RU2673650C1 - Centrifugal compressor diaphragm - Google Patents
Centrifugal compressor diaphragm Download PDFInfo
- Publication number
- RU2673650C1 RU2673650C1 RU2018122356A RU2018122356A RU2673650C1 RU 2673650 C1 RU2673650 C1 RU 2673650C1 RU 2018122356 A RU2018122356 A RU 2018122356A RU 2018122356 A RU2018122356 A RU 2018122356A RU 2673650 C1 RU2673650 C1 RU 2673650C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diaphragm
- disk
- cooling
- channel
- channels
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 119
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 31
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 2
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 47
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 15
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 8
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
- F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности, компрессоростроения, и может быть использовано при разработке многоступенчатых центробежных компрессоров с внутренним межступенчатым частичным охлаждением рабочего газа, а именно - при разработке конструкции узла диафрагмы.The invention relates to the field of power engineering, in particular, compressor engineering, and can be used in the development of multistage centrifugal compressors with internal interstage partial cooling of the working gas, namely, in the design of the diaphragm assembly.
Компрессор обеспечивает сжатие и подачу воздуха или другого газа под давлением. Многоступенчатое сжатие обеспечивает получение газа высокого давления. В различных отраслях промышленности широко применяются центробежные многоступенчатые компрессоры, характеризующиеся высокой производительностью, сравнительно небольшими габаритными размерами и массой. Ступень центробежного компрессора состоит из рабочего колеса и диафрагмы, которая является одним из статорных элементов проточной части центробежного компрессора. Диафрагма может быть закреплена в корпусе компрессора или выполняется с ним заодно. Обычно конструкция диафрагмы включает в себя диск диафрагмы, диффузор, в котором происходит преобразование скорости газа, полученной от рабочего колеса, в энергию давления, и обратный направляющий аппарат, профилированные лопатки которого образуют каналы, по которым поток рабочего газа (сжимаемого газа) из диффузора поступает в следующую ступень сжатия. Сжатие газа сопровождается повышением его температуры, в связи с чем в конструкциях многоступенчатых компрессоров может быть предусмотрено промежуточное охлаждение газа между секциями компрессора, а также межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа, что позволяет сократить затраты потребляемой компрессором мощности, при этом объемная производительность будет тем выше, чем ниже температура газа на входе в ступень или секцию. В качестве охлаждающей среды (также называемой охлаждающим веществом или охладителем) может использоваться, например, вода или газ, в частности, воздух. На практике в конструкциях многоступенчатых центробежных компрессоров широко применяются промежуточные охлаждающие устройства, представляющие собой отдельные установки. Так, например, в состав компрессионной установки высокого давления по патенту № RU 2542657 С2 (МПК F04D 25/06, дата публ. 20.02.2015) входит наружное охлаждающее устройство, обеспечивающее промежуточное охлаждение рабочей текучей среды, что позволяет повысить эффективность установки. Также известно применение системы промежуточного охлаждения турбокомпрессора по патенту № US 7278472 В2 (МПК F02B 1/00, F04D 29/58, дата публ. заявки 25.03.2004), в которой внутреннее охлаждающее устройство представляет собой трубчато-пластинчатый кольцевой теплообменник, расположенный в корпусе турбокомпрессора между первой и второй ступенью концентрично оси вала, при этом наружный диаметр теплообменника значительно превышает диаметр рабочих колес. Применение охлаждающих устройств, представляющих собой отдельные установки, увеличивает габаритные размеры компрессора, требует дополнительного оборудования (теплообменников, трубопроводов), вследствие чего требуется увеличение сроков на проведение плановых ремонтных работ, а также требуются дополнительные затраты потребляемой мощности, что снижает КПД компрессора.The compressor provides compression and supply of air or other gas under pressure. Multistage compression provides high pressure gas. In various industries, centrifugal multistage compressors are widely used, characterized by high performance, relatively small overall dimensions and weight. The centrifugal compressor stage consists of an impeller and a diaphragm, which is one of the stator elements of the flow part of the centrifugal compressor. The diaphragm can be fixed in the compressor housing or runs along with it. Typically, the design of the diaphragm includes a diaphragm disk, a diffuser, in which the gas velocity obtained from the impeller is converted into pressure energy, and a return guide apparatus, the profiled blades of which form channels through which the flow of working gas (compressible gas) from the diffuser to the next compression step. Compression of gas is accompanied by an increase in its temperature, which is why interstage cooling of gas between compressor sections and interstage partial cooling of the working gas can be provided in the designs of multistage compressors, which reduces the cost of the power consumed by the compressor, and the volumetric capacity will be higher lower gas temperature at the inlet to the stage or section. As the cooling medium (also called cooling medium or cooler), for example, water or gas, in particular air, can be used. In practice, the designs of multi-stage centrifugal compressors are widely used intermediate cooling devices, which are separate units. So, for example, the high-pressure compression unit according to patent No. RU 2542657 C2 (IPC F04D 25/06, published date 02/20/2015) includes an external cooling device that provides intermediate cooling of the working fluid, which improves the efficiency of the installation. It is also known to use the intermediate cooling system of a turbocharger according to patent No. US 7278472 B2 (IPC F02B 1/00, F04D 29/58, published on March 25, 2004), in which the internal cooling device is a tubular-plate ring heat exchanger located in the housing a turbocompressor between the first and second stage concentric with the shaft axis, while the outer diameter of the heat exchanger significantly exceeds the diameter of the impellers. The use of cooling devices, which are separate units, increases the overall dimensions of the compressor, requires additional equipment (heat exchangers, pipelines), which therefore requires an increase in the time required for scheduled repair work, as well as additional costs of power consumption, which reduces the efficiency of the compressor.
Известно, что внутреннее межступенчатое частичное охлаждение сжимаемого газа даже на несколько десятков градусов позволяет обеспечить значительное снижение потребляемой компрессором мощности, а также уменьшение температуры газа на выходе, при этом обеспечивается снижение температуры статорных элементов компрессора, что повышает эксплуатационную надежность установки и амортизационный срок службы (в частности, за счет повышения долговечности уплотнительных элементов), а также позволяет сократить время ремонтного обслуживания агрегата. В настоящее время исследования и разработки ведущих российских и зарубежных компаний в области создания современного компрессорного оборудования направлены на повышение надежности и эффективной систем межступенчатого частичного охлаждения рабочего газа, что в свою очередь обеспечивает повышение производительности ступеней компрессора, уменьшая при этом потребность в промежуточных охлаждающих установках и сокращая затраты потребляемой мощности, в том числе и на максимальных режимах работы компрессора.It is known that the internal interstage partial cooling of the compressible gas even by several tens of degrees allows for a significant reduction in the power consumed by the compressor, as well as a decrease in the gas temperature at the outlet, while reducing the temperature of the compressor stator elements, which increases the operational reliability of the installation and the amortization life (in in particular, by increasing the durability of the sealing elements), and also reduces the time of repair service of the aggregate ata. Currently, the research and development of leading Russian and foreign companies in the field of creating modern compressor equipment is aimed at improving the reliability and efficient systems of interstage partial cooling of the working gas, which in turn provides an increase in the performance of the compressor stages, while reducing the need for intermediate cooling units and reducing power consumption costs, including at maximum compressor operating modes.
С учетом изложенных выше факторов представляется актуальным использование в центробежном компрессоре внутриканального охлаждения в узле диафрагмы, как наиболее эффективного для последних ступеней компрессора и, при этом, в отличие от применения внешних или встроенных охлаждающих устройств, не требующего значительного дополнительного увеличения потребляемой компрессором мощности.Given the above factors, it seems relevant to use in-channel cooling in a centrifugal compressor in the diaphragm assembly, as the most effective for the last stages of the compressor and, unlike the use of external or built-in cooling devices, which does not require a significant additional increase in the power consumed by the compressor.
Задача повышения эффективности межступенчатого охлаждения сжимаемого газа в центробежных компрессорах имеет давние исторические корни. Британская компания Thomson-Houston Со. (в настоящее время -General Electric Со.) осуществляла разработки в данном направлении еще в начале прошлого века: например, известна конструкция центробежного воздушного компрессора многоступенчатого типа по патенту № GB 191500353 A «Improvements in and relating to centrifugal compressors» (МПК F04D 29/58, дата публ. 10.01.1916), содержащая диафрагмы с внутренним охлаждением. Для поглощения тепла, возникающего в результате сжатия воздуха, в полых диафрагмах выполнены перегородки, расположенные в радиальном направлении в шахматном порядке и образующие извилистый серпантинный ход, т.е. камеры, через которые может циркулировать охлаждающая среда, например, вода. Выполненные в перегородках вентиляционные отверстия препятствуют образованию теплоизоляционных воздушных карманов, ухудшающих контакт охлаждающей воды с нагретым металлом. Однако, известная конструкция охлаждаемой диафрагмы отличается невысокими параметрами жесткости, что обуславливает невозможность ее применения в современных компрессорах с учетом создаваемого в них высокого давления газа. Кроме того, известное техническое решение характеризуется большими габаритами, что для современных конструкций является нежелательным фактором.The task of increasing the efficiency of interstage cooling of compressible gas in centrifugal compressors has long historical roots. British company Thomson-Houston Co. (at present, General Electric Co.) carried out development in this direction at the beginning of the last century: for example, the design of a multi-stage centrifugal air compressor according to patent No. GB 191500353 A "Improvements in and relating to centrifugal compressors" (IPC F04D 29 / 58, published on 01/10/1916) containing diaphragms with internal cooling. To absorb heat arising as a result of air compression, baffles are made in the hollow diaphragms, arranged in a staggered radial direction and forming a winding serpentine course, i.e. chambers through which cooling medium, for example, water, can circulate. The ventilation openings made in the partitions prevent the formation of heat-insulating air pockets that worsen the contact of the cooling water with the heated metal. However, the known design of the cooled diaphragm is characterized by low rigidity parameters, which makes it impossible to use it in modern compressors, taking into account the high gas pressure created in them. In addition, the known technical solution is characterized by large dimensions, which for modern designs is an undesirable factor.
Известна конструкция многоступенчатого центробежного компрессора по патенту № JP Н 06294398 A «Multiple stage centrifugal compressor provided with intercooling mechanism» (МПК F04D 17/12, F04D 29/58, дата публ. 21.10.1994), в котором предусмотрено выполнение двух каналов для охлаждающей воды, проходящих в осевом направлении через лопатки обратного направляющего аппарата. В данной конструкции площадь охлаждаемой поверхности, контактирующей с потоком сжимаемого газа, невелика, что обуславливает незначительную эффективность отвода тепла. Кроме того, известная конструкция имеет высокое гидравлическое сопротивление, что повышает затраты потребляемой мощности.A known design of a multistage centrifugal compressor according to patent No. JP N 06294398 A "Multiple stage centrifugal compressor provided with intercooling mechanism" (IPC F04D 17/12, F04D 29/58, published on October 21, 1994), which provides for the implementation of two channels for cooling water flowing axially through the vanes of the return guide vane. In this design, the area of the cooled surface in contact with the stream of compressible gas is small, which leads to low heat removal efficiency. In addition, the known design has a high hydraulic resistance, which increases the cost of power consumption.
Известен центробежный компрессор по патенту № RU 2244167 С2 (МПК F04D 17/12, F04D 29/58, дата публ. 10.01.2005), в котором для сокращения внутренних тепловых перетоков между ступенями проточной части компрессора сборные диафрагмы содержат встроенные теплоизоляционные элементы, толщина которых увеличивается от первой до последней ступени. Известное техническое решение реализует пассивный способ уменьшения межступенчатого подогрева, однако, характеризуется низкой эффективностью уменьшения перетоков тепла.A known centrifugal compressor according to patent No. RU 2244167 C2 (IPC F04D 17/12, F04D 29/58, publication date 01/10/2005), in which prefabricated diaphragms contain built-in heat-insulating elements with the thickness of which to reduce internal thermal flows between the steps of the compressor flow path increases from the first to the last step. The known technical solution implements a passive method of reducing inter-stage heating, however, it is characterized by low efficiency of reducing heat flows.
Известен многоступенчатый центробежный компрессор (заявка РСТ № WO 2014134266 Al «Method of construction for internally cooled diaphragms for centrifugal compressor)), МПК F04D 29/40, F04D 29/30, дата публикации 04.09.2014), содержащий охлаждаемую диафрагму, в компонентах которой выполнено множество охлаждающих каналов. Диафрагма установлена в корпусе компрессора и содержит диск диафрагмы, с двух сторон которого выполнены каналы для циркулирующей охлаждающей жидкости, а также обратный направляющий аппарат, в лопатках и с обеих сторон диска которого также выполнены каналы для охлаждающей среды, которая подается в каналы от внешнего источника. В качестве недостатка известного технического решения следует отметить высокую конструктивную и технологическую сложность, что снижает надежность работы узла и сокращает срок службы компрессора. Кроме того, следует отметить необходимость обеспечения высокой степени чистоты охлаждающей жидкости для ее циркуляции во множестве узких каналов, выполненных как в отдельных компонентах диафрагмы, так и в лопатках обратного направляющего аппарата, а также высокое гидравлическое сопротивление каналов, увеличивающее затраты потребляемой мощности.Known multistage centrifugal compressor (PCT application No. WO 2014134266 Al "Method of construction for internally cooled diaphragms for centrifugal compressor)), IPC F04D 29/40, F04D 29/30, publication date 09/04/2014) containing a cooled diaphragm, in the components of which made many cooling channels. The diaphragm is installed in the compressor housing and contains a diaphragm disk, on both sides of which channels for circulating coolant are made, as well as a reverse guide apparatus, in the blades and on both sides of the disk of which channels for the cooling medium, which is supplied to the channels from an external source, are also made. As a disadvantage of the known technical solution, it should be noted the high structural and technological complexity, which reduces the reliability of the node and reduces the life of the compressor. In addition, it should be noted the need to ensure a high degree of purity of the coolant for its circulation in many narrow channels made both in individual components of the diaphragm and in the vanes of the reverse guide apparatus, as well as high hydraulic resistance of the channels, which increases the cost of power consumption.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению, предлагается диафрагма многоступенчатого центробежного компрессора высокого давления, известного по патенту № ЕР 2990662 A1 «Centrifugal compressors with integrated intercooling» (МПК F04D 29/44, F04D 29/58, дата публ. 02.03.2016). В конструкции стационарной диафрагмы ступени центробежного компрессора реализована система внутриканального охлаждения рабочего газа. Диафрагма расположена в корпусе компрессора и объединена с рабочим колесом. Диафрагма содержит наружную часть, представляющую собой дисковую часть (или диск) диафрагмы, и внутреннюю часть диафрагмы, имеющие кольцевую форму. Наружная и внутренняя диафрагменные части имеют центральные отверстия, предназначенные для размещения в них вала ротора компрессора. Внутренняя часть диафрагмы расположена между диффузором и обратным каналом. При этом диффузор образован между стенками наружной диафрагменной части предыдущей (по ходу потока рабочего газа) ступени и внутренней части рассматриваемой ступени. Обратный канал гидравлически соединен с диффузором и образован между стенками внутренней части и наружной части диафрагмы рассматриваемой ступени. Обратный канал снабжен множеством неподвижных профилированных лопаток, равномерно распределенных вокруг оси вращения ротора. Лопатки механически соединяют внутреннюю и наружную части диафрагмы. Обратный канал, стенки внутренней части диафрагмы и лопатки обратного канала образуют обратный направляющий аппарат. Во внутренней диафрагменной части выполнена внутренняя полость, имеющая кольцевую форму и расположенная вокруг оси вращения ротора. Указанная полость выполнена открытой со стороны предыдущей (по ходу потока рабочего газа) ступени и закрыта посредством элемента, соединенного с внутренней частью диафрагмы. Такой элемент может представлять собой крышку или пластину, которая, например, приварена к внутренней части диафрагмы или соединена с помощью крепежа. Внутри указанной полости расположен внутренний сердечник, также имеющий кольцевую форму. Таким образом между сердечником и внутренней поверхностью внутренней части диафрагмы сформирован первый канал для протекания охлаждающей жидкости (охладителя), имеющий петлеобразную форму, открытая полость которого закрыта, как уже указано выше, с помощью элемента, закрывающего внутреннюю полость внутренней диафрагменной части. В наружной диафрагменной части вдоль поверхности, обращенной к внутренней части, выполнен второй канал для протекания охладителя, при этом образована тонкая кольцевая стенка наружной части диафрагмы, граничащая с обратным каналом. Вдоль поверхности другой стороны (противоположной стороне второго канала) наружной части диафрагмы выполнен третий канал для протекания охлаждающей жидкости (охладителя), при этом образована тонкая стенка, граничащая с диффузором следующей (по ходу потока рабочего газа) ступени, а между вторым и третьим охлаждающими каналами заключен сердечник наружной части диафрагмы. Третий охлаждающий канал гидравлически соединен посредством портов (каналов), проходящих через сердечник наружной части диафрагмы, с впускными каналами, проходящими через лопатки обратного направляющего аппарата и соединяющими указанные порты с первым охлаждающим каналом. Также через лопатки обратного направляющего аппарата проходят выпускные каналы, соединяющие первый и второй охлаждающие каналы. Указанные первый, второй и третий каналы являются охлаждающими каналами, предназначенными для протекания по ним охладителя. Третий охлаждающий канал через кольцевую впускную камеру соединен с одним или несколькими входными каналами для подачи охладителя. На той же стороне сердечника наружной диафрагменной части выполнена кольцевая выпускная камера, соединяющая второй охлаждающий канал с одним или несколькими выходными каналами для отвода охладителя.As a technical solution (prototype), the closest in combination of essential features to the claimed invention, we propose the diaphragm of a multi-stage centrifugal high-pressure compressor, known according to patent No. EP 2990662 A1 "Centrifugal compressors with integrated intercooling" (IPC F04D 29/44, F04D 29 / 58, published on 02.03.2016). In the design of the stationary diaphragm of the centrifugal compressor stage, an in-channel working gas cooling system is implemented. The diaphragm is located in the compressor housing and is combined with the impeller. The diaphragm comprises an outer part, which is a disk part (or disk) of the diaphragm, and an inner part of the diaphragm having an annular shape. The outer and inner diaphragm parts have central holes designed to accommodate the compressor rotor shaft. The inside of the diaphragm is located between the diffuser and the return channel. In this case, the diffuser is formed between the walls of the outer diaphragm part of the previous (along the working gas flow) stage and the inner part of the stage under consideration. The return channel is hydraulically connected to the diffuser and is formed between the walls of the inner part and the outer part of the diaphragm of the stage in question. The return channel is equipped with a plurality of stationary profiled blades uniformly distributed around the axis of rotation of the rotor. The blades mechanically connect the inner and outer parts of the diaphragm. The return channel, the walls of the inner part of the diaphragm and the vanes of the return channel form a reverse guide apparatus. In the inner diaphragm part, an internal cavity is made having an annular shape and located around the axis of rotation of the rotor. The specified cavity is made open from the previous (along the flow of the working gas) stage and is closed by means of an element connected to the inner part of the diaphragm. Such an element may be a lid or plate, which, for example, is welded to the inside of the diaphragm or connected using fasteners. Inside the cavity is an inner core, also having an annular shape. Thus, between the core and the inner surface of the inner part of the diaphragm, a first channel for the flow of coolant (cooler) is formed, having a loop-like shape, the open cavity of which is closed, as already mentioned above, with the help of an element that closes the inner cavity of the inner diaphragm part. In the outer diaphragm part along the surface facing the inner part, a second channel for the flow of the cooler is made, and a thin annular wall of the outer part of the diaphragm bordering the return channel is formed. Along the surface of the other side (opposite the side of the second channel) of the outer part of the diaphragm, a third channel for the flow of coolant (cooler) is made, and a thin wall is formed bordering the diffuser of the next (along the working gas flow) stage, and between the second and third cooling channels the core of the outer part of the diaphragm is enclosed. The third cooling channel is hydraulically connected through ports (channels) passing through the core of the outer part of the diaphragm, with inlet channels passing through the vanes of the return guide vane and connecting these ports with the first cooling channel. Also, exhaust channels connecting the first and second cooling channels pass through the vanes of the return guide vane. The said first, second and third channels are cooling channels intended for the flow of cooler through them. The third cooling channel through the annular inlet chamber is connected to one or more inlet channels for supplying a cooler. An annular exhaust chamber is made on the same side of the core of the outer diaphragm part, connecting the second cooling channel with one or more output channels for removing the cooler.
При работе компрессора охладитель поступает через канал подачи (входной канал) и впускную камеру в третий охлаждающий канал, затем через порты в теле сердечника наружной части диафрагмы и впускные каналы, выполненные в лопатках обратного направляющего аппарата, поступает в первый охлаждающий канал, протекает по его петлеобразной секции и выходит через выпускные каналы, проходящие через лопатки обратного направляющего аппарата, во второй охлаждающий канал, из которого выходит через выпускную камеру в канал отвода охладителя (выходной канал). При этом происходит теплообмен между рабочим газом, протекающим по диффузору и обратному направляющему аппарату, и охладителем, протекающим по охлаждающим каналам. Теплообмен осуществляется через тонкие стенки, разделяющие указанные участки проточной части и охлаждающие каналы.When the compressor is operating, the cooler enters through the supply channel (inlet channel) and the inlet chamber into the third cooling channel, then through the ports in the core of the outer part of the diaphragm and the inlet channels made in the vanes of the return guide vanes, it enters the first cooling channel, flows through its loop-like section and exits through the exhaust channels passing through the vanes of the return guide vane, into the second cooling channel, from which it exits through the exhaust chamber into the cooler exhaust channel (output to cash). In this case, heat exchange occurs between the working gas flowing through the diffuser and the return guide apparatus, and the cooler flowing through the cooling channels. Heat transfer is carried out through thin walls separating the indicated sections of the flowing part and cooling channels.
В известном техническом решении выполнение системы охлаждающих каналов направлено на обеспечение возможности теплообменного контакта охлаждающей жидкости и рабочего газа по всей протяженности его пути через диффузор и обратный направляющий аппарат, при этом, как отмечено в описании прототипа, выполнение узких каналов для прохода охладителя внутри наружной и внутренней частей диафрагмы и тонких стенок, разделяющих полости охлаждающих каналов и участки протекания рабочего газа в проточной части (диффузор и обратный канал), направлено на повышение скорости протекания охладителя и ускорение теплообмена, что обеспечивает эффективное межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа и снижение потребляемой мощности.In the known technical solution, the implementation of the cooling channel system is aimed at providing the possibility of heat exchange contact of the cooling liquid and the working gas along its entire length through the diffuser and the return guide apparatus, while, as noted in the description of the prototype, the implementation of narrow channels for the passage of the cooler inside the external and internal the parts of the diaphragm and the thin walls separating the cavities of the cooling channels and the flow areas of the working gas in the flowing part (diffuser and return channel), is directed to increase the rate of flow of the cooler and accelerate heat transfer, which provides effective interstage partial cooling of the working gas and reduce power consumption.
Однако в качестве недостатка известного технического решения необходимо отметить его высокую конструктивную и технологическую сложность, заключающуюся в выполнении системы охлаждающих каналов, проходящих в наружной и внутренней частях диафрагмы и ограниченных тонкостенными статорными элементами, а также в выполнении переходных каналов (соединяющих между собой первый и второй охлаждающие каналы), проходящих в том числе через лопатки обратного направляющего аппарата. Также следует отметить, что указанные факторы (сложность технологического выполнения и наличие тонкостенных элементов конструкции, обладающих низкой жесткостью и подверженных статическим и динамическим деформациям в результате значительных перепадов давления при работе компрессора) влияют на снижение надежности работы узла диафрагмы, а следовательно, и центробежного компрессора в целом.However, as a disadvantage of the known technical solution, it is necessary to note its high structural and technological complexity, which consists in the implementation of the cooling channel system passing in the outer and inner parts of the diaphragm and limited by thin-walled stator elements, as well as in the transition channels (connecting the first and second cooling channels channels), including passing through the vanes of the return guide vane. It should also be noted that these factors (the complexity of the technological implementation and the presence of thin-walled structural elements with low rigidity and subject to static and dynamic deformations as a result of significant pressure drops during compressor operation) affect the decrease in the reliability of the diaphragm assembly, and consequently, the centrifugal compressor in whole.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции диафрагмы центробежного компрессора, а также повышение надежности работы устройства при обеспечении эффективного внутреннего межступенчатого частичного охлаждения сжимаемого газа.The technical result to which the claimed invention is directed is to simplify the design of the diaphragm of a centrifugal compressor, as well as to increase the reliability of the device while ensuring effective internal interstage partial cooling of the compressible gas.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается диафрагма центробежного компрессора, которая выполнена с горизонтальным разъемом и состоит из верхней части и нижней части, которые имеют возможность соединения друг с другом. Диафрагма содержит диск с центральным отверстием, диффузор и обратный направляющий аппарат. Лопатки обратного направляющего аппарата выполнены на одной поверхности диска и расположены вокруг центрального отверстия диска. На другой, противоположной, поверхности диска в каждой части диафрагмы выполнены охлаждающие каналы, предназначенные для протекания по ним охладителя. Охлаждающие каналы выполнены в каждой части диафрагмы на поверхности диска в виде глухих пазов дугообразной формы, огибающих центральное отверстие диска и расположенных друг за другом в радиальном направлении. Также в каждой части диафрагмы выполнены соединенные с охлаждающими каналами входной канал для подачи охладителя и выходной канал для отвода охладителя. В каждой части диафрагмы охлаждающие каналы последовательно соединены друг с другом таким образом, что каждый охлаждающий канал, расположенный между охлаждающим каналом, непосредственно соединенным с входным каналом, и охлаждающим каналом, непосредственно соединенным с выходным каналом, одним своим концевым участком соединен с концевым участком охлаждающего канала, являющегося соседним с ним со стороны входного канала (т.е. канала, являющегося предыдущим в направлении от входного к выходному каналу), а другим своим концевым участком соединен с концевым участком охлаждающего канала, являющегося соседним с ним со стороны выходного канала (т.е. канала, являющегося последующим в направлении от входного к выходному каналу). Также в каждой части диафрагмы полости каналов, открытые со стороны поверхности диска, на которой каналы выполнены, закрыты с помощью закрывающего элемента, соединенного с диском.To achieve the above technical result, a diaphragm of a centrifugal compressor is proposed, which is made with a horizontal connector and consists of an upper part and a lower part, which can be connected to each other. The diaphragm contains a disk with a central hole, a diffuser and a reverse guide apparatus. The vanes of the reverse guide vane are made on one surface of the disk and are located around the central hole of the disk. On the other, opposite, surface of the disk in each part of the diaphragm, cooling channels are provided for the cooler to flow through them. The cooling channels are made in each part of the diaphragm on the surface of the disk in the form of blind grooves of an arcuate shape, enveloping the central hole of the disk and located one after another in the radial direction. Also, in each part of the diaphragm, an inlet channel for supplying a cooler and an outlet channel for removing the cooler are connected to the cooling channels. In each part of the diaphragm, the cooling channels are connected in series with each other so that each cooling channel located between the cooling channel directly connected to the input channel and the cooling channel directly connected to the output channel is connected with its end section to the end section of the cooling channel which is adjacent to it from the input channel side (i.e., the channel that is the previous one in the direction from the input channel to the output channel), and its other end section with Uniform cooling channel with an end portion which is adjacent to them by the output channel (i.e., channel which is followed in the direction from the inlet to the outlet). Also, in each part of the diaphragm, the cavity of the channels, open from the side of the surface of the disk on which the channels are made, are closed with the help of a closing element connected to the disk.
Общим в выполнении заявляемого технического решения и прототипа является выполнение в составе диафрагмы следующих элементов: диска с центральным отверстием; диффузора; обратного направляющего аппарата с лопатками; охлаждающих каналов, предназначенных для протекания по ним охладителя и соединенных между собой; каналов для подачи и отвода охладителя (т.е. входного и выходного каналов), соединенных с охлаждающими каналами; закрывающего элемента, который установлен в диафрагме и закрывает открытые полости каналов, по которым в процессе работы компрессора протекает охладитель. Также следует отметить, что в конструкции центробежного компрессора с горизонтальным разъемом (являющейся наиболее предпочтительной с точки зрения технологичности изготовления, надежности эксплуатации, а также простоты монтажа и планового ремонтного обслуживания) используется диафрагма с горизонтальным разъемом, состоящая из верхней и нижней части, выполненных с возможностью соединения друг с другом. Отличием заявляемого технического решения от прототипа является выполнение на одной поверхности диска диафрагмы лопаток обратного направляющего аппарата, а на другой (противоположной) поверхности диска - охлаждающих каналов (в виде глухих пазов на поверхности диска); выполнение охлаждающих каналов отдельно в верхней и отдельно в нижней части диафрагмы; конструктивное выполнение охлаждающих каналов согласно тому, как описано выше (форма, расположение на поверхности диска в каждой части диафрагмы, соединение между собой); выполнение в каждой части диафрагмы как входного, так и выходного каналов, соединенных с охлаждающими каналами, выполненными в той же части диафрагмы.Common in the implementation of the proposed technical solution and prototype is the implementation of the following elements as part of the diaphragm: a disk with a central hole; diffuser; reverse guide vane with blades; cooling channels intended for the flow of cooler through them and interconnected; channels for supplying and discharging a cooler (i.e., inlet and outlet channels) connected to cooling channels; a closing element that is installed in the diaphragm and closes the open cavity of the channels through which the cooler flows during the operation of the compressor. It should also be noted that in the design of a centrifugal compressor with a horizontal connector (which is most preferable from the point of view of manufacturability, reliability of operation, as well as ease of installation and scheduled maintenance), a diaphragm with a horizontal connector is used, consisting of an upper and lower part, made with the possibility of connections to each other. The difference of the claimed technical solution from the prototype is the implementation on the one surface of the disk of the diaphragm of the blades of the reverse guide apparatus, and on the other (opposite) surface of the disk - cooling channels (in the form of blind grooves on the surface of the disk); the implementation of the cooling channels separately in the upper and separately in the lower part of the diaphragm; the design of the cooling channels according to the method described above (shape, location on the surface of the disk in each part of the diaphragm, interconnection); the execution in each part of the diaphragm of both the input and output channels connected to the cooling channels made in the same part of the diaphragm.
Предлагаемое выполнение охлаждающих каналов в каждой части диафрагмы в виде глухих пазов на поверхности диска (представляющих собой выполненные на поверхности диска несквозные выборки, при этом полости выборок открыты только со стороны поверхности диска), имеющих дугообразную форму (например, форму дуги окружности, дуги эллипса, дуги параболы), огибающих центральное отверстие диска и расположенных друг за другом в радиальном направлении (между центральным отверстием и периферией диска), направлено на увеличение площади теплообменных поверхностей и является более простой, по сравнению с прототипом (имеющим сложную систему охлаждающих и соединительных каналов, в том числе проходящих через лопатки обратного направляющего аппарата), конструктивной реализацией. Кроме того, предлагаемое выполнение последовательного соединения охлаждающих каналов между собой так, как описано выше, обеспечивает при работе компрессора возможность протекания охладителя вдоль протяженности каждого охлаждающего канала (т.е. между его концевыми участками), что также направлено на повышение эффективности теплообмена, и обеспечивает перетекание охладителя в следующий соседний канал. Предлагаемое выполнение также обеспечивает технологичность конструкции, поскольку охлаждающие каналы такой геометрии могут быть, например, выфрезерованы на поверхности диска в каждой части диафрагмы.The proposed implementation of the cooling channels in each part of the diaphragm in the form of blind grooves on the surface of the disk (representing non-through samples made on the surface of the disk, while the cavity of the samples are open only from the side of the disk surface) having an arched shape (for example, the shape of a circular arc, an ellipse arc, arc of a parabola), enveloping the central hole of the disk and located one after another in the radial direction (between the central hole and the periphery of the disk), is aimed at increasing the area of heat exchange surfaces and is simpler, in comparison with the prototype (having a complex system of cooling and connecting channels, including passing through the vanes of the return guide vane), structural implementation. In addition, the proposed implementation of the serial connection of the cooling channels to each other as described above, allows the compressor to flow along the length of each cooling channel (i.e. between its end sections), which also aims to increase the efficiency of heat transfer, and provides flow of the cooler to the next adjacent channel. The proposed implementation also ensures the manufacturability of the design, since the cooling channels of this geometry can, for example, be milled on the surface of the disk in each part of the diaphragm.
Для формирования закрытых полостей каналов, по которым протекает охладитель, чтобы исключить перетечки и смешение сред охладителя и рабочего газа, открытые полости каналов в каждой части диафрагмы перекрывают закрывающим элементом (например, крышкой или пластиной), который может быть, например, приварен к поверхности диска или закреплен на ней с помощью крепежных элементов.To form closed channel cavities through which the cooler flows, in order to prevent leakage and mixing of the cooler and working gas media, the open channel cavities in each part of the diaphragm are covered with a closing element (for example, a cover or plate), which can, for example, be welded to the surface of the disk or mounted on it using fasteners.
Одновременно с этим, предлагаемое выполнение охлаждающих каналов раздельно в верхней и нижней части диафрагмы в виде глухих пазов, с подводом и отводом охладителя для охлаждающих каналов каждой части диафрагмы через входной и выходной каналы, также выполненные отдельно в каждой части, обеспечивает повышение надежности работы узла диафрагмы, так как исключается пересечение каналами места горизонтального разъема диафрагмы, что, в свою очередь, исключает возможные протечки и смешение сред охладителя и рабочего газа между собой, а также необходимость использования в конструкции дополнительных уплотнительных элементов. Предотвращение возможности перетечек сред охладителя и рабочего газа также способствует повышению эффективности теплообмена.At the same time, the proposed implementation of the cooling channels separately in the upper and lower parts of the diaphragm in the form of blind grooves, with the supply and removal of cooler for the cooling channels of each part of the diaphragm through the inlet and outlet channels, also made separately in each part, provides increased reliability of the diaphragm assembly , since the intersection of the channel of the horizontal diaphragm connector is excluded by the channels, which, in turn, eliminates possible leaks and mixing of the cooler and working gas media among themselves, as well as not the need to use additional sealing elements in the design. Preventing the possibility of fluid overflows of the cooler and the working gas also improves the efficiency of heat transfer.
Выполнение каналов в виде глухих пазов на поверхности диска позволяет реализовать теплообменный контакт охладителя, протекающего в охлаждающих каналах, и рабочего газа, протекающего в обратном направляющем аппарате, через стенку, разделяющую полость обратного направляющего аппарата и полости охлаждающих каналов и образованную в диске со стороны обратного направляющего аппарата, при этом одна поверхность стенки является внутренней поверхностью обратного направляющего аппарата и на ней выполнены лопатки, а другая поверхность является внутренней поверхностью полости охлаждающих каналов. В теплообмене между рабочим газом и охладителем участвуют и лопатки обратного направляющего аппарата, выполненные на поверхности диска диафрагмы, поскольку при формировании потока рабочего газа лопатками обратного направляющего аппарата через них также отводится тепло рабочего газа к элементам охлаждающих каналов (выполненных с другой стороны диска), далее передающееся к протекающему по каналам охладителю. Стенки между каналами, образованные при выполнении каналов (пазов в диске диафрагмы) и разделяющие соседние каналы по их протяженности, также формируют поверхности, участвующие в теплообмене. Кроме того, как показали расчетные исследования, указанные стенки, как элементы конструкции (ребра), обладают достаточно высокой жесткостью.The implementation of the channels in the form of blind grooves on the surface of the disk allows the heat exchange contact of the cooler flowing in the cooling channels and the working gas flowing in the reverse guide apparatus through the wall separating the cavity of the reverse guide apparatus and the cavity of the cooling channels and formed in the disk from the side of the reverse guide apparatus, wherein one wall surface is the inner surface of the reverse guide apparatus and blades are made on it, and the other surface is I am the inner surface of the cavity of the cooling channels. In the heat exchange between the working gas and the cooler, the return guide vanes are also made on the surface of the diaphragm disk, since when the flow of the working gas is formed by the return guide vanes through them, the heat of the working gas is also removed to the elements of the cooling channels (made on the other side of the disk), then transmitted to the cooler flowing through the channels. The walls between the channels formed during the execution of the channels (grooves in the disk of the diaphragm) and dividing adjacent channels along their length also form surfaces involved in heat transfer. In addition, as shown by computational studies, these walls, as structural elements (ribs), have a fairly high rigidity.
Также следует отметить, что в предложенном выполнении конструкции диафрагмы лопатки обратного направляющего аппарата, выполненные на поверхности одной стороны диска диафрагмы, и стенки, разделяющие соседние охлаждающие каналы, выполненные на поверхности другой стороны диска, и по сути конструктивно представляющие собой ребра, выполненные в теле диска диафрагмы, в проекции расположены пересекающимися, т.е. в скрещивающихся направлениях, что служит повышению жесткости конструкции диафрагмы, а следовательно, и повышению надежности работы устройства.It should also be noted that in the proposed embodiment of the diaphragm design, the vanes of the reverse guide vane, made on the surface of one side of the disk of the diaphragm, and the walls separating adjacent cooling channels, made on the surface of the other side of the disk, and essentially structurally representing ribs made in the body of the disk apertures in the projection are located intersecting, i.e. in crossing directions, which serves to increase the rigidity of the diaphragm design, and consequently, to increase the reliability of the device.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обеспечено упрощение конструкции диафрагмы и повышение ее технологичности, что, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности работы узла диафрагмы и центробежного компрессора в целом. Кроме того, как показали расчетные исследования, предлагаемая конструкция обладает высокой жесткостью, в том числе и ее статорные элементы, формирующие теплообменные поверхности, что повышает надежность работы заявляемой диафрагмы по сравнению с прототипом, в конструкции которого имеются протяженные тонкостенные статорные элементы, обладающие низкой жесткостью и подверженные деформациям при работе компрессора.Thus, in the proposed technical solution, in comparison with the prototype, the diaphragm design is simplified and its manufacturability is improved, which, in turn, provides increased reliability of the diaphragm assembly and the centrifugal compressor as a whole. In addition, as shown by computational studies, the proposed design has high rigidity, including its stator elements forming heat transfer surfaces, which increases the reliability of the claimed diaphragm compared to the prototype, the design of which has long thin-walled stator elements with low stiffness and subject to deformation during compressor operation.
С целью повышения эффективности теплообмена в диафрагме центробежного компрессора лопатки обратного направляющего аппарата выполнены монолитными с телом диска диафрагмы, так как при выполнении диска диафрагмы и лопаток обратного направляющего аппарата из единой заготовки (т.е. монолитными) между поверхностью диска и лопатками исключается граница участков с различной теплопроводностью. На данный фактор следует обратить внимание, поскольку лопатки обратного направляющего аппарата, помимо своего основного функционального назначения (формирование потока от периферии к оси), также выполняют функцию поверхностей теплообмена.In order to increase the heat transfer efficiency in the diaphragm of the centrifugal compressor, the blades of the return guide vane are made monolithic with the body of the diaphragm disk, since when the diaphragm disk and the vanes of the return guide vane are made from a single workpiece (i.e., monolithic), the boundary between different thermal conductivity. This factor should be noted, since the vanes of the reverse guide vane, in addition to their main functional purpose (flow formation from the periphery to the axis), also perform the function of heat transfer surfaces.
С целью обеспечения эффективного вытеснения воздуха при пуске агрегата, способствующего повышению эффективности теплообмена и надежности работы устройства, в диафрагме центробежного компрессора в нижней части диафрагмы входной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к периферийной части диска, а выходной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к центральной части диска, при этом в верхней части диафрагмы входной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к центральной части диска, а выходной канал соединен с охлаждающим каналом, ближайшим к периферийной части диска.In order to ensure effective air displacement during start-up of the unit, which improves the heat transfer efficiency and reliability of the device, in the diaphragm of the centrifugal compressor in the lower part of the diaphragm, the inlet channel is connected to the cooling channel closest to the peripheral part of the disk, and the output channel is connected to the cooling channel closest to the central part of the disk, while in the upper part of the diaphragm the input channel is connected to the cooling channel closest to the central part of the disk, and the output channel is connected to the cooling waiting channel closest to the peripheral part of the disk.
С целью дополнительного повышения эффективности теплообмена в диафрагме центробежного компрессора охлаждающие каналы расположены концентрично центральному отверстию диска диафрагмы, так как предлагаемое выполнение позволяет обеспечить максимальную площадь теплообменных поверхностей.In order to further increase the efficiency of heat transfer in the diaphragm of a centrifugal compressor, the cooling channels are located concentrically to the central hole of the diaphragm disk, since the proposed embodiment allows to provide the maximum heat exchange surface area.
С целью снижения гидравлического сопротивления при протекании охладителя по охлаждающим каналам и дополнительного снижения потребляемой мощности соседние охлаждающие каналы соединены между собой ближними друг к другу концевыми участками. Проведенные теплотехнические расчеты показали эффективность теплообмена как в случае соединения между собой соседних охлаждающих каналов путем соединения их ближних концевых участков, так и в случае соединения соседних каналов дальними концевыми участками (такое соединение по сути представляет собой зигзагообразное расположение охлаждающих каналов), однако результаты гидродинамических расчетов подтвердили, что более предпочтительным является соединение соседних охлаждающих каналов ближними концевыми участками.In order to reduce the hydraulic resistance during the flow of the cooler through the cooling channels and to further reduce the power consumption, the adjacent cooling channels are interconnected by end sections close to each other. The performed thermotechnical calculations showed the efficiency of heat transfer both in the case of connecting adjacent cooling channels by connecting their near end sections, and in the case of connecting adjacent channels with distant end sections (such a connection is essentially a zigzag arrangement of cooling channels), however, the results of hydrodynamic calculations confirmed that it is more preferable to connect adjacent cooling channels to near end portions.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого технического решения. На фиг. 1 представлен главный вид (разрез) диафрагмы центробежного компрессора в сборе (показана диафрагма, установленная в корпусе компрессора), на фиг. 2 - разрез А-А главного вида, на котором изображены лопатки обратного направляющего аппарата, а также (линиями невидимого контура) охлаждающие каналы и разделяющие их стенки, на фиг. 3 - разрез Б-Б главного вида, на котором показаны охлаждающие каналы, а также входные и выходные каналы.Graphic materials contain an example of a specific implementation of the claimed technical solution. In FIG. 1 shows the main view (section) of the diaphragm of the centrifugal compressor assembly (the diaphragm installed in the compressor housing is shown), FIG. 2 is a section AA of the main view, which shows the vanes of the reverse guiding apparatus, as well as (cooling lines and invisible contour lines) and the walls separating them, in FIG. 3 is a section BB of the main view, which shows the cooling channels, as well as the input and output channels.
Узел диафрагмы входит в состав ступени центробежного компрессора. На фиг. 1-3 показана диафрагма с горизонтальным разъемом, состоящая из верхней части 1 и нижней части 2, соединенных между собой, и установленная во внешнем корпусе 3 центробежного компрессора. При сборке компрессора производят сборку статора пакета, в который объединены все диафрагмы, имеющие горизонтальный разъем, отдельно соединяя в блоки сначала верхние части диафрагм, затем нижние части, после чего их соединяют вместе и, выполнив сборку пакета (сменной проточной части) целиком, осуществляют его установку в корпус компрессора. Диафрагма в сборе содержит диск 4, выполненный с центральным отверстием 5. В отверстии 5 размещен вал 6 ротора компрессора. Также диафрагма содержит диффузор 7 и обратный направляющий аппарат 8. Профилированные лопатки 9 обратного направляющего аппарата 8 выполнены на поверхности 10 диска 4 (со стороны подачи рабочего газа) и расположены вокруг центрального отверстия диска (т.е. вокруг вала ротора). Для исключения границы между участками с различной теплопроводностью лопатки 9 могут быть изготовлены из единой заготовки с диском или, например, из того же материала, что и диск, и припаяны к диску. С другой стороны диска на поверхности 11 в верхней части 1 диафрагмы выполнены охлаждающие каналы 14, которые в представленном примере выполнены в форме дуги окружности и расположены концентрично центральному отверстию 5 (при таком выполнении обеспечивается максимальная площадь поверхностей теплообменного контакта). Каналы 14 разделены между собой стенками 15. В нижней части 2 диафрагмы аналогично выполнены охлаждающие каналы 16, разделенные стенками 17. Охлаждающие каналы 14, 16 представляют собой глухие пазы - выфрезерованные несквозные выборки, выполненные на поверхности 11 диска 4, при этом полости пазов открыты со стороны поверхности 11 диска. Со стороны поверхности 10 диска диафрагмы охлаждающие каналы разделены с полостью обратного направляющего аппарата стенками 18 (в верхней части диафрагмы) и 19 (в нижней части диафрагмы). Чтобы сформировать закрытые полости каналов, по которым при работе компрессора должен протекать охладитель, и избежать смешения сред охладителя и рабочего газа (которое может появиться в результате перетечек) в каждой части диафрагмы указанные каналы перекрыты крышкой 20 (в верхней части) и крышкой 21 (в нижней части диафрагмы). Крышки могут содержать уплотнительные элементы (на фиг. не показаны), обычно применяемые для предотвращения протечек. Крышки 20, 21 закреплены на поверхности 11 диска 4, например, с помощью сварки. В каждой части диафрагмы соседние охлаждающие каналы последовательно соединены между собой ближними друг к другу концевыми участками, как показано на фиг. 3, что обеспечивает возможность протекания охладителя по каждому охлаждающему каналу и поступления в следующий канал. В представленном примере выполнения диафрагмы каналы 14, выполненные в верхней части диафрагмы, соединены между собой соединительными каналами (переходами) 22. Каналы 16, выполненные в нижней части диафрагмы, аналогично соединены между собой соединительными каналами (переходами) 23. В каждой части диафрагмы выполнены входной и выходной каналы. В представленном примере выполнения в верхней части диафрагмы выполнен входной канал 24 для подачи охладителя в охлаждающие каналы 14 и выходной канал 25 для отвода охладителя из каналов 14, в нижней части диафрагмы - входной канал 26 для подачи охладителя в охлаждающие каналы 16 и выходной канал 27 для отвода охладителя из каналов 16. Канал 26 в нижней части диафрагмы соединен с ближайшим к периферии диска охлаждающим каналом, а канал 27 - с ближайшим к центру диска охлаждающим каналом. Канал 24 в верхней части диафрагмы соединен с ближайшим к центру диска охлаждающим каналом, а канал 25 - с ближайшим к периферии диска охлаждающим каналом (фиг. 3). Каналы 24-27 могут быть выполнены, как показано на фиг. 3, в виде сквозных отверстий, расточенных в теле диска 4 и выходящих в полость соответствующего охлаждающего канала. В диафрагме в сборе, т.е. уже установленной в корпус компрессора, указанные каналы должны быть соединены с соответствующими каналами (отверстиями), выполненными во внешнем корпусе 3 компрессора (на фиг. 3 отдельными позициями не обозначены).The diaphragm assembly is part of a centrifugal compressor stage. In FIG. 1-3 shows a diaphragm with a horizontal connector, consisting of the
Для изготовления диафрагмы может быть использована низкоуглеродистая сталь, например, Ст20 или Ст09НГ2С (которая выпускается листом толщиной до 160 мм), характеризующаяся достаточно хорошей теплопроводностью, а также коэффициентом линейного расширения, практически одинаковым с коэффициентом линейного расширения других элементов конструкции центробежного компрессора, что исключает неравномерность тепловых деформаций.For the manufacture of the diaphragm, low-carbon steel, for example, St20 or St09NG2S (which is produced by a sheet up to 160 mm thick), which is characterized by a fairly good thermal conductivity, and also a linear expansion coefficient that is almost the same as the linear expansion coefficient of other design elements of a centrifugal compressor, can be used, which eliminates unevenness thermal deformation.
Как отмечалось ранее, в процессе сжатия рабочего газа в ступени компрессора его температура повышается. Чтобы снизить потребление мощности для дальнейшего сжатия рабочего газа, необходимо частично снизить температуру газа перед его поступлением в следующую ступень компрессора. Перед началом работы компрессора из охлаждающих каналов 14, 16, выполненных в диске 4 диафрагмы и предназначенных для протекания по ним охладителя, из системы подачи охладителя (на фиг. 3 не показана) в охлаждающие каналы 16 нижней части 2 диафрагмы через входной канал 26 осуществляют подачу охладителя, в качестве которого может быть использован, например, антифриз, который проходит по каналам 16 и переходам 23 и выходит в выходной канал 27. Канал 27 может быть соединен с внешней системой или через перепускной канал (на фиг. 3 не показан) с входным каналом 24 верхней части 1 диафрагмы. Во входной канал 24 из системы подачи охладителя или через перепускной канал подается охладитель, который проходит по каналам 14 и соединяющим их переходам 22 и отводится через выходной канал 25 во внешнюю систему, откуда может поступать в другие системы агрегата. Предлагаемое соединение охлаждающих каналов между собой обеспечивает последовательное протекание охладителя по всей длине каждого охлаждающего канала, что способствует повышению эффективности теплообмена. Приведенное в примере выполнения диафрагмы соединение входных и выходных каналов с охлаждающими каналами в каждой части диафрагмы (при котором охладитель в нижней части протекает по охлаждающим каналам от периферии к центру, а в верхней части - от центра к периферии) обеспечивает наиболее быстрое вытеснение воздуха при пуске компрессора, что подтверждено результатами испытаний и пробных пусков. Следует отметить, что возможна организация прохождения охладителя по охлаждающим каналам в иных направлениях, однако в этих случаях потребуется значительно большее время для вытеснения воздуха из охлаждающих каналов, а наличие примеси воздуха в охладителе снижает эффективность теплообмена. При работе компрессора сжимаемый газ после выхода из рабочего колеса поступает в диффузор 7, переходит в обратный направляющий аппарат 8, обтекая лопатки 9. При этом продолжает осуществляться подача охладителя в охлаждающие каналы и его протекание по ним. Отвод тепла потока рабочего газа, протекающего в полости обратного направляющего аппарата 8, осуществляется через стенки 18 и 19, разделяющие в верхней и нижней части диафрагмы полость обратного направляющего аппарата 8 и полости охлаждающих каналов 14, 16. Теплообмен также осуществляется через лопатки 9, выполненные на поверхности 10 диска 4, причем при выполнении лопаток 9 и диска 4 из единой заготовки при теплопередаче будет исключена граница теплового сопротивления между телом диска и лопаток. Также в теплообменном контакте будут участвовать и стенки (ребра) 15, 17, разделяющие каналы 14, 16, образованные в теле диска. Выполнение каналов 14, 16 (и соответственно, стенок 15, 17) в виде дуг концентрично расположенных окружностей обеспечивает наибольшую площадь теплообменного контакта стенок каналов. При отводе тепла от потока рабочего газа к охладителю через поверхности теплообменного контакта происходит снижение температуры рабочего газа. Таким образом осуществляется частичное снижение температуры рабочего газа, после чего рабочий газ поступает в следующую ступень компрессора.As noted earlier, during the compression of the working gas in the compressor stage, its temperature rises. To reduce power consumption for further compression of the working gas, it is necessary to partially reduce the temperature of the gas before it enters the next stage of the compressor. Before starting the compressor from the cooling
Результаты расчетных исследований показали, что применение предлагаемой конструкции диафрагмы в семиступенчатом центробежном компрессоре на последних трех ступенях обеспечивает снижение температуры сжимаемого природного газа на 10-15°С на каждой ступени, что позволяет получить температуру нагнетаемого газа в пределах 150°С. Таким образом, использование предлагаемого технического решения при работе центробежного компрессора обеспечивает эффективное межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа.The results of computational studies have shown that the use of the proposed diaphragm design in a seven-stage centrifugal compressor in the last three stages provides a decrease in the temperature of the compressible natural gas by 10-15 ° C at each stage, which allows to obtain the temperature of the injected gas within 150 ° C. Thus, the use of the proposed technical solution during operation of a centrifugal compressor provides effective interstage partial cooling of the working gas.
В предлагаемой конструкции диафрагмы организованы отдельные системы внутриканального охлаждения в верхней и нижней части диафрагмы, что в диафрагмах с горизонтальным разъемом исключает протечки в соединении верхней и нижней части диафрагмы и исключает необходимость применения здесь уплотнительных элементов. Выполнение на одной поверхности диска диафрагмы лопаток обратного направляющего аппарата, а на другой поверхности диска - охлаждающих каналов в виде глухих пазов (в соответствии с предлагаемой формой, соединением и расположением), разделенных стенками, обеспечивает эффективность теплообмена, а также простоту и технологичность конструкции. Кроме того, конструктивное выполнение, при котором стенки (ребра), разделяющие каналы, выполненные с одной стороны диска, и лопатки, выполненные с другой стороны диска, в проекции расположены в скрещивающихся направлениях, направлено на повышение жесткости конструкции диафрагмы и повышение надежности работы устройства, а также дополнительно способствует эффективности теплообмена. Результаты расчетных исследований предлагаемой конструкции показали высокую жесткость элементов конструкции, подверженных воздействию значительных перепадов давления при работе компрессора.In the proposed design of the diaphragm, separate intra-channel cooling systems are organized in the upper and lower parts of the diaphragm, which eliminates leaks in the connection of the upper and lower parts of the diaphragm with horizontal connectors and eliminates the need for sealing elements here. The execution on the one surface of the disk of the diaphragm of the blades of the reverse guide vanes, and on the other surface of the disk - cooling channels in the form of blind grooves (in accordance with the proposed shape, connection and location) separated by walls, provides heat exchange efficiency, as well as simplicity and manufacturability of the design. In addition, a structural embodiment in which the walls (ribs) dividing the channels made on one side of the disk and the blades made on the other side of the disk are projected in intersecting directions in the projection is aimed at increasing the rigidity of the diaphragm design and increasing the reliability of the device, and also contributes to the efficiency of heat transfer. The results of design studies of the proposed design showed high rigidity of structural elements exposed to significant pressure drops during compressor operation.
Таким образом, в предлагаемой диафрагме центробежного компрессора обеспечено, по сравнению с прототипом, более простое конструктивное выполнение, при этом диафрагма является технологичной и содержит конструктивные элементы, обеспечивающие повышение ее жесткости. Также указанные факторы обеспечивают повышение надежности работы узла диафрагмы и компрессора в целом. При этом предлагаемая конструкция диафрагмы обеспечивает эффективное внутреннее межступенчатое частичное охлаждение рабочего газа при работе центробежного компрессора.Thus, in the proposed diaphragm of the centrifugal compressor, in comparison with the prototype, a simpler structural embodiment is provided, while the diaphragm is technologically advanced and contains structural elements to increase its rigidity. Also, these factors provide increased reliability of the diaphragm assembly and the compressor as a whole. At the same time, the proposed diaphragm design provides effective internal interstage partial cooling of the working gas during operation of a centrifugal compressor.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122356A RU2673650C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Centrifugal compressor diaphragm |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122356A RU2673650C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Centrifugal compressor diaphragm |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2673650C1 true RU2673650C1 (en) | 2018-11-28 |
Family
ID=64603544
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122356A RU2673650C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Centrifugal compressor diaphragm |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2673650C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114635840A (en) * | 2022-03-31 | 2022-06-17 | 安瑞科(蚌埠)压缩机有限公司 | Cooling film head of diaphragm compressor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU89645A1 (en) * | 1919-04-01 | 1949-11-30 | Н.А. Калабин | Centrifugal, or axial, or a combined compressor with direct intermediate cooling of air in ring coolers |
| RU2244167C2 (en) * | 2003-01-30 | 2005-01-10 | ОАО "НПО им. М.В. Фрунзе" | Centrifugal compressor |
| US20150308456A1 (en) * | 2014-02-19 | 2015-10-29 | Honeywell International Inc. | Electric motor-driven compressor having bi-directional liquid coolant passage |
| EP2990662B1 (en) * | 2014-08-28 | 2017-06-14 | Nuovo Pignone S.r.l. | Centrifugal compressors with integrated intercooling |
-
2018
- 2018-06-18 RU RU2018122356A patent/RU2673650C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU89645A1 (en) * | 1919-04-01 | 1949-11-30 | Н.А. Калабин | Centrifugal, or axial, or a combined compressor with direct intermediate cooling of air in ring coolers |
| RU2244167C2 (en) * | 2003-01-30 | 2005-01-10 | ОАО "НПО им. М.В. Фрунзе" | Centrifugal compressor |
| US20150308456A1 (en) * | 2014-02-19 | 2015-10-29 | Honeywell International Inc. | Electric motor-driven compressor having bi-directional liquid coolant passage |
| EP2990662B1 (en) * | 2014-08-28 | 2017-06-14 | Nuovo Pignone S.r.l. | Centrifugal compressors with integrated intercooling |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114635840A (en) * | 2022-03-31 | 2022-06-17 | 安瑞科(蚌埠)压缩机有限公司 | Cooling film head of diaphragm compressor |
| CN114635840B (en) * | 2022-03-31 | 2024-05-07 | 安瑞科(蚌埠)压缩机有限公司 | Cooling film head of diaphragm compressor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2961990B1 (en) | Method of construction for internally cooled diaphragms for centrifugal compressor | |
| RU2683063C2 (en) | Centrifugal compressors with integrated intercooling | |
| JP5088610B2 (en) | Centrifugal compressor casing | |
| CN110594170B (en) | Centrifugal compressor and hydrogen fuel cell system | |
| EP2614259B1 (en) | Internally-cooled centrifugal compressor with cooling jacket formed in the diaphragm | |
| US11719123B1 (en) | Integral cooling system for turbine casing and guide vanes in aeroengine | |
| CN113809885A (en) | A compressor and air conditioner and automobile with the compressor | |
| RU2673650C1 (en) | Centrifugal compressor diaphragm | |
| JP6657387B2 (en) | Method for cooling a compressor or vacuum pump and compressor or vacuum pump applied to such method | |
| JP6607960B2 (en) | Gas compressor | |
| CN110714803B (en) | Cooling heat insulation plate and turbine heat insulation structure | |
| KR20230058635A (en) | multi-stage centrifugal compressor | |
| US20020154992A1 (en) | Shaped part for forming a guide ring | |
| CN216056688U (en) | Compressor and air conditioner and automobile with same | |
| CN216043921U (en) | Heat dissipation channel of Rankine cycle power generation system | |
| CN112761972B (en) | Air compressor for fuel cell | |
| JP7267798B2 (en) | Compressor and shell-and-tube heat exchanger | |
| US3932064A (en) | Rotary bladed fluid flow machine | |
| CA2424166C (en) | Gas collection pipe carrying hot gas | |
| CN221322742U (en) | Double-suction pump and fuel cell system | |
| EP3205817A1 (en) | Fluid cooled rotor for a gas turbine | |
| JPH0311193A (en) | Vacuum pump | |
| CN218117865U (en) | Turbine volute and turbine expander | |
| CN216077245U (en) | Double-stage compression and expansion integrated equipment for Rankine cycle power generation system | |
| JPH01315698A (en) | Axial flow compressor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200619 |