energien fra drivakselen til et kompressibelt fluid, og i det minste en tetning for den utgående aksel, omfattende et hus, i det minste en enhet omfattende en roterende tetteflatering som roterer i ett med en krave ment å monteres på en aksel til kompressoren og en stasjonær tetteflatering montert på huset, idet tetteflateringene presses mot hverandre via deres friksjonsflate, hvor denne tetningen videre omfatter midler for å sirkulere et fluid for oppvarming av lekkasjene av kompressibelt fluid transportert av kompressoren og som oppstår mellom tetteflateringene, som er kjen-netegnet ved at nevnte sirkulasjonsmidler er dannet i huset og strekker seg i det minste delvis nedstrøms for tetteflateringene med hensyn til strømningsretningen av nevnte strømning av fluid.

Fluidstrømmen gjennom kompressortetningene oppvarmes dermed og dette gjør det mulig å kompensere for kjølingen som oppstår på grunn av ekspansjonen av dette fluidet nedstrøms for tettegrenseflatene.

I henhold til et annet aspekt ved denne sentrifugalkompressor, omfatter nevnte sirkulasjonsmidler en varmekanal i forbindelse med en tilførselskilde for oppvarmingsfluid som virker uavhengig av midlene for tilførsel til kompressoren av kompressibelt fluid.

Det er derfor mulig å tenke seg oppvarming av fluidet inne i tetningene selv når kompressoren ikke går.

I henhold til en spesiell utførelsesform utstyres huset med en passasje for strømningen av lekkasjene av fluidet og i hvilken det er anbrakt en vegg som, sammen med huset, avgrenser nevnte passasje og utgjør en overflate for utveksling av varmeenergi.

Det er foretrukket at veggflaten rettet mot varmekanalen er ustyrt med ribber som danner en varmespiral.

F.eks. omfatter oppvarmingsfluidet olje.

I henhold til en annen utførelsesform omfatter tetningen videre en varmeveksler anordnet rettet mot den roterende tetteflateringen.

Andre formål, egenskaper og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil fremgå av beskrivelsen som følger og med henvisning til de vedføyde figurene, hvor: Figur 1 er en skjematisk skisse i langsgående snitt av en sentrifugalkompressor; Figur 2 er en skjematisk skisse som illustrerer strukturen til en tetning i henhold til

kjent teknikk; og

Figur 3 er et diagram som illustrerer strukturen til tetningen i forbindelse med oppfinnelsen. Figur 1 avbilder strukturen av en sentrifugalkompressor, generelt henvist til ved henvisningstall 10.

Den er ment for håndtering av et kompressibelt fluid og dens formål er å overføre mekanisk energi til dette fluidet for å øke dets trykk. 1 det avbildede eksemplet omfatter kompressoren 10 en flercellekompressor, dvs. en flertrinnskompressor. Kompressoren 10 har fire kompresjonstrinn.

Den omfatter hovedsakelig en drivaksel 12 drevet i rotasjon av tilpassede drivmidler og som roterer i et hus 14.

Dette huset 14 er utstyrt med et innløp E for opptak av kompressibelt fluid, som danner forbindelse med en tilførselskilde tilpasset den forutsatte anvendelsen, og med et utløp S for fordeling av det komprimerte fluidet.

Mellom innløpet E og utløpet S er huset 14 utstyrt med de fire kompresjonstrinnene 16, 18, 20 og 22.

Hvert trinn 16, 18, 20 og 22 omfatter, nedstrøms for oppstrømsenden med hensyn på retningen til strømningen av fluidet gjennom kompressoren 10, en innløpsføring 24,

26, 28 og 30 som leder strømningen i den beste retningen for å lede den inn i kompresjonstrinnet, et hjul 32, 34, 36, 38 med blader som overfører den mekaniske energien tilført fra drivakselen til det kompressible fluidet, noe av den mekaniske energien som introduseres blir omgjort til trykk, noe mer blir omgjort til hastighet, og et ledeapparat eller diffusor 40, 42, 44 og 46 reduserer hastigheten til fluidet med tanke på omgjøring av det dynamiske trykket i dette til statisk trykk.

Som det kan ses i figur 1, er det siste trinnet 22 til kompressoren ved nedstrømsenden åpent mot en volutt 48 av evolutisk tverrsnitt bestående av en sluttdiffusor med en mulighet for å redusere tapene mellom det siste kompresjonstrinnet og utløpet S.

Videre er kompressoren utstyrt med tetninger, generelt henvist til med henvisnings-tallene 50 og 52, som huset er utstyrt med nær akselutløpene og hvilke holder det trykksatte fluidet inne i huset 14. Arrangementene av disse tetningene kan være enkle (kun en tetning mot utsiden), doble (en tetning mot utsiden med tetningsgass) eller tandem (to tetninger i serier mot utsiden), avhengig av anvendelsen.

Figur 2 avbilder strukturen av en tetning i henhold til kjent teknikk. F.eks. samsvarer denne tetningen med tetningen avbildet ved det generelle henvisnmgstallet 50. I figur 2 har elementer identiske med de i figur 1 samme henvisningstall.

Denne tetningen omfatter en roterende pakningsskive eller roterende tetteflatering 54 som roterer i ett med en krave 56, som selv er festet til akselen 12 til kompressoren, og en stasjonær tetteflatering 58 festet til huset 14 og med mulighet til å beveges aksialt med hensyn til dette.

Elastisk deformerbare midler, omfattende en fjær 60, presser den stasjonære tetteflateringen 58 mot den roterende tetteflateringen 54 via deres respektive friksjons-flater 62 og 64.

Ekstra tettemidler (ikke avbildet) sørger for tetning mellom tetteflateringene 54 og 58 og elementene til kompressoren på hvilke de er montert.

Som indikert ved pilen F oppstår det under anvendelse en lekkasje av kompressibelt fluid mellom tetningsgrenseflatene 62 og 64 til tetningen, dvs. mellom friksjonsflatene til den roterende og den stasjonære tetteflateringen.

Huset 14 til kompressoren er derfor utformet med en passasje 66 for strømning av lek-kasjegassen, som f. eks. munner ut i et nettverk av trompetformede utvidelser (ikke avbildet).

Som tidligere indikert har denne typen tetning en stor ulempe med hensyn til dens termiske anvendelse.

Det som skjer under rotasjon er at resirkulasjon av gass fra kompressoren termisk kondisjonerer tetningen, dvs. fjerner varmeenergi, noe som i og for seg er kjent. Når kompressoren ikke går, eksisterer ikke disse sirkulasjonene lenger på grunn av at det ikke lenger er naturlige trykkforskjeller, og de har derfor ikke noe^å si hverken for kjøling av tetningen eller for oppvarming av lekkasjene.

Når det forlater tetningsgrenseflatene omfattende friksjonsflatene 62 og 64 til tetteflateringene, utsettes fluidet for ekspansjon som fører til et etterfølgende fall i dets temperatur slik at hydrater kan dannes.

Som i og for seg velkjent omfatter disse hydratene faste forbindelser som medfører fare for blokkering av den stasjonære tetteflateringen og følgelig at det hindres drift av kompressoren.

En tetning som gjør det mulig å dempe denne ulempen vil nå bli beskrevet med henvisning til figur 3.

I eksemplet på utforming vist i den figuren omfatter denne tetningen en tetning av tandemtypen, dvs. at den har to tetninger 68 og 70 anbrakt i serie.

Hver tetning omfatter en stasjonær tetteflatering 71 montert på et hus 72 til kompressoren og en roterende tetteflatering eller roterende pakningsskive 73 festet til en krave 74, som selv er montert på drivakselen 76 til kompressoren.

Et elastisk middel bestående av en fjær 78 tvinger tetningsgrenseflatene, omfattende de overforliggende friksjonsflatene 80 og 82 til den stasjonære og den roterende tetteflateringen, mot hverandre.

Som tidligere nevnt fører lekkasjer, indikert ved pilen F, til en strømning av kompressibelt fluid mellom tetningsgrenseflatene 80 og 82, og som strømmer gjennom en strømningspassasje 84 dannet for dette formål i huset 72.

Med tanke på å dempe ulempene knyttet til ekspansjonen av det kompressible fluidet nedstrøms for tetningsgrenseflatene 80 og 82, er huset 72 utstyrt med midler for å sirkulere et oppvarmingsfluid, og disse midlene er anordnet i form av en varmekanal 86 som går i det minste delvis nedstrøms for tetteflateringene 71 og 73.

Denne kanalen 86 er forbundet med en tilførselskilde for oppvarmingsfluid, f.eks. en olje med varmekapasitet egnet for å tillate effektiv overføring av varmeenergi ti! passasjen 84.

Det vil legges merke til at temperaturen og trykket til fluidet er valgt slik at det sikres tilstrekkelig oppvarming av fluidet i strømningspassasjen 84 og hindres dannelsen av hydrater.

Som kan ses i figur 3, med tanke på å yte effektiv overførsel av varmeenergi til fluidet som sirkulerer gjennom passasjen 84, er varmekanalen 86 utformet i passasjen 84 og dannes ved å plassere i sistnevnte en vegg 88 som, sammen med huset 72, avgrenser kanalen 86.

Veggen 88 omfatter ribber på den flaten som er rettet mot kanalen 86, slik som 90, for å danne en varmespiral i kanalen 86.

Som det vil forstås, er veggen 88 også valgt slik at den danner et areal for varme-veksling som er stort nok til, i forbindelse med temperatur- og trykknivåene til opp varmingsfluidet som sirkulerer i kanalen 86, å hindre dannelsen av hydrater i fluidet som sirkulerer gjennom lekkasjestrømningspassasjen 84.

Som det vil forstås avhenger dannelsestemperaturen for hydrater av sammensetning-en til fluidet som behandles av kompressoren. Ettersom bestemmelsen av parameter-ene som vil tillate temperaturen til fluidet å økes til et nivå høyere enn denne dannelsestemperaturen for hydrater er innenfor kompetansen til fagmenn, vil den derfor ikke bli beskrevet i detalj her.

Det vil også legges merke til at veggen 88 er dannet av et materiale som har mulighet til å stå i mot relativt høye trykk som det kan være i disse tetningene, hvis tetningen blir skadet under bruk, for å unngå at antennbar prosessgass kommer ut i atmos-færen.

Endelig, når det gjelder oppvarmingsfluid-tilførselskilden, omfatter denne fortrinnsvis en tilførselskilde som opererer uavhengig av resten av kompressoren og spesielt til-førselskilden for kompressibelt fluid. Uavhengigheten av denne tilførselskilden er også slik at den tillater stor tilgjengelighet, som er viktig for påliteligheten til denne tetningen.

Det er dermed mulig å varme opp fluidet som sirkulerer gjennom lekkasjestrømnings-passasjen 84, selv når kompressoren ikke er i drift. Dette hindrer dermed enhver fare for at den stasjonære tetteflateringen blir immobilisert i forhold til de roterende delene til kompressoren, selv når denne ikke er i drift.

Dette fjerner dermed ethvert behov for å tømme eller dekomprimere installasjonen som kompressoren inngår i.

Denne innretningen spiller også en rolle ved avkjøling av den tørre tetningen når den roterer. Det er også mulig, som et alternativ, å utstyre kompressoren med en ekstra varmeveksler som varmer opp fluidet i tetningen eller tetningene, f.eks. anordnet rettet mot den roterende tetteflateringen.

Claims (7)

1. Sentrifugalkompressor omfattende en drivaksel (12, 76) som driver i rotasjon et sett hjul (32, 34, 36, 38) som kan overføre den mekaniske energien fra drivakselen til et kompressibelt fluid, og i det minste en tetning (50, 52) for den utgående aksel, omfattende et hus (72), i det minste en enhet omfattende en roterende tetteflatering (73) som roterer i ett med en krave (74) ment å monteres på en aksel (76) til kompressoren og en stasjonær tetteflatering (71) montert på huset, idet tetteflateringene (71, 73) presses mot hverandre via deres friksjonsflate, hvor denne tetningen videre omfatter midler (86, 88, 90) for å sirkulere et fluid for oppvarming av lekkasjene av kompressibelt fluid transportert av kompressoren og som oppstår mellom tetteflateringene (71,73), karakterisert vedat nevnte sirkulasjonsmidler er dannet i huset (72) og strekker seg i det minste delvis nedstrøms for tetteflateringene med hensyn til strømningsretningen av nevnte strømning av fluid.

2. Kompressor i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte sirkulasjonsmidler omfatter en varmekanal (86) i forbindelse med en tilførselskilde for oppvarmingsfluid som opererer uavhengig av midlene for tilførsel til kompressoren av kompressibelt fluid.

3. Kompressor i henhold til krav 2, karakterisert vedat huset (72) er utformet med en passasje (84) for strømningen av lekkasjen av fluid og i hvilken det er anbrakt en vegg (88) som, sammen med huset, avgrenser nevnte passasje og utgjør en overflate for utveksling av varmeenergi.

4. Kompressor i henhold til krav 3, karakterisert vedat flaten til veggen som er rettet mot varmekanalen (86) er utstyrt med ribber (90) som danner en varmespiral.

5. Kompressor i henhold til ethvert av kravene 1-4, karakterisert vedat oppvarmingsfluidet består av olje.

6. Kompressor i henhold til ethvert av kravene 1-5, karakterisert vedat den videre omfatter en varmeveksler anordnet rettet mot den stasjonære tetteflateringen (73).

7. Kompressor i henhold til ethvert av kravene 1-6, karakterisert vedat den omfatter en tilførselskilde for tilføring av fluidet for oppvarming av lekkasjene av kompressibelt fluid til sirkulasjonsmidlene, idet nevnte tilførselskilde opererer uavhengig av resten av kompressoren.