УЗЕЛ ТУРБОКОМПРЕССОРА С ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2014 года по МПК F04D29/58 F04D17/12 F04D25/06 

Изобретение относится к узлу турбокомпрессора, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Известен узел турбокомпрессора, который содержит обычно ротор, опорную секцию, включающую подшипники и зазоры подшипников, секцию двигателя, имеющую двигатель со статором и зазором двигателя, и охлаждающую систему для охлаждения опорной секции и секции двигателя или других соответствующих компонентов узла. Такие охлаждающие системы включают обычно по меньшей мере один входной клапан для подачи сжатой охлаждающей текучей среды в опорную секцию и секцию двигателя через различные каналы для текучей среды в каждую секцию.

Такой узел турбокомпрессора известен из патента США № 6 464 469. Раскрытый в этом документе турбокомпрессор содержит радиальный турбокомпрессор, работающий в качестве охлаждающей системы, ротор, электродвигатель и опорную секцию, содержащую несколько электромагнитных радиальных подшипников. Турбокомпрессор включает входной и выпускной канал для текучей среды для соединения турбокомпрессора с возможностью пропускания текучей среды. Кроме того, турбокомпрессор включает входные клапаны для подачи охлаждающей текучей среды к радиальным и осевым подшипникам и затем в секцию электродвигателя. Это выполнение имеет тот недостаток, что требуется несколько потоков рециркуляции охлаждающей текучей среды для получения желаемого эффекта охлаждения.

В основном поток охлаждающей текучей среды через зазор двигателя определяется требуемым потоком охлаждения через зазоры подшипников. Однако в таком узле турбокомпрессора параметры, такие как давление, температура и т.д., в зазорах охлаждения в опорной секции могут отличаться от соответствующих параметров зазора двигателя. Это повышает поток охлаждающей текучей среды через секцию двигателя больше, чем это необходимо, что увеличивает потоки рециркуляции. Эти более высокие потоки рециркуляции в свою очередь снижают характеристики компрессора узла турбокомпрессора.

Задачей изобретения является улучшение эффективности узла турбокомпрессора посредством уменьшения потоков рециркуляции.

Эта задача решена с помощью узла турбокомпрессора согласно п.1 формулы изобретения.

Расположения дроссельного средства в узле турбокомпрессора для модуляции потока охлаждающей текучей среды из опорной секции в зазор двигателя позволяет сохранять больший поток в опорной секции, за счет чего исключается необходимость повышенной рециркуляции текучей среды через компрессорную секцию. Это в свою очередь улучшает эффективность узла турбокомпрессора.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения дроссельное средство расположено вблизи входа для потока охлаждающей текучей среды в зазор двигателя. Это ограничивает поток из канала текучей среды в зазор двигателя, что обеспечивает увеличение потока в опорную секцию.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения узел турбокомпрессора включает дополнительный вход для подачи сжатой охлаждающей текучей среды в зазор двигателя через дополнительный канал текучей среды, расположенный между опорной секцией и секцией двигателя, и соединение по текучей среде между каналом текучей среды и зазором двигателя, при этом дроссельное средство расположено так, что оно ограничивает поток через соединение по текучей среде. Это помогает достигать желаемого потока, требуемого для охлаждения секции двигателя.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения дополнительный канал текучей среды расположен вблизи секции двигателя. Это позволяет охлаждать секцию двигателя прямо пропорционально потребности в охлаждении, определяемой условиями давления охлаждающей текучей среды.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения охлаждающая система дополнительно содержит вход для потока для подачи сжатой охлаждающей текучей среды в зазор подшипников в опорной секции в направлении, противоположном направлению подачи охлаждающей текучей среды из входа для текучей среды. Это позволяет подавать значительное количество охлаждающей текучей среды в опорную секцию для обеспечения улучшенного охлаждения всех частей опорной секции.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения охлаждающая текучая среда, окружающая упорный диск, протекает наружу через проход в опорной секции к дополнительному каналу текучей среды, при этом проход образован в проходящей в радиальном направлении части опорной секции и открывается в дополнительный канал текучей среды. Это позволяет использовать весь диаметр верхней опорной секции для обеспечения необходимого охлаждения всей опорной системы.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения секция компрессора расположена вблизи секции двигателя, при этом секция компрессора принимает охлаждающую текучую среду из зазора двигателя и подает сжатую охлаждающую текучую среду в опорную секцию и секцию двигателя по меньшей мере через один вход. Это обеспечивает непрерывное соединение по текучей среде с компрессором для сжатия охлаждающей текучей среды до высокого давления.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения входные клапаны регулируют поток охлаждающей текучей среды так, что требуемое количество охлаждающей текучей среды обеспечивается как для зазора подшипников, так и для зазора двигателя. Это помогает обеспечивать желаемое охлаждение подшипников и двигателя и минимизировать потоки рециркуляции охлаждающей текучей среды через компрессор.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения по меньшей мере один вход расположен снаружи газонепроницаемого корпуса. Это обеспечивает простой доступ к клапану для контролирования работы клапана, для технического обслуживания или других целей.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения дроссельное средство является лабиринтным уплотнением. Такое конструктивное выполнение позволяет сохранять минимальное свободное пространство для потока охлаждающей текучей среды.

Ниже приводится подробное описание данного изобретения на основе вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:

Фиг. 1 изображает продольный разрез узла турбокомпрессора согласно уровню техники;

Фиг. 2 - продольный разрез узла турбокомпрессора, имеющего охлаждающую систему, согласно одному варианту выполнения;

Фиг. 3 - продольный разрез узла турбокомпрессора согласно другому варианту выполнения.

Далее приводится описание различных вариантов выполнения со ссылками на чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы. В приведенном ниже описании поясняются различные специальные детали для обеспечения понимания одного или нескольких вариантов выполнения. Очевидно, что такие варианты выполнения могут быть реализованы на практике без этих специальных деталей.

На фиг. 1 показан узел 10 турбокомпрессора согласно уровню техники. Узел 10 турбокомпрессора включает ротор 11, опорную секцию 13, секцию 18 двигателя, секцию 22 компрессора и охлаждающую систему 27. Охлаждающая система 27 содержит вход 28 текучей среды для подачи сжатой охлаждающей текучей среды 30 в опорную секцию 13 и в зазор 21 двигателя через канал 29 текучей среды, расположенный между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя. В данном случае опорная секция 13 содержит по меньшей мере один подшипник 14 для опоры ротора 11, при этом по меньшей мере один подшипник 13 является активным магнитным подшипником. Охлаждающая система 27 используется для подачи охлаждающей текучей среды 30 для охлаждения подшипника 14 и упорного диска 16 опорной секции 13 и двигателя 19 секции 18 двигателя. Текучая среда 30 отводит тепло от опорной секции 13 и направляет текучую среду через проход 17, образованный в проходящей в радиальном направлении части опорной секции 13 и открывающийся в канал 29 текучей среды. Текучая среда 30 из зазора 21 двигателя также направляется в секцию 22 компрессора, где заканчивается зазор 21 двигателя.

Охлаждающая система 27 предназначена в целом для распределения потоков охлаждающей текучей среды 30 в различные секции узла 10 для выполнения различных требований к охлаждению. Опорная секция 13 требует больше охлаждающей текучей среды 30 по сравнению с секцией 18 двигателя. Опорная секция 13 имеет более высокое давление по сравнению с секцией 18 двигателя. Следовательно, охлаждающий поток в опорную секцию 13 может составлять, например, лишь 10% всего охлаждающего потока, подаваемого охлаждающей системой 27, в то время как поток охлаждающей текучей среды 30 в секцию 18 двигателя может составлять 90%. Давление потока охлаждающей текучей среды 30 в опорную секцию 13 и в секцию 18 двигателя может также значительно различаться. Это требует более высоких потоков рециркуляции для обеспечения правильного охлаждения подшипников 14.

На фиг. 2 показан узел 10 турбокомпрессора, включающий охлаждающую систему 27, согласно изобретению. Как показано на фиг. 2, узел 10 турбокомпрессора включает ротор 11, имеющий ось 12 вращения, опорную секцию 13, дополнительную опорную секцию 37, секцию 18 двигателя, секцию 22 компрессора и охлаждающую систему 27.

Опорные секции 13, 37 содержат по меньшей мере один подшипник 14, при этом по меньшей мере один подшипник 14 является активным магнитным подшипником для опоры ротора 11. Опорная секция 13 включает также упорный диск 16 для опоры ротора 11. Секция 18 двигателя включает двигатель 19, имеющий статор 20, при этом двигатель 19 предпочтительно является небольшим, высокоскоростным бесщеточным электродвигателем, способным приводить во вращение ротор 11. Статор 20 окружает окружной зазор 21 двигателя, который образован между статором 20 и ротором 11. Секция 22 компрессора включает компрессор 23 для сжатия охлаждающей текучей среды 30. Секция 22 компрессора и секция 18 двигателя расположены вдоль единственного общего вала вдоль оси 12 ротора 11. В одном варианте выполнения ротор 11, опорная секция 13, секция 18 двигателя и секция 22 компрессора заключены в общий газонепроницаемый корпус 26.

Узел 10 турбокомпрессора дополнительно включает охлаждающую систему 27 для обеспечения охлаждающей текучей среды 30 для охлаждения опорной секции 13 и секции 18 двигателя. Охлаждающая система 27 содержит вход 28 текучей среды для подачи сжатой охлаждающей текучей среды 30 к подшипнику 14 и к зазору 21 двигателя через канал 29 текучей среды, расположенный между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя.

В показанном варианте выполнения охлаждающая система 27 дополнительно содержит дроссельное средство 31, расположенное вблизи зазора 21 двигателя в канале 29 текучей среды между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя. Это ограничивает поток охлаждающей текучей среды 30 от входа 28 к зазору 21 двигателя, что в свою очередь увеличивает поток в опорную секцию 13 для охлаждения подшипников 14. Предпочтительно дроссельное средство 31 расположено у входа потока охлаждающей текучей среды 30 в зазор 21 двигателя.

Дроссельное средство 31, расположенное между каналом 29 текучей среды и зазором 21 двигателя, ограничивает поток наружу охлаждающей текучей среды 30 из опорной секции 13 к секции 18 двигателя. Это уменьшает давление охлаждающей текучей среды 30 в зазоре 21 двигателя, за счет чего уменьшаются потоки рециркуляции через секцию 22 компрессора. Дроссельное средство 31 может быть лабиринтным уплотнением или любым другим подходящим средством. Дроссельное средство 31 помогает дросселировать давление охлаждающей текучей среды 30 до заданного давления, требуемого для охлаждения по меньшей мере одного подшипника 14 в опорной секции 13.

В показанном на фиг. 2 варианте выполнения секция 22 компрессора расположена в зоне, примыкающей к секции 18 двигателя, где заканчивается зазор 21 двигателя. Это обеспечивает непрерывное соединение секции 22 компрессора с текучей средой из зазора 21 двигателя. Секция 22 компрессора содержит по меньшей мере один вход 24 и один выход 25. Компрессорный вход 24 направляет текучую среду 30 из зазора 21 двигателя в секцию 22 компрессора, где компрессор 23 сжимает охлаждающую текучую среду 30 до высокого давления. Сжатая охлаждающая текучая среда 30, выходящая из компрессорного выхода 25, затем циркулирует для охлаждения горячих частей узла 10 турбокомпрессора. Сжатая текучая среда 30 подается в подшипник 14 и в секцию 18 двигателя через вход 28 текучей среды. В данном случае вход 28 текучей среды включает клапан, который предназначен для избирательного изменения количества сжатой охлаждающей текучей среды 30, подаваемой в опорную секцию 13 и секцию 18 двигателя, в зависимости от давления охлаждающей текучей среды 30.

На фиг. 3 показан в разрезе другой вариант выполнения узла 10 турбокомпрессора согласно изобретению. Этот вариант выполнения отличается от показанного на фиг. 2 варианта выполнения тем, что охлаждающая система 27, согласно фиг. 3, включает дополнительный вход 32 для подачи сжатой охлаждающей текучей среды 30 в зазор 21 двигателя через дополнительный канал 33 текучей среды, расположенный между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя, и соединение 35 по текучей среде между каналом 29 текучей среды и зазором 21 двигателя. В этом варианте выполнения дроссельное средство 31 расположено так, что оно ограничивает поток через соединение 35 по текучей среде.

Узел 10 турбокомпрессора дополнительно включает вход 34 потока для подачи сжатой охлаждающей текучей среды 30 к подшипникам 14 и упорному диску 16 в опорной секции 13. Узел 10 турбокомпрессора включает проход 17 для направления охлаждающей текучей среды 30 из зазора 15 подшипника, окружающего упорный диск 16 в опорной секции 13, в канал 29 текучей среды. В данном случае проход 17 образован в проходящей в радиальном направлении части опорной секции 13 и открывается в канал 29 текучей среды между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя. Путь прохождения потока охлаждающей текучей среды 30 для узла 10 турбокомпрессора включает вход 28 и дополнительно вход 32, расположенные параллельно друг другу для обеспечения совместно модуляции потока охлаждающей текучей среды 30.

Канал 29 текучей среды расположен ближе к опорной секции 13, и дополнительный канал 33 текучей среды расположен ближе к секции 18 двигателя для обеспечения улучшенного охлаждения этих секций. Охлаждающая текучая среда 30, подаваемая через вход 28 в опорную секцию 13, охлаждает подшипник 14 и упорный диск 17 с одной стороны, в то время как охлаждающая текучая среда 30, подаваемая к подшипнику 14 через вход 34 для потока, охлаждает упорный диск 17 и подшипник 14 с другой стороны.

Сжатая охлаждающая текучая среда 30, выходящая через выход 25 компрессора, циркулирует для охлаждения горячих частей узла 10 турбокомпрессора. Некоторая часть охлаждающей текучей среды 30, выходящей из секции 22 компрессора, проходит в канал 29 текучей среды в опорной секции 13 между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя. Другая часть охлаждающей текучей среды 30 проходит в дополнительный канал 33 текучей среды между секцией 18 двигателя и опорной секцией 13 для охлаждения двигателя 19, статора 20 и других релевантных частей секции 18 двигателя. Кроме того, часть охлаждающей текучей среды 30 проходит в опорную секцию 13 через вход 34 для потока для обеспечения улучшенного охлаждения опорной секции 13.

Охлаждающая текучая среда 30, подаваемая в канал 22 текучей среды, циркулирует через опорную секцию 13 для отвода тепла от подшипников 14, и затем нагретая текучая среда направляется через проход 17 в дополнительный канал 33 текучей среды в секции 18 двигателя. Дополнительный вход 32, подающий сжатую охлаждающую текучую среду 30 в секцию 18 двигателя, действует в качестве управляющего средства для регулирования потока охлаждающей текучей среды 30 через дополнительный канал 33 текучей среды между секцией 18 двигателя и опорной секцией 13. Это помогает подавать больше охлаждающей текучей среды 30 в опорную секцию 13 по сравнению с секцией 18 двигателя, поскольку опорная секция 13 требует больше охлаждения вследствие ее более сложной структуры. Поток охлаждающей текучей среды 30 регулируется так, что разница давления между опорной секцией 13 и секцией 18 двигателя уменьшается. Это помогает исключать гидродинамическую нестабильность внутри узла 10 турбокомпрессора за счет дисбаланса потока в различные секции.

Дроссельное средство 31, расположенное между каналом 29 текучей среды и зазором 21 двигателя, ограничивает поток наружу охлаждающей текучей среды 30 из опорной секции 13 в секцию 18 двигателя. Это уменьшает давление охлаждающей текучей среды 30 в зазоре 21 двигателя, за счет чего уменьшаются потоки рециркуляции через секцию 22 компрессора.

Улучшенное управление потоком охлаждающей текучей среды 30 может достигаться посредством регулирования по меньшей мере одного клапана 36, связанного по меньшей мере с одним входом 28, 32 и 34 узла 10. Входной клапан 36 для изменения потока охлаждающей текучей среды 30 может быть конструктивно независимым от узла 10 турбокомпрессора, и его управление можно осуществлять вручную или автоматически в зависимости от некоторых характеристик, таких как температура, давление и т.д. Поскольку входы 28, 32 и 34 можно регулировать для управления потоком текучей среды, то отказ выхода 28, 32 и 34 незначительно ухудшает общую функцию управления. В то же время увеличивается эффективность узла 10 турбокомпрессора за счет меньшей циркуляции охлаждающего потока.

Входы можно использовать для модулирования потока охлаждающей текучей среды с целью приспособления, по возможности экономии потока охлаждающей текучей среды для повышения эффективности машины. Например, это можно применять в случаях, когда значительное количество охлаждающей текучей среды необходимо для процесса охлаждения при рабочих условиях с высокой температурой или во время других периодов работы, когда требуется лишь меньшее количество охлаждающей текучей среды и некоторые части не требуют охлаждающей текучей среды и т.д.

Используемое в данной заявке понятие охлаждающей текучей среды распространяется на любой газ, такой как воздух, или газы, такие как водород, азот, гелий и т.д., которые можно использовать для охлаждения.

Указанный вариант выполнения применим для систем высокого давления, поскольку системы этого типа создают очень высокие температуры, которые требуют охлаждения. Клапаны могут быть выполнены, при необходимости с возможностью автоматической реакции на рабочие условия, такие как изменения температуры на выходе компрессора, с помощью давления текучей среды, подвергаемой воздействию выходной температуры или т.п. Клапаны могут быть заменены фиксированными отверстиями для повышения надежности, например, при применениях в подводных компрессорных системах, где непросто проводить ремонт в случае отказа клапанов.

Узел (10) турбокомпрессора разделен вдоль оси (12) ротора (11) на три секции (13, 18, 22): опорную (13), (18) двигателя и (22) компрессора. Опорная секция (13) имеет по меньшей мере один активный магнитный подшипник (14) для опоры ротора (11). Секция (18) двигателя содержит двигатель (19), имеющий статор (20), расположенный вдоль оси (12) ротора (11). Статор (20) окружает круговой зазор (21) двигателя, который образован между статором (20) и ротором (11). Секция (22) компрессора имеет компрессор (23) для сжатия охлаждающей текучей среды (30). Узел (10) турбокомпрессора дополнительно содержит общий газонепроницаемый корпус (26) и охлаждающую систему (27). Корпус (26) окружает ротор (11), опорную секцию (13), секцию (18) двигателя и секцию (22) компрессора. Охлаждающая система (27) имеет вход (28) для подачи сжатой охлаждающей текучей среды (30) в опорную секцию (13) и секцию (18) двигателя через канал (29) текучей среды, расположенный между опорной секцией (13) и секцией (18) двигателя. Охлаждающая система (27) содержит дроссельное средство (31) в виде лабиринтного уплотнения, расположенное вблизи зазора (21) двигателя для ограничения потока охлаждающей текучей среды (30) из канала (29) текучей среды к зазору (21) двигателя. Достигается улучшение эффективности узла турбокомпрессора посредством уменьшения потоков рециркуляции. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел (10) турбокомпрессора, разделенный вдоль оси (12) ротора (11) по меньшей мере на три секции (13, 18, 22):
- опорную секцию (13), имеющую по меньшей мере один активный магнитный подшипник (14) для опоры ротора (11);
- секцию (18) двигателя, содержащую двигатель (19), имеющий статор (20), расположенный вдоль оси (12) ротора (11), при этом статор (20) окружает круговой зазор (21) двигателя, который образован между статором (20) и ротором (11);
- секцию (22) компрессора, имеющую компрессор (23) для сжатия охлаждающей текучей среды (30);
при этом узел (10) турбокомпрессора дополнительно содержит:
- общий газонепроницаемый корпус (26), окружающий ротор (11), опорную секцию (13), секцию (18) двигателя и секцию (22) компрессора; и
- охлаждающую систему (27), имеющую вход (28) для подачи сжатой охлаждающей текучей среды (30) в опорную секцию (13) и секцию (18) двигателя через канал (29) текучей среды, расположенный между опорной секцией (13) и секцией (18) двигателя,
отличающийся тем, что охлаждающая система (27) дополнительно содержит дроссельное средство (31), расположенное вблизи зазора (21) двигателя для ограничения потока охлаждающей текучей среды (30) из канала (29) текучей среды к зазору (21) двигателя.

2. Узел (10) турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что дроссельное средство (31) расположено вблизи входа для потока охлаждающей текучей среды (30) в зазор (21) двигателя.

3. Узел (10) турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что охлаждающая система (27) дополнительно содержит:
- дополнительный вход (32) для подачи сжатой охлаждающей текучей среды (30) в зазор (21) двигателя через дополнительный канал (33) текучей среды, расположенный между опорной секцией (13) и секцией (18) двигателя, и
- соединение (35) по текучей среде между каналом (29) текучей среды и зазором (21) двигателя, при этом дроссельное средство (31) расположено с возможностью ограничения потока через соединение (35) по текучей среде.

4. Узел (10) турбокомпрессора по п.3, отличающийся тем, что дополнительный канал (33) текучей среды расположен вблизи секции (18) двигателя.

5. Узел (10) турбокомпрессора по п.4, отличающийся тем, что канал (29) текучей среды и дополнительный канал (33) текучей среды выполнены в виде параллельных труб, расположенных между опорной секцией (13) и секцией (18) двигателя.

6. Узел (10) турбокомпрессора по п.5, отличающийся тем, что охлаждающая текучая среда (30), окружающая упорный диск (16), протекает наружу через проход (17) в опорной секции (13) к дополнительному каналу (33) текучей среды.

7. Узел (10) турбокомпрессора по п.6, отличающийся тем, что охлаждающая система (27) дополнительно содержит вход (34) для потока для подачи сжатой охлаждающей текучей среды (30) в зазор (15) подшипников в опорной секции (13) в направлении, противоположном направлению подачи охлаждающей текучей среды (30) из входа (28) для текучей среды.

8. Узел (10) турбокомпрессора по п.7, отличающийся тем, что проход (17) образован в проходящей в радиальном направлении части опорной секции (13) и открывается в дополнительный канал (33) текучей среды.

9. Узел (10) турбокомпрессора по п.8, отличающийся тем, что секция (22) компрессора расположена вблизи секции (18) двигателя, при этом секция (22) компрессора принимает охлаждающую текучую среду (30) из зазора (21) двигателя и подает сжатую охлаждающую текучую среду (30) в опорную секцию (13) и секцию (18) двигателя по меньшей мере через один вход (28, 32, 34).

10. Узел (10) турбокомпрессора по п.9, отличающийся тем, что по меньшей мере один вход (28) включает клапан (36), который предназначен для избирательного изменения количества сжатой охлаждающей текучей среды (30), поступающей в опорную секцию (13) и секцию (18) двигателя в ответ на давление охлаждающей текучей среды (30).

11. Узел (10) турбокомпрессора по п.10, отличающийся тем, что по меньшей мере один вход (28) расположен снаружи газонепроницаемого корпуса (26).

12. Узел (10) турбокомпрессора по п.11, отличающийся тем, что узел (10) турбокомпрессора включает дополнительную опорную секцию (37), содержащую по меньшей мере один активный магнитный подшипник (14).

13. Узел (10) турбокомпрессора по п.12, отличающийся тем, что дроссельное средство (21) является лабиринтным уплотнением.