ТУРБОАГРЕГАТ КОМПРЕССОРНО-НАСОСНЫЙ Российский патент 1999 года по МПК F25B1/53 F04D29/58 

Изобретение относится к холодильной технике, а более конкретно к устройству малорасходных турбокомпрессоров, которые могут быть использованы для систем кондиционирования воздуха, для охлаждения электронной аппаратуры, а также в комбинированных абсорбционно- компрессорных установках.

Известны центробежные фреоновые компрессоры с приводом от фреоновой турбины. Особенность данной конструкции заключается в том, что приводной элемент - рабочее колесо турбины, находится на одном валу с рабочим колесом компрессора и они зафиксированы консольно на концах вала. [Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - Л.: Судостроение, 1972, 399 - 491 с.]. Результаты испытаний подобных агрегатов показали, что наиболее существенный недостаток турбохолодильных машин - относительная сложность, и, следовательно, повышенная стоимость изготовления. Это снижает эффективность использования агрегатов.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является турбоагрегат с электродвигателем промышленной частоты, в частности четырехступенчатый турбокомпрессор со встроенным электродвигателем. Он состоит из герметичного корпуса, электродвигателя, подшипников и двух пар, консольно закрепленных рабочих компрессорных колес на общем валу. Вал компрессора вращается в опорах скольжения; нижняя часть подшипниковых камер сложной конфигурации заполнена маслом; смазка осуществляется разбрызгиванием. Для поддержания постоянной температуры масла в масляные ванны встроены водяная рубашка и электрический подогреватель. Рабочие колеса выполнены с зауженным входом и малой относительной шириной лопаток. [Баренбойм А. Б. Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры. - М.: Машиностроение, 1974,с.177 -180.].

Одним из основных недостатков данного устройства является смазывание подшипников скольжения разбрызгиванием масла из ванн. Известно, что взаимодействие масел с хладагентами существенно ухудшает смазывающую и уплотняющую способность смазок. И как бы ни была высока эффективность газодинамических и гидродинамических уплотнений, в любом случае имеет место унос масла из корпуса компрессора в испарительную часть холодильной машины, снижающий эффективность холодильного цикла, что в конечном результате значительно снижает эффективность работы турбоагрегата.

Анализ результатов эксплуатационной практики показал, что другим существенным недостатком является сравнительно большие габариты и масса. Это вызвано сложной конфигурацией корпуса агрегата, обусловленной размещением подшипниковых масленых ванн в его внутренней части. В громоздкие подшипниковые масленые ванны встроены водяные рубашки, требующие индивидуального подвода охлаждающей воды. Здесь же установлен и электрический нагреватель, требующий подвода электропитания. При работе же агрегата требуются соответствующие расходы воды и электроэнергии.

В дополнение к указанным недостаткам необходимо учесть и необходимость размещения в агрегате индивидуальной системы охлаждения встроенного электродвигателя.

Таким образом, конструкция указанного турбоагрегата сложна в изготовлении и эксплуатации.

Указанные недостатки полностью отсутствуют у предлагаемого технического решения.

При создании изобретения ставилась задача повышения эффективности работы турбоагрегатов за счет комплексного перевода режимов работы систем смазывания и охлаждения на принципиально новое рабочее тело - жидкий хладагент и расширения диапазона его применимости в холодильной технике.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, включающее герметичный корпус, электродвигатель, снабженный рубашкой охлаждения, с валом, подшипники скольжения, две пары рабочих компрессорных колес и систему смазки дополнительно включены пара рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным, а в системе смазки использован жидкий хладагент.

Дополнительная пара рабочих колес выполнена и установлена таким образом, что его всасывающая полость связана через систему осерадиальных каналов и уплотнительную головку с резервуаром с жидким хладагентом, а нагнетательная - с жидкостными магистральными трубопроводами холодильной машины, а также через систему патрубков и подсоединительную колонку с рубашкой охлаждения электродвигателя и системой охлаждения и смазки подшипников, работающих в режиме смазывания хладагентом.

Отличительные признаки заявляемого технического решения - турбоагрегат снабжен дополнительной парой рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным позволяет расширить диапазон применимости конструкции в двух направлениях. Во-первых, добавление центробежного компрессорного колеса увеличивает степень повышения давления в компрессорной части агрегата и соответственно позволяет снизить давление кипения хладагента в испарительной системе холодильной машины, что является немаловажным положительным фактором (применительно к подобным агрегатам). Во-вторых, установка насосного колеса решает проблемы смазывания жидким хладагентом специальных подшипников скольжения; охлаждения встроенного электродвигателя и самое главное обеспечивает циркуляцию хладагента по магистральным жидкостным трубопроводам, входящим в состав холодильной машины. Это говорит о том, что расширяется область применения агрегата. Он может быть применен в насосных схемах, либо в схемах со значительной длиной трубопроводов, либо для перекачки жидкости из одного аппарата в другой и других технологических операций. Кроме того, наличие насосного колеса в турбоагрегате, имеющего нагнетательную полость, связанную через систему патрубков и подсоединительную колонку с рубашкой охлаждения электродвигателя и системой охлаждения и системой смазки подшипников позволили применить вместо смазочного масла жидкий хладагент. Использование жидкого хладагента в предлагаемом техническом решении дает следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- полностью отсутствует смазочное масло, унос которого в испарительную систему холодильной машины снижает холодопроизводительность цикла;
- полностью отсутствует вода, унос которой в систему может привести к замораживанию регулирующих органов;
- отсутствует необходимость подогрева смазочных жидкостей;
- в агрегате используется только одно рабочее тело - жидкий хладагент;
- свободное пространство масленых ванн с водяными банями заполнено рабочими колесами, позволяющими перевести работу турбоагрегата на один тип рабочего тела;
- увеличена степень повышения давления за счет возрастания числа ступеней;
- значительно расширен диапазон применимости турбоагрегата, заявляемый турбоагрегат может использоваться не только в технике кондиционирования воздуха, как прототип, но и в холодильной технике.

На фиг. 1 А и фиг. 1 Б представлен предлагаемый турбоагрегат, который содержит герметичный корпус 1 со встроенным электродвигателем 2 (частота 50 Гц). По три рабочих колеса, причем колеса 3, 4 являются компрессорными, а колесо 5 - насосного типа консольно закреплены на выходных концах вала 6. Вал 6 установлен в осерадиальных подшипниках скольжения 7, 8, которые смазываются жидким хладагентом. Особенность конструкции вала 6 заключается в том, что он имеет систему осерадиальных каналов для подвода жидкого хладагента во всасывающую полость колеса 5, в том числе сквозной радиальный канал 9 и осевой канал 10 с винтовой канавкой (на чертеже не обозначена), интенсифицирующей перемещение жидкости. В осевом канале 10 при помощи резьбы зафиксирована выходная часть полого участка 11 вала 6, входящего в состав специальной уплотнительной головки 12, и неподвижные штуцеры 13, 14. В состав головки 12 входят: подшипник качения 15, неподвижное уплотнительное кольцо 16, вращающееся контркольцо 17. Штуцеры 13,14 снабжены уплотнительным устройством 18, которое через соответствующие запорно-регулирующую арматуру и трубопровод связаны с резервуаром с жидким хладагентом (запорно-регулирующая арматура, трубопровод и резервуар не являются предметом заявки). Перед колесом 5 насосного типа установлен закрепленный в герметичном корпусе 1 улиткообразный расширяющийся канал вставки 19. Выходной патрубок 20 конструктивно соединен трубой 21 с подсоединительной колонкой 22, которая в свою очередь посредством трубы 23 и отверстия 24 соединена с внутренней полостью 25 рубашки охлаждения электродвигателя 2. Внутренняя полость 25 имеет сливное отверстие 26 и специальные каналы 27,28 в подшипниковых вставках 29, соединяющие ее с подшипниками скольжения 7,8. Подшипниковая вставка 29 имеет отверстие 30, соединяющее внутреннюю полость агрегата с трубой 31, имеющей дроссельную шайбу (на чертеже не показана). В нагнетательной насосной полости предусмотрен фильтр, который на чертеже условно не показан.

Рассмотрим работу турбоагрегата без подключения к конкретному типу холодильной машины. Пуск производится при ручном обслуживании. Для предотвращения перегрузки электродвигателя необходимо чтобы при пуске давление в испарительной системе и во всасывающем трубопроводе компрессорной части было близким давлению всасывания при нормальной расчетной работе агрегата.

Пуск насосной части производится при закрытом вентиле на напорном трубопроводе, и полностью открытом вентиле на всасывающем трубопроводе для заполнения насосной части жидкостью. Переход к рабочему режиму работы осуществляется постепенным открытием вентиля на напорном трубопроводе. При этом жидкий хладагент поступает из резервуара (ресивера) по штуцерам 13, 14, снабженных уплотнительным устройством 18 в уплотнительную головку 12, которая обеспечивает герметичность корпуса 1 за счет входящих в ее состав подшипника качения 15, неподвижного уплотнительного кольца 16 и вращающегося контркольца 17 и через полый участок 11 вала 6 в осевой канал 10 с винтовой канавкой, интенсифицирующей процесс движения жидкости. Затем через сквозной радиальный канал 9 во всасывающую полость насосного колеса 5 выбрасывается из него с большой скоростью в улиткообразный расширяющийся канал вставки 19 герметичного корпуса 1 и по выходному патрубку 20 - в магистральный жидкостной трубопровод, который на чертеже не показан. Часть потока через сверление во фланце патрубка 20 перемещается по трубке 21 в подсоединительную колонку 22, а оттуда - по трубке 23 и сверлению 24 во внутреннюю полость рубашки охлаждения 25 электродвигателя 2. Здесь определенная часть потока отводит тепло, выделившееся из электродвигателя, а затем выходит из рубашки через патрубок с отверстием 26. Фиксированное количество жидкого хладагента поступает через специальные каналы 27, 28 в подшипниковых вставках 29 на смазку и охлаждение подшипников скольжения 7, 8, воспринимающих как радиальную, так и осевую нагрузку. Образовавшийся пар хладагента при работе опор отводится через паз с отверстием 30 в подшипниковой вставке 29, а затем по трубе 31 с дроссельной шайбой - во всасывающую полость компрессора. При установившемся режиме работы насосной части контролируется давление на всасывании; давление на нагнетании; уровень жидкости в колонке и перепад давления на всасывании и нагнетании.

Одновременно в момент пуска в компрессорной части пары хладагента из испарителя поочередно обегают рабочие поверхности компрессорных колес 4, 3, сжимаются и поступают в конденсатор холодильной машины (на чертеже не показаны).

При установившемся режиме работы выполняется противопомпажное регулирование и контролируются следующие параметры: температуру в подшипниках; температуру на всасывании и нагнетании; давление на всасывании; давление нагнетания паров хладагента.

Регулирование холодопроизводительности производится дросселированием потока на всасывании; регулирование производительности насосного колеса выполняется при помощи калиброванных шайб, либо перепуском части потока жидкости на всасывание. Для остановки компрессорно-насосного турбоагрегата отключается электродвигатель.

Преимущества турбокомпрессоров с приводом от электродвигателей промышленной частоты очевидны. Их масса в 3 раза меньше по сравнению с поршневыми. Минимальная долговечность подшипников составляет 7500 ч.

Комплексное агрегатирование компрессорной и насосной части позволило впервые перевести агрегат на один тип рабочего тела и расширить диапазон применимости в холодильной технике.

Изобретение относится и перекачке паров хладагента и может быть использовано в холодильной технике, в частности в системах кондиционирования воздуха для охлаждения электронной аппаратуры, а также в комбинированных абсорбционно-компрессорных установках. Турбоагрегат содержит герметичный корпус, электродвигатель, снабженный рубашкой охлаждения, с валом, подшипники скольжения, две пары рабочих компрессорных колес. В агрегат дополнительно включена пара рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным, а в системе смазки использован хладагент. Комплексное агрегатирование компрессорной и насосной частей позволяет перевести агрегат на один тип рабочего тела, полностью исключить присутствие смазочного масла и воды. 2 ил.

Турбоагрегат компрессорно-насосный, содержащий герметичный корпус, электродвигатель, снабженный рубашкой охлаждения, с валом, подшипники скольжения, две пары рабочих компрессорных колес и систему смазки, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен парой рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным, а в системе смазки использован жидкий хладагент.