Система и способ для уплотнения исполнительного устройства

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты изобретения, описанного в данном документе, относятся в целом к способам и установкам и, более конкретно, к устройствам и способам для уплотнения исполнительного стержня в установке с регулируемыми входными лопатками.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В течение последних лет возросла значимость компрессоров в различных отраслях промышленности. Компрессоры используются в двигателях, турбинах, для выработки электроэнергии, в криогенной технике, в нефтегазовой промышленности и т.д. Соответственно, различные устройства и способы, относящиеся к компрессорам, часто являются предметом исследования для повышения эффективности данной турбоустановки и решения проблем, относящихся к конкретным ситуациям.

Исполнительные системы используются в различных установках, таких как компрессоры, насосы и расширители, для приложения усилия для изменения текущего состояния оборудования. Например, исполнительная система может управлять регулируемыми входными направляющими лопатками (ВНЛ), используемыми в областях применения компрессоров, для регулирования угла атаки воздуха, поступающего в ротор компрессора, и управления количеством поступающего воздуха с обеспечением надлежащего помпажа и максимальной эффективности.

Пример установки 100 с регулируемыми входными направляющими лопатками (ВНЛ) показан на фиг. 1, взятой из доклада М. Hensges «Моделирование и оптимизация регулируемой входной направляющей лопатки для промышленных турбокомпрессоров», относящегося к сборнику «Доклады Американского общества инженеров-механиков Турбо Экспо 2008: Энергия для Земли, Моря и Воздуха (9-13 июня 2008)» и полностью включенного в данный документ посредством ссылки. Устройство 100 с регулируемыми ВНЛ содержит исполнительный рычаг 102, непосредственно соединенный с первой лопаткой 104. Первая лопатка 104 соединена при помощи приводного рычага 106 с приводным кольцом 108. Первая лопатка 104 присоединена с возможностью поворота к направляющему держателю 110 лопаток. К держателю 110 присоединены с возможностью поворота другие лопатки 112. Лопатки 112 приводятся в действие рычажными механизмами 114, которые присоединены к кольцу 108. Таким образом, когда исполнительный рычаг 102 вращается, он обуславливает поворот первой лопатки 104, а также смещение кольца 108, которое приводит к перемещению механизмов 114 и повороту лопаток 112.

Фиг. 2 иллюстрирует способ работы установки 100 с регулируемыми ВНЛ (здесь номером 116 позиции обозначен держатель направляющих лопаток). В точке 118 контакта движущее усилие F, приложенное со стороны исполнительного стержня 120, передается приводному кольцу 108. Движущее усилие, передаваемое через стержень 120, создается исполнительным устройством 130. Исполнительное устройство 130 управляется и/или контролируется, по меньшей мере частично, управляющими электронными средствами 140, которые расположены в указанном устройстве.

В случае потенциально опасной окружающей среды, в которой может работать установка 100 (например, при ее использовании в установке для производства природного газа), средства 140 изолированы от этой окружающей среды. Обычно такое отделение средств 140 от окружающей среды достигается с использованием механических уплотнений, например динамического уплотнения, приводимого в действие пружинами с обеспечением закрытия пространства между корпусом устройства 130 и стержнем 120.

Было установлено, что работа механических уплотнений не является удовлетворительной. Кроме того, иногда газ в окружающей среде (т.е. за пределами исполнительного устройства) имеет низкую (криогенную) температуру, и, следовательно, охлажденный стержень 120, который проходит внутри корпуса устройства 130 и является хорошим проводником тепла, может обуславливать образование льда (вследствие конденсации влаги внутри корпуса). Лед может блокировать перемещение исполнительного стержня.

Более того, если усилие создается гидравлическим образом, разные давления внутри и снаружи устройства 130 могут создать дополнительные проблемы (например, дисбалансы и усилия) и привести к неэффективности (например, направление усилия может измениться) при неэффективном уплотнении.

Соответственно, существует необходимость в создании устройств и способов, которые устраняют вышеописанные проблемы и недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с различными вариантами выполнения разделение первой текучей среды у одного конца исполнительного стержня и второй текучей среды у его противоположного конца достигается с помощью по меньшей мере одного потока текучей среды.

В соответствии с один иллюстративным вариантом выполнения исполнительное устройство, предназначенное для изменения ориентации одной или более лопаток, содержит исполнительный стержень и корпус. Исполнительный стержень обеспечивает передачу усилия вдоль оси исполнительного устройства и имеет первый конец, расположенный в первой текучей среде, и второй конец, расположенный во второй текучей среде, причем второй конец противоположен первому концу в направлении вдоль оси. Корпус исполнительного устройства обеспечивает возможность перемещения исполнительного стержня вдоль оси в указанном корпусе, и имеет первый впускной фланец, обеспечивающий возможность поступления третьей текучей среды в пространство между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, и первый выпускной фланец, обеспечивающий возможность выхода третьей текучей среды из корпуса исполнительного устройства. Давление третьей текучей среды превышает давление первой текучей среды, при этом первый выпускной фланец расположен ближе к первому концу исполнительного стержня, чем первый впускной фланец.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения компрессор содержит одну или более лопаток, задающих направление и/или количество первой текучей среды, проходящей через компрессор, и исполнительное устройство, обеспечивающее приложение усилия к указанным одной или более лопаткам. Исполнительное устройство содержит исполнительный стержень и корпус. Исполнительный стержень обеспечивает передачу усилия вдоль оси исполнительного устройства, и имеет первый конец, расположенный в первой текучей среде, и второй конец, расположенный во второй текучей среде, причем второй конец противоположен первому концу в направлении вдоль оси. Корпус исполнительного устройства обеспечивает возможность перемещения исполнительного стержня вдоль оси в указанном корпусе и имеет первый впускной фланец, обеспечивающий возможность поступления третьей текучей среды в пространство между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, и первый выпускной фланец, обеспечивающий возможность выхода третьей текучей среды из корпуса исполнительного устройства. Давление третьей текучей среды превышает давление первой текучей среды, при этом первый выпускной фланец расположен ближе к первому концу исполнительного стержня, чем первый впускной фланец.

В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложен способ изоляции текучей среды компрессора у первого конца исполнительного стержня от окружающей среды у второго конца исполнительного стержня, причем второй конец противоположен первому концу, а исполнительный стержень выполнен с возможностью перемещения вдоль оси в корпусе исполнительного устройства. Указанный способ включает обеспечение первого потока текучей среды компрессора, направляемого от выхода компрессора в пространстве между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, через первый впускной фланец корпуса исполнительного устройства и первый выпускной фланец указанного корпуса, причем (1) давление текучей среды компрессора в указанном первом потоке превышает давление текучей среды компрессора у первого конца исполнительного стержня, и (2) первый выпускной фланец расположен ближе к первому концу исполнительного стержня, чем первый впускной фланец. Способ также включает обеспечение второго потока нейтральной текучей среды в пространстве между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, проходящего через второй впускной фланец корпуса исполнительного устройства и второй выпускной фланец указанного корпуса, причем (3) первый впускной фланец и первый выпускной фланец расположены ближе к первому концу, чем второй впускной фланец и второй выпускной фланец, и (4) второй впускной фланец расположен ближе ко второму концу исполнительного стержня, чем второй выпускной фланец.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, включенные в данную заявку и являющиеся ее составной частью, изображают один или более вариантов выполнения и вместе с описанием служат для пояснения этих вариантов выполнения. На чертежах:

фиг. 1 изображает схематический вид установки с ВНЛ,

фиг. 2 изображает вид исполнительного устройства, управляющего установкой с ВНЛ,

фиг. 3 изображает схематический вид исполнительного устройства согласно иллюстративному варианту выполнения,

фиг. 4 изображает схематический вид исполнительного устройства согласно другому иллюстративному варианту выполнения,

фиг. 5 изображает схематический вид исполнительного устройства согласно еще одному иллюстративному варианту выполнения,

фиг. 6 изображает схематический вид исполнительного устройства согласно еще одному иллюстративному варианту выполнения,

фиг. 7 изображает схематический вид исполнительного устройства, работающего во входных направляющих лопатках компрессора согласно другому иллюстративному варианту выполнения, и

фиг. 8 изображает блок-схему способа изоляции текучей среды компрессора у первого конца исполнительного стержня от окружающей среды у второго конца исполнительного стержня в компрессоре, причем второй конец противоположен первому концу, и исполнительный стержень выполнен с возможностью перемещения вдоль оси согласно иллюстративному варианту выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения. Для простоты приведенные ниже варианты выполнения описаны с учетом терминологии и устройства компрессоров, содержащих впускные лопатки, которые модифицируются приложением усилия с помощью исполнительного устройства. Тем не менее рассмотренные далее варианты выполнения не ограничены такими компрессорами и могут быть применены к другим установкам, для которых требуется изоляция среды у одного конца исполнительного стержня от среды у его другого конца.

Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно все относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.

В исполнительных устройствах согласно различным вариантам выполнения механические уплотнения с пружинами заменены динамическим уплотнением, в котором используются один или более потоков текучей среды, циркулирующих между стержнем и корпусом исполнительного устройства. По меньшей мере один из указанных потоков текучей среды может нагревать исполнительный стержень для предотвращения образование льда.

На фиг. 3 изображен иллюстративный вариант выполнения исполнительного устройства 300, предназначенного для приложения усилия вдоль оси 305. Устройство 300 может использоваться для изменения ориентации одной или более лопаток. Устройство 300 содержит исполнительный стержень 310, обеспечивающий передачу усилия вдоль оси 305. Первый конец 312 стержня 310 окружен первой текучей средой, например природным газом, поступающим в компрессор.

Стержень 310 установлен с возможностью перемещения через корпус 320 исполнительного устройства. Другими словами, корпус 320 обеспечивает возможность перемещения стержня 310 вдоль оси 305 внутри корпуса 320. Второй конец 314 стержня 310 (противоположный первому концу 312 в направлении вдоль оси 305) может подвергаться воздействию второй текучей среды, которая может находиться в полости 316 корпуса 320. На корпусе 320 могут быть установлены управляющие электронные средства 318, подвергаемые воздействию второй текучей среды. Выражение «управляющие электронные средства» может относиться к исполнительному устройству и/или приводу исполнительного устройства. Изобретение не ограничено устройством (устройствами), в целом называемым управляющими электронными средствами, подвергаемыми воздействию второй текучей среды, изолированной от коррозионной первой текучей среды.

Вторая текучая среда может быть воздухом или другой текучей средой, которая не оказывает отрицательного воздействия на электронные средства 318. Однако природный газ, который может подвергаться сжатию в компрессоре, обычно является коррозионным и ведет к быстрому разрушению указанных средств. Соответственно, корпус 320 и стержень 310 выполнены и приводятся в действие с обеспечением предотвращения смешивания первой текучей среды (например, природного газа) со второй текучей средой (например, воздухом).

Таким образом, корпус 320 исполнительного устройства обеспечивает возможность прохождения третьей текучей среды внутри указанного корпуса, в пространстве между стержнем 310 и корпусом 320. Для обеспечения возможности поступления третьей текучей среды в это пространство корпус 320 имеет первый впускной фланец 322. Для обеспечения возможности выхода третьей текучей среды из корпуса исполнительного устройства корпус 320 имеет первый выпускной фланец 324. Таким образом, третья текучая среда проходит от первого впускного фланца 322 к первому выпускному фланцу 324 параллельно оси 305, между стержнем 310 и корпусом 320. Выпускной фланец 324 может быть расположен ближе к первому концу 312 стержня 310, чем первый впускной фланец 322. Давление третьей текучей среды может превышать давление первой текучей среды, и/или третья текучая среда может иметь по существу такой же состав, что и первая текучая среда. Например, третья текучая среда может быть сжатой первой средой (например, газом), возвращенной от выпускного отверстия компрессора.

Температура третьей текучей среды может отличаться от температуры первой текучей среды. Для регулирования температуры третьей текучей среды может использоваться теплообменник или аналогичные известные устройства. Таким образом, стержень 310, изготовленный из хорошего проводника тепла (например, из металла или металлического сплава), может быть нагрет благодаря третьей текучей среде, так что конденсации и образования льда не происходит.

В различных местоположениях могут быть выполнены механические уплотнения 330, однако данное изобретение не ограничено наличием других уплотнений. Между стержнем 310 и указанными одной или более лопатками, приводимыми в движение под действием усилия, создаваемого вдоль оси 305 в устройстве 300, может быть выполнен соединительный стержень 340, однако данное изобретение не ограничено наличием такого соединительного стержня.

Третья текучая среда также может использоваться для распространения усилия вдоль оси. Например, как показано на фиг. 4, исполнительное устройство 400 согласно другому иллюстративному варианту выполнения содержит исполнительный стержень 410, который имеет ступень 415, выполненную между местоположением уплотняющего впускного фланца 322 и местоположением уплотняющего выпускного фланца 324 вдоль оси 305. Другими словами, первое сечение А1 стержня 410, перпендикулярное оси 305, между местоположением уплотняющего впускного фланца и ступенью 415 меньше второго сечения А2 стержня 410, перпендикулярного оси, между ступенью 415 и местоположением уплотняющего выпускного фланца 324. Это изменение поперечного сечения (перпендикулярного направлению, в котором проходит третья текучая среда, т.е. направлению, параллельному оси 305), обеспечивает не только уплотнение стержня потоком третьей текучей среды, но и создание этим потоком усилия в направлении прохождения с внесением, таким образом, вклада в общее усилие исполнительного устройства 400. Ступень 415 также имеет уравновешивающий эффект, так как текучая среда, поступающая от компрессора, действует на стержень 410 в одном направлении, а третья текучая среда действует на стержень 410 в противоположном направлении.

В другом иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг. 5, исполнительное устройство 500 имеет корпус 520, обеспечивающий возможность прохождения другой текучей среды между корпусом 520 и исполнительным стержнем 310. Корпус 520 имеет второй впускной фланец 532, обеспечивающий возможность поступления нейтральной текучей среды в пространство между корпусом 520 и стержнем 310, и второй выпускной фланец 534, обеспечивающий возможность выхода нейтральной текучей среды из корпуса 520. Первый впускной фланец 322 и первый выпускной фланец 324 расположены ближе к первому концу 312 стержня 310, чем второй впускной фланец 532 и второй выпускной фланец 534. Кроме того, второй впускной фланец 532 расположен ближе ко второму концу 314 стержня 310, чем второй выпускной фланец 534. Нейтральная текучая среда может представлять собой в основном азот (N₂), например, нейтральная текучая среда может содержать 70% азота.

Когда давление нейтральной текучей среды, поступающей в указанное пространство, превышает давление текучей среды, поступающей в первый впускной фланец 322, это может дополнительно препятствовать продвижению текучей среды от фланца 322 к замкнутой полости 316, где установлены электронные средства 318. Таким образом, уплотнение вокруг стержня 310 дополнительно повышается. Разумеется, для дополнительного уплотнения ближе к концу 314 стержня 310 также могут быть выполнены традиционные уплотнения 330.

Кроме того, корпус исполнительного устройства может иметь канал 550, расположенный между первым впускным фланцем 322 и вторым выпускным фланцем 534 вдоль оси 305 и обеспечивающий возможность выхода нейтральной текучей среды и/или третьей текучей среды из корпуса 520.

На фиг. 6 изображен вариант выполнения исполнительного устройства 600, имеющего ряд особенностей, описанных выше (одинаковые номера позиций на фиг. 3-6 обозначают одинаковые или аналогичные элементы). Кроме того, устройство 600 (или любое из устройств 300, 400, 500) может содержать регулятор 660 температуры третьей текучей среды, предназначенный для изменения текущей температуры указанной среды перед ее поступлением в первый впускной фланец 322. Третья текучая среда может нагреваться или охлаждаться в зависимости от конкретного применения/использования исполнительного устройства.

В общем виде, показанном на фиг. 7, компрессор 700 содержит одну или более лопаток 710, задающих направление и/или количество первой текучей среды, проходящей через компрессор и исполнительное устройство 720. Исполнительное устройство 720, которое может быть одним из устройств 300, 400, 500, 600, описанных выше, обеспечивает приложение усилия к указанным одной или более лопаткам 710. Компрессор 700 содержит корпус 730, предназначенный для приема первой текучей среды после ее прохождения через указанные одну или более лопаток с обеспечением ее сжатия и для последующего вывода сжатой первой текучей среды. Третья текучая среда может быть частью сжатой первой текучей среды.

Некоторые из вышеописанных вариантов выполнения могут реализовывать способ 800 изоляции текучей среды компрессора у первого конца исполнительного стержня от окружающей среды у второго конца исполнительного стержня, причем второй конец противоположен первому концу, а исполнительный стержень выполнен с возможностью перемещения вдоль оси в корпусе исполнительного устройства. Способ 800, проиллюстрированный на фиг.8, включает обеспечение на этапе S810 первого потока текучей среды компрессора, направляемого от выхода компрессора в пространстве между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, через первый впускной фланец корпуса исполнительного устройства и первый выпускной фланец указанного корпуса, причем (1) давление текучей среды компрессора в указанном первом потоке превышает давление текучей среды компрессора у первого конца исполнительного стержня, и (2) первый выпускной фланец расположен ближе к первому концу исполнительного стержня, чем первый впускной фланец. Способ 800 также включает обеспечение на этапе S820 второго потока нейтральной текучей среды в пространстве между корпусом исполнительного устройства и исполнительным стержнем, проходящего через второй впускной фланец корпуса исполнительного устройства и второй выпускной фланец указанного корпуса, причем (3) первый впускной фланец и первый выпускной фланец расположены ближе к первому концу, чем второй впускной фланец и второй выпускной фланец, и (4) второй впускной фланец расположен ближе ко второму концу исполнительного стержня, чем второй выпускной фланец.

Описанные иллюстративные варианты выполнения обеспечивают устройства и способы для уплотнения, предотвращения обледенения и уравновешивания исполнительного устройства входных направляющих лопаток турбоустановки. Следует понимать, что данное описание не ограничивает изобретение. Напротив, предполагается, что иллюстративные варианты выполнения охватывают варианты, модификации и эквиваленты, находящиеся в рамках сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения для обеспечения всестороннего понимания изобретения приведены многочисленные конкретные детали. Однако специалисту должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут быть реализованы без таких конкретных деталей.

Несмотря на то что особенности и элементы представленных иллюстративных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждая особенность или элемент может использоваться отдельно без других особенностей и элементов либо в различных комбинациях с другими описанными особенностями и элементами или без них.

В приведенном описании примеры, характеризующие изобретение, используются для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения.