КОМПРЕССОР С МНОЖЕСТВОМ ВАЛОВ И КОНСОЛЬНОЙ СТУПЕНЬЮ СЖАТИЯ Российский патент 2022 года по МПК F04D17/12 

Настоящее изобретение относится к компрессору с приводом от двигателя, имеющему множество секций сжатия, и, более конкретно, к расположению секций сжатия.

Компрессор с приводом от двигателя, имеющий множество секций сжатия, включает в себя корпус, содержащий электрический двигатель, установленный на приводном валу и выполненный с возможностью приведения в действие по меньшей мере одной секции сжатия, образующей линию сжатия. Секция сжатия включает в себя одно или более компрессорных колес для сжатия газа, установленных на приводном валу.

Приводной вал удерживается в корпусе на подшипниках.

При высоких частотах вращения, например порядка 30000 оборотов в минуту, секции сжатия и двигатель, как правило, расположены между двумя активными магнитными подшипниками таким образом, что вал приподнимается в воздухе.

Поскольку номинальная частота вращения компрессорного вала, как правило, превышает частоту вращения в его первом тоне изгибных колебаний, при запуске и выключении электрического двигателя приводной вал, на котором установлены секции сжатия и ротор электрического двигателя, находится в первом тоне изгибных колебаний, что приводит к деформации вала.

Размер активных магнитных подшипников необходимо подбирать таким образом, чтобы демпфировать динамическую реакцию вала.

Однако такие подшипники с большой магнитной проницаемостью рассчитаны на переходное состояние вала. Они являются дорогими и приводятся в действие с помощью дорогостоящих электронных устройств.

Из существующего уровня техники известны компрессоры с приводом от двигателя с высокой частотой вращения, содержащие компрессорный вал, на котором установлены электрический двигатель, с секцией сжатия на каждом конце вала. Активный магнитный подшипник расположен между секцией сжатия и электрическим двигателем.

Секции сжатия являются консольными, что позволяет увеличить значение критической частоты вращения компрессорного вала таким образом, чтобы она превышала значение номинальной частоты вращения электрического двигателя.

Размеры активных магнитных подшипников и электронных устройств управления выполнены с возможностью обеспечения номинального функционирования компрессора с приводом от двигателя для снижения магнитной проницаемости подшипников и, следовательно, стоимости подшипников.

Однако соединительные фланцы впускного и выпускного отверстий для газа расположены в осевом направлении вала воздушного винта.

Выполнение любых работ на компрессорных колесах или на электрическом двигателе предполагает демонтаж трубок, соединенных с фланцами.

Кроме того, каждая секция содержит одно компрессорное колесо, что ограничивает возможности по выбору колеса.

Диапазон изменения коэффициента сжатия и частоты вращения компрессора с приводом от двигателя является небольшим.

В вариантах применения с низким давлением, например, когда компрессор с приводом от двигателя сжимает газ от атмосферного давления до давления 10 бар, и низкой скоростью потока порядка 2000 кубических метров в час, вся линия сжатия может включать в себя пять компрессорных колес.

В WO2017/153387 проиллюстрирован компрессор с приводом от двигателя, в котором колесо для расширения является консольно закрепленным.

Газ расширяется при прохождении через одно консольно закрепленное колесо.

Кроме того, в WO2015/032756 проиллюстрирован центробежный компрессор, содержащий секцию сжатия, установленную на компрессорном валу между двумя подшипниками, и компрессорное колесо, установленное на свободном конце консольно закрепленного вала со стороны компрессора, включая зафиксированный подшипник.

Электрический двигатель выполнен с возможностью присоединения к валу.

Поскольку все элементы установлены на приводном валу, выбор подшипников зависит от всех элементов, установленных на валу, что обуславливает снижение значения критической частоты вращения в первом тоне изгибных колебаний.

Кроме того, зафиксированный подшипник усложняет осуществление технического обслуживания компрессора.

Таким образом, недостатки, связанные с ограниченным выбором колес, предлагается преодолеть путем расширения рабочего диапазона компрессора с приводом от двигателя и облегчить техническое обслуживание компрессора с приводом от двигателя, с обеспечением при этом работы при номинальной частоте вращения, которая меньше критической частоты вращения в первом тоне изгибных колебаний.

С учетом вышеизложенного предложен компрессор с приводом от двигателя с множеством секций сжатия, содержащий:

- по меньшей мере один корпус;

- по меньшей мере два вала передаточного механизма, причем по меньшей мере два вала передаточного механизма поддерживаются при их вращении в корпусе с помощью по меньшей мере двух подшипников;

- гибкое соединительное устройство, соединяющее приводные валы;

- электрический двигатель, установленный на первом компрессорном валу из указанных по меньшей мере двух приводных валов; и

- по меньшей мере две секции сжатия.

Первая секция сжатия из указанных по меньшей мере двух секций сжатия консольно закреплена на свободном конце первого компрессорного вала из указанных по меньшей мере двух приводных валов, а вторая секция сжатия установлена между двумя подшипниками на втором компрессорном валу из указанных по меньшей мере двух приводных валов.

Предпочтительно первый компрессорный вал имеет первый свободный конец и поддерживается с возможностью вращения первой парой подшипников.

Преимуществом является то, что второй компрессорный вал имеет второй свободный конец и поддерживается с возможностью вращения второй парой подшипников.

В соответствии с одним признаком гибкое соединительное устройство соединено с первым компрессорным валом и вторым приводным валом.

Предпочтительно первая секция сжатия консольно закреплена на свободном конце первого приводного вала.

Преимуществом является то, что вторая секция сжатия установлена между второй парой подшипников второго приводного вала.

В соответствии с другим признаком компрессор с приводом от двигателя дополнительно содержит:

- одну или более дополнительных секций сжатия, установленных на втором компрессорном валу; и

- подшипник, отделяющий указанную дополнительную секцию сжатия от смежной секции сжатия.

Предпочтительно компрессор с приводом от двигателя дополнительно содержит:

- третий компрессорный вал, поддерживаемый с возможностью вращения в корпусе с помощью по меньшей мере двух подшипников; и

- второе гибкое соединительное устройство, соединяющее третий вал со вторым свободным концом второго компрессорного вала; и

- по меньшей мере одну дополнительную секцию сжатия, установленную на третьем валу между двумя подшипниками.

Преимуществом является то, что второе гибкое соединительное устройство соединено со вторым компрессорным валом и третьим приводным валом.

В соответствии с другим признаком третий компрессорный вал имеет третий свободный конец и поддерживается с возможностью вращения третьей парой подшипников.

Предпочтительно каждая секция сжатия содержит по меньшей мере одно компрессорное колесо.

Преимуществом является то, что консольная секция сжатия содержит два компрессорных колеса.

Предпочтительно каждая секция сжатия содержит:

- впускной фланец; и

- выпускной фланец,

причем указанные фланцы расположены перпендикулярно приводным валам.

В соответствии еще с одним признаком по меньшей мере одна секция сжатия, установленная между двумя подшипниками, содержит две полусекции сжатия, так что при вращении приводного вала тяга, создаваемая полусекцией, компенсирует тягу, создаваемую другой полусекцией на приводном валу.

Предпочтительно каждая полусекция сжатия содержит:

- впускной фланец; и

- выпускной фланец,

причем указанные фланцы расположены перпендикулярно приводным валам.

Преимуществом является то, что подшипники включают активные магнитные подшипники.

Предпочтительно компрессор с приводом от двигателя дополнительно содержит осевой упор, установленный на каждом компрессорном валу, который содержит по меньшей мере одну секцию сжатия, для управления осевым смещением компрессорного вала под действием осевых усилий, прилагаемых секцией сжатия и/или электрическим двигателем.

Другие признаки и преимущества изобретения станут понятны после прочтения следующего описания вариантов осуществления изобретения, приведенного исключительно в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на графические материалы, причем:

на [Фиг. 1] представлен первый вариант осуществления компрессора с приводом от двигателя;

на [Фиг. 2] представлен второй вариант осуществления компрессора с приводом от двигателя;

на [Фиг. 3] представлен третий вариант осуществления компрессора с приводом от двигателя;

на [Фиг. 4] представлен четвертый вариант осуществления компрессора с приводом от двигателя; и

на [Фиг. 5] представлен пятый вариант осуществления компрессора с приводом от двигателя.

На Фиг. 1 представлен первый вариант осуществления компрессора 1 с приводом от двигателя, сжимающего, например, газ из газового месторождения или попутный газ из нефтяного месторождения.

Компрессор 1 с приводом от двигателя содержит корпус 2, причем на каждом из его концов обеспечен полый удлиненный кожух 3 и крышка 4 для обеспечения газонепроницаемости корпуса, а также два приводных вала 5 и 6, соединенных друг с другом с помощью гибкого соединительного устройства 7.

Гибкое соединительное устройство 7 позволяет разделять изгибные колебания валов 5 и 6 и динамически балансировать каждый вал, причем вибрационные проявления валов являются независимыми.

Первый вал 5 поддерживается с возможностью вращения в корпусе 2 с помощью двух подшипников 8 и 9, и второй вал 6 поддерживается с возможностью вращения в корпусе 2 с помощью двух подшипников 8 и 9.

Первый, второй, третий и четвертый подшипники 8, 9, 10 и 11 идентичны и включают, например, активные магнитные подшипники, управляемые с помощью устройства управления (не показано).

Компрессор 1 с приводом от двигателя дополнительно содержит электрический двигатель 12, приводящий во вращение первый и второй валы 5 и 6, а ротор 12a указанного двигателя установлен на первом валу 5 между первым и вторым подшипниками 8 и 9.

Первая секция 13 сжатия консольно закреплена на свободном конце первого вала 5, а вторая секция 14 сжатия установлена между третьим и четвертым подшипниками 10 и 11 на втором валу 6.

Каждая секция 13 и 14 сжатия содержит впускной фланец 13a и 14a для газа, выпускной фланец 13b и 14b для газа, сжатого секциями 13 и 14 сжатия, а также картриджи 13c и 14c, соединенные с первым концом впускного и выпускного фланцев.

Впускной и выпускной фланцы выполнены с возможностью соединения с устройствами для обработки газа, например, охладителем газа, устройством для хранения сжатого газа, устройством для подачи газа под атмосферным давлением.

Каждый картридж 13c и 14c содержит компрессорные колеса 13d, 13e, 14d, 14e, 14f и 14g, взаимодействующие с диафрагмами (не показаны) таким образом, чтобы сжимать газ, поступающий на впускные фланцы 13a и 14a.

Первый осевой упор 15 установлен на первом валу 5 между первым подшипником 8 и гибким соединительным устройством 7, а второй осевой упор 16 установлен на втором валу 6 между третьим подшипником 10 и второй секцией 14 сжатия.

Первый и второй осевые упоры 15 и 16 воспринимают усилия, прилагаемые, электрическим двигателем и секциями сжатия соответственно к валам во время сжатия газа. Они позволяют управлять осевым смещением валов 5 и 6 под действием осевых усилий, прилагаемых двигателем или секциями сжатия.

Количество и расположение осевых упоров, установленных на каждом валу, определяют таким образом, чтобы ограничить осевое смещение каждого вала, содержащего по меньшей мере одну секцию сжатия.

Первая секция 13 сжатия может содержать одно или более компрессорных колес, предпочтительно два колеса 13d и 13e.

Вторая секция 14 сжатия может содержать одно или более компрессорных колес, предпочтительно не более пяти колес.

Количество колес в каждой секции сжатия и характеристики каждого из колес определяют таким образом, чтобы оптимизировать эффективность компрессора с приводом от двигателя в диапазоне расхода и давления, в котором работает компрессор 1 с приводом от двигателя, и чтобы свести к минимуму напряжения, воздействующие на подшипники.

Предпочтительно в данном варианте осуществления можно выбрать, как правило, не более семи колес.

Поскольку гибкое соединительное устройство 7 позволяет разделить изгибные колебания первого и второго валов, размеры первого и второго подшипников 8 и 9 соответствуют динамическим напряжениям, создаваемым главным образом первой секцией 13 сжатия и ротором 12a электрического двигателя 12, причем напряжения, создаваемые другими элементами, установленными на валу, пренебрежимо малы, а размеры третьего и четвертого подшипников 10 и 11 соответствуют динамическим напряжениям, создаваемым главным образом второй секцией 14 сжатия, причем напряжения, создаваемые другими элементами, установленными на валу, пренебрежимо малы.

Поскольку впускной фланец 13a и выпускной фланец 13b расположены перпендикулярно компрессорному валу 5, к компрессорным колесам первой секции 13 сжатия можно легко получить доступ путем разборки крышки 4, и их можно легко заменить при износе или при необходимости изменения коэффициента сжатия компрессора 1 с приводом от двигателя, например, если давление принимаемого газа изменяется в соответствии с рабочей фазой газового месторождения.

Разбирать корпус 3 и разбирать устройства для обработки газа, присоединенные к впускному и выпускному фланцам компрессора 1 с приводом от двигателя, не требуется.

Предпочтительно во впускной фланец 13a первой секции 13 сжатия поступает газ, первично поступающий в компрессор 1 с приводом от двигателя, который, как правило, является влажным, что приводит к коррозии и эрозии компрессорных колес.

В соответствии с другими вариантами осуществления корпус 2 может содержать несколько соединенных друг с другом корпусов, например корпус двигателя, содержащий двигатель 12 и первую секцию 13 сжатия, а также корпус компрессора, содержащий вторую секцию 14 сжатия.

В соответствии с другими вариантами осуществления корпус 2 может содержать корпус двигателя, содержащий двигатель 12, первый корпус компрессора, содержащий вторую секцию 14 сжатия, и второй корпус компрессора, содержащий первую секцию 13 сжатия.

Далее элементы, идентичные описанным ранее элементам, обозначены с помощью тех же буквенно-цифровых символов.

На Фиг. 2 представлен второй вариант осуществления компрессора 1 с приводом от двигателя.

Данный вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что третья секция 17 сжатия консольно закреплена на свободном конце второго вала 6.

Третья секция 17 сжатия идентична по конструкции первой секции 13 сжатия и предпочтительно содержит два компрессорных колеса.

Как и в случае первой секции 13 сжатия, к колесам третьей секции 17 сжатия можно легко получить доступ путем разборки крышки 4.

Наличие дополнительной секции сжатия позволяет расширить выбор колеса. Следовательно, коэффициент сжатия, обеспечиваемый компрессором 1 с приводом от двигателя, выше, чем в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1.

Диапазоны давления и рабочего потока компрессора 1 с приводом от двигателя расширены по сравнению с диапазонами в первом варианте осуществления.

В данном варианте осуществления третий и четвертый подшипники 10 и 11 имеют размеры, соответствующие динамическим напряжениям, создаваемым главным образом второй и третьей секциями 14 и 17 сжатия, причем динамические напряжения, создаваемые другими элементами, установленными на валу, пренебрежимо малы.

На Фиг. 3 показан третий вариант осуществления компрессора 1 с приводом от двигателя, который отличается от второго варианта осуществления тем, что вторая секция 14 сжатия содержит две полусекции 18 и 19 сжатия, причем каждая из них идентична по конструкции вариантам секций 13 и 17 сжатия.

Две полусекции 18 и 19 установлены на втором валу 6 таким образом, что во время вращения вала тяга, создаваемая первой полусекцией 18, компенсирует тягу, создаваемую второй полусекцией 19, таким образом уменьшается тяга, создаваемая второй секцией 14 сжатия и передаваемая на второй осевой упор 16.

Такая конструкция известна как «компенсационная».

Конечно, любая неконсольная секция сжатия может содержать две полусекции сжатия.

На Фиг. 4 показан четвертый вариант осуществления компрессора 1 с приводом от двигателя, дополнительно содержащего четвертую секцию сжатия, идентичную по конструкции первой, второй и третьей секциям сжатия и предпочтительно содержащую пять компрессорных колес.

Данный вариант осуществления отличается от второго варианта осуществления тем, что четвертая секция 20 сжатия установлена на втором валу 6 между второй и третьей секциями 14 и 17 сжатия.

Четвертая секция 20 сжатия отделена от второй секции 14 и 17 сжатия четвертым подшипником 11 и от третьей секции 17 сжатия пятым подшипником 21.

Количество и характеристики колес в секциях сжатия выбирают таким образом, чтобы ограничить напряжения, оказываемые на подшипники, и достичь требуемого коэффициента сжатия.

Добавление по меньшей мере четвертой секции сжатия позволяет адаптировать компрессор с приводом от двигателя к осуществлению сжатия легкого газа с высоким коэффициентом сжатия, например, чистого метана, сжимаемого с коэффициентом сжатия выше 10.

Кроме того, добавление секций сжатия или полусекций сжатия позволяет оптимизировать охлаждение газа после каждого этапа сжатия.

Действительно, между выпускным фланцем секции сжатия и впускным фланцем смежной секции сжатия можно легко добавить охладитель газа.

На Фиг. 5 представлен пятый третий вариант осуществления [так в оригинале] компрессора 1 с приводом от двигателя. Данный вариант осуществления отличается от четвертого варианта осуществления тем, что одна из третьей и четвертой секций 17 и 20 сжатия, а также пятый подшипник 21 установлены на третьем валу 22, с соединением со свободным концом второго вала 6 с помощью второго гибкого соединительного устройства 23.

Третья секция 17 сжатия консольно закреплена на свободном конце третьего вала 22, а четвертая секция 20 сжатия установлена между пятым подшипником 21 и шестым подшипником 24, расположенным между вторым гибким соединительным устройством 23 и четвертой секцией 20 сжатия.

Третий вал 22 дополнительно содержит третий осевой упор 25, установленный между третьей секцией 17 сжатия и пятым подшипником 21.

По сравнению с четвертым вариантом осуществления при том же количестве секций сжатия второе гибкое соединительное устройство 23 позволяет разделить изгибные колебания второго и третьего валов и, таким образом, увеличить значение критической частоты вращения в первом тоне изгибных колебаний приводных валов, на которых установлены вторая, третья и четвертая секции 14, 17 и 20 сжатия.

В этом варианте осуществления третий и четвертый подшипники 10 и 11 имеют размеры, соответствующие динамическим напряжениям, создаваемым главным образом второй секцией 14 сжатия, а пятый и шестой подшипники 21 и 24 имеют размеры, соответствующие динамическим напряжениям, создаваемым главным образом третьей и четвертой секциями 17 и 20 сжатия, причем динамические напряжения, создаваемые другими элементами, установленными на втором и третьем валах 6 и 22, пренебрежимо малы.

Преимуществом является то, что консольная конструкция по меньшей мере одной секции сжатия и применение гибкого соединительного устройства позволяют увеличить значение критической частоты вращения в первом тоне изгибных колебаний приводных валов до значения, превышающего значение номинальной рабочей частоты вращения компрессора с приводом от двигателя.

Следовательно, подшипники, поддерживающие валы, можно подбирать по размеру без учета работы валов в первом тоне изгибных колебаний, что позволяет уменьшить магнитную проницаемость подшипников.

Кроме того, за счет способа монтажа по меньшей мере одной консольной секции сжатия можно упростить замену колес, установленных в указанной секции.

Предложен компрессор с приводом от двигателя, оборудованный множеством секций сжатия, содержащий: по меньшей мере один корпус (2); по меньшей мере два приводных вала (5, 6), которые поддерживаются с возможностью вращения в корпусе с помощью по меньшей мере двух подшипников (8, 9, 10, 11); гибкое соединительное устройство (7), соединяющее приводные валы; электрический двигатель (12), установленный на первом компрессорном валу (5) из указанных по меньшей мере двух приводных валов; и по меньшей мере две секции (13, 14) сжатия. Первая секция (13) сжатия из указанных по меньшей мере двух секций сжатия консольно закреплена на свободном конце первого компрессорного вала из указанных по меньшей мере двух приводных валов, а вторая секция (14) сжатия установлена между двумя подшипниками (10, 11) на втором компрессорном валу (6) из указанных по меньшей мере двух приводных валов. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компрессор с приводом от двигателя с множеством секций сжатия, каждая из которых включает в себя одно или более компрессорных колес для сжатия газа, содержащий:

- по меньшей мере один корпус (2);

- по меньшей мере два приводных вала (5, 6), которые поддерживаются с возможностью вращения в корпусе с помощью по меньшей мере двух подшипников (8, 9, 10, 11, 21, 24);

- гибкое соединительное устройство (7), соединяющее приводные валы;

- электрический двигатель (12), установленный на первом компрессорном валу (5) из указанных по меньшей мере двух приводных валов; и

- по меньшей мере две секции (13, 14, 17, 20) сжатия,

причем первая секция (13, 17) сжатия из указанных по меньшей мере двух секций сжатия консольно закреплена на свободном конце первого компрессорного вала (5) из указанных по меньшей мере двух приводных валов, а вторая секция (14, 20) сжатия установлена между двумя подшипниками (10, 11, 21) на втором компрессорном валу (6) из указанных по меньшей мере двух приводных валов.

2. Компрессор с приводом от двигателя по п. 1, дополнительно содержащий:

- одну или более дополнительных секций (20) сжатия, установленных на втором компрессорном валу (6); и

- подшипник (11, 21), отделяющий указанную дополнительную секцию (20) сжатия от смежной секции сжатия.

3. Компрессор с приводом от двигателя по п. 1 или 2, дополнительно содержащий:

- третий компрессорный вал (22), поддерживаемый с возможностью вращения в корпусе с помощью по меньшей мере двух подшипников (21, 24);

- второе гибкое соединительное устройство (25), соединяющее третий вал со вторым свободным концом второго компрессорного вала (6); и

- по меньшей мере одну дополнительную секцию (20) сжатия, установленную на третьем валу между двумя подшипниками (21, 24).

4. Компрессор с приводом от двигателя по п. 3, в котором второе гибкое соединительное устройство (25) соединено со вторым компрессорным валом (6) и третьим компрессорным валом (22).

5. Компрессор с приводом от двигателя по п. 3 или 4, в котором третий компрессорный вал (22) имеет третий свободный конец и поддерживается с возможностью вращения с помощью третьей пары подшипников (21, 24).

6. Компрессор с приводом от двигателя по любому из пп. 1-5, в котором каждая секция сжатия содержит по меньшей мере одно компрессорное колесо (13d, 13е, 14d, 14е, 14f, 14g).

7. Компрессор с приводом от двигателя по любому из пп. 1-6, в котором консольная секция (13, 17) сжатия содержит два компрессорных колеса (13d, 13е).

8. Компрессор с приводом от двигателя по любому из пп. 1-7, в котором каждая секция (13, 14, 17, 20) сжатия содержит:

- впускной фланец (13а, 14а); и

- выпускной фланец (13b, 14b),

причем указанные фланцы расположены перпендикулярно приводным валам (5, 6).

9. Компрессор с приводом от двигателя по любому из пп. 1-8, в котором по меньшей мере одна секция (14) сжатия, установленная между двумя подшипниками (11, 16), содержит две полусекции (18, 19) сжатия, так что при вращении приводного вала тяга, создаваемая одной подсекцией, компенсирует тягу, создаваемую другой полусекцией.

10. Компрессор с приводом от двигателя по п. 9, в котором каждая полусекция (18, 19) сжатия содержит:

- впускной фланец; и

- выпускной фланец,

причем указанные фланцы расположены перпендикулярно приводным валам (5, 6).

11. Компрессор с приводом от двигателя по любому из пп. 1-10, в котором подшипники (8, 9, 10, 11, 21, 24) включают активные магнитные подшипники.

12. Компрессор с приводом от двигателя по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий осевой упор (15, 16, 25), установленный на каждом компрессорном валу (5, 6, 22), который содержит по меньшей мере одну секцию (13, 14, 17, 20) сжатия, для управления осевым смещением компрессорного вала под действием осевых усилий, прилагаемых секцией сжатия и/или электрическим двигателем (12).