WO2008130276A2 - Способ повышения коэффициента полезного действия компрессора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к компрессоростроению, газотурбостроению, авиационному двигателестроению, энергомашиностроению и др. Повышение коэффициента полезного действия компрессора осуществляется путем использования аэродинамического лабиринтно- винтового уплотнения, которое может создавать обратный поток газам, перетекающим через зазоры во вращающихся валах. В отличие от механических, масляных, сухих газовых и др. уплотнений, аэродинамический способ является единственным способом, полностью исключающим перетечки в компрессоре, газотурбинной установке, авиационном газотурбинном двигателе. Настоящим изобретением определено правильное расположение аэродинамических лабиринтно- винтовых уплотнений и условий, при которых полностью исключаются перетечки масла из переднего подшипникового узла и их попадание на лопатки, и проточную часть компрессора, а также исключаются перетечки газов внутри компрессора, повышая тем самым, его коэффициент полезного действия и производительность.

Description

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССОРА

Изобретение относится к компрессоростроению, турбостроению, авиационному двигателестроению и энергомашиностроению.

Известен способ повышения коэффициента полезного действия в проточной части осевого или центробежного компрессоров газотурбинных установок, например, в газотурбостроении путем установки различных видов уплотнений, уменьшающих перетечки и пропуски газов, например, с помощью лабиринтных, сухих газовых, масляных уплотнений, поддувом воздуха, или другим газом в уплотнение, в места перетечек и пропуска газов (см., например, RU 2193698, F04D 29/10, оп. 27.11.2002) [1].

Большое отрицательное влияние оказывают на КПД компрессора внутренние перетечки, когда в качестве уплотнений используются бесконтактные лабиринты, состоящие из тонких профильных колец и обойм. Они закатываются в выточенные на вале или во втулках вала, думмиса и покрышках рабочего колеса пазы-канавки и закрепляются там проволокой. Обоймы уплотнений устанавливаются в расточках корпуса или диафрагм.

Появившиеся в последнее время сухие газовые уплотнения используются как концевые и не могут быть использованы внутри компрессора. Они достаточно хорошо зарекомендовали себя в газотурбостроении, но, к сожалению, конструктивно сложны, дороги и требуют для обслуживания высококвалифицированных специалистов.

Недостаток известного способа [1] заключается в том, что лабиринтные, механические и даже сухие газовые уплотнения не могут достаточно полно исключить перетечки и пропуски газов через вращающиеся валы. Главное, сухие газовые уплотнения не могут быть использованы внутри компрессора, а только как концевые. В компрессоре на всасывании из переднего подшипникового узла туман, пары и капли смазочного масла в результате разрежения или перепада давлений попадают на венцы лопаток и проточную часть. Слой масла, покрывающий венцы лопаток, снижает коэффициент сцепления газа (воздуха) с металлом и приводит к проскальзыванию части прокачиваемого газа, снижая, тем самым, КПД и производительность компрессора.

Исследованиями установлено, что даже микроскопический слой масла на лопатках снижает КПД компрессора до 6 % и производительность до 8 - 10 %.

В центробежном компрессоре, кроме этого, большие потери КПД происходят в результате перетечек через лабиринтные уплотнения между ступенями рабочих колёс и на думмисе компрессора. В одноступенчатом центробежном компрессоре с консольно установленным колесом перетечки происходят через уплотнения, установленные со стороны привода.

В осевом компрессоре через диафрагму с лабиринтным уплотнением со стороны высокого давления турбины газы перетекают в компрессор, а со стороны низкого давления горячие газы с продуктами горения по валу перетекают в машинный зал, а также нагревают редуктор, генератор и другие устройства.

В химической промышленности, где требуется особо чистый воздух, например, в производстве азотной кислоты, с целью рекуперации энергии, хвостовые газы, содержащие оксиды азота, подогреваются в выносной камере сгорания и с продуктами горения подаются в турбину. Газы, содержащие оксиды азота, через диафрагму с лабиринтным уплотнением попадают в компрессор, и с нагнетаемым воздухом поступают на контактный аппарат, где отравляют платиноидные катализаторы, снижая степень конверсии аммиака в оксид азота.

К недостаткам в работе АЛВУ следует отнести неправильное определение места его установки. На практике роторное кольцо АЛВУ устанавливают на шейке пробки ротора, а статорное, напротив в цилиндрической выточке статора (корпуса) на стыке между ротором и всасыванием проточной части. Это должно было обеспечить выведение с всасывания за пределы компрессора масляного тумана, паров и капель смазочного масла.

Экспериментально установленные АЛВУ в проточной части компрессоров на предприятиях химической промышленности и РАО «ГAЗПPOM» показали результат, при которых уменьшилось количество масла в проточной части, однако, в процессе работы компрессора слой масла был обнаружен на лопатках и проточной части.

Предполагаемый эффект не получен, так как место установки и условия работы АЛВУ не соответствовали ряду требований аэродинамики и газодинамики. В частности, на месте установки АЛВУ невозможно полностью вывести из всасывания масляный туман, пары и капли масла при истечении газа в среде вакуума при одном и том же небольшом давлении, создаваемом АЛВУ. Это объясняется разными размерами частиц, содержащихся в масляном тумане, паре и каплях масла, и каждый размер частицы требует определенного давления для ее вывода за пределы всасывания без особого нарушения чистоты наружной части участка всасывания компрессора. При одном и том же небольшом давлении полностью вывести из всасывания масляный туман, пары и капли масла не удаётся. Это и является причиной оседания части их на лопатках и проточной части компрессора. Изменение давления, создаваемое АЛВУ в большую или меньшую сторону, приведет к отрицательному эффекту. При уменьшении давления более крупные частицы масла оседают в проточной части и пары покрывают лопатки, а при повышении давления, создаваемого АЛВУ, они покрывают наружную часть участка всасывания компрессора и площади машинного зала. Кроме этого, небольшой слой масла на лопатки ложится в результате образующегося вакуума и испарения масла в проточной части в процессе работы компрессора. Это было выявлено при экспериментальной установке АЛВУ на ГПС - 4 «Cypгyтгaзпpoмa». Технический результат, получаемый при осуществлении данного изобретения, заключается в снижении или исключении перетечек в компрессорах за счет определения места и правильного расположения АЛВУ, при котором могут быть во многом исключены перетечки масляного тумана, паров и капель смазочного масла на всасывании из переднего подшипникового узла и их попадание на лопатки и проточную часть компрессора.

Для достижения указанного технического результата в способе повышения коэффициента полезного действия компрессора, согласно изобретению, АЛВУ устанавливают непосредственно на входе вала в подшипниковый узел на всасывании компрессора, исключая или снижая выход масляного тумана, паров и капель смазочного масла из переднего подшипникового узла во всасывание и их попадание на лопатки и проточную часть, причём на всасывание АЛВУ подают нейтральный к масляному туману газ, например, азот.

Кроме того, АЛВУ закрывают разрезным кожухом со штуцером, охватывающим вал, и прикрепляют его к торцу корпуса подшипникового узла с образованием камеры для подачи нейтрального газа.

Кроме того, на линии подвода нейтрального газа устанавливают регулирующий клапан и двухконтактный мановакууметр для поддержания постоянного давления, несколько превышающего давление в подшипниковом узле, при котором исключается выход на всасывание компрессора масляного тумана, паров и капель масла и не нарушается нормальная работа узла подшипника.

Кроме того, АЛВУ устанавливают на месте стыка всасывания с проточной частью и цилиндрической расточкой корпуса компрессора.

Кроме того, АЛВУ устанавливают на валу и корпусе у всасывания. Кроме того, в многоступенчатом центробежном компрессоре АЛВУ устанавливают между ступенями компрессора.

Кроме того, АЛВУ устанавливают на думмисе компрессора.

Кроме того, АЛВУ устанавливают на диффузоре, диафрагме и покрышке колёс для повышения КПД осевого компрессора газотурбинной установки, тем самым снижая перетечки газов со стороны высокого давления турбины в компрессор.

Кроме того, АЛВУ устанавливают на концах вала, как бесконтактное сухое газовое концевое уплотнение.

Для повышения КПД компрессора АЛВУ дополнительно устанавливают на входе вала турбины в опорный подшипник, снижая выход горячих газов по валу в машинный зал со стороны низкого давления турбины.

Для повышения КПД в осевых компрессорах АЛВУ устанавливают между дисками ступеней, а также на диафрагме и на валу.

Для повышения КПД газотурбинной установки, имеющей турбодетандер, АЛВУ устанавливают на валу между турбинными дисками и на концах вала турбины.

На фиг.1 изображён подшипниковый узел и всасывание компрессора; на фиг.2 представлен разрезной кожух; на фиг.З представлены элементы центробежного компрессора.

Компрессор содержит на подшипниковом узле корпус 1, подшипник 2, вал 3, АЛВУ 4 на входе вала 3 в подшипниковый узел, штуцер 5, разрезной кожух 6, регулирующий клапан 7 на линии подвода нейтрального газа, двухконтактный мановакууметр 8, АЛВУ 9, установленное на стыке пробки 10 ротора и корпуса компрессора на всасывании, АЛВУ 11, установленное на диафрагме и диффузоре рабочих колес; АЛВУ 12, установленное на валу 3 и диафрагме; АЛВУ 13, установленное на думмисе и корпусе, АЛВУ 14, установленное на валу 3 и корпусе в качестве бесконтактного сухого газового концевого уплотнения. Как показано на фиг. l, АЛВУ 4 устанавливают на входе вала 3 в подшипниковый узел с целью снижения или исключения выхода масляного тумана, паров и капель масла на всасывании компрессора и обеспечения чистоты венцов лопаток от масла, а также снижения попадания масла в проточную часть, что, по меньшей мере, снижает образование масляного тумана в процессе работы компрессора.

В данном случае АЛВУ 4, действуя как мини - компрессор, создает давление выше давления в подшипниковом узле и запирает выход масляному туману, парам и каплям масла во всасывание компрессора.

Для обеспечения давления более высокого, чем в подшипниковом узле, при помощи регулирующего клапана 7 и двухконтактного мановакууметра 8 устанавливают соответствующий расход нейтрального газа. Нейтральный газ из подшипникового узла проходит в масляный бак, имеющий связь с атмосферой. В случае отсутствия связи с атмосферой, при помощи уставок мановакууметра 8 устанавливают расход такого количества газа, которое при помощи АЛВУ 4 обеспечивает давление, превышающее давление в подшипниковом узле, создавая буфер. В этом случае лишнее количество нейтрального газа удаляется через зазор между кожухом 6 и валом 3. Кожух 6 с прокладкой крепится к торцу корпуса 1 подшипникового узла, образуя камеру на всасывании АЛВУ 4, где и устанавливается необходимое давление.

В химической промышленности и других отраслях промышленности, где требуется высокая степень чистоты воздуха (напрмер. В производстве азотной кислоты) на всасывании между пробкой 10 ротора и проточной частью компрессора устанавливают АЛВУ 9 с целью снижения или исключения попадания пыли и грязи из зоны компрессора машинного зала.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ повышения коэффициента полезного действия компрессора путём установки аэродинамического лабиринтно-винтового уплотнения (АЛВУ) непосредственно на входе вала в подшипниковый узел на всасывании компрессора, исключая или снижая, тем самым, выход масляного тумана, паров и капель смазочного масла из переднего подшипникового узла во всасывание и их попадание на лопатки и проточную часть, причём на всасывание АЛВУ подают нейтральный к масляному туману газ, например, азот.

2. Способ по п.l, отличающийся тем, что АЛВУ закрывают разрезным кожухом со штуцером, охватывающим вал, и прикрепляют его к торцу корпуса подшипникового узла с образованием камеры для подачи нейтрального газа.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на линии подвода нейтрального газа устанавливают регулирующий клапан и двухконтактный мановакууметр.

4. Способ по п. l, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на месте стыка всасывания с проточной частью и цилиндрической расточкой корпуса компрессора.

5. Способ по п.l, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на валу и корпусе у всасывания.

6. Способ по п.l, отличающийся тем, что в многоступенчатом центробежном компрессоре АЛВУ устанавливают между ступенями компрессора.

7. Способ по п.l, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на думмисе компрессора.

8. Способ по п.l , отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на диффузоре, диафрагме и покрышке колёс.

9. Способ по п.1 , отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на концах вала, как бесконтактное сухое газовое концевое уплотнение.

10. Способ по п. l , отличающийся тем, что в осевом компрессоре газотурбинной установки АЛВУ дополнительно устанавливают на диафрагме и на валу.