MX2012007454A - Sello de abrasion con desplazamiento axial. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema de sellado (200) para un compresor centrifugo, el cual incluye un estator (220) que tiene un alojamiento de sello (230), un sello (223) dispuesto en el alojamiento de sello (230) y teniendo una porción de abrasión (225) a lo largo de una circunferencia interna, un rotor (210) que tiene una pluralidad de dientes de rotor (215) configurados para girar dentro de la circunferencia interna del sello (223) y configurados para crear ranuras de fricción (227) dentro de la porción de abrasión (225), y un primer resorte (240) dispuesto entre el estator (220) y el sello (210) y configurado para facilitar el movimiento axial del sello (223) con relación al alojamiento de sello (230).

Description

SELLO DE ABRASIÓN CON DESPLAZAMIENTO AXIAL Cam po de la I nve nc ión Las modalidades ejemplificativas se relacionan en general con sellos de compresor y más específicamente, con la provisión de sellos de abrasión con desplazamiento axial para reducir las fugas.

Antecedentes de la I nvención Un compresor es una máquina que incrementa la presión de un fluido comprimible, por ejemplo, un gas, a través del uso de energía mecánica. Los compresores se utilizan en varias aplicaciones diferentes y en un gran número de procesos industriales, que incluyen la generación de energ ía, el licuado de gas natural y otros procesos. Entre los diferentes tipos de compresores utilizados en tales procesos y plantas del proceso son llamados compresores centrífugos, en donde la energía mecánica opera en la entrada de gas para el compresor por medio de aceleración centrífuga, por ejemplo, al girar el propulsor centrífugo.

Los compresores centrífugos se pueden ajustar en un solo propulsor, es decir, una configuración de una sola etapa, o con una pluralidad de etapas centrífugas en serie, en cuyo caso, con frecuencia, son llamados compresores de múltiples etapas. Cada una de las etapas de un compresor centrífugo típicamente incluye un volumen de entrada de gas a ser comprimido, un rotor que tiene la capacidad de proporcionar la energía cinética en el gas de entrada y un difusor que convierte la energ ía cinética del gas que abandona el propulsor en energía de presión .

Un compresor 100 de múltiples etapas se ilustra en la Figura 1 . El compresor 100 está incluido en un recinto 1 10 que está montado en una flecha 1 20 y una pluralidad de propulsores 1 30. La flecha 120 y los propulsores 1 30 están incluidos en un ensamble de rotor que está soportado a través de cojinetes 1 90 y 195.

El compresor de múltiples etapas opera para tomar el gas de proceso de entrada desde el ducto 160 de entrada, para incrementar la presión del gas del presión a través de la operación del ensamble del rotor, y para esencialmente expulsar el gas del proceso a través del ducto 1 70 de salida a una presión de salida, que es más alta que su presión de entrada. El gas del proceso, puede ser por ejemplo, uno de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, butano, metano, etano, propano, gas natural licuado o una combinación de los mismos.

Los sellos o sistemas 1 80, 185 y 188 de sellado son provistos entre los propulsores 1 30 y los cojinetes 1 90 y 1 95 para evitar que el gas del proceso fluya a través de los cojinetes. Los sellos 188 son sellos de ojal del propulsor.

Cada uno de los propulsores 130 incrementa la presión del gas del proceso. Cada uno de los propulsores 1 30 se puede considerar como una etapa del compresor 1 00 de múltiples etapas. Por lo tanto, las etapas adicionales resultan en un incremento en la relación de presión de salida a la presión de entrada.

El ensamble del rotor incluye porciones estacionarias conocidas como estatores y porciones giratorias conocidas como rotores. La eficiencia operativa general de un compresor se ve afectada por el flujo de fuga del fluido de trabajo o el gas entre el estator y el rotor debido a una diferencia en la presión axial del rotor.

En los compresores centrífugos, los sellos de abrasión se pueden utilizar para reducir el flujo de fuga (del gas de trabajo) para mejorar la eficiencia de etapa a través de la reducción de holgura sin el riesgo de dañar la porción del rotor.

Un sistema de sellado que utiliza un sello de abrasión se ilustra en la Figura 2. El sistema 200 de sellado incluye un rotor 21 0 (es decir, una porción giratoria) y un estator 220 (es decir, una porción estacionaria). El rotor 21 0 gira alrededor del eje longitudinal del compresor. El rotor 21 0 incluye una pluralidad de dientes 215 del rotor. Los dientes 215 del rotor pueden ser radiales. El estator 220 incluye una cavidad o alojamiento 230 para alojar un sello 223 del estator.

El sello del estator incluye una porción o recubrimiento 225 de abrasión . El sello 223 del estator puede ser un anillo de inserto con un recubrimiento de abrasión en la circunferencia interna en algunos arreglos.

En otros arreglos, el anillo de inserto (completo) también puede estar hecho de un material de abrasión.

El sello del estator encierra circunferencialmente al rotor, el rotor puede girar dentro a lo largo de la circunferencia interna del sello del estator. El sello del estator está ubicado en cualquier lado de cada etapa de un compresor de múltiples etapas.

La rotación del rotor 210 provoca que los dientes 21 5 radiales montados en el rotor generen ranuras 227 de fricción a lo largo de la circunferencia interna del sello 223 de abrasión montado en el estator y puede provocar más fuga (es decir, un incremento en el flujo de fuga) para el funcionamiento del sellado.

Con el fin de reducir el flujo de fuga, el sello del estator dentro del alojamiento 230, como se ilustra en la Figura 2, puede estar desplazado radialmente desde una porción 235 superior del alojamiento 230 por un mecanismo 240 activado con resorte. El anillo de inserto típicamente se divide en dos o cuatro secciones de igual tamaño. El mecanismo activado por resorte permite que el sello del estator se mueva en forma radial hacia o lejos del rotor 21 0. Las dos o cuatro secciones de igual tamaño del anillo de inserto facilitan el movimiento radial.

El sello 223 del estator con el mecanismo activado por resorte también se puede llamar como sello distensible, un sello con resorte o un sello de abrasión energizado con resorte. Un sello distensible, cuando se compara con un sello no distensible (es decir, un sello que no tiene un mecanismo activado por resorte y por lo tanto, no tiene desplazamiento radial) proporciona una menor holgura radial y una reducción en el flujo de fuga.

Sería conveniente diseñar y proporcionar un mecanismo de sellado mejorado para reducir el flujo de fuga.

Breve Descripción de la Invención Los sistemas y métodos de conformidad con las modalidades ejemplificativas proporcionan características de sellado mejorado para reducir el flujo de fuga entre el sello del estator y un rotor de un ensamble de rotor al introducir un mecanismo de resorte para facilitar el control de posicionamiento axial sobre el sello.

De conformidad con una modalidad ejemplificativa, se describe un sistema de sellado para un compresor centrífugo. El sistema de sellado incluye un estator que tiene un alojamiento de sello y tiene una porción de abrasión a lo largo de la circunferencia interna , un rotor que tiene una pluralidad de dientes del rotor configurados para girar dentro de la circunferencia interna del sello y configurados para crear ranuras de fricción dentro de la porción de abrasión , y un primer resorte dispuesto entre el estator y el sello y configurado para facilitar el movimiento axial del sello con relación al alojamiento del sello.

De conformidad con otra modalidad, se describe un método para reducir el flujo de fuga entre el sello alojado dentro del alojamiento de sello del estator y un rotor de un compresor centrífugo, en donde el rotor gira dentro de la circunferencia interna del sello. El método incluye impulsar el sello hacia el lado de alta presión del alojamiento del sello por un resorte cargado para crear un hueco axial entre el sello y el alojamiento del sello, arrancar el compresor, cortar ranuras de fricción radiales en la porción de abrasión del sello, incrementar la velocidad del compresor y mover el sello hacia el lado de baja presión del alojamiento del sello.

De conformidad con otra modalidad , un compresor centrífugo incluye un estator que tiene un alojamiento de sello, un sello dispuesto en el alojamiento de sello y que tiene una porción de abrasión a lo largo de la circunferencia interna, un rotor que tiene una pluralidad de dientes del rotor configurados para girar dentro de la circunferencia interna del sello y configurados para crear ranuras de fricción dentro de la porción de abrasión, un primer resorte dispuesto entre el estator y el sello y configurado para facilitar el movimiento axial del sello y un sello secundario ubicado entre el lado de baja presión del alojamiento y el sello.

Breve Descripción de los Dibu jos Los dibujos acompañantes ilustran las modalidades ejemplificativas, en los cuales: La Figura 1 ilustra un compresor de múltiples etapas.

La Figura 2 ilustra una vista lateral de un ensamble de sellado del rotor/estator que utiliza un sello de abrasión.

La Figura 3 ilustra una vista lateral de un ensamble de sellado del rotor/estator que utiliza un sello de abrasión, de conformidad con las modalidades ejemplificativas en un estado inicial.

La Figura 4 ilustra una vista lateral del ensamble del rotor que utiliza un sello de abrasión , de conformidad con las modalidades ejemplificativas en un estado operativo.

La Figura 5 ilustra un método de conformidad con las modalidades ejemplificativas.

Descripción Detal lada de la I nvención La siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplificativas se refieren a los dibujos acompañantes. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos ilustran elementos iguales o similares. También, la siguiente descripción detallada no limita la invención, en su lugar, el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones anexas.

En modalidades ejemplificativas, el flujo de fuga entre los dientes del rotor y las ranuras de fricción del estator en un ensamble del rotor se puede reducir al em plear un mecanismo activado por presión para alcanzar el control del posicionamiento axial activo de los dientes del rotor con relación a las ranuras de fricción.

Un análisis computacional de la dinámica del fluido (CFD) del impacto de las ranuras de fricción indica que el posicionamiento axial de los dientes/ranuras juega un papel importante en el funcionamiento de fugas. Un desplazamiento axial de los dientes del rotor después de la formación inicial de las ranuras puede reducir la eficiencia en el funcionamiento.

Las modalidades ejemplificativas pueden utilizar un mecanismo activado por presión para alcanzar el control del posicionamiento axial activo de los dientes del rotor con relación a las ranuras de fricción, como se ¡lustra en el sistema 300 de sellado de la Figura 3. El sistema 300 de sellado puede incluir un rotor 31 0 y un estator 320. El rotor 31 0 puede incluir una pluralidad de dientes 315 del rotor que pueden ser radiales. El estator 320 puede incluir un sello 323 del estator colocado dentro del alojamiento 330 del sello.

Como se describe antes, el sello del estator puede incluir una porción o recubrimiento 325 de abrasión. El sello 323 del estator puede incluir un anillo de inserto (dos o más porciones) con un recubrimiento de abrasión en la circunferencia interna en algunos arreglos. El anillo de inserto puede estar hecho de acero. El recubrim iento de abrasión en la circunferencia interna puede ser de un material metálico poroso, tal como aluminio poroso, cobalto o recubrimientos rociados térmicamente con base de n íquel , o alternativamente puede ser de base de plástico (por ejemplo, Teflón, poliéster) .

En otros arreglos, el anillo de inserto (completo) también puede estar hecho de un material de abrasión . El material de abrasión puede ser Fluorosint-500, un Teflón reforzado con mica, por ejemplo.

El sello 323 del estator se puede colocar dentro del alojamiento 330 y desplazarse en forma radial desde una porción 335 superior del alojamiento por un mecanismo 340 activado por resorte. Los dientes 31 5 del rotor pueden crear ranuras 327 de fricción en la porción 325 de abrasión del estator. En modalidades ejemplificativas, un hueco 360 axial se puede crear o diseñarse entre el sello 320 del estator y el alojamiento 330 del sello con el uso de un resorte 350 orientado en forma axial.

Cuando se ensambla, el sello 323 del estator se puede empujar (o ajusfar) en el lado de presión más alta (P+) del alojam iento 330 por un resorte 350 orientado en forma axial . El resorte 350 puede estar colocado entre el sello 323 y el lado de menor presión (P-) del alojamiento 330. El resorte 350 puede estar en su estado comprimido original o un poco comprimido en este momento. El resorte 350 orientado en forma axial puede impulsar al sello 323 del estator hacia el lado de presión más alta.

Durante el uso, en el arranque (es decir, cuando la relación de presión es baja), los dientes 315 del rotor pueden cortar la porción 325 de abrasión durante la vibración crítica y crear las ranuras 327 de fricción. A las velocidades de arranque, la diferencia en presión (P+ y P-) es relativamente baja lo que hace posible mantener la posición del sello en el lado de presión más alta. Los dientes 315 del rotor pueden correr a la mitad de las ranuras 327 de fricción a estas velocidades y en la posición del sello del estator.

A la velocidad propuesta, el diferencial de presión (entre P+ y P-) se incrementa. Como se ilustra en la Figura 4, la relación de presión incrementada a través del sello 323 desde el lado de alta presión (P+) puede forzar al sello 323 a moverse en forma axial hacia el lado de baja presión (P-) . El resorte 350 puede empezar a contraerse (es decir, no estar en su estado original) conforme la presión incrementa.

Este movimiento axial (desde el lado P+ de alta presión hasta el lado P- de menor presión) forma un hueco menor o más justo entre los dientes 31 5 del rotor y las ranuras 327 de fricción. Los dientes 31 5 del rotor no corren a la mitad de las ranuras 327 de fricción como se ilustra.

La separación entre los dientes del rotor (las puntas de los dientes) y la parte de la porción de abrasión confrontada a los dientes del rotor de la Figura 4 es menor con relación a la separación entre los dientes del rotor y la mitad de las ranuras del fricción de la Figura 3. Como resultado, la cantidad de fuga puede ser disminuida . La fuga puede controlarse por la rigidez del resorte y la relación de la presión operativa.

Un sello secundario también puede estar incluido entre el sello 323 y el alojamiento 330 del sello en algunas modalidades para proporcionar mayor reducción en la fuga, como se ilustra en las Figuras 3 y 4. Con referencia a la Figura 4, el sello 370 secundario puede bloquear la fuga entre el sello 323 y el alojamiento 330 del sello a la velocidad propuesta. El sello 370 secundario, por lo tanto, también reduce la fuga.

Aunque el desplazamiento axial se describe en las modalidades ejemplificativas, puede haber un desplazamiento radial adicional, el desplazamiento axial se puede implementar por sí mismo (es decir, sin el desplazamiento radial), en algunas modalidades. El desplazamiento axial reduce el hueco radial y reduce la fuga en cualquier arreglo (es decir, con o sin un desplazamiento radial).

El método 500 de conformidad con las modalidades ejemplificativa se puede describir con referencia a la Figura 5. Durante el ensamble, un hueco axial se puede crear entre el sello y el alojam iento del sello de un compresor centrífugo en el 51 0 al mover el sello hacia el lado de alta presión del alojamiento con el uso de un resorte orientado en forma axial (en su estado original o ligeramente comprimido) . El compresor se puede arrancar en el 520. Los dientes del rotor pueden cortar las ranuras de fricción en la porción de abrasión del sello del estator en el 530.

La velocidad del compresor (y por lo tanto, la presión) se puede incrementar en el 540. Debido a que el compresor opera a la velocidad propuesta, el resorte del sello se puede comprimir con la presión incrementada y el sello se mueve hacia el lado de baja presión en el 550. El hueco entre los dientes del rotor y la porción de abrasión puede disminuir y el sello secundario puede proporcionar una protección adicional contra fugas, como se describe antes.

Un análisis CFD demuestra que el posicionamiento de la ranura de fricción axial del sello de abrasión , que se puede alcanzar por el mecanismo activado por presión en las modalidades ejemplificativas, puede incrementar la eficiencia del sellado.

Las modalidades ejemplificativas están dirigidas a un control de posicionamiento axial del diseño del sello de abrasión. Aunque las medidas previas se han enfocado en reducir al m ínimo la holgura radial entre los dientes del rotor y el sello de abrasión, las modalidades como se describen aqu í introducen un mecanismo de posicionamiento axial activado por presión, que lleva a reducir al mínimo el hueco del sello independiente de la vibración crítica del compresor o los transientes térmicos.

Las modalidades ejemplificativas como se describen aquí, proporcionan múltiples ventajas. Un sistema de sellado de conformidad con las modalidades ejemplificativas reduce la fuga provocada por las ranuras de fricción en un sello de abrasión no distensible. El sistema también optimiza el funcionamiento del sello de abrasión distensible (energizado por resorte) para un ojal del propulsor de un compresor centrífugo.

La eficiencia de la etapa del compresor centrífugo se puede mejorar al proporcionar un mecanismo de posicionamiento axial activo , como se describe en las modalidades ejemplificativas para alcanzar un hueco de sellado mínimo.

En algunas modalidades, una pluralidad de mecanismos de posicionamiento axial puede ser provista en el sello del estator. La pluralidad de mecanismos de posicionamiento axial se puede distribuir (o separar) igualmente a lo largo del sello, por ejemplo.

El mecanismo de posicionamiento axial de conformidad con las modalidades ejemplificativas no está limitado a implementarse en nuevos compresores. Los compresores existentes con anillos de sello pueden ser renovados con el mecanismo de posicionamiento axial . Además, aunque el mecanismo de posicionamiento axial de las modalidades ejemplificativas ha sido descrito con respecto a compresores centrífugos, se puede aplicar igualmente en máquinas turbo en general.

Las modalidades antes descritas tienen la intención de ser ilustrativas en todos los aspectos, mejor que restrictivas, de la presente invención. De este modo, la presente invención , tiene la capacidad de muchas variaciones en la implementación detallada que se pueden derivar de la descripción aquí contenida por las personas experimentadas en la técnica. Tales variaciones y modificaciones se consideran dentro del alcance y espíritu de la invención, como se define en las reivindicaciones anexas. Ningún elemento, acción o instrucción utilizada en la descripción de la presente invención se debe considerar como crítica o esencial para la invención, a menos que se describa explícitamente lo contrario. También, como se utilizan aquí, los artículos "un" ; "una" , "el" , "la" , tienen la intención de incluir uno o más artículos.

Claims (15)

REIVI N DICAC ION ES

1 . Un sistema (200) de sellado para un compresor centrífugo caracterizado porque comprende: un estator (200) que tiene un alojamiento (230) de sello; un sello (223) dispuesto en el alojamiento de sello y que tiene una porción (225) de abrasión a lo largo de la circunferencia interna; un rotor (21 0) que tiene una pluralidad de dientes (21 5) del rotor configurados para girar dentro de la circunferencia interna del sello y configurado para crear ranuras (227) de fricción dentro de la porción (225) de abrasión; y un pri mer resorte (240) dispuesto entre el estator (220) y el sello (223) y configurado para facilitar el movimiento axial del sello (223) .

2. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los dientes del rotor están orientados en una dirección radial.

3. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el primer resorte impulsa el sello en forma axial hacia el lado de alta presión del alojamiento del sello al arranque del compresor.

4. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el primer resorte está en un estado expandido al arranque del compresor.

5. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el sello está configurado para moverse hacia un lado de baja presión del alojamiento del sello con una velocidad propuesta del compresor.

6. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el primer resorte está en un estado comprimido a las velocidades propuestas del compresor.

7. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende: un sello secundario ubicado entre el lado de baja presión del alojamiento del sello y el sello.

8. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende: un segundo sello entre el sello y el alojam iento del sello y configurado para proporcionar el movimiento radial del sello.

9. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo resorte está en una posición expandida durante la operación del compresor.

10. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el segundo resorte está configurado para reducir la distancia radial entre el sello y el rotor.

1 1 . El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sello es un anillo de inserto.

12. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado porque el anillo de inserto está hecho de acero y la porción de abrasión está hecha de un material metálico poroso.

13. El sistema de sellado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sello es un anillo de inserto hecho de un material de abrasión.

14. Un método para reducir el flujo de fuga entre un sello (223) alojado dentro de un alojamiento (230) de sello del estator y un rotor (21 0) de un compresor centrífugo, en donde el rotor (21 0) gira dentro de una circunferencia interna del sello (223), el método está caracterizado porque comprende: impulsar al sello (223) hacia el lado de alta presión del alojamiento (230) del sello por una carga (240) de resorte para crear un hueco axial entre el sello (223) y el alojamiento (230) del sello; arrancar el compresor; cortar ranuras (227) de fricción radiales en la porción (225) de abrasión del sello (223) , incrementar la velocidad del compresor; y mover el sello (223) hacia el lado de baja presión del alojamiento del sello (230).

15. Un compresor centrífugo caracterizado porque comprende: un estator (220) que tiene un alojamiento (230) de sello; un sello (223) dispuesto en el alojamiento (230) del sello y que tiene una porción (223) de abrasión a lo largo de la circunferencia interna; un rotor (21 0) que tiene una pluralidad de dientes (215) del rotor configurados para girar dentro de la circunferencia del sello (223) y configurado para crear ranuras (227) de fricción dentro de la porción (225) de abrasión; un primer resorte (240) dispuesto entre el estator (220) y el sello (2239 y configurado para facilitar el movimiento axial del sello (223); y un sello (370) secundario ubicado entre el lado de baja presión del alojamiento (230) y el sello (233).