ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2007 года по МПК F04D25/08 

Изобретение относится к центробежному компрессорному агрегату.

В частности, изобретение относится к центробежному компрессорному агрегату интегрированного типа, т.е. типу, в котором компрессор и приводной двигатель компрессора устанавливаются в общем газоплотном картере, управляемом компрессором.

Согласно фиг.1, в состав стандартного интегрированного насосного агрегата входит двигатель, как правило, представляющий собой приводной электрический двигатель, имеющий общее цифровое обозначение 10, центробежный компрессор 12, имеющий, например, несколько ступеней сжатия, при этом весь агрегат устанавливается в общем газоплотном картере, управляемом компрессором.

Как видно из фиг.1, двигатель 10 приводит во вращение ротор 16, который в свою очередь приводит ведомый вал 18, на котором крепится система колес с лопатками для обеспечения сжатия 20,22, 24 и 26.

Согласно примеру компрессорного агрегата, показанного на фиг.1, компрессор имеет четыре ступени сжатия, которые совместно обеспечивают сжатие газа, всасываемого через подводящий трубопровод 28, для его подачи на выходе 30 после прохождения через улитку 32.

Ротор 16 и ведомый вал 18 связаны между собой через гибкую муфту 34. В данном случае как ротор 16, так и ведомый вал 18 опираются на радиальные подшипники 36, 38, 40 и 42. Проем 44, выполненный в картере 14, закрытый заглушкой 46, обеспечивает доступ к гибкой муфте 34 для проведения монтажа компрессора.

На фиг.1 видно, что осевой упор 48 ограничивает осевое перемещение ведомого вала 18, тогда как уравновешивающий поршень 49 позволяет выровнять осевое давление, передаваемое на ведомый вал при работе компрессорного агрегата.

Реализация компрессорного агрегата в виде двигателя и компрессора, расположенных в общем герметичном картере под давлением, позволяет отказаться от применения уплотнительных прокладок компрессора, которые являются элементами, способными нарушить надежность компрессорного агрегата и быть источником утечки газа в атмосферу. В этом случае двигатель располагается в среде газа, подаваемого компрессором. Для того чтобы избежать значительного повышения механических потерь в двигателе за счет вентиляции, двигатель выполнен таким образом, что он находится под всасывающим давлением компрессора. Также необходимо предусмотреть циркуляцию газа в двигателе для отвода потерь, т.е. в статоре для исключения потерь за счет выделения джоулева тепла в катушках и в воздушном зазоре между ротором и статором, для исключения потерь за счет вентиляции и потерь за счет наведения вихревых токов в роторе.

Поэтому центробежные компрессорные агрегаты, как правило, оснащаются средствами охлаждения двигателя и направляющих подшипников за счет отбора газа на выходе из первой ступени сжатия для охлаждения двигателя и подшипников. В этой связи можно сослаться на патенты ЕР-А- 1 069 313 и US 6,390,789, в которых приводится описание различных типов компрессорных агрегатов, в которых охлаждение двигателя и подшипников осуществляется за счет отбора охлаждающего газа на выходе из первой ступени сжатия.

Тем не менее, такие способы охлаждения имеют ряд существенных недостатков, в частности, в силу того, что они не обеспечивают оптимального охлаждения двигателя и подшипников.

Задачей изобретения является частичное устранение этого недостатка и разработка компрессорного агрегата с улучшенными средствами охлаждения.

Таким образом, изобретение имеет задачей представить центробежный компрессорный агрегат типа включающего в себя вращающийся приводной двигатель, ротор и, как минимум, компрессор, имеющий корпус статора и систему колес с лопатками, установленными на приводимом во вращательное движение ведомом валу ротором корпусе статора, при этом в состав системы входит двигатель и компрессор, размещаемые в общем газоплотном картере в среде газа, подаваемого компрессором; кроме этого компрессорный агрегат предусматривает систему активных направляющих осевых и радиальных подшипников ротора и ведомого вала, а также средства охлаждения двигателя и направляющих подшипников за счет отбора газа, подаваемого компрессором на выход первой ступени сжатия, циркуляцию вышеуказанного газа через двигатель и через подшипники и обратный всас газа на входе компрессора.

В соответствии с общей характеристикой данного центробежного компрессорного агрегата, средства охлаждения имеют систему внутренних трубопроводов подачи охлаждающего газа к двигателю и подшипникам; расход охлаждающего газа в двигателе отличается от расхода охлаждающего газа в подшипниках, при этом оба расхода сходятся перед первой ступенью сжатия.

Было обнаружено, что такое размещение позволяет значительно улучшить охлаждение внутри компрессорного агрегата. По существу было обнаружено, что размер воздушного зазора в магнитных подшипниках относительно размера воздушного зазора в двигателе оказывает отрицательное влияние на охлаждение при использовании одного и того же расхода для охлаждения подшипников и двигателя и препятствует правильной циркуляции охлаждающего газа. По существу в двигателе имеют место более значительные потери, чем в подшипниках, поэтому для него требуется больший расход. Кроме этого, температура охлаждающего газа на выходе двигателя оказывает отрицательное влияние на охлаждение подшипников при использовании расхода охлаждающего газа на выходе двигателя для охлаждения подшипников.

Согласно другой характеристике изобретения, средства охлаждения, кроме этого, имеют наружные каналы для сбора газа на выходе из первой ступени сжатия и для подачи газа во внутренние трубопроводы, проложенные параллельно.

Согласно еще одному способу реализации, внутренние трубопроводы подачи охлаждающего газа к двигателю проложены параллельно с внутренними трубопроводами подачи охлаждающего газа к подшипникам.

Предпочтительно средства охлаждения имеют средства фильтрации газа, подаваемого компрессором.

Согласно другой характеристике компрессорного агрегата по изобретению, ведомый вал компрессора опирается своими концами на два радиальных подшипника, средства охлаждения имеют осевой трубопровод, который проложен от одного подшипника к другому подшипнику, и в который от одного из этих концов подается газ по наружным трубопроводам; вышеуказанный осевой трубопровод проходит в продольном направлении с внешней стороны компрессора.

Например, внутренние подающие трубопроводы к подшипникам имеют комплект трубопроводов, повернутых в наружном радиальном направлении в компрессоре, и обеспечивают подачу газа на каждый подшипник.

Согласно еще одной характеристике изобретения, охлаждающий газ подается в двигатель через отверстие, предусмотренное в концевой крышке и связанное с наружным трубопроводом.

Расход охлаждающего газа может перемешиваться с расходом охлаждающего газа на выходе из охлажденных подшипников за счет перемешивания с газом на выходе из внутренних трубопроводов.

Например, компрессорный агрегат имеет средства регулирования расхода, подаваемого на охлаждение, с одной стороны, двигателя и, с другой стороны, каждого подшипника.

Согласно еще одной характеристике изобретения, компрессорный агрегат имеет средства для сбора потока охлаждающего газа, поступающего от механизмов, расположенных со стороны уравновешивающего поршня.

Другие цели, характеристики и преимущества изобретения будут очевидны из нижеприведенного описания, которое дается исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылкой на чертежи, в числе которых:

фиг.1 изображает общую конструкцию стандартного интегрированного компрессорного агрегата;

фиг.2 - структурную схему центробежного компрессорного агрегата в соответствии с изобретением;

фиг.3 иллюстрирует способ реализации центробежного компрессорного агрегата в соответствии с изобретением;

фиг.4 - способ реализации компрессорного агрегата, выполненного в соответствии с изобретением;

фиг.5 - еще один способ реализации компрессорного агрегата, выполненного в соответствии с изобретением; и

фиг.6 - еще один пример реализации компрессорного агрегата, выполненного в соответствии с изобретением.

Со ссылкой на фиг.2 ниже приводится описание общего принципа реализации компрессорного агрегата в соответствии с изобретением. На фиг.2 для ясности показана одна ступень сжатия, при этом другие ступени сжатия не показаны. Тем не менее предполагается, что может предусматриваться любое количество ступеней сжатия, как это будет отмечено далее со ссылкой на фиг.3-6.

Компрессорный агрегат, показанный на фиг.2, имеет двигатель 50, представляющий собой, например, электрический двигатель с большой переменной скоростью, приводящий в движение ротор 52, который приводит с такой же скоростью ведомый вал 54, на котором установлены колеса с лопатками 56. Ротор 52 и ведомый вал 54 соединены гибкой муфтой 58. Таким образом, как ротор 52, так и ведомый вал 54 своими концами опирается на два радиальных подшипника, соответственно 60, 62 и 64, 66. Упор 67 ограничивает осевое перемещение ротора 54 при работе компрессора, на который действуют осевые усилия, возникающие при появлении перепада давления с одной и с другой стороны колеса с лопатками 56.

Колесо с лопатками 56 всасывает сжатый газ, подаваемый от подающего трубопровода 68 таким образом, чтобы увеличить его статическое давление, а также увеличить его кинетическую энергию. Диффузор 70 (фиг.3) замедляет расход газа на выходе из колеса с лопатками 56, повышая его давление. За колесом сбросной трубопровод 72 направляет газ в ступени сжатия 74...76, расположенные за колесом.

Как показано на фиг.2 и 3, для охлаждения двигателя 50, а также подшипников 60, 62, 64 и 66 и упора 67 ограничения осевого перемещения ротора 50 часть газа на выходе из первой ступени сжатия 56 отбирается и используется в качестве охлаждающего газа.

Эти различные элементы, а именно двигатель, подшипники и упор, охлаждаются с использованием различного расхода охлаждающего газа, т.е. параллельного расхода, обеспечиваемого трубопроводами 80-1, 80-2,...,80-6, входящими в систему наружных трубопроводов, собирающих газ на выходе из первой ступени сжатия 56 после того, как газ пройдет через набор фильтрующих элементов, таких как 82. В соответствии с конструкцией, при таком размещении в двигателе, с одной стороны, и в подшипнике, с другой стороны, обеспечивается параллельно раздельный расход охлаждающего газа, что позволяет преодолеть ограничения, связанные с размером воздушного зазора в магнитных подшипниках, с одной стороны, и в двигателе, с другой стороны.

Как видно на фиг.3, в соответствии с примером реализации статорная часть компрессора имеет патрубок 84, в который собирается среда, поступающая на выход из диффузора 70, которая проходит через кожух 86 компрессора. Для обеспечения собственно охлаждения двигателя и подшипников компрессорный агрегат имеет набор внутренних подающих трубопроводов, в которые газ подается соответственно от внешних трубопроводов 80-1,...,80-6. После прохождения через двигатель и подшипники охлаждающий газ собирается в центральном канале 88, выполненном в продольном направлении и связанном с подающим трубопроводом 68, расположенном перед первой ступенью 56 сжатия.

Для охлаждения двигателя 50 и концевых подшипников 60 и 62, на которые опирается ротор 52, концевая крышка 90, закрывающая кожух 86, имеет отверстие 92, связанное с соответствующим наружным трубопроводом 80-1. Часть этого охлаждающего расхода используется для охлаждения подшипника 60. Затем этот расход подается на охлаждение двигателя, проходя через воздушный зазор двигателя. Другая часть этого расхода непосредственно используется для охлаждения двигателя.

В другой внутренний трубопровод 94 газ подается из наружных каналов, предназначенных для охлаждения второго подшипника 62 двигателя.

Далее расход охлаждающего газа, предназначенный для охлаждения подшипников 60 и 62 и двигателя 60, подается в полость 85, в которой размещается гибкая муфта 58, которая закрыта герметичной заглушкой 96.

Далее, как показано стрелками F, газ отбирается внутренним трубопроводом 88 и подается перед первой ступенью сжатия 56.

Кроме этого, подшипники и упор охлаждаются расходом охлаждающего газа, подаваемого через концевую крышку 98, закрывающую соответствующий край кожуха 86. По существу на этой фигуре видно, что крышка 98 имеет отверстие 100, которое связано с соответствующим наружным трубопроводом 80-6. Этот расход охлаждающего газа, с одной стороны, охлаждает концевой подшипник 66, расположенный рядом с этой крышкой 98, и концевой подшипник 64, расположенный с противоположной стороны, через осевой трубопровод 104, который проложен в продольном направлении снаружи радиально между этими подшипниками 64 и 66, через элементы статора компрессора. Этот осевой трубопровод предназначен также для охлаждения упора 78. После этого расход газа вновь подается в трубопровод 88.

Следует также отметить, что отбор охлаждающего газа на выходе первой ступени сжатия позволяет получить менее горячий газ, чем, если бы его отбирали на выходе компрессора, что обеспечивает более эффективное охлаждение, ограничивая мощность, необходимую для сжатия, которую нужно развить для повышения уровня давления этого газа.

Кроме этого, такой отбор обеспечивает автономный источник подачи с момента запуска двигателя, при этом для ограничения потери нагрузки на допустимом уровне и для управления наружными каналами предусматриваются средства 105 регулирования расхода на охлаждение двигателя, с одной стороны, и на охлаждение подшипников, с другой стороны. Эти средства регулирования могут быть активными, типа регулирующего клапана, или пассивными, типа стационарной расходомерной шайбы.

Следует также отметить, что в примере реализации, приведенном на фиг.3, отсос газа в компрессор расположен со стороны электродвигателя. Принцип охлаждения, описание которого приводится выше, может также применяться для компоновки, при которой напор компрессора предусматривается со стороны двигателя. В этом случае расход охлаждающего газа на выходе двигателя или в целом механизмов, расположенных рядом с уравновешивающим поршнем 107, перемешивающийся с расходом газа на выходе из этого уравновешивающего поршня 107, затем подается в подающий трубопровод 68 по уравновешивающему каналу 108.

Для проведения технического обслуживания предусматривается герметическая заглушка 96, через которую обеспечивается доступ к гибкой муфте 58. Извлечение ротора из двигателя осуществляется путем снятия концевой крышки 90, которая, например, крепится к кожуху на болтах. Снятие внутренней части компрессора осуществляется путем снятия соответствующей крышки 98, которая, например, крепится к кожуху с помощью концевой шпонки 110. Преимущественно вся установка выполнена таким образом, чтобы узел ротор-диафрагмы, т.е. сборка всего компрессора могла извлекаться из кожуха одновременно с крышкой 98 без снятия кожуха с основания и технологических трубопроводов, а также охлаждающих каналов. Следует также отметить, что на этапах монтажа-демонтажа роторы опираются на свой подшипник, что облегчает операции соединения-разъединения без риска повредить вращающиеся детали и детали статора, которые могли бы при других обстоятельствах иметь контакт с роторами в ходе выполнения этих операций.

Наконец, следует отметить, что изобретение не ограничивается способами реализации в соответствии с приведенным описанием.

По существу, несмотря на то, что на фиг.2 и 3 показан центробежный насосный агрегат, имеющий интегрированный одноступенчатый компрессор, выполненный в линию с одной секцией сжатия с несколькими ступенями, изобретение также относится к другим типам насосных агрегатов, например, с двумя секциями S1 и S2 в линию, например, каждая из которых имеет две ступени, при этом каждая обеспечивает сжатие газа в соответствии со способом, показанным на фиг.4 и 5.

В этом случае на примере реализации, показанном на фиг.4, в кожухе предусматривается два входа E'1 и E'2 и два выхода S'1 и S'2 таким образом, что вход E'2 второй секции расположен рядом с выходом S'1 первой секции. Таким образом, в данном случае, как показано на фиг.4, первая ступень сжатия одной из секций S2 расположена напротив второй ступени сжатия другой секции S1.

И наоборот, как показано на фиг.5, для конфигурации, известной под названием «Back to Back», первые ступени сжатия каждой из секций S1 и S2 могут располагаться бок о бок. В данном случае выходы S'1 и S'2 из этих ступеней сжатия размещаются бок о бок, а входы E'1 и E'2 располагаются напротив друг друга.

Следует также отметить, как видно на фиг.6, что изобретение также относится к компоновке, при которой в общем корпусе устанавливаются двигатель 50 и два компрессорных агрегата G1 и G2, каждый из которых имеет соответствующие ступени сжатия S3, S4, S5, S6 и S'3, S'4, S'5, S'6, каждая из которых установлена на ведомом вале 54 и 54', соответственно, при этом эти валы крепятся с двух противоположных концов ротора 52 с помощью гибких муфт 58 и 58'.

Такое размещение двух компрессорных агрегатов может предусматриваться в соответствии с одной или другой схемой размещения, описание которой приводится со ссылкой на фиг.4 и 5.

При этих разных способах реализации применяются средства охлаждения двигателя и подшипников с использованием параллельного расхода охлаждающего газа.

Предлагаемое изобретение не требует применения раздельных охлаждающих жидкостей для двигателя и подшипников. Кроме этого, предусматривается автономное охлаждение электродвигателя, подшипников и магнитного упора с распределением расхода, необходимого для каждого из них; затем этот различный расход собирается для повторной подачи на вход в первую ступень сжатия.

Эти характеристики позволяют уменьшить размеры машины и упростить ее установку. Помимо этого, исполнение внутренних трубопроводов позволяет ограничить габаритные размеры наружных каналов.

Следует также отметить, что изобретение, описание которого приведено выше, позволяет ограничить утечки газа наружу. Помимо этого, повышается надежность в той степени, в которой предусматривается внутренняя фильтрация газа, подаваемого на охлаждение двигателя. Помимо этого, применение нескольких фильтрующих вкладышей, располагаемых параллельно и связанных с одним комплектом клапанов, позволяет производить замену вкладышей без остановки агрегата.

Наконец, изобретение не ограничивается способами реализации в соответствии с приведенным описанием.

По существу в описании, приведенном выше, средства фильтрации представлены в виде вкладышей, установленных на наружных трубопроводах. В качестве варианта можно также установить вкладыши внутри картера компрессорного агрегата в месте, обеспечивающем удобный к ним доступ, например, в зоне полости 95 таким образом, чтобы обеспечить доступ к муфте желательно под заглушкой.

Изобретение относится к центробежному компрессорному агрегату и позволяет отказаться от применения уплотнительных прокладок компрессора, которые являются элементами, способными нарушить надежность компрессорного агрегата и быть источником утечки газа в атмосферу. В состав настоящего центробежного компрессорного агрегата входит двигатель (50), приводящий во вращательное движение ротор (52) и по меньшей мере один компрессор, включающий в себя корпус статора и комплект колес с лопатками (56), установленными на ведомом валу, приводимом в движение ротором в корпусе статора, при этом вся установка состоит из двигателя и/или каждого компрессора, установленного в общем газоплотном картере (86) в среде газа, подаваемого компрессором; помимо этого, компрессорный агрегат содержит комплект активных направляющих осевых и радиальных подшипников (60, 62, 64, 66, 67) ротора и ведомого вала и средства охлаждения двигателя и направляющих подшипников за счет отбора газа, подаваемого компрессором, на выходе из первой ступени сжатия. Средства охлаждения включают в себя комплект внутренних трубопроводов (80-1, 80-2, 80-3, 80-4, 80-5, 80-6), подающих охлаждающий газ к двигателю и подшипникам; при этом расход охлаждающего газа к двигателю отличается от расхода охлаждающего газа к подшипникам и сходится в один поток перед первой ступенью сжатия. 9 з.п.ф-лы. 6 ил.

1. Центробежный компрессорный агрегат, включающий в себя двигатель (50), приводящий во вращательное движение ротор (52), и по меньшей мере один компрессор, в состав которого входят статор и набор колес с лопатками (56), установленных на ведомом валу, приводимом во вращательное движение ротором в корпусе статора, при этом установка состоит из двигателя и компрессора, установленного в общем газоплотном картере (86), через который подается газ компрессорной установкой; при этом компрессорный агрегат имеет комплект активных осевых и радиальных направляющих подшипников (60, 62, 64, 66, 67) ротора и ведомого вала, а также средства охлаждения двигателя и направляющих подшипников за счет отбора газа, подаваемого компрессором на выход из первой ступени (56) сжатия, при этом вышеуказанный газ проходит через двигатель (50) и подшипники и вновь подается на вход в компрессор, отличающийся тем, что средства охлаждения имеют комплект внутренних трубопроводов (88, 92, 94, 104), подающих охлаждающий газ к двигателю и подшипнику, причем расход охлаждающего газа в двигателе (50) отличается от расхода охлаждающего газа в подшипниках (60, 62, 64, 66) и сходится перед первой ступенью сжатия.2. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что средства охлаждения дополнительно содержат комплект наружных каналов (80-1, 80-2, 80-3, 80-4, 80-5, 80-6), которые собирают газ на выходе из первой ступени сжатия и подают его в параллельные внутренние трубопроводы.3. Центробежный компрессорный агрегат по п.2, отличающийся тем, что во внутренние трубопроводы (80-1, 80-2), подающие газ к двигателю, газ поступает параллельно по внутренним трубопроводам (80-3, 80-4, 80-5, 80-6), подающим охлаждающий газ к подшипникам.4. Центробежный компрессорный агрегат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что средства охлаждения содержат средства фильтрации (82) газа, подаваемого компрессором.5. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что ведомый вал компрессора опирается на два концевых радиальных подшипника (64, 66), при этом средства охлаждения содержат осевой трубопровод (104), который проложен от одного подшипника к другому подшипнику, и в который подается газ от одного из этих концов из наружных каналов, причем вышеуказанный осевой трубопровод, в целом, проходит в продольном направлении радиально снаружи компрессора.6. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что внутренние трубопроводы, подающие газ к подшипникам, содержат комплект трубопроводов (94), повернутых радиально наружу в компрессоре и подающих газ к каждому подшипнику.7. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что охлаждающий газ подается к двигателю через отверстие (92), выполненное в наружной крышке (90), связанной с наружным каналом.8. Центробежный компрессорный агрегат по п.7, отличающийся тем, что расход охлаждающего газа перемешивается с расходом охлаждающего газа на выходе из подшипников, охлажденных газом, поступающим из внутренних трубопроводов.9. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что он содержит средства регулирования расхода охлаждения (105), с одной стороны, для двигателя, и, с другой стороны, для каждого подшипника.10. Центробежный компрессорный агрегат по п.1, отличающийся тем, что он содержит средства (108) сбора расхода охлаждающего газа, подаваемого на механизмы, расположенные рядом с уравновешивающим поршнем (107).