ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КРИОГЕННЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1995 года по МПК F04D29/66 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть применено в центробежных криогенных компрессорах на газовых опорах.

Известны центробежные криогенные компрессоры, представляющие собой устройство, в котором конструктивно объединены проточная часть, рабочее колесо и приводной высокочастотный электродвигатель компрессора [1]
Известен также центробежный гелиевый компрессор, содержащий рабочее колесо, диффузор, спиральную улитку и приводной высокочастотный асинхронный электродвигатель, цилиндрическая бочка ротора которого с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой расположена на едином с рабочим колесом валу, установленном вертикально на радиальных и осевых газодинамических опорах посредством подшипниковых щитов в едином корпусе, внутри которого расположены статор приводного электродвигателя и его принудительная система охлаждения [2]
Недостатками центробежного криогенного компрессора являются:
наличие сухого контакта в осевой газодинамической опоре, нагруженной суммарной силой тяжести ротора, при запуске и остановке компрессора и пониженная в связи с этим долговечность его осевых опор;
пониженная жесткость вала ротора компрессора в месте расположения бочки ротора приводного двигателя, приводящая к существенному снижению частоты собственных поперечных колебаний ротора компрессора и ограничению его рабочей частоты вращения;
повышенная трудоемкость изготовления и динамической балансировки ротора компрессора;
неудовлетворительные пусковые свойства компрессора в случае питания его приводного высокочастотного двигателя от группового источника, например, электромашинного преобразователя частоты.

Целями изобретения является обеспечение безаварийной работы при запуске и остановке компрессора и повышение долговечности его осевых опор; повышение рабочей частоты вращения ротора компрессора, упрощение его изготовления и динамической балансировки; улучшение пусковых свойств компрессора.

Достигается это тем, что в центробежном криогенном компрессоре содержатся рабочее колесо, диффузор, спиральная улитка и приводной высокочастотный электродвигатель, бочка ротора которого с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой расположена на едином с рабочим колесом валу, установленным вертикально на радиальных и осевых газодинамических опорах посредством подшипниковых щитов в едином корпусе, внутри которого расположены статор приводного электродвигателя и его принудительная система охлаждения; внутренняя поверхность магнитопровода статора и наружная поверхность магнитопровода бочки ротора приводного электродвигателя выполнены коническими с одинаковым углом конусности, величина которого определяется, исходя из требования выполнения в процессе запуска и остановки компрессора равенства абсолютных значений осевой электромагнитной силы, приложенной к бочке ротора со стороны статора приводного электродвигателя, и суммарной силы тяжести ротора компрессора, действующих по вертикали в противоположных направлениях; на время запуска компрессора производится перевозбуждение приводного электродвигателя, например, путем включения обмотки статора на меньшее, по сравнению с номинальным, число рабочих витков посредством дополнительных отводных концов от статорной обмотки и переключателя режима работы приводного электродвигателя, а на время остановки компрессора в обмотку статора подается постоянный ток от постороннего регулируемого источника.

Достигается это также тем, что бочка ротора приводного высокочастотного электродвигателя выполнена с явнополюсным массивным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой заодно целое с валом ротора компрессора из ферромагнитного материала осевой длиной, большей осевой длины магнитопровода статора; на наружной поверхности бочки ротора, обращенной к внутренней поверхности магнитопровода статора, выполнены глухие карманы в количестве, равном числу полюсов стороной обмотки, осевая длина которых равна осевой длине магнитопровода статора, а отношение длины по внешней окружности к полюсному делению статора составляет 0,4-0,6.

Достигается это тем, что бочка ротора дополнительно оснащена короткозамкнутой обмоткой, выполненной из немагнитного материала с малым электрическим сопротивлением, например, посредством заливки медью, стержни которой расположены в явновыраженных полюсах магнитопровода, а короткозамыкающие кольца размещены в кольцевых выточках, выполненных с торцевых сторон бочки ротора.

Для снижения газодинамических потерь и шума, набегающие в направлении вращения края явновыраженных полюсов магнитопровода бочки ротора приводного высокочастотного электродвигателя спрофилированы таким образом, чтобы эти края явновыраженных полюсов оказывали минимально возможно сопротивление газовому потоку при вращении ротора компрессора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый центробежный криогенный компрессор отличается тем, что внутренняя поверхность магнитопровода статора и наружная поверхность магнитопровода бочки ротора приводного электродвигателя выполнены коническими с одинаковым углом конусности, для обеспечения минимальной величины которого на время запуска и остановки компрессора производится перевозбуждение приводного электродвигателя.

Бочка ротора в зависимости от требуемых мощности и частоты вращения компрессора выполняется в различных вариантах:
с шихтованным магнитопроводом и коpоткозамкнутой обмоткой (по аналогии с прототипом);
с явнополюсным массивным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой, выполненными заодно целое с валом ротора компрессора из ферромагнитного материала с осевой длиной, большей осевой длины магнитопровода статора; явновыраженных полюса и короткозамкнутая обмотка образованы с помощью глухих карманов, осевая длина которых равна осевой длине магнитопровода статора, а отношение длины по внешней окружности к полюсному делению статора составляет 0,4-0,6;
с явнополюсным массивным магнитопроводом по п.2 и дополнительной короткозамкнутой обмоткой, выполненной из немагнитного материала с малым электрическим сопротивлением, стержни которой расположены в явновыраженных полюсах магнитопровода, а короткозамыкающие кольца размещены в кольцевых выточках, выполненных с торцовых сторон бочки ротора;
с явнополюсным массивным магнитопроводом по п.2 и 3, набегающие в направлении вращения края полюсов которого спрофилированы для сведения к минимуму их сопротивления газовому потоку при вращении ротора компрессора.

На фиг.1 дан разрез центробежного криогенного компрессора с показом исполнения бочки ротора приводного двигателя в двух вариантах; с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой ("Ш"); с явнополюсным массивным магнитопроводом с дополнительной короткозамкнутой обмоткой и профилированным краями полюсов ("М"); на фиг.2 разрезы по А-А и Б-Б при выполнении бочки ротора с явнополюсным магнитопроводом с дополнительной короткозамкнутой обмоткой и профилированными краями полюсов ("М"); на фиг.3 блок-схема электропривода центробежного компрессора в составе с источником питания (преобразователем частоты) и переключателем режима работы приводного электродвигателя компрессора; на фиг.4 качественные зависимости момент-скорость в случае выполнения бочки ротора с явнополюсным массивным магнитопроводом заодно целое с валом ротора компрессора: 1 с ферромагнитной короткозамкнутой обмоткой без дополнительной медной короткозамкнутой обмотки; 2 с дополнительной медной короткозамкнутой обмоткой без ферромагнитной короткозамкнутой обмотки; 3 ферромагнитной короткозамкнутой обмоткой и дополнительной медной короткозамкнутой обмоткой (результирующая характеристика "момент-скорость" приводного электродвигателя); 4, 5, 6 и 7 семейство нагрузочных характеристик компрессора.

Предлагаемый центробежный криогенный компрессор рассматривается на примере микрокомпрессора, бочка ротора приводного двигателя которого выполнена с явнополюсным массивным магнитопроводом заодно целое с валом ротора компрессора. Компрессор (фиг.1) содержит корпус 1, в котором посредством подшипниковых щитов 2 и 3 на радиальных газодинамических опорах 4, 5 и внутреннем подпятнике 6 осевой газодинамической опоры установлен в вертикальном положении вал 7 ротора компрессора. Непосредственно на валу 7 расположена бочка ротора "М" приводного электродвигателя с явнополюсным конусным массивным магнитопроводом 8 (фиг.2), выполненным заодно целое с валом 7, и двумя глухими карманами 9 (фиг.2, А-А), с помощью которых образованы два явновыраженных полюса 10 со спрофилированными в направлении вращения ротора компрессора _рккраями и ферромагнитная короткозамкнутая обмотка, стержнями которой являются явновыраженные полюса 10, а короткозамыкающими кольцами торцовые ферромагнитные части 11 (фиг.2, Б-Б) бочки ротора. Для улучшения пусковых свойств компрессора бочка ротора "М" оснащена дополнительной короткозамкнутой обмоткой, выполненной из немагнитного материала с малым электрическим сопротивлением, например, посредством заливки медью, стержни 12 (фиг.2, А-А) которой расположены в явновыраженных полюсах 10, а короткозамыкающие кольца 13 (фиг. 1) размещены в кольцевых выточках с торцовых сторон бочки ротора. Помимо бочки ротора "М" на валу 7 установлены рабочее колесо компрессора 14 и пята 15 осевой газодинамической опоры, в верхнюю часть которой встроен якорь 16 датчика скорости 17 с выводными концами 18, идущими к регистрирующему частоту вращения ротора компрессора прибору (на фиг.1 последний не показан). Датчик скорости 17 установлен на внутренней стороне крышки 19, крепящейся к корпусу 1. Там же установлен наружный подпятник 20 осевой газодинамической опоры ротора компрессора.

В корпусе 1 (фиг.1) установлен статор приводного двигателя компрессора, состоящий из шихтованного магнитопровода 21 с углом конусности внутренней поверхностиравным углу конусности наружной поверхности бочки ротора "М" и размещенной в пазах магнитопровода 21 трехфазной обмотки 22, выводные концы С1-С2-С3-С4-С5-С6 (фиг. 3) которой подключаются через переключатель режима работы приводного электродвигателя 23 к преобразователю частоты 24, например, электромашинного типа.

Для принудительного охлаждения статора приводного двигателя в корпусе 1 имеется винтовой канал 25, по которому циркулирует охлаждающий агент (жидкость или газ). Вход и выход охлаждающего агента на фиг.1 указаны стрелками.

Со стороны рабочего колеса 14 (фиг.1) на корпусе 1 установлена проточная часть компрессора 26, включающая в себя диффузор 27 и спиральную улитку 28. Вход и выход рабочего газа, например, гелия или азота, на фиг.1 указаны стрелками.

Компрессор работает следующим образом. Включают принудительную систему охлаждения статора приводного двигателя (фиг.1). На вход проточной части компрессора 26 подают рабочий газ, например, гелий или азот. Запускают электромашинный преобразователь частоты 24 (фиг.3). Переключатель режима работы 23 (фиг.3) из нейтрального положения включают в положение "Запуск". При этом к выходу преобразователя частоты 24 подключаются выводные концы С4-С5-С6 трехфазной обмотки 22 приводного двигателя. Благодаря увеличению рабочего магнитного потока из-за перевозбуждения приводного двигателя со стороны преобразователя частоты 24 (фиг. 3) и небольшому углу конусности (1-2^о) внутренней поверхности магнитопровода статора 21 (фиг.1) и наружной поверхности массивного магнитопровода 8 (фиг.2) бочки ротора "М" (фиг.1), возникает равновесие электромагнитной силы , приложенной к бочке ротора со стороны статора приводного двигателя, и суммарной силы тяжести ротора компрессора .

Возникшее состояние невесомости ротора компрессора приводит к разгрузке осевой газодинамической опоры, состоящей из внутреннего подпятника 6 и пяты 15 (фиг.1), на промежуток времени, в течение которого ротор компрессора под воздействием электромагнитного момента приводного двигателя (фиг.4, зависимость "момент-скорость" 3) разгоняется из неподвижного состояния до установившейся частоты вращения, равной синхронной частоте вращения n_с магнитного поля, создаваемого в рабочем зазоде δ (фиг.1) в результате протекания переменных токов с частотой f_вых преобразователя 24 в трехфазной обмотке 22 (фиг.3).

В момент выхода компрессора на синхронную частоту вращения n_c по команде, поступающей от регистрирующего прибора, связанного с датчиком скорости 17 (фиг.1), переключатель режима работы 23 (фиг.3) переводят в положение "Работа", при котором в результате подключения к выходу преобразователя частоты 24 выводных концов С1-С2-С3 трехфазной обмотки 22 рабочий магнитный поток в воздушном зазоре δ приводного двигателя (фиг.1) снижается до номинального значения, соответствующего значениям выходного напряжения U_вых и выходной частоты f_вых преобразователя 24 (фиг.3), уменьшается значение электромагнитной силы и приобретшая газодинамические свойства осевая опора, состоящая из подпятника 6 и пяты 15, нагружается силой, равной разности сил - (фиг.1).

Как это следует из фиг.4, приводной двигатель компрессора в процессе пуска до подсинхронной частоты вращения n_nc ведет себя как высокочастотный асинхронный двигатель с двумя короткозамкнутыми обмотками на бочке ротора: ферромагнитной обмоткой, выполненной заодно целое с валом ротора компрессора (пусковые свойства двигателя с такой обмоткой иллюстрируются зависимостью "момент-скорость" 1) и дополнительной медной обмоткой (пусковые свойства двигателя с такой обмоткой иллюстрируются зависимостью "момент-скорость" 2). Характеристика "момент-скорость" 3 приводного двигателя получается в результате суммирования электромагнитных моментов, возникающих на валу компрессора от взаимодействия токов, протекающих в каждой из указанных выше короткозамкнутых обмоток, с рабочим магнитным потоком в зазоре δ (фиг.1).

По достижении ротором компрессора подсинхронной частоты вращения n_nc приводной двигатель начинает вести себя как синхронный реактивный, поскольку на его валу появляется реактивный момент, равный согласно [3] при постоянстве тока в статорной обмотке
M_p= где θ угловое положение явновыраженных полюсов 10 магнитопровода ротора 8 (фиг.2) относительно полюсов магнитного поля статора;
W_к магнитная коэнергия.

В точке А (фиг.4) с помощью реактивного момента приводной двигатель компрессора переходит из асинхронного режима в установившийся синхронный режим, при котором после перевода переключателя режима 23 (фиг.3) в положение "Работа" электромагнитный момент на валу компрессора уравновешивается в точке Б внешним тормозным моментом, соответствующим номинальной нагрузочной характеристике компрессора 4 (на фиг.4 переход из точки А в точку Б указан стрелками), со стороны рабочего колеса компрессора 14 (фиг.1).

С помощью характеристик 5, 6, 7 на фиг. 4 иллюстрируются пусковые свойства приводного двигателя и его способность воспринимать нагрузку со стороны рабочего колеса компрессора; 5 нагрузочная характеристика, при которой приводной двигатель еще способен переходить из асинхронного режима (точка А) в синхронный режим (точка В); 6 предельная нагрузочная характеристика, при которой приводной двигатель выходит из синхронизма (точка Г, М= М_вых.) и не может войти в синхронизм, поскольку при повторном запуске ротор компрессора не достигает подсинхронной частоты вращения n_nc (точка D); 7 нагрузочная характеристика, при которой приводной двигатель способен переходить из асинхронного режима (точка Е) в синхронный режим (точка Ж) в случае отсутствия на его бочке ротора дополнительной медной короткозамкнутой обмотки.

С выходом ротора компрессора на установившуюся синхронную частоту вращения n_c практически прекращается его нагрев со стороны бочки ротора "М" (фиг. 1) приводного двигателя, поскольку при работе в синхронном режиме от электромашинного преобразователя частоты 34 (фиг.3) с синусоидальной формой выходного напряжения U_вых сводятся к минимуму джоулевы потери в ферромагнитной и дополнительной медной короткозамкнутых обмотках.

Благодаря повышению жесткости вала 7 (фиг.1) в месте расположения массивного ротора приводного двигателя (фиг.1, "М") по сравнению с вариантом исполнения компрессора с шихтованным ротором (фиг.1, "Ш") существенно повышаются частота собственных поперечных колебаний ротора компрессора и допускаемое значение его максимальной рабочей частоты вращения.

Наличие глухих карманов 9 (фиг.2, А-А) и явновыраженных полюсов 10 со спрофилированными в направлении вращения краями обеспечивает снижение газодинамических потерь и шума, поскольку при работе компрессора в карманах 9 образуется вакуум, а на спрофилированных краях полюсов 10 отсутствует турбулентность в набегающем на них газовом потоке.

Для остановки компрессора переключатель режима работы 23 (фиг.3) переводится в нейтральное положение, при котором трехфазная обмотка 22 отключается от электромашинного преобразователя частоты 24 и затем подключается к регулируемому источнику постоянного тока, например, регулируемому двухполупериодному полупроводниковому выпрямителю (на фиг.3 последний не показан).

В первоначальный момент по обмотке 22 (фиг.3) пропускается постоянный ток такой величины, при которой поддерживается равновесие сил и (фиг. 1). При этом происходит интенсивное электродинамическое торможение приводного электродвигателя до полной остановки ротора компрессора в строго определенной вертикальной плоскости пространства, определяемой положением явновыраженных полюсов бочки ротора "М" (фиг.1) относительно неподвижных полюсов магнитного поля, образованного в рабочем зазоре δ путем пропускания постоянного тока по статорной обмотке. Затем величина постоянного тока в обмотке 22 и соответствующая этому току электромагнитная сила плавно снижаются до нуля, в результате чего обеспечивается безударная посадка невращающегося ротора компрессора в исходное (перед запуском) положение на внутренний подпятник 6 осевой газодинамической опоры (фиг.1).

По завершении выполнения перечисленных выше операций обмотка 22 (фиг.3) отключается от источника постоянного тока, прекращается подача на вход проточной части компрессора 26 (фиг.1) рабочего газа и выключается принудительная система охлаждения статора приводного двигателя.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения складывается из следующих основных составляющих:
снижения приблизительно в два-три раза расходов, связанных с заменой осевых газодинамических опор и ремонтами компрессора;
снижения приблизительно на 25-30% трудоемкости изготовления и динамической балансировки ротора компрессора;
исключения расходов, связанных с приобретением, установкой и эксплуатацией индивидуального источника питания (преобразователя частоты) приводного двигателя компрессора.

Использование: изобретение относится к криогенной технике и может быть применено в центробежных криогенных компрессорах на газовых опорах. Сущность изобретения: компрессор содержит корпус 1, подшипниковые щиты 2 и 3; на радиальных газодинамических опорах 4 и 5 и подпятнике 6 установлен вал 7 ротора компрессора. На валу 7 расположена бочка ротора приводного электродвигателя с массивным магнитопроводом и двумя глухими карманами, с помощью которых образованы два явно выраженных полюса; торцовые части бочки ротора являются короткозамыкающими кольцами ферромагнитной короткозамкнутой обмотки; имеется дополнительная короткозамкнутая обмотка со стержнями и короткозамыкающими кольцами 13. Кроме того, на валу 7 установлены рабочее колесо компрессора 14 и пята 15 осевой газодиномической опоры с якорем 16 датчика скорости 17 с выводными концами 18. К корпусу крепится крышка 19, на внутренней стороне которой находится подпятник 20. Статор приводного двигателя компрессора, установленный в корпусе, состоит из шихтованного магнитопровода 21 и размещенной в пазах магнитопровода трехфазной обмотки 22, выводные концы которой подключаются через переключатель режима работы приводного электродвигателя к преобразователю частоты . В корпусе имеется также винтовой канал 25 для циркуляции охлаждающего агента, со стороны рабочего колеса на корпусе установлена проточная часть компрессора 26, включающая в себя диффузор 27 и спиральную улитку 28. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КРИОГЕННЫЙ КОМПРЕССОР, содержащий рабочее колесо, диффузор, спиральную улитку и приводной высокочастотный электродвигатель, бочка ротора которого расположена на едином с рабочим колесом валу, установленном вертикально на радиальных и осевых газодинамических опорах посредством подшипниковых щитов в едином корпусе, в котором расположены статор приводного электродвигателя и его принудительная система охлаждения, отличающийся тем, что бочка ротора приводного высокочастотного электродвигателя выполнена с явнополюсным массивным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой за одно целое с валом ротора компрессора из ферромагнитного материала с осевой длиной, большей осевой длины магнитопровода статора, на наружной поверхности бочки ротора, обращенной к внутренней поверхности магнитопровода статора, выполнены глухие карманы в количестве, равном числу полюсов статорной обмотки, осевая длина которых равна осевой длине магнитопровода статора, а отношение длины по внешней окружности к полюсному делению статора составляет 0,4 0,6. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что бочка ротора приводного высокочастотного электродвигателя дополнительно оснащена короткозамкнутой обмоткой, выполненной из немагнитного материала с малым электрическим сопротивлением, например, посредством заливки медью, стержни которой расположены в явновыраженных полюсах магнитопровода, а короткозамыкающие кольца размещены в кольцевых выточках, выполненных с торцевых сторон бочки ротора. 3. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что набегающие в направлении вращения края явновыраженных полюсов магнитопровода бочки ротора приводного высокочастотного электродвигателя спрофилированы, например, путем скругления кромок так, чтобы оказывать минимально возможное сопротивление газовому потоку при вращении ротора компрессора.