Регенеративный теплообменник с принудительным ведением уплотнения ротора
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для уплотнения ротора в регенеративных теплообменниках. Регенеративный теплообменник (1) с ротором (2), установленным с возможностью вращения вокруг оси (А) и передачи тепла, по меньшей мере, от одного объемного потока газа (V), проходящего через ротор (2), к, по меньшей мере, одному другому объемному потоку газа, проходящему через ротор (2), снабженный системой уплотнения ротора (2), при этом система уплотнения ротора (2) содержит расположенные на его торцевых сторонах и прижатые к нему неподвижные радиальные уплотнения (4) и установленные по окружности на фланцах (6) ротора (2) уплотнения (5), опирающиеся на фланцы (6) посредством роликовых опор (12). 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предметом изобретения является регенеративный теплообменник, соответствующий виду, указанному в п.1 формулы изобретения.
Регенеративные теплообменники этого вида предназначены для передачи теплоты, как минимум, от одного объемного потока газа, как минимум, одному другому объемному потоку газа. При этом вращающийся теплообменник, так называемый ротор, поочередно нагревается, как минимум, одним объемным потоком газа и охлаждается, как минимум, одним другим объемным потоком газа, при этом тепловая энергия одного объемного потока газа передается другому. Вследствие этого один объемный поток газа нагревается, а другой охлаждается. Ротор имеет две торцевые стороны, кожух и, как правило, несколько сегментов для захвата массы газа. Ось вращения ротора располагается преимущественно по вертикали.
Для герметизации объемных потоков газа, проходящих через регенеративный теплообменник, предусмотрена система торцевых уплотнений, радиальных уплотнений и/или уплотнений, установленных по окружности. Радиальные уплотнения расположены на торцевых сторонах ротора и должны исключить проскок между объемными потоками газа. Уплотнения, установленные по окружности, расположены на торцах ротора и должны исключить утечку объемных потоков в корпус ротора или в окружающую среду. Эти уплотнения неподвижны относительно вращающегося ротора. Из-за постоянного относительного перемещения ротора и этих уплотнений, а также вследствие постоянно изменяющегося теплового расширения ротора и соответствующей неравномерности деформации ротора к системе уплотнений предъявляются высокие требования, чтобы свести к минимуму утечки и достичь высокого к.п.д.
В технике известны различные системы уплотнений, которые обеспечивают сравнительно малые уплотнительные зазоры между уплотнениями и ротором. В этой связи можно указать на описания к патентам ЕР 1777478 А1 или ЕР 2177855 A1. Однако известные системы уплотнений на практике часто оказываются несоразмерно сложными и дорогими.
Поэтому задача изобретения заключается в создании регенеративного теплообменника соответствующего вида с простой и эффективной системой уплотнений.
Эту задачу решает регенеративный теплообменник, обладающий признаками формулы изобретения по п. 1. Предпочтительные усовершенствования и варианты приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Решить вышеназванную задачу можно с помощью системы уплотнений, при которой ротор имеет, как минимум, одно неподвижное относительно ротора уплотнение, которое с одной стороны прижимается к ротору или к относящейся к нему детали (например, под действием силы тяжести, подпружиненных цилиндров, регулирующих элементов и т.п.), а с другой стороны несколькими роликоопорами опирается на вращающийся ротор или на относящуюся к нему деталь и тем самым принудительно перемещается преимущественно в осевом направлении. Таким образом, соответствующее уплотнение как бы принудительно получает направление перемещения, благодаря этому при работе это уплотнение беспрерывно перемещается, сохраняя постоянное расстояние, задаваемое роликоопорами в соответствии с температурной деформацией ротора, тем самым обеспечивается постоянный малый уплотнительный зазор.
Вследствие этого сравнительно несложная конструкция позволяет получить минимальный уплотнительный зазор и, соответственно, свести до минимума проскок и/или утечки объемных потоков. В регенеративных теплообменниках с отсосом снижается объем отсасываемого газа. Снижается также объем защитного газа, если предусматривается его использование. Конструкция, выполненная в соответствии с изобретением, легко монтируется, проста при эксплуатации и техобслуживании. Еще одним преимуществом является то, что можно отказаться от использования известных на сегодняшний день электромеханических устройств и чаще всего применяемых устройств перемещения уплотнений с управлением от датчиков.
Преимущественно предусматривается расположение роликоопор в неподвижном уплотнении и/или закрепление на нем. Оси роликоопор можно, например, устанавливать на уплотнении или детали, относящейся к нему. Кроме этого, преимущественно предусматривается, что роликоопоры прокатываются, как минимум, по одной соответствующей поверхности качения ротора или детали, относящейся к нему, или направляются между двумя прилегающими поверхностями качения, расположенными в осевом направлении на определенном расстоянии друг от друга. Эти поверхности качения выполняются преимущественно в виде компенсирующих износ сменных пластин, которые крепятся на роторе (на корпусе ротора или на детали, относящейся к нему). Может быть также предусмотрено обратное расположение роликоопор и поверхностей качения.
Чтобы обеспечить минимальный уплотнительный зазор особенно в критических зонах прижима уплотнения к ротору (в точках регулирования), преимущественно предусматривается расположение отдельных роликоопор, как минимум, и даже только в зоне точек регулирования или в точках прижима уплотнения к ротору.
В уплотнениях с роликоопорами используются преимущественно радиальные уплотнения. Уплотнения с роликоопорами представляют собой, в частности, уплотнения, установленные по окружности. Можно также одновременно использовать радиальные уплотнения и уплотнения с роликоопорами, установленные по окружности, как минимум, на одной стороне вращающегося ротора.
По одному из особо предпочтительных вариантов исполнения предусматривается, что, как минимум, одно уплотнение с роликоопорами, установленными по окружности ротора, имеет связь с радиальным уплотнением на той же стороне ротора, так что соответствующее радиальное уплотнение при осевом смещении уплотнения, установленного по окружности, также смещается в осевом направлении. Для этого соответствующее радиальное уплотнение выполняется подвижным в осевом направлении. Связь между уплотнением, установленным по окружности, и радиальным уплотнением осуществляется, в частности, через исполнительный механизм, передающий движения в осевом направлении уплотнения, установленного по окружности, с помощью, как минимум, одного регулировочного стержня или подобного элемента на соответствующее радиальное уплотнение. Благодаря этому система уплотнений на одной стороне ротора может выполнять движения в соответствии с движениями ротора в осевом направлении. Этот проходящий преимущественно в радиальном направлении регулировочный стержень в идеальном случае расположен в корпусе ротора регенеративного теплообменника, а именно между соответствующим радиальным уплотнением и стенкой корпуса, при этом в данной зоне может быть установлена уплотнительная манжета.
Ниже приводится описание изобретения на основании приведенных на чертежах примеров исполнения. На схематических изображениях деталей в разрезе показаны:
Рис.1 - первый пример исполнения регенеративного теплообменника;
Рис.2 - второй пример исполнения регенеративного теплообменника;
Рис.3 - третий пример исполнения регенеративного теплообменника;
Рис.4 - четвертый пример исполнения регенеративного теплообменника.
На рис.1 позиция 1 показывает регенеративный теплообменник в целом, но изображена только одна половина симметрии. Регенеративный теплообменник 1 состоит из ротора 2, вращающегося вокруг вертикальной оси А, расположенного в корпусе 3. Через ротор 2 проходят несколько объемных потоков газа V, при этом теплота от, как минимум, одного объемного потока газа передается, как минимум, одному другому объемному потоку газа. Для уплотнения проходящих через регенеративный теплообменник 1 объемных потоков газа V предусмотрена система уплотнения с радиальными уплотнениями 4 и уплотнениями 5, установленными по окружности. Радиальные уплотнения 4 расположены на торцевых сторонах ротора 2 и должны исключить проскок объемных потоков газа V. Уплотнения 5, установленные на торцах ротора 2 по окружности, должны исключить утечку объемных потоков в корпус ротора 3. Радиальные уплотнения 4 и уплотнения 5, установленные по окружности, неподвижны относительно вращающегося ротора 2. Радиальные уплотнения 4 и уплотнения, установленные по окружности 5, преимущественно совместно с возможными торцевыми уплотнениями (на чертеже не показаны) образуют замкнутую уплотнительную раму. Уплотнения, расположенные на верхней и нижней торцевых сторонах ротора 2, выполнены практически одинаково. Приведенные ниже пояснения относятся в качестве примера, если не указано иное, к верхним уплотнениям, но действительны и для нижних уплотнений.
Верхнее радиальное уплотнение 4 выполнено как уплотнительная пластина и крепится или подвешивается в осевом направлении с помощью нескольких расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга регулирующих элементов и подпружиненных цилиндров 7, 8 и 9 на корпусе ротора 3. (Нижнее радиальное уплотнение 4 соответственно поддерживается подпружиненными цилиндрами или подобными элементами.) Каждый подпружиненный цилиндр 7, 8 или 9 представляет собой точку регулирования радиального уплотнения 4. Вместо подпружиненных цилиндров 7, 8 и 9 могут использоваться противовесы. Радиальное уплотнение 4 в радиальном направлении выполнено с шарнирами 41 и 42, которые делят радиальное уплотнение 4 на несколько отрезков. Благодаря этому радиальное уплотнение 4 может адаптироваться к температурным деформациям ротора. Альтернативно можно выполнить радиальное уплотнение 4 гибким и без шарниров. Между радиальным уплотнением 4 и верхней торцевой стороной ротора 2 имеется уплотнительный зазор S минимально возможного размера. Между радиальным уплотнением 4 и стенкой корпуса ротора 3 может устанавливаться уплотняющая или упругая манжета (см. поз.10 в нижней зоне теплообменника), компенсирующая перемещение радиального уплотнения 4 относительно стенки корпуса.
Уплотнение 5, установленное по окружности, выполнено в виде круглой уплотнительной рамы и крепится или подвешивается на корпусе ротора 3 несколькими установленными и равномерно распределенными по окружности регулирующими элементами или подпружиненными цилиндрами 11. Уплотнение 5, установленное по окружности, может состоять из сегментов, с шарнирами или без шарниров. В показанном примере исполнения уплотнение 5, установленное по окружности, или уплотнительная рама уплотняет фланец ротора 6, выступающий в радиальном направлении из корпуса ротора наружу. Между уплотнением 5, установленным по окружности, и фланцем 6 ротора 2 также имеется уплотнительный зазор минимально возможного размера. Каждый подпружиненный цилиндр 11 представляет собой точку регулирования установленного по окружности уплотнения 5, при этом установленное по окружности уплотнение 5 под действием превышения веса (сила тяжести минус регулировочное усилие подпружиненных цилиндров 11) прижимается к фланцу ротора 6.
Чтобы независимо от температурных деформаций ротора обеспечить определенный уплотнительный зазор между установленным по окружности уплотнением 5 и фланцем ротора 6, уплотнение 5 несколькими роликоопорами 12 опирается на фланец 6 ротора 2. Преимущественно устанавливается, как минимум, в зоне каждой точки регулирования одна роликоопора 12. Поэтому установленное по окружности уплотнение 5 сохраняет во время работы неизменное расстояние от фланца ротора 6 и одновременно следует, как минимум, за деформациями ротора в осевом направлении.
В показанном на рис.1 примере исполнения роликоопоры 12 расположены в выемке уплотнения 5 преимущественно с возможностью вращения (например, с помощью оси). При вращении ротора 2 роликоопоры 12 прокатываются по компенсирующей износ пластине 14, закрепленной на фланце ротора 6. Компенсирующая износ пластина 14 выполнена преимущественно с сегментами по окружности. Установку такой компенсирующей износ пластины можно предусмотреть и на прилегающей поверхности качения в уплотнении 5. Можно также установить роликоопоры 12 между двумя компенсирующими износ пластинами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга в осевом направлении «а». При проектировании и/или настройке (юстировке) подпружиненных цилиндров 11 (или противовесов, если используются) следует следить за тем, чтобы усилие прижима роликоопор 12 к прилегающей поверхности качения было небольшим. Это обеспечивается, например, тем, что верхние подпружиненные цилиндры 11 в основном воспринимают весовую нагрузку от уплотнения 5 или, как минимум, снижают ее.
В показанном на рис.1 примере исполнения предусматривается механическая связь радиальных уплотнений 4 с уплотнениями по окружности 5 как на верхней, так и на нижней торцевой стороне ротора 2, при этом уплотнения 5, установленные по окружности, и радиальные уплотнения 4 механически связаны между собой. Вследствие этого радиальные уплотнения 4 с принудительным ведением установленных по окружности уплотнений 5 в осевом направлении «а» установлены с возможностью перемещения. Тем самым значительно улучшается уплотнение ротора 2, а утечки существенно уменьшаются.
На рис.2 показан второй пример исполнения, в котором в отличие от первого примера исполнения, показанного на рис.1, роликоопоры 12, закрепленные по окружности уплотнения 5, прокатываются по прилегающим поверхностям качения между двумя фланцами ротора 61 и 62, расположенными на определенном расстоянии друг от друга в осевом направлении. Благодаря этому обеспечивается «непосредственное» принудительное ведение установленного по окружности уплотнения 5. В остальном действуют пояснения, приведенные по первому примеру исполнения к рис.1.
В третьем примере исполнения, показанном на рис.3, также предусматривается механическая связь установленных по окружности уплотнений 5 с радиальными уплотнениями 4. При этом установленные по окружности уплотнения 5 соединены между собой радиально проходящим регулировочным стержнем 16, который через регулирующие элементы 17 производит перемещение соответствующего радиального уплотнения 4 (на той же стороне ротора) в осевом направлении «а». Таким образом принудительное движение установленного по окружности уплотнения 5 через систему рычагов передается на соответствующее радиальное уплотнение 4 и на его отдельные участки, для этого радиальные уплотнения 4 выполняются подвижными в осевом направлении «а» или могут быть в гибком исполнении. Проходящие радиально регулировочные стержни 16 расположены внутри корпуса ротора 3. Регулировочные стержни 16 могут располагаться и с внешней стороны корпуса ротора 3.
На рис.4 показан четвертый пример исполнения, при котором и радиальные уплотнения 4 с помощью роликоопор 18 опираются на торцевые стороны ротора 2. Таким образом радиальные уплотнения 4 могут при работе принудительно перемещаться, сохраняя неизменное расстояние до торцевых сторон ротора 2, и непрерывно сопровождать деформации ротора в осевом направлении. Роликоопоры 18 расположены в зоне точек регулирования и подпружиненных цилиндров 7, 8 и 9. На торцевых сторонах ротора 2 находятся прилегающие поверхности качения роликоопор. Эти поверхности качения могут быть выполнены в виде компенсирующих износ пластин 19, как это в качестве примера показано для нижней внутренней расположенной радиально роликоопоры 18.
Следует особо отметить, что можно комбинировать между собой отличительные признаки примеров исполнения, приведенные в пояснениях к рисункам, если это технически целесообразно.
1. Регенеративный теплообменник (1) с ротором (2), установленным с возможностью вращения вокруг оси (А) и передачи тепла, по меньшей мере, от одного объемного потока газа (V), проходящего через ротор (2), к, по меньшей мере, одному другому объемному потоку газа, проходящему через ротор (2), снабженный системой уплотнения ротора (2), отличающийся тем, что система уплотнения ротора (2) содержит
расположенные на его торцевых сторонах и прижатые к нему неподвижные радиальные уплотнения (4), и
установленные по окружности на фланцах (6) ротора (2) уплотнения (5), опирающиеся на фланцы (6) посредством роликовых опор (12).
2. Регенеративный теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что роликоопоры (12) расположены в уплотнении (4, 5) и/или закреплены на уплотнении (4, 5).
3. Регенеративный теплообменник (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что роликоопоры (12) установлены с возможностью обката, по меньшей мере, по одной поверхности качения ротора (2) или между двумя соответствующими поверхностями качения, расположенными в осевом направлении на определенном расстоянии друг от друга.
4. Регенеративный теплообменник (1) по п. 3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна поверхность качения выполнена в виде сменной пластины, компенсирующей износ (14, 19).
5. Регенеративный теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что отдельные роликоопоры (12) расположены, по меньшей мере, в зоне точек регулирования уплотнения (4, 5).
6. Регенеративный теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что уплотнение, поддерживаемое роликоопорами (12), представляет собой установленное по окружности уплотнение (5) и/или радиальное уплотнение (4).
7. Регенеративный теплообменник (1) по п. 6, отличающийся тем, что установленное по окружности (5) уплотнение с опорами связано с радиальным уплотнением (4), обеспечивая при движении уплотнения (5) в осевом направлении («а») перемещение этого радиального уплотнения (4)
8. Регенеративный теплообменник (1) по п. 7, отличающийся тем, что связь между установленным по окружности уплотнением (5) и радиальным уплотнением (4) выполнена в виде механизма регулирования, передающего движение установленных по окружности уплотнений (5) в осевом направлении посредством регулировочного стержня (16) на радиальное уплотнение (4).
9. Регенеративный теплообменник (1) по п. 8, отличающийся тем, что регулировочный стержень (16) расположен внутри корпуса (3) ротора (2).
10. Регенеративный теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что между уплотнением (4, 5) и корпусом ротора (3) расположена, по меньшей мере, одна уплотнительная манжета (10).
