Способ повышения коэффициента полезного действия компрессора

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 других уплотнений аэродинамический способ является единственным способом, полностью исключающим перетечки в компрессоре, газотурбинной установке, авиационном газотурбинном двигателе. Настоящим изобретением определены правильное расположение аэродинамических лабиринтно-винтовых уплотнений и условия, 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. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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 воздухом или другим газом в уплотнение, в места перетечек и пропуска газов (см., например, RU 2193698, М кл. 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 валу 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 колес 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 на 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 аэродинамического лабиринтно-винтового уплотнения (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 «ГАЗПРОМ» показали результаты, 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 удается. 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 «Сургутгазпрома».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, причем 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 мановакуумметр 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 колес. Для повышения КПД осевого компрессора газотурбинной установки АЛВУ устанавливают на диафрагме между компрессором и турбиной, 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 показан подшипниковый узел и всасывание компрессора;

на фиг.2 представлен разрезной кожух; на фиг.3 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 мановакуумметр 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.1, 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 мановакуумметра 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 мановакуумметра 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 (например, 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.

1. Способ повышения коэффициента полезного действия компрессора путем установки аэродинамического лабиринтно-винтового уплотнения (АЛВУ) 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, причем на всасывание АЛВУ подают нейтральный к масляному туману газ, например, азот.

2. Способ по п.1, 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 мановакуумметр.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на месте стыка всасывания с проточной частью и цилиндрической расточкой корпуса компрессора.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на валу и корпусе у всасывания.

6 Способ по п.1, отличающийся тем, что в многоступенчатом центробежном компрессоре АЛВУ устанавливают между ступенями компрессора.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на думмисе компрессора.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что АЛВУ устанавливают на диффузоре, диафрагме и покрышке колес.

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

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в осевом компрессоре газотурбинной установки АЛВУ дополнительно устанавливают на диафрагме и на валу.