RU2753946C1

RU2753946C1 - Устройство, в частности турбомашина, содержащая конструкцию для уплотнения вала

Info

Publication number: RU2753946C1
Application number: RU2020138786A
Authority: RU
Inventors: Райнер ГАУСМАН
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2021-08-24
Also published as: CN112204277B; EP3775631A1; US20210199198A1; CN112204277A; EP3775631B1; EP3575641A1; WO2019228729A1; US11674600B2

Abstract

Изобретение относится к устройству (AR), в частности турбомашине (ТМ), содержащему: вал (SH), продолжающийся вдоль оси (Х), устройство (SHS) для уплотнения вала, для герметизации кольцевого зазора GP между валом (SH) и статором (STT) от пространства (PFC) для технологической рабочей жидкости к внешней среде (АMB), причем устройство (SHS) для уплотнения вала имеет магнитожидкостное уплотнение (FFS) вала, причем со стороны пространства (PFC) для технологической рабочей жидкости устройство для уплотнения вала содержит рядом с магнитожидкостным уплотнением (FFS) вала дополнительное уплотнение (SHS 1) вала, причем магнитожидкостное уплотнение (FFS) вала расположено в кольцевом зазоре (GP) в осевом направлении между первым уплотнением вала и внешней средой (AMB); причем в кольцевом зазоре (GP) между дополнительным уплотнением (SHS 1) вала и магнитожидкостным уплотнением (FFS) вала в осевом направлении предусмотрен отвод (SUC) давления. Достигается устройство для уплотнения вала для турбомашины, имеющее небольшую протечку, предпочтительно почти совсем не имеющее протечек, и одновременно с относительно небольшими эксплуатационными расходами. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к устройству, в частности турбомашине, содержащей:

- продольный вал;

- устройство для уплотнения вала для герметизации кольцевого зазора между валом и статором от пространства для технологической рабочей жидкости к внешней среде;

- причем устройство для уплотнения вала имеет магнитожидкостное уплотнение вала, причем, со стороны пространства для технологической рабочей жидкости, устройство для уплотнения вала содержит рядом с магнитожидкостным уплотнением вала дополнительное уплотнение вала;

- причем магнитожидкостное уплотнение вала расположено в кольцевом зазоре

в осевом направлении между первым уплотнением вала и внешней средой, причем в кольцевом зазоре между дополнительным уплотнением вала и магнитожидкостным уплотнением вала в осевом направлении предусмотрен отвод давления.

Такая конструкция с устройством для уплотнения вала уже известна из публикации WO 2014/146956 A1.

Кроме того, из публикации WO 92/13216 A1 уже известно, что со стороны пространства для технологической рабочей жидкости устройство для уплотнения вала содержит, наряду с магнитожидкостным уплотнением вала, дополнительное уплотнение вала;

- причем магнитожидкостное уплотнение вала расположено в кольцевом зазоре в осевом направлении между первым уплотнением вала и внешней средой,

- причем в кольцевом зазоре между дополнительным уплотнением вала и магнитожидкостным уплотнением вала в осевом направлении предусмотрен отвод давления.

При протекании через турбомашины технологических рабочих жидкостей, требуется, как правило, передавать посредством вала механическую мощность из заполненного технологической рабочей жидкостью пространства во внешнюю среду. Для отделения пространства, заполненного технологической рабочей жидкостью, от внешней среды предусмотрен статор или корпус, или резервуар высокого давления, имеющий на участке прохождения вала уплотнение вала, герметизирующее зазор между валом и статором. Под устройством для уплотнения вала речь идет о ключевом компоненте, так как даже при высоких скоростях вращения желательна только минимальная протечка, а на некоторых участках, - вплоть до полной герметичности. Исключение из описанного принципа представляет собой турбомашина со встроенным двигателем или генератором, так чтобы работа потока могла непосредственно передаваться в виде электрической мощности выше предела статора. Такие устройства сравнительно дорогие, а поэтому часто экономически не эффективны. В частности, для опасных, например, токсичных текучих сред существенным является надежное, лишенное протечек уплотнение турбомашины. Как правило, уплотнения с жидкой смазкой как - то удовлетворяют таким требованиям, причем постоянно возникающую потерю барьерной жидкости нужно компенсировать, например, за счет протекающей мимо технологической рабочей жидкости. Пополнение подходящей барьерной жидкостью является трудоемкой, дорогой, а поэтому считается со стороны заказчика не желательной или минимальной. Одна из возможностей минимизировать потерю барьерной жидкости, состоит в использовании магнитожидкостного уплотнения, эффективно снижающего уменьшение магнитной жидкости посредством протекающей технологической рабочей жидкости, благодаря дополнительно приложенным магнитным силам. Тем не менее, недостаток магнитожидкостного уплотнения состоит в том, что обычно возможные перепады давления в турбомашинах слишком большие.

Исходя из проблем и недостатков уровня техники, задача изобретения - создать устройство для уплотнения вала для турбомашины, имеющее небольшую протечку, предпочтительно, - почти совсем не имеющее протечек и одновременно с относительно небольшими эксплутационными расходами.

Согласно изобретению, для решения задачи предлагается устройство определенного прежде типа с дополнительными признаками отличительной части независимого пункта формулы изобретения.

С помощью предлагаемой согласно изобретению комбинации из магнитожидкостного уплотнения вала и дополнительного уплотнения вала, а также находящегося между ними отвода давления достигают возможности использования магнитожидкостного уплотнения вала, например, также в турбомашинах с высокими максимальными величинами давления и создания, благодаря этому, альтернативы герметичным устройствам без уплотнений вала. При этом, согласно изобретению, удается достигать не только пригодности устройства для высоких абсолютных величин давления в турбомашине, но также и повышенной степени безопасности, используя, в частности, в качестве дополнительного уплотнения вала, надежную и безотказную конструкцию. В заявке предлагается, в частности, использовать лабиринтное уплотнение, предоставляющее, вследствие своей простоты, самый высокий уровень эксплуатационной надежности. В частности, такое дополнительное уплотнение вала может быть выполнено, независимо от подпитки вспомогательной энергией. В этом смысле магнитожидкостное уплотнение вала намагничивают, предпочтительно, с помощью постоянного магнита, при этом обеспечивается независимость от вспомогательной энергии.

Предпочтительно, если магнитожидкостное уплотнение вала имеет магнитную жидкость, в которой в жидком носителе предусмотрены коллодиально суспендированные частицы из железа и/или магнетита и/или кобальта. Альтернативно или дополнительно магнитная жидкость может быть выполнена в виде ионной жидкости, причем ионы, катионы или анионы проявляют в растворе магнитные свойства. В качестве жидкого носителя речь идет об известных из Уровня техники различных вариантах, например, об углеводородах или маслах, или воде.

Особенно целесообразно, если устройство имеет накопительный сборник для магнитной жидкости, в котором накапливается магнитная жидкость. Этот накопительный сборник для магнитной жидкости соединен трубопроводами для подачи магнитной жидкости к магнитожидкостному уплотнению или ее отведения. Благодаря этому, можно компенсировать потери магнитной жидкости на участке магнитожидкостного уплотнения и осуществлять подготовку магнитной жидкости, вследствие чего устраняются возможные загрязнения или прочие изменения магнитной жидкости. Наряду с этим, целесообразна подготовка в отношении охлаждения магнитной жидкости при повышенных потерях на трение, которые нельзя ликвидировать с помощью простой конвекции или теплопередачи. Для этого предпочтительно, если к накопительному сборнику для магнитной жидкости присоединена система фильтрация и/или осаждения загрязнений магнитной жидкости, система охлаждения или терморегулирования и/или насос, доводящий магнитную жидкость до необходимого давления подачи.

Особенно целесообразно выполнение магнитожидкостного уплотнения и подшипника в виде комбинированного конструктивного элемента особенно целесообразен, причем магнитная жидкость для подшипника предусмотрена предпочтительно в качестве смазочного средства. Значение варианта исполнения в виде комбинированного конструктивного элемента состоит в том, что по меньшей мере продолжение участка вала, служащего для опоры, одновременно является также участком герметизации магнитожидкостного уплотнения. В этой связи, в принципе, также возможно, что подшипник является осевым подшипником, а магнитожидкостное уплотнение уплотняет продолжающийся в осевом направлении зазор. Комбинация магнитожидкостного уплотнения и подшипника, поддерживающего вал посредством маслянистой пленки, присутствует в понимании этого изобретения уже тогда, когда накопительный сборник для магнитной жидкости одновременно является также накопительным сборником для смазочного средства подшипника или, когда магнитная жидкость одновременно является барьерной средой для уплотнения вала и смазочным средством для подшипника. При этом целесообразно, если устройство для подготовки, соединенное с резервуаром для магнитной жидкости, имеет насос, обеспечивающий давление подачи для магнитожидкостного уплотнения и подачу магнитной жидкости к подшипнику в качестве смазочного средства. При этом рационально, если подачу магнитной жидкости к магнитожидкостному уплотнению осуществляют первым давлением, а подачу магнитной жидкости в качестве смазочного средства к подшипнику -вторым давлением, предпочтительно отличающегося от первого давления. Эти разные величины давления можно создавать, либо посредством двух разных насосов, либо, предпочтительно, посредством по меньшей мере одного, предпочтительно, регулируемого дросселя, по меньшей мере в одном подводящем трубопроводе к подшипнику и/ или к магнитожидкостному уплотнению.

Изобретение поясняется посредством одного отдельного примера исполнения со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

Фигура 1 - продольный разрез предлагаемого согласно изобретению устройства, в частности, турбомашины.

Фигуры 2, 3 - соответственно предлагаемое согласно изобретению устройство для уплотнения вала.

На фигуре 1 показано схематическое изображение продольного разреза турбомашины TM. Турбомашина TM выполнена в виде предлагаемого согласно изобретению устройства AR и содержит вал SH, продолжающийся вдоль оси X. Устройство SHS для уплотнения вала, для уплотнения кольцевого зазора GP между валом SH и статором STT, предусмотрено для уплотнения пространства PFC для технологической рабочей жидкости от выхода технологической рабочей жидкости PF во внешнюю среду АMB. В конкретном случае, принимая во внимание статор STT речь идет о части корпуса CAS или резервуара высокого давления, поддерживающего внутри повышенное давление технологической рабочей жидкости PF по сравнению с внешней средой AMB. Корпус CAS имеет соосно с обеих сторон крышку COV, являющуюся составной частью корпуса CAS или статора STT. По существу, такие понятия, как: "осевое", "радиальное", "тангенциальное" или "направление к окружающей среде" относятся к оси X вала SH. Турбомашина TM по фигуре 1 выполнена в виде турбокомпрессора радиальной конструкции. Внутри корпуса CAS находится приток INL и отток EXT. В направлении стрелки притока, между притоком INL и оттоком EXT предусмотрены радиальные ступени компрессора в виде рабочих колес IMP, всасывающих технологическую рабочую среду PF в осевом направлении и ускоряющих ее радиально наружу. Между отдельными рабочими колесами IMP находятся отводящие ступени RTC, поворачивающие технологическую рабочую среду от радиально наружного в радиально внутреннем направлении и подводящие ее по оси к следующему рабочему колесу. Вал SН поддерживается подшипниками RB, выполненными в данном случае в виде радиальных подшипников и удерживающих вал SH в определенном радиальном положении. Осевая опора не изображена, но предусмотрена. На левой стороне турбомашины TM на фигуре 1 находится всасывающая сторона, где также находится приток INL, а справа нагнетательная сторона с оттоком EXT. Естественно, что в компрессоре нагнетательная сторона нагружается более высоким давлением технологической рабочей среды по пути потока.

На фигурах 2, 3 воспроизведено соответственно схематическое изображение устройства SHS для уплотнения вала и подшипников RB. Схематические изображения ограничиваются левосторонней осевой стороной турбомашины TM. В основном, по существу, также возможен зеркально - перевернутый вариант исполнения для правостороннего устройства в турбомашине.

На фигурах 2 и 3 показан фрагмент вала SH, продолжающегося вдоль оси X. Центром изображения является устройство SHS для уплотнения вала. Устройство SHS для уплотнения вала содержит первое уплотнение SHS1 вала и второе уплотнение SHS2 вала. Второе уплотнение вала выполнено соответственно в виде магнитожидкостного уплотнения FFS вала. Первым уплотнением SHS l вала может быть, по существу, любое обычное уплотнение вала и показанное на фигуре 2 в качестве примера в виде предпочтительного вида исполнения лабиринтного уплотнения LBY. Естественно, что обычное первое уплотнение SHS вала имеет протечки, протекающие через первое уплотнение SHS l вала от внутренней части пространства PFC для технологической рабочей жидкости в направлении к окружающей среде АMB. Первое уплотнение SHS l вала уменьшает первую разницу Δpl давления, причем конечное давление первой разницы Δp1 давления определено давлением давления SUC отвода. Предпочтительно, если отвод SUC давления соединен посредством трубопровода со всасывающей стороной или притоком IML турбомашины TM. Это соединение на чертеже не изображено. Остающаяся вторая разница Δp2 давления с внешней средой AMB уплотняется посредством второго уплотнения SHS2 вала, причем второе уплотнение SHS2 вала выполнено в виде магнитожидкостного уплотнения FFS вала. Магнитожидкостное уплотнение FFS вала имеет постоянный магнит MAG, который передает посредством полюсного наконечника PLS магнитное поле в участок кольцевого зазора GP между магнитожидкостным уплотнением FFS вала и валом SH. В зазоре GP предусмотрена магнитная жидкость MFL в качестве составной части магнитожидкостного уплотнения вала FFS. Магнитная жидкость MFL удерживается на месте создаваемым постоянным магнитом MAG и передаваемым в участок зазора GP посредством полюсных наконечников PLS магнитным полем, так что уплотняющий эффект сохраняет второй перепад Δp2 давления. Посредством трубопроводов COD магнитожидкостное уплотнение FFS вала находится в соединении с накопительным сборником MFT магнитной жидкости, так что осуществляется подведение и отведение магнитной жидкости MFL в участок кольцевого зазора GP. К накопительному сборнику MFT магнитной жидкости присоединено устройство для подготовки магнитной жидкости MFL. Это устройство для подготовки магнитной жидкости содержит фильтр FLT, охладитель COL, отводящий отводимое тепло Q, причем фильтр FLТ удаляет отделенные оставшиеся фракции WST из магнитной жидкости MFL. Кроме того, подготовка содержит подачу магнитной жидкости MFL с более высоким давлением системы питания посредством насоса PMP, обеспечивающего циркуляцию магнитной жидкости MFL. В примере исполнения по фигуре 2 предусмотрен смазываемый маслом подшипник RB, поддерживающий вал SH посредством масляной пленки OLF. Обычно смазочное средство - масло масляной пленки OLF подлежит постоянной замене для подготовки (повышение давления, фильтрация, охлаждение...).

Так как подготовка смазочного средства OIL подшипника RB и подготовка магнитной жидкости MFL идентичны, на фигуре 3 изображена комбинация подшипника RB и второго уплотнения SHS2 вала или магнитожидкостного уплотнения FFS вала. В примере исполнения, как магнитожидкостные уплотнения вала FFS, так и подшипник RB снабжены магнитной жидкостью MFL, одновременно имеющей свойства смазочного средства OIL. В устройстве для подготовки накопительного сборника магнитной жидкости MFT предусмотрен не изображенный насос, нагнетающий магнитную жидкость MFL до более высокого давления подачи. Поскольку давление подачи для магнитожидкостного уплотнения ниже, чем для подшипника RB, предусмотрен дроссель THR в подводящем трубопроводе к магнитожидкостному уплотнению FFS. В принципе, целесообразно предусматривать дроссели THR во всех подводящих трубопроводах и соответственно согласовывать их рабочее давление. Снижение второго перепада Δp2 давлений теперь осуществляют непосредственно на участке подшипника RB посредством интегрированного в нем магнитожидкостного уплотнения FFS вала. Уплотняемый кольцевой зазор GP является при этом непосредственным продолжением зазора подшипника подшипника RB. Это устройство обеспечивает особую компактность, так как в комбинации уменьшается потребность в конструктивном пространстве для подшипника и магнитожидкостного уплотнения, чем при их отдельном исполнении. Одновременно сокращается особенно дорогостоящее обеспечение двух разных рабочих жидкостей (смазочного масла OIL, магнитной жидкости MFL) до одной единственной рабочей среды - (магнитной жидкости MFL), находящей одновременно применение, в качестве барьерной жидкости и смазочной рабочей среды. В соответствии с этим на фигуре 3 показан способ эксплуатации предлагаемого согласно изобретению устройства, причем подшипник и магнитожидкостное уплотнение снабжаются одной и той же рабочей жидкостью для поддержания, с одной стороны, масляной пленки в подшипнике а, с другой стороны, - для создания барьерного действия магнитожидкостного уплотнения FFS.

Claims

1. Устройство (AR), в частности турбомашина (ТМ), содержащая:

- вал (SH), продолжающийся вдоль оси (Х);

- устройство (SHS) для уплотнения вала для герметизации кольцевого зазора GP между валом (SH) и статором (STT) от пространства (PFC) для технологической рабочей жидкости к внешней среде (АMB);

- причем устройство (SHS) для уплотнения вала содержит магнитожидкостное уплотнение (FFS) вала;

- причем со стороны пространства для технологической рабочей жидкости устройство (SHS) для уплотнения вала содержит рядом с магнитожидкостным уплотнением (FFS) вала дополнительное уплотнение (SHS 1) вала;

- причем магнитожидкостное уплотнение (FFS) вала расположено в кольцевом зазоре (GP) в осевом направлении между первым уплотнением (SHS 1) вала и внешней средой (AMB);

- причем в кольцевом зазоре (GP) между дополнительным уплотнением (SHS 1) вала и магнитожидкостным уплотнением (FFS) вала в осевом направлении предусмотрен отвод (SUC) давления, отличающееся тем,

- что устройство (AR) имеет накопительный сборник (MFT) для магнитной жидкости, в котором накапливается магнитная жидкость (MFL), и причем накопительный сборник (MFT) для магнитной жидкости соединен трубопроводами для подачи магнитной жидкости (MFL) к магнитожидкостному уплотнению (FFS) или ее отведения.

2. Устройство (AR) по п. 1, отличающееся тем, что первое уплотнение (SHS l) вала выполнено в виде лабиринтного уплотнения (LBY).

3. Устройство (AR) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что магнитожидкостное уплотнение вала (FFS) содержит магнитную жидкость (MFL), содержащую в жидком носителе коллодиально суспендированные частицы из железа, и/или магнетита, и/или кобальта.

4. Устройство (AR) по любому из пп. 1–3,

отличающееся тем, что оно содержит устройства для подготовки магнитной жидкости (MFL), в частности охлаждения (COL), и/или фильтр (FLT), и/или осадитель (SEP).

5. Устройство (AR) по любому из пп. 1–4,

отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один подшипник (RB) для поддержки вала (SH).

6. Устройство (AR) по п. 4, отличающееся тем, что магнитожидкостное уплотнение (FFS) и подшипник (RB) выполнены в виде комбинированного конструктивного элемента, а магнитная жидкость (MFL) для подшипника (RB) предусмотрена в качестве смазочного средства (OIL).

7. Устройство (AR) по п. 5 или 6, отличающееся тем, что устройство для подготовки предназначено для подведения с помощью подводящих трубопроводов к магнитожидкостному уплотнению (FFS) магнитную жидкость (MFL) с первым давлением магнитожидкостного уплотнения (FFS) и подведения магнитной жидкости (MFL) c отличающимся от первого давления вторым давлением к подшипнику (RB) в качестве смазочного средства (OIL).