ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2006 года по МПК F04D25/02 

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к газоперекачивающим агрегатам магистральных трубопроводов.

Известен компрессорный агрегат, содержащий приводной электродвигатель со статором и ротором, центральный винт, выполненный полым, статор электродвигателя размещен в его полости по оси, а ротор - в теле винта [1].

Известен компрессорный агрегат, содержащий корпус с размещенными в нем взаимодействующими роторами, на конце вала каждого из которых закреплен поршень, расположенный в разгрузочной камере корпуса, и маслонасос, причем в золотнике регулятора производительности выполнена проточка, сообщенная с надпоршневой полостью разгрузочной камеры и подключенная к маслонасосу [2]. Оба эти агрегата не обеспечивают достаточной надежности при работе системы смазки.

Наиболее близким техническим решением из известных к предложенному компрессорному агрегату является газоперекачивающий маслозаполненный компрессорный агрегат, содержащий компрессор с двигателем, рабочей полостью, сообщенной с всасывающей и нагнетательной камерами, и масляную систему [3].

В известном агрегате при работе компрессора возникают значительные усилия, вызывающие разрушение подшипников и другие дефекты, такие как завышенный объем масла в баках для смазки и охлаждения.

Технической задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Это достигается в газоперекачивающем маслозаполненном компрессорном агрегате, содержащем компрессор с двигателем, рабочей полостью, сообщенной с всасывающей и нагнетательной камерами, масляной системой и, по меньшей мере, двумя ведущими винтами, установленными на подшипниковых опорах, взаимодействующими с ведомым винтом, жестко укрепленным по оси винтовой камеры, выполненной в полости короткозамкнутого ротора типа двойной "беличьей клетки" упомянутого двигателя, причем масляный бак для приема атмосферного воздуха сообщен с всасывающей камерой компрессора и имеет горловину для заливки масла и воздушный фильтр, с нагнетательной камерой компрессора также сообщен масляный бак для приема сжатого воздуха, имеющий редукционный клапан и манометр, а в его объеме выше ведомого винта расположена наклонная сетка маслоотделителя с установленным под ней отбойником, причем в нижней части обоих баков выполнены вентиляционные каналы в виде труб, а сами баки сообщены друг с другом двумя байпасными линиями с размещенной на них запорной арматурой.

Кроме того, компрессор выполнен из трех секций: первая секция (правый полувал) - нагнетатель "рабочего тела", вторая секция (ротор электродвигателя) - запорный механизм между первой и третьей секциями, третья секция (левый полувал) - для формирования "рабочего тела" до заданных параметров.

Ведущие и ведомый винты выполнены многозаходными в форме цилиндра или в форме усеченного конуса и обращены своими вершинами в противоположные стороны.

Для снижения шума винты армированы полимерным материалом, например полистиролом.

Полную очистку воздуха от паров масла и воды ведут в верхней части масляного бака, сообщенного с нагнетательной камерой, и двух ресиверах, установленных горизонтально с образованием рамного основания или раздельно друг от друга и имеющих разъем по осевой линии с размещенным в нем фильтрующим элементом.

На фиг.1 изображена схема газоперекачивающего маслозаполненного компрессорного агрегата; на фиг.2 - 5 - варианты расположения ведомого и ведущих винтов компрессора.

Агрегат содержит компрессор 1 с двигателем 2, рабочей полостью 3, сообщенной с всасывающей и нагнетательной камерами 4 и 5 (соответственно правой и левой), масляной системой и, по меньшей мере, двумя ведущими винтами 6, установленными на подшипниковых опорах 7, взаимодействующими с ведомым винтом 8, жестко укрепленным по оси винтовой камеры 9, выполненной в полости короткозамкнутого ротора 10 типа двойной "беличьей клетки" упомянутого двигателя 2, причем масляный бак 11 для приема атмосферного воздуха сообщен с всасывающей камерой 4 компрессора 1 и имеет горловину 12 для заливки масла и воздушный фильтр 13. С нагнетательной камерой 5 компрессора 1 также сообщен масляный бак 14 для приема сжатого воздуха, имеющий редукционный клапан 15 и манометр 16.

В объеме масляного бака 14 выше ведомого винта 8 расположена наклонная сетка маслоотделителя 16 с установленным под ней отбойником (на чертеже не показан), причем в нижней части обоих баков 11 и 14 выполнены вентиляционные каналы в виде труб 17, а сами баки 11 и 14 сообщены друг с другом двумя байпасными линиями 18 с размещенной на них запорной арматурой 19.

Компрессор 1 выполнен из трех секций: первая секция 20 (правый полувал) (см. фиг.1), вторая секция 21 (ротор электродвигателя), третья секция 22 (левый полувал) (см. фиг.1).

Кроме того, имеются два ресивера (на фиг. не показано), установленные горизонтально с образованием рамного основания 23.

Воздух в ресивер отводится по трубе 24, а на выходе из рабочей полости 3 в масляном баке 14 установлен обратный клапан 25.

Агрегат работает следующим образом.

Газ поступает в компрессор 1 через всасывающий патрубок всасывающей камеры 4, сжимается вместе с маслом между зубьями винтов 6 и 8, которые образуют со стенками ротора 10 винтовую камеру 9. При вращении винтов 6, 8 объем камеры 9 увеличивается и происходит процесс всасывания. Когда объем камеры 9 достигает максимума, процесс всасывания заканчивается и камера оказывается изолированной стенками ротора 10 и крышек от всасывающей и нагнетательной камер 4 и 5.

При дальнейшем вращении во впадину ведомого винта 8 начинает внедряться сопряженный выступ ведущего винта 6. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется к нагнетательному окну 26 нагнетательной камеры 5. С некоторого момента времени обе винтовые поверхности объединяются в общую полость, объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии контактирования сопряженных элементов в направлении к нагнетательному окну 26. Дальнейшее вращение винтов 6, 8 приводит к вытеснению газа из полости в нагнетательную камеру 5.

В начальный момент времени воздух с маслом (смесь) в рабочую полость подается нагнетателем 27 (специальное устройство, имеющее эксцентричные полости), вращающимся совместно с ротором 10.

Далее, при выходе агрегата на рабочий режим действует и принцип инжекции, скорость и объем воздушно-масляного потока, проходящего через нагнетатель 27 значительно возрастают и несколько избыточны.

Компрессор 1 выполняется из трех секций.

Каждая секция может работать самостоятельно. Но это единое целое и конструктивно сформированная машина с высокими технико-экономическими показателями.

Первая секция 20 (правый полувал) выполняет роль нагнетателя "рабочего тела" (воздуха с маслом) до необходимых предварительных рабочих параметров.

Вторая секция 21 (ротор 10 электродвигателя 2) выполняет роль запорного механизма для "рабочего тела" между первой и третьей секциями, т.е. перетекание "рабочего тела" из третьей в первую секцию исключено.

Третья секция 22 (левый полувал) формирует "рабочее тело" до заданных параметров.

Конструкция центрального винта 8 (ведомого) не зависит от количества ведущих винтов 6. Исполняется ведомый (центральный) винт 8 из двух или трех частей. При работе компрессора ведущие винты 6 обегают ведомый 8. Ведомый 8 (центральный) не вращается, т.е. застопорен. Винты 6, 8 многозаходные.

Данная конструкция компрессора полностью освобождена от "паразитных" нагрузок и имеет значительно малую металлоемкость.

Разделение рабочей полости 3 на три секции позволяет выполнить ведущие винты 6 как цилиндрической формы, так и в форме усеченного конуса с малым углом к основанию.

Винты в форме усеченного конуса более стойко воспринимают осевые и радиальные усилия и проще в процессе сборки и, что не менее важно, позволяют изготовить винты с относительно малым диаметром. Вершины ведущих винтов 6 и вершина ведомого винта 8 противоположны.

Наиболее приемлемы винты в форме усеченного конуса для машин малой и большой мощности.

Работа "классического" компрессора основана на продавливании некоторого объема воздуха с маслом (в отрезок времени) в зоне контакта ведомого 8 и ведущего 6 винтов и корпуса.

Эта зона в конечном итоге представляет ограниченную плоскость (рабочая поверхность). При установке трех и более винтов количество ограниченных плоскостей возрастает. Следовательно, суммарная рабочая поверхность будет равна сумме поверхностей контактных пар (ведомый - ведущий винт). В то же время, если утечка воздуха в первой секции неизбежна, то из третьей абсолютно исключена.

Эти и другие изменения позволяют выполнить компрессор в малых общих габаритах. Резкое снижение металлоемкости и изменение системы охлаждения исключают вспомогательное оборудование. Система управления работой компрессора сохраняется.

В зависимости от условий эксплуатации, мощности и назначения можно применять двигатели с короткозамкнутым или с фазным ротором. Роль боковых крышек двигателя (подшипниковых щитов) выполняют стенки правого и левого баков. Это позволяет значительно улучшить тепловой режим. Ротор от прикосновения (по условиям безопасности) закрыт кожухом с двух торцевых сторон корпуса двигателя.

При установке (эксплуатации) компрессора в среде опасной по газу и пыли конструкции стенки правого и левого баков несколько отличны (искра, взрывозащищенное исполнение).

В производстве, где требуется дозированный объем воздуха в каждый конкретный момент времени, необходимо применять двигатель постоянного тока или двигатель с фазным ротором. Компрессоры, выполненные на базе явно полюсных двигателей, дешевле в производстве аналогичных по мощности не явно полюсных (касается крупногабаритных машин).

Электродвигатели выполняются с ротором специальной конструкции без увеличения стоимости. С изменением конструкции ротора меняется охлаждение. Поток воздуха замещается воздушно-маслянным (40%/60%) потоком, проходящим по винтовой камере, и охлаждение идет более интенсивно.

Ротор 10 двигателя 2 одновременно исполняет и функции корпуса винтовой камеры 9 одновинтового компрессора или секцию при установке нескольких винтов.

Полости, где установлены винты, в том числе и центральный, соединены с ротором в единый общий узел и имеют одну окружную скорость.

Ротор 10 двигателя 2 выполнен с двойной "беличьей клеткой" с короткозамкнутыми кольцами. Такой двигатель дороже по стоимости, но более долговечен и обладает лучшими пусковыми характеристиками.

Запуск электродвигателя несколько затруднен (для чего и принимается двигатель с двойной "беличьей клеткой"). После выхода на рабочий режим на ротор 10 действует суммарный крутящий момент (ЭДС электродвигателя + кинетическая энергия и т.д.).

В зависимости от конструкции (геометрии) винта (винтов) машина может работать в качестве компрессора или высоконапорного насоса. При выполнении обратимой машины правый и левый полувалы одинаковы по конструкции.

При работе в качестве насоса наличие винтов более трех экономически не рационально. Это определяется вязкостью материала и температурными характеристиками.

Оснастка компрессора в своем составе имеет систему воздухоприемника, совмещенную с масляным баком, систему нагнетания с очисткой воздуха от масла, также совмещенную с масленым баком.

Для уплотнения, смазки и охлаждения компрессора применяется масло или эмульсия. Объем масла в каждом баке определяется мощностью машины и температурными характеристиками масла.

Масляный бак 11 с воздушным фильтром 13 установлен со стороны всасывания. Со стороны нагнетания также установлен бак 14, в котором смонтирована сетка выше центрального винта 8 для отделения крупных капель масла из воздушного потока.

Масло заливается в оба бака. Прямого сообщения с атмосферой баки 11 и 14 не имеют (через клапаны и воздушные фильтры). Охлаждение масла происходит за счет естественной циркуляции воздуха через вентиляционные каналы, выполненные в виде труб 17 в нижней части баков 11 и 14.

Частичное отделение жидкой фазы масла происходит за счет резкого поворота потока масловоздушной смеси отбойником, направленным вниз, и соударения с сеткой, натянутой под углом выше отбойника.

Масло, прошедшее частичное отделение от воздуха, стекает вниз. Для перетока масла в правый масляный бак 11 выполняются две байпасные линии 18 из труб расчетного диаметра. В нерабочем состоянии уровень масла в обоих баках одинаковый (сообщающиеся сосуды). Во время работы в левом баке 14 создается давление и это позволяет перетекать маслу в правый бак 11 без принудительного механизма. Объем перетекания масла регулируется кранами, установленными на байпасных линиях, т.е. уровень масла поддерживается автоматически.

Полная очистка воздуха от паров масла и воды происходит в правом баке 11 и в 2-х ресиверах. Ресиверы установлены горизонтально (исполняют функции рамного основания 23 или установлены отдельно) и имеют разъем по осевой линии, где вмонтирован фильтрующий элемент (на фиг. не показан).

Путь воздуха: - частично очищенный воздух от масла и влаги из левого бака 14 поступает в первый ресивер, скапливается в верхней части ресивера и поступает вниз второго ресивера, полностью очищается от паров масла и влаги - далее потребителю.

Относительно малые механические нагрузки на винты позволяют применить армирование винтов полимерными материалами (полистирол). Это резко снижает шум при работе машины и увеличивает ремонтоспособность (т.е. возможность дешевой реставрации винтов).

При работе компрессора возникают значительные усилия, вызывающие разрушение подшипников и другие дефекты.

В некоторых случаях для снятия этих усилий ставят два подшипника рядом - роликовый и радиально-упорный, пружинные шайбы, пружины и т.д.

Для снятия нагрузок с подшипников устанавливается "гидравлическая подушка" (на схеме не показана), принимающая радиальные и осевые нагрузки. "Подушка" заряжается маслом при изготовлении. Она принимает динамические и статические нагрузки, постоянно удерживает наружную обойму радиально-упорного подшипника (одного) в заданных параметрах. Опорный подшипник с другой стороны винта - шариковый, более легкой серии.

Основная работа "гидравлических подушек" происходит в момент запуска компрессора, далее давление (сжатие масла) выравнивается и зависит только от температуры масла. Чем выше температура масла, тем жестче работают подушки и винт постоянно находится в зафиксированном (расчетном) положении. "Рабочая поверхность" продолжительное время сохраняет свою площадь. Это в свою очередь позволяет стабилизировать температуру масла и объем (производительность и давление) воздуха.

Источники информации

1. SU 641159 А, МПК 7 F 04 С 23/02, оп. 1979.

2. SU 1679059 А1, МПК 7 F 04 С 29/02, оп. 1991.

3. SU 1719720 A1, МПК 7 F 04 D 25/00, 1992.

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к газоперекачивающим агрегатам магистральных трубопроводов, и позволяет повысить КПД компрессора до 85%, увеличить срок работы и повысить ремонтноспособность. Это достигается тем, что ведомый винт компрессора размещен в винтовой камере ротора электродвигателя типа двойной «беличьей клетки», причем масляный бак для приема атмосферного воздуха сообщен с всасывающей камерой компрессора, с нагнетательной камерой компрессора также сообщен масляный бак для приема сжатого воздуха, а в его объеме выше ведомого винта расположена наклонная сетка маслоотделителя с установленным под ней отбойником, причем в нижней части обоих баков выполнены вентиляционные каналы в виде труб, а сами баки сообщены друг с другом двумя байпасными линиями с размещенной на них запорной арматурой. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газоперекачивающий маслозаполненный компрессорный агрегат, содержащий компрессор с двигателем, рабочей полостью, сообщенной с всасывающей и нагнетательной камерами, масляной системой и, по меньшей мере, двумя ведущими винтами, установленными на подшипниковых опорах, взаимодействующими с ведомым винтом, жестко укрепленным по оси винтовой камеры, выполненной в полости короткозамкнутого ротора типа двойной «беличьей клетки» упомянутого двигателя, причем масляный бак для приема атмосферного воздуха сообщен с всасывающей камерой компрессора и имеет горловину для заливки масла и воздушный фильтр, с нагнетательной камерой компрессора также сообщен масляный бак для приема сжатого воздуха, имеющий редукционный клапан и манометр, а в его объеме выше ведомого винта расположена наклонная сетка маслоотделителя с установленным под ней отбойником, причем в нижней части обоих баков выполнены вентиляционные каналы в виде труб, а сами баки сообщены друг с другом двумя байпасными линиями с размещенной на них запорной арматурой.2. Компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что компрессор выполнен из трех секций: первая секция (правый полувал) - нагнетатель «рабочего тела», вторая секция (ротор электродвигателя) - запорный механизм между первой и третьей секцией, третья секция (левый полувал) - для формирования «рабочего тела» до заданных параметров.3. Компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что ведущие и ведомый винты выполнены многозаходными в форме цилиндра или в форме усеченного конуса и обращены своими вершинами в противоположные стороны.4. Компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что для снижения шума винты армированы полимерным материалом, например полистиролом.5. Компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что полную очистку воздуха от паров масла и воды ведут в верхней части масляного бака, сообщенного с нагнетательной камерой, и двух ресиверах, установленных горизонтально с образованием рамного основания или раздельно друг от друга и имеющих разъем по осевой линии с размещенным в нем фильтрующим элементом.