Способ и устройство для охлаждения уплотнения длямашинного оборудования - RU2302536C2
Код документа: RU2302536C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для охлаждения уплотнения для машинного оборудования и, более конкретно, для охлаждения уплотнения турбинного вала.
Предшествующий уровень техники
Вращающиеся машины, такие как турбины, в которых колеса устанавливаются на валах, требуют вращающихся уплотнений на участке, где вал проходит через напорную камеру, которая содержит колеса турбины. Такие уплотнения предотвращают утечку рабочего тела (рабочей текучей среды) из напорной камеры в рабочую среду уплотнения и затем в атмосферу. Кроме того, уплотнения также требуются в других механизмах.
Уплотнения для вращающихся машин обычно содержат лабиринтное уплотнение, за которым следует механическое уплотнение. Лабиринтные уплотнения служат для ограничения расхода (потока) рабочего тела и понижения его давления по направлению к атмосферному давлению, но не для удержания или предотвращения потока. Обычно, лабиринтные уплотнения имеют много отделений (отсеков), располагающихся очень близко к поверхности вала для того, чтобы затруднить проход рабочему телу в напорной камере, что обеспечивает снижение давления и сдерживания, но не для остановки просачивания. Механическое уплотнение, с другой стороны, служит для сдерживания рабочего тела. Степень, до которой доходит сдерживание, зависит от конструкции уплотнения и природы используемого рабочего тела.
Когда рабочим телом является пар, может быть допущена некоторая утечка рабочего тела. Тем не менее, уплотнение вала для паровой турбины является критическим пунктом. Он еще более критичен, когда рабочее тело является углеводородом, таким как пентан или изопентан, и турбина работает как часть силовой установки органического цикла Ренкина. В таком случае, механические уплотнения должны препятствовать просачиванию рабочего тела в атмосферу на как можно большем протяжении. Надежная работа механических уплотнений для турбин, также как и для других типов оборудования, в которых температура механических уплотнений повышается, требует, чтобы уплотнения работали при оптимальных рабочих режимах давления, температуры, вибрации и т.д. Эти рабочие режимы оказывают значительное влияние на, например, показатели утечки в уплотнении и срок службы уплотнения. Продлевая срок службы уплотнения, продлевается срок службы турбины и, следовательно, ее надежность увеличивается.
На срок службы уплотнения неблагоприятно влияют высокое рабочее давление и температура, которые стремятся деформировать поверхности уплотнения. Высокое рабочее давление также увеличивает коэффициент износа, тепло, вырабатываемое на поверхностях уплотнения, что дополнительно искажает поверхности уплотнения и приводит к увеличению утечки. Кроме того, высокое давление увеличивает расход энергии для уплотнительной системы турбины.
В такой системе, описанной в патенте США №5743094, раскрытие которого приводится для ссылки, заявлены способ и устройство охлаждения уплотнения для машинного оборудования. В системе и устройстве, раскрытых в этом патенте, в рабочей среде уплотнения создается охлаждающая среда, в которой представлена смесь из капель охлажденной жидкости и пара. Эта смесь поступает в конденсатор блока силовой установки для конденсации пара, присутствующего в смеси. Такая система таким образом требует конденсатора для конденсации охлажденной смеси, находящейся в рабочей среде уплотнений.
Высокие рабочие температуры компонентов уплотнения неблагоприятно влияют на срок службы уплотнения. Высокая температура компонентов уплотнения повышает износ на поверхностях уплотнения, и также увеличивает вероятность того, что барьерная жидкость закипит при использовании. Следовательно, задачей настоящего изобретения является обеспечение нового улучшенного способа и устройства для охлаждения уплотнений для оборудования.
Краткое описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением создан способ для охлаждения уплотнения, расположенного в стенке камеры, через которое проходят подвижные валы, причем уплотнение нагревается горячим сжатым паром, который проникает через уплотнение в камеру, и внутренним трением. Способ содержит этапы: (а) обеспечение камеры, в которой расположено уплотнение и в которую просачивается горячий сжатый пар; (b) впрыскивание холодной жидкости в камеру, в которой расположено уплотнение; и (с) охлаждение и конденсация горячего пара в камере, таким образом охлаждая и снижая давление в камере, содержащей уплотнение. Предпочтительно, способ включает в себя этап обеспечения напорной камеры для удерживания горячего сжатого пара, внутри которой на валу установлено турбинное колесо, пар просачивается через лабиринт, установленный на валу между турбинным колесом и уплотнением. Также, предпочтительно, способ дополнительно содержит этап добавления жидкости в камеру, в которой расположено уплотнение, путем впрыска жидкости в камеру около диска, установленного в камере, диск устанавливается на валу и вращается вместе с ним. Кроме того, способ, предпочтительно, дополнительно может применяться в силовой установке, которая включает в себя испаритель для испарения рабочего тела, турбину, установленную на валу, для расширения рабочего тела, конденсатор для конденсации расширенного рабочего тела и циркуляционный насос для возвращения конденсата из конденсатора в испаритель, и содержит этап подачи жидкости, выходящей из камеры на линию, выходящую из конденсатора и присоединенную к циркуляционному насосу. Более того, способ предпочтительно включает в себя этап добавления в камеру, в которой расположено уплотнение, жидкости, выходящей из циркуляционного насоса.
Более того, в соответствии с настоящим изобретением, также обеспечивается устройство для охлаждения уплотнения, расположенного в стенке камеры, через которое проходит подвижный вал, причем уплотнение нагревается горячим сжатым паром, который через уплотнение просачивается в камеру, в которой расположено уплотнение, и внутренним трением. Устройство содержит камеру, в которой расположено уплотнение и в которую просачивается горячий сжатый пар, и средства для впрыска в камеру жидкости, так, что горячий сжатый пар охлаждается и конденсируется в камере, таким образом охлаждая и снижая давление в камере, окружающей уплотнение. Предпочтительно, устройство также включает в себя рабочее колесо турбины, установленное на валу в напорной камере, содержащей горячее, сжатое, испаренное рабочее тело, при этом вал проходит через лабиринтное уплотнение, установленное на валу. Также, предпочтительно, устройство дополнительно содержит средства для добавления жидкости в камеру, в которой уплотнение расположено рядом с диском, установленным на валу в камере и вращающимся вместе с ним. Более того, устройство, предпочтительно, дополнительно может быть использовано в силовой установке, которая включает в себя испаритель для испарения рабочего тела, турбину, установленную на валу для расширения рабочего тела, конденсатор для конденсации расширенного рабочего тела, циркуляционный насос для возвращения конденсата из конденсатора в испаритель, и средства для подвода жидкости, выходящей из камеры, к линии, выходящей из конденсатора и соединенной с циркуляционным насосом. Устройство также предпочтительно включает в себя подающее средство для подачи жидкости, вышедшей из циркуляционного насоса в средства для впрыска жидкости в камеру, в которой расположено уплотнение.
Краткое описание чертежей
Варианты воплощений настоящего изобретения описаны в виде примера со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых:
Фиг.1 представляет блок-схему силовой установки, в которую включено настоящее изобретение;
Фиг.2 показывает диаграмму давления и энтальпии, показывающую источники текучей среды, которые способствуют нагреву и охлаждению уплотнения;
Фиг.3 - вид сбоку, частично в разрезе, показывающий один вариант настоящего изобретения;
Фиг.4 - вид сбоку модификации варианта, изображенного на Фиг.3;
Фиг.5 - вид сбоку другой модификации варианта, изображенного на Фиг.3; и
Фиг.6 представляет блок-схему варианта настоящего изобретения и также показывает другую силовую установку, в которую включено настоящее изобретение.
Одинаковые номера позиций и обозначения на различных чертежах указывают на одинаковые элементы.
Подробное описание
Ссылаясь на чертежи, позиция 10 на Фиг.1 обозначает силовую установку, в которую включено данное изобретение. Силовая установка 10 включает в себя испаритель 12 для испарения рабочего тела, такого как вода, или рабочего тела, передающего тепло (например, Даутерм (Dowtherm J), или терминол (Therminol LT), и т.д.), и получения испаренного рабочего тела, которое подается на турбину 14. Как правило, турбина 14 является многоступенчатой турбиной, но принцип изобретения применим также и для одноступенчатой турбины.
Испаренное рабочее тело, поступив на турбину 14, расширяется в турбине и производит работу, которая при помощи генератора (не показан) преобразовывается в электричество. Охлажденное, расширенное рабочее тело подается в конденсатор с наружным охлаждением 16, в котором испаренное рабочее тело конденсируется путем отбора тепла в хладагент, поступающий в конденсатор. Конденсат при относительно низкой температуре и давлении по сравнению с условиями на выходе из испарителя сжимается циркуляционным насосом 18 и возвращается в испаритель, завершая цикл рабочего тела.
Уплотнение 20, которое является уплотнением между атмосферой и напорной камерой (не показана), содержащей ступени турбины, содержится в камере уплотнения, которая изолирована от напорной камеры лабиринтным уплотнением (не показано) и от атмосферы механическим уплотнением (не показано). Это механическое уплотнение должно охлаждаться. Как видно, холодное жидкое рабочее тело подается в камеру уплотнения при помощи циркуляционного насоса 18 через клапан 22 в соединении 19, и камера присоединена к сосуду 21 соединением 17. Более того, камера 20 уплотнения соединена через линию 24 и ограничительное отверстие с областью низкого давления, например, для выхлопа турбины, ограничивающая давление в камере уплотнения и для выпускания несконденсированных газов (NCG) из камеры уплотнения в случае, когда несконденсированные газы собираются в камере уплотнения.
Когда силовая установка 10 является силовой установкой органического цикла Ренкина, работающей с рабочим телом, передающим тепло, таким как Терминол (Therminol LT), например, в качестве рабочего тела, условия в конденсаторе типично будут около 350°F (°Фаренгейта) при около 15 фунтов на квадратный дюйм, и условия на выходе из циркуляционного насоса типично будут около 350°F при около 200 фунтов на квадратный дюйм.
Реальные условия в камере уплотнения могут контролироваться клапаном 22 путем регулирования потока холодного жидкого рабочего тела в камеру уплотнения. Типично, пар рабочего тела, проникающий через лабиринтное уплотнение в уплотнение, имеет около 40 фунтов на квадратный дюйм и около 550°F. При этих условиях охлаждающая жидкость, поступающая через клапан 22, будет взаимодействовать с проникшим паром, таким образом охлаждая и конденсируя его путем прямой передачи тепла жидкости в камере уплотнения, таким образом предотвращая нагрев камеры уплотнения и уменьшая давление в ней. Это дает благотворный эффект снижения температуры самого уплотнения, без непосредственного охлаждения уплотнения жидким рабочим телом. Кроме того, линия отвода/ограничения давления несконденсированных газов 24 отводит эти газы (если они имеются) из камеры 20 уплотнения и контролирует их накопление в ней. Путем присоединения линии 24 к области низкого давления, например, к выходу из турбины, можно ограничить давление в камере 20 уплотнения.
Процесс, описанный выше, иллюстрируется на Фиг.2. Как показано, утечка пара из напорной камеры турбины, чье состояние указано точкой 22, в камеру уплотнения, чье состояние указано точкой 24, приводит к понижению давления внутри камеры уплотнения, в которой поддерживается состояние сосуда 21, указанное точкой 26. Состояние жидкого рабочего тела, доставляемого в камеру уплотнения циркуляционным насосом 18, указанное точкой 28, меняется от точки 28 к точке 26. Конденсат, полученный в камере уплотнения, поступает в сосуд 21, и насос 23 подает конденсат из сосуда 21 к выходу конденсатора 16, обозначенному точкой 29. Основываясь на этих схематичных сведениях, тепловой баланс может быть выражен следующим соотношением:
где mliq - расход холодной жидкости;
hliq - энтальпия холодной жидкости;
mvapor - расход утечки пара;
hvapor - энтальпия пара;
mcond - mliq+mvapor;
hcond - энтальпия конденсата при давлении сосуда и требуемой температуре конденсата.
Специфические детали одного из вариантов изобретения показаны на Фиг.3, где номер ссылки 30 обозначает устройство, соответствующее настоящему изобретению, включенное в турбину 14А. Устройство 30 включает в себя камеру 20А уплотнения в форме камеры 32 уплотнения, образованную корпусом 34, жестко присоединенным к неподвижной опоре 36, содержащей подшипник 38, на котором установлен вал 40 рабочего колеса 41 турбины путем подходящего расположения шпонок. Корпус, который образует корпус высокого давления или камеру 43, содержащую горячие сжатые пары рабочего тела, содержит колесо 41.
Лабиринтное уплотнение 42, установленное на поверхности 44 корпуса 34, обеспечивает начальное сопротивление утечке горячего испаренного рабочего тела из камеры 43 в камеру 32 уплотнения. Такая утечка обозначена цепными стрелками А и В. Как правило, такая утечка будет нагревать механическое уплотнение 46, уплотняющие поверхности которого поддерживаются валом 40 и вращаются вместе с ним. Эта поверхность находится в контакте с неподвижной уплотнительной поверхностью, поддерживаемой ступицей 48, жестко присоединенной к корпусу 36. Как правило, как неподвижные, так и вращающиеся или динамические уплотнительные поверхности охлаждаются барьерной жидкостью, например сжатой нефтью, сжатой до 15 фунтов на квадратный дюйм сверх максимального давления в уплотнительной камере (например, от 30 до 40 фунтов на квадратный дюйм в данном примере).
Камера 32 уплотнения при помощи соединения 50 соединена с сосудом 21. Эта камера также соединена через соединение 52 с выходом из циркуляционного насоса 18, как показано на Фиг.1. Сжатое жидкое рабочее тело при температуре, по существу соответствующей конденсатору, подводится через соединение 52 к распылительным головным форсункам 54, которые открыты внутрь камеры уплотнения 32, и относительно холодное жидкое рабочее тело распыляется на цилиндрический щит 56, далее превращая жидкость в мелкие капли внутри камеры уплотнения 32. Мелкие капли взаимодействуют с утечкой В горячего пара, таким образом охлаждая этот горячий пар при помощи прямого контакта передачи тепла от тепла пара к жидкости, содержащейся в каплях, и имеет место конденсация горячего пара, получая таким образом жидкость, включающую в себя конденсат рабочего тела, которая отводится и стекает через соединение 17 в сосуд 21. В результате, температура механического уплотнения 46 может поддерживаться на желаемом уровне температуры путем регулировки количества жидкости, поступающей в соединение 52.
Щит 56 защищает механическое уплотнение 46 от непосредственного контакта с холодной жидкостью из конденсатора, и таким образом защищает уплотнения от термического удара.
Предпочтительный вариант настоящего изобретения, описанный со ссылкой на Фиг.4, считается в настоящее время лучшим вариантом выполнения настоящего изобретения, и обозначается позицией 60. Этот вариант включает в себя рабочее колесо турбины 41А, жестко закрепленное на валу 40А, который проходит через корпус 34А, и механическое уплотнение 46А внутри камеры уплотнения 32А. Вместо лабиринтного уплотнения 42, непосредственно зацепляющегося с валом 40, как в примере с Фиг.3, уплотнение 42А зацепляет ступицу 62, жестко присоединенную к валу. Однако лабиринтное уплотнение может зацепляться с валом, если это предпочтительно. Ступица 62 включает в себя фланец 64, который лежит внутри камеры 32А уплотнения вблизи от поверхности 44А корпуса 34А и таким образом вращается вместе с валом 40А. Канал 52А в поверхности 44А несет жидкое рабочее тело от циркуляционного насоса к форсунке 54А, открытой в камеру 32А уплотнения напротив фланца 64.
Сжатое холодное жидкое рабочее тело из циркуляционного насоса распыляется в контакт с фланцем 64, производя впрыск мелких капель, которые при помощи центробежной силы вносятся в камеру 32А уплотнения из-за скорости вращения фланца. Дополнительно, утечка испаренного рабочего тела А через уплотнение 42А сталкивается с впрыском холодной жидкости как только испаренное рабочее тело пройдет сквозь уплотнение 42А, так что большая часть утечки В рабочего тела охлаждается перед попаданием в камеру 32А уплотнения. Этот вариант обеспечивает быстрое контактирование горячего пара, проникающего в камеру 32А уплотнения, с холодным рабочим телом, и вращательное движение фланца 64 обеспечивает тщательное перемешивание впрыска холодной жидкости с проникшими парами, так что горячий пар охлаждается и конденсируется в камере 32А уплотнения. Следовательно, образуется жидкость, содержащая конденсат, которая стекает в сосуд 21, и насос 23 подает эту жидкость к выходу конденсатора 16.
Другой вариант описан со ссылкой на Фиг.5 и позиция 65 обозначает устройство для охлаждения уплотнения. Этот пример во многом схож с вариантом, описанным со ссылкой на Фиг.4, где, в этом варианте, охлажденное рабочее тело впрыскивается в камеру 32В через канал 52В в поверхности 44В, несущий жидкое рабочее тело от циркуляционного насоса, так, что оно также сталкивается с фланцем или диском 64. Однако в этом варианте охлажденное жидкое рабочее тело впрыскивается через лабиринтное уплотнение 42В в камеру 32В уплотнения в виде впрыска 54В так же, как оно подается в обратном направлении через лабиринтное уплотнение 42В в виде впрыска 53В, так что утечка горячего рабочего тела под высоким давлением через это лабиринтное уплотнение устраняется или по меньшей мере снижается. Так же в этом варианте в камере 32В уплотнения образуется жидкость, содержащая конденсат, которая стекает в сосуд 21, и насос 23 подает эту жидкость к выходу конденсатора 16.
Позиция 10Е на Фиг.6 обозначает дополнительную силовую установку, в которую включено настоящее изобретение, силовая установка 10Е содержит промежуточную турбину 14Е с текучей средой и органическую рабочую турбину 74Е с текучей средой. В этом устройстве пар от восстанавливающего тепло парового генератора 40Е поступает на вход турбины 14Е по линии 13Е и выхлоп из нее поступает в рекуператор 15Е, причем пары, выходящие из рекуператора 15Е, поступают в конденсатор/испаритель 16Е. Более полное описание работы этого устройства можно найти в заявке США №09/902802, поданной 12 июля 2001, раскрытие которой приводится здесь для ссылки. Камера 20Е уплотнения высокого давления, связанная с промежуточной турбиной 14Е, снабжается холодным конденсатом из конденсатора/испарителя 16Е при помощи насоса 18Е через устройство кондиционирования потока 19Е. Устройство 19Е служит для правильной регулировки потока конденсированного жидкого рабочего тела в камеру 20Е уплотнения, для изоляции потока холодного конденсата в камеру уплотнения промежуточной турбины 14Е и осуществления ремонта оборудования без прерывания работы турбин.
В этом примере предпочтительное рабочее тело, используемое в промежуточной турбине 14Е с текучей средой, является Терминолом LT или Даутермом J. Рабочее тело, используемое в органической рабочей турбине 74E и его соответствующем цикле рабочего тела, может являться пентаном, т.е. н-пентаном или изопентаном, или другими подходящими углеводородами.
Устройство 19Е включает в себя изменяемый, управляемый вручную клапан 22Е контроля потока, неподвижное диафрагменное устройство (не показано), фильтр (не показан), и клапан включения/выключения или закрытия (не показан), последовательно соединенные между собой, и индикатор 27Е температуры. Размер неподвижной диафрагмы (сопла) вместе с установкой клапана 22Е определяет расход холодного конденсата или жидкого рабочего тела в камере 20Е уплотнения. Фильтр служит для фильтрации конденсата, подаваемого в камеру уплотнения, от любых загрязняющих веществ, чье присутствие может неблагоприятно влиять на работу камеры уплотнения. Клапан включения/выключения или закрытия предпочтительно представляет собой управляемые вручную сферические клапаны, которые могут выборочно работать для того, чтобы отсоединить камеру уплотнения от насоса 18Е, когда необходимо произвести замену фильтра или другие ремонтные операции, позволяя турбине работать без охлаждения камеры уплотнения короткое время и до тех пор, пока эти ремонтные операции не завершатся. Более того, ремонтные операции, проводимые при выключении или остановке турбины или силовой установки, упрощаются благодаря этому аспекту настоящего изобретения. Наконец, температурные индикаторы обеспечивают индикацию температуры текучей среды, выходящей из камеры 20Е уплотнения.
Клапан 22Е управляется вручную предпочтительно в соответствии с температурой текучей среды на линии 17Е. Необходимо отметить, что количество охлаждающего конденсата, применяемое к камере 20Е уплотнения, может быть отрегулировано оператором путем замены установки клапана 22Е в ответ на температуру, определенную температурным индикатором. При желании, температурные датчики или преобразователи, которые производят сигналы управления в соответствии с температурой охлаждающей жидкости, выходящей из камеры уплотнения, могут заменить температурные индикаторы. В таком случае, клапан 22Е может быть заменен клапаном, чувствительным к таким сигналам управления для поддержания соответствующего расхода охлаждающей жидкости в камере 20Е уплотнения.
В то время как примеры воплощения, описанные выше, относятся к камере как к форме рабочей среды уплотнения, может быть использована любая подходящая камера.
Более того, в то время как вышеприведенное описание относится к рабочему телу как к органическому рабочему телу, настоящее изобретение может также быть использовано в связи с паром, таким как в системе паровой турбины, использующей, например, конденсатор уплотняющего пара. Например, конденсат холодного пара может быть накачан из циркуляционного насоса к уплотнению камеры паровой турбины через канал или линию для того, чтобы охладить и сконденсировать путем непосредственного контактирования с паром высокого давления, просачивающимся через уплотнение. В соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрен дополнительный канал или линия для сбора жидкой воды из уплотнения и подачи ее в накопительный сосуд и затем в циркуляционный насос.
Дополнительно, когда в качестве рабочего тела применяется органическая рабочая жидкость в силовой установке с циклом Ренкина, такая как та, что описана со ссылками на Фиг.1 и 6 в промежуточной турбине 14Е и ее соответствующем цикле рабочей жидкости (так же как и для рабочих жидкостей, используемых в вариантах, описанных со ссылками на Фиг.2-5), рабочая жидкость предпочтительно выбирается из группы бициклических ароматических углеводородов, замещенных бициклических ароматических углеводородов, гетероциклических ароматических углеводородов, замещенных гетероциклических ароматических углеводородов, бициклических или гетеробициклических соединений, где одно ядро (кольцо) является ароматическим, а второе конденсированное ядро не ароматическое, и их смеси, такие как нафталин, 1-метил-нафталин, тетралин, хинолин, бензотиофен; органическая, алкилированная текучая среда, передающая тепло, или синтетическая алкилированная ароматическая текучая среда, передающая тепло, например, тепловые масла, такие как текучая среда Терминол LT (алкиловая замещенная ароматическая текучая среда), Даутерм J (смесь изомеров алкилированной ароматической текучей среды), изомеры диэтил бензола и смеси изомеров и бутил бензола; и нонан, н-нонан, изо-нонан, или другие изомеры и их смеси. Наиболее предпочтительная применяемая рабочая текучая среда - это органическая, алкилированная текучая среда, передающая тепло, или синтетическая алкилированная ароматическая текучая среда, передающая тепло, например, тепловые масла, такие, как текучая среда Терминол LT (алкиловая замещенная ароматическая текучая среда), Даутерм J (смесь изомеров алкилированной ароматической текучей среды), изомеры диэтил бензола и смеси изомеров и бутил бензола.
Преимущества и улучшенные результаты, представляемые способом и устройством настоящего изобретения очевидны из предшествующего описания предпочтительного примера воплощения изобретения. Различные изменения и модификации могут быть произведены, не выходя за сущность и объем изобретения, как описано в прилагаемой формуле изобретения.
Реферат
Способ для охлаждения уплотнения турбинного вала, расположенного в стенке камеры. Уплотнение нагревается горячим сжатым паром, который просачивается через лабиринт в камеру, и внутренним трением. Способ содержит этапы: а) обеспечения камеры, в которой расположено уплотнение и в которую просачивается горячий сжатый пар, b) впрыска холодной жидкости в камеру, и с) охлаждения и конденсации горячего сжатого пара в камере. Способ применяется в силовых установках, которые включают в себя испаритель, конденсатор и циркуляционный насос. Такие способ и устройство позволят снизить износ на поверхностях уплотнения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
