RU2140577C1

RU2140577C1 - Centrifugal compressor

Info

Publication number: RU2140577C1
Application number: RU98106213A
Authority: RU
Inventors: В.В. Смольников; М.И. Соколовский; Ю.Н. Щербаков; В.В. Горожанцев; Б.К. Глушков
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: compression of working medium. SUBSTANCE: centrifugal compressor has housing, impeller mounted on shaft and supporting and thrust bearing units with seals. Each seal is made in form of pair: fixed disk revolving chamber embracing this disk at spaced relation. Cavity between circular chamber and disk is connected by means of passage with source of sealing liquid. On either side of disk cavities are closed by seals connected with opening drive. According to one version, compressor has ring on one lateral wall of revolving chamber which is engageable with labyrinth seal. Passages connecting the cavities of circular chamber with source of liquid are made in fixed disk. EFFECT: avoidance of wear parts in sealing units; enhanced reliability; simplified construction; low cost. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области производства центробежных машин, а именно к созданию уплотнительных узлов валов центробежных машин, и может быть использовано в компрессорах, турбинах и нагнетателях природного газа. The invention relates to the field of production of centrifugal machines, and in particular to the creation of shaft seal assemblies of centrifugal machines, and can be used in compressors, turbines and natural gas superchargers.

Широко известны конструкции нагнетателей с масляными торцевыми и щелевыми уплотнениями. При внешней простоте самих уплотнений стоимость их со всей системой обеспечения работоспособности (фильтры, насосы, арматура, емкости, теплообменники и т.п.) составляет 20-40% от стоимости компрессора. The designs of superchargers with oil mechanical and gap seals are widely known. With the external simplicity of the seals themselves, their cost with the entire system of ensuring operability (filters, pumps, fittings, tanks, heat exchangers, etc.) is 20-40% of the cost of the compressor.

Кроме того, система требует значительных затрат на обслуживание (потребление масла 10-200 л/сут, энергопотребление на обеспечение потока масла 7-25 м³/час на один корпус составляет 15-75 кВт).In addition, the system requires significant maintenance costs (oil consumption of 10-200 l / day, energy consumption to ensure an oil flow of 7-25 m ³ / h per housing is 15-75 kW).

Большинство неисправностей связано с масляными уплотнениями. Одним из перспективных направлений совершенствования компрессоров является применение сухих газовых уплотнений (европейская заявка N 0361844 - прототип). Most faults are related to oil seals. One of the promising areas for improving compressors is the use of dry gas seals (European application N 0361844 - prototype).

Компрессор содержит корпус, установленное на валу рабочее колесо, внутри корпуса расположена газовая камера, изолированная с торцев с помощью сухих воздушных прокладок (уплотнений) между статором и ротором от полостей двух опорных и упорного электромагнитных подшипников вала ротора. The compressor contains a housing, an impeller mounted on the shaft, and inside the housing there is a gas chamber isolated from the ends using dry air spacers (seals) between the stator and rotor from the cavities of two supporting and thrust electromagnetic bearings of the rotor shaft.

Одна прокладка установлена вблизи впускного отверстия, а вторая - вблизи выпускного отверстия. Как следует из работы (Труды третьего международного симпозиума "Потребители - производители компрессоров и компрессорного оборудования" 1997. Санкт-Петербург), сухие газовые уплотнения являются последним достижением технической мысли в области концевых уплотнений. Несмотря на неоспоримые эксплуатационные и экологические преимущества этих уплотнений широкое внедрение их в промышленность сдерживается большой технологической сложностью и, соответственно, стоимостью. One gasket is installed near the inlet, and the second is near the outlet. As follows from the work (Proceedings of the third international symposium "Consumers are manufacturers of compressors and compressor equipment" 1997. St. Petersburg), dry gas seals are the latest achievement of technical thought in the field of end seals. Despite the undeniable operational and environmental advantages of these seals, their widespread adoption in industry is constrained by great technological complexity and, consequently, cost.

Так, стоимость одного уплотнения фирмы "Джон Крейн" для нагнетателя НЦ-16 (16 МВт) составляет 1,5 млрд. рублей в ценах 1997 года. Целью настоящего изобретения является совершенствование компрессора (нагнетателя), снижение его стоимости за счет принципиально нового подхода к "запиранию" газовой среды высокого давления с помощью жидкости (масла). So, the cost of one seal of John Crane for the NTs-16 supercharger (16 MW) is 1.5 billion rubles in 1997 prices. The aim of the present invention is to improve the compressor (supercharger), reducing its cost due to a fundamentally new approach to the "locking" of a high-pressure gas medium using liquid (oil).

Поставленная цель достигается тем, что в центробежном компрессоре, содержащем корпус, установленное на валу рабочее колесо, опорные и упорный подшипниковые узлы с уплотнениями, каждое уплотнение выполнено в виде пары - неподвижного диска и охватывающей его с зазором вращающейся кольцевой П-образной камеры, полость между кольцевой П-образной камерой и диском соединена каналом с источником запорной жидкости, при этом полости с каждой стороны диска перекрыты уплотнениями, связанными с приводом раскрытия уплотнений. This goal is achieved by the fact that in a centrifugal compressor containing a housing mounted on the shaft of the impeller, support and thrust bearing units with seals, each seal is made in the form of a pair - a fixed disk and covering it with a gap of a rotating annular U-shaped chamber, the cavity between an annular U-shaped chamber and a disk are connected by a channel to a source of locking fluid, while the cavities on each side of the disk are blocked by seals associated with the seal opening drive.

Для повышения компактности конструкции компрессора, улучшения ее эксплуатационных характеристик за счет совмещения вращающейся камерой функции думмиса на одной из боковых стенок вращающейся П-образной камеры выполнено кольцо, взаимодействующее с лабиринтным уплотнением, а каналы, соединяющие П-образную кольцевую камеру с источником запирающей жидкости, выполнены в разделительном неподвижном диске. In order to increase the compactness of the compressor design and improve its operational characteristics by combining the dummy function with a rotating chamber, a ring interacting with the labyrinth seal is made on one of the side walls of the rotating U-shaped chamber, and the channels connecting the U-shaped annular chamber to the source of locking liquid are made in a dividing fixed disk.

На фиг. 1 показан центробежный компрессор (см. фиг. 1), содержит корпус, снабженный торцевыми крышками 2 и 3, на каждой из которых установлены корпусы опорных подшипниковых узлов 4 и 5 со смонтированными на них, например, дисками 6 (не менее трех на каждом корпусе), контактирующими с коаксиальной втулкой 8, которая опирается по внутренней поверхности на опорную шейку вала ротора 9. На втулке 8 смонтирована П-образная камера 7, охватывающая с зазором неподвижный разделительный диск 10, скрепленный с соответствующими корпусами 4 и 5, причем (см. фиг. 2) полость между кольцевой камерой 7 и диском 10 соединена каналом с источником запирающей жидкости, при этом полости с каждой стороны разделительного диска 10 перекрыты стояночными уплотнениями 11 и 12, взаимодействующими с приводами отжима 13 и 14, соответственно. На П-образной кольцевой камере со стороны полости нагнетания смонтировано кольцо разгрузочного устройства 15, взаимодействующее с лабиринтным уплотнением. In FIG. 1 shows a centrifugal compressor (see Fig. 1), it contains a housing equipped with end caps 2 and 3, on each of which housings of bearing bearing assemblies 4 and 5 are mounted with, for example, disks 6 mounted on them (at least three on each housing ) in contact with the coaxial sleeve 8, which rests on the inner surface on the support journal of the rotor shaft 9. A U-shaped chamber 7 is mounted on the sleeve 8, covering with a gap a stationary separation disk 10, fastened to the corresponding housings 4 and 5, moreover (see. Fig. 2) cavity me I am waiting for the annular chamber 7 and the disk 10 to be connected by a channel to the source of the locking liquid, while the cavities on each side of the separation disk 10 are blocked by the parking seals 11 and 12, which interact with the spin drives 13 and 14, respectively. On the U-shaped annular chamber from the side of the discharge cavity, a ring of the unloading device 15 is mounted, which interacts with the labyrinth seal.

Ротор приводится во вращение от ведущего вала при помощи муфты 16. В исходном положении ротор неподвижен, а стояночные уплотнения 11 и 12 прижаты к соответствующим опорным поверхностям. В этом положении осуществляют заполнение запорной жидкостью внутренних полостей П-образной камеры 7 и опрессовку давлением, превышающим давление уплотняемой среды (природного газа). The rotor is driven into rotation from the drive shaft by means of a clutch 16. In the initial position, the rotor is stationary, and the parking seals 11 and 12 are pressed against the corresponding supporting surfaces. In this position, the internal cavities of the U-shaped chamber 7 are filled with a locking fluid and pressure tested in excess of the pressure of the medium being sealed (natural gas).

При обеспечении герметичности компрессор заполняется газом и ротор начинают раскручивать. От действия центробежных сил на жидкость, при достижении давления на радиусе R неподвижного диска 10 (см. фиг. 2), превышающего давление уплотняемой среды, уплотнения 11 и 12 отжимаются от соответствующих опорных поверхностей приводами 13 и 14 (гидропоршни). To ensure tightness, the compressor is filled with gas and the rotor begins to spin. From the action of centrifugal forces on the liquid, when the pressure on the radius R of the fixed disk 10 (see Fig. 2) is reached, which exceeds the pressure of the medium being sealed, the seals 11 and 12 are squeezed from the corresponding supporting surfaces by the actuators 13 and 14 (hydraulic pistons).

Максимальное давление, удерживаемое уплотнениями (предельный случай, когда почти вся жидкость переходит на одну сторону разделительного диска 10), определяется как
P_max = W²/2g(R²-r²)(γ_ж-γ_г),
где R - наружный радиус неподвижного диска;
r - минимальный радиус расположения уплотняющей жидкости и газа;
γ_ж, γ_г - удельный вес уплотняющей жидкости и газа;
g - ускорение свободного падения;
W - угловая скорость вращения камеры.The maximum pressure held by the seals (the extreme case when almost all the liquid passes to one side of the separation disk 10) is defined as
P _max = W ² / 2g (R ² -r ² ) (γ _w -γ _g ),
where R is the outer radius of the fixed disk;
r is the minimum radius of the sealing liquid and gas;
γ _W , γ _g - the specific gravity of the sealing fluid and gas;
g is the acceleration of gravity;
W is the angular velocity of rotation of the camera.

Отсутствие протечек газа обеспечивается тем, что центробежная сила столба жидкости полости B уравновешивает центробежную силу газовой среды и ее статическое давление в полости A (см. фиг. 2). The absence of gas leaks is ensured by the fact that the centrifugal force of the liquid column of the cavity B balances the centrifugal force of the gas medium and its static pressure in the cavity A (see Fig. 2).

Например, для нагнетателя природного газа мощностью 16 МВт при диаметре разделительного диска 580 мм, номинальной частоте вращения 5300 об/мин, давление масла на максимальном диаметре разделительного диска достигает 8,3 МПа, т.е. существенно больше, чем давление удерживаемой газовой среды - 5,5 МПа (для природного газа). For example, for a 16 MW natural gas supercharger with a separation disk diameter of 580 mm, a nominal rotation speed of 5300 rpm, the oil pressure at the maximum separation disk diameter reaches 8.3 MPa, i.e. significantly more than the pressure of the retained gas medium - 5.5 MPa (for natural gas).

Пока вращается ротор в данном уплотнении отсутствует механическое трение уплотнений. Наличие П-образной кольцевой камеры позволяет упростить конструкцию думмиса компрессора тем, что на одной из стенок П-образной камеры смонтирован кольцевой поясок 15, взаимодействующий с лабиринтным уплотнением. While the rotor rotates in this seal there is no mechanical friction of the seals. The presence of a U-shaped annular chamber makes it possible to simplify the design of the compressor dummies in that an annular belt 15 is mounted on one of the walls of the U-shaped chamber, interacting with the labyrinth seal.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет исключить изнашиваемые детали в уплотнительных узлах, повысить надежность работы уплотнений, существенно упростить конструкцию, снизить ее стоимость. Thus, the proposed technical solution eliminates wear parts in the sealing nodes, increase the reliability of the seals, greatly simplify the design, reduce its cost.

Claims

1. A centrifugal compressor comprising a housing, an impeller mounted on the shaft, support and thrust bearing units with seals, characterized in that each seal is made in the form of a pair - a fixed disk and covering it with a clearance of a rotating chamber, the cavity between the annular chamber and the disk is connected channel with a source of locking fluid> while the cavity on each side of the disk is blocked by seals associated with the drive of their disclosure.

2. The centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that on one of the side walls of the rotating chamber a ring is made that interacts with the labyrinth seal.

3. The centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the channels connecting the cavity of the annular chamber with a fluid source are made in a fixed disk.