INERTIAL FILTER FOR AN INTEGRATED MOTOR-DRIVEN COMPRESSOR UNIT
ИНЕРЦИОННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ БЛОКА ИНТЕГРИРОВАНОГО МОТОРА-КОМПРЕССОРА

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[001] Область применения настоящего изобретения относится к фильтрующему устройству для удаления нежелательных частиц из газа, используемого для охлаждения блока интегрированного мотора-компрессора, и дополнительно относится к блоку интегрированного мотора-компрессора («блоку ИМК»), содержащему фильтрующее устройство данного типа.
[002] Как правило, блок интегрированного мотора-компрессора содержит центробежный компрессор и мотор, интегрированные в корпус.
[003] Центробежный компрессор обычно содержит множество ступеней компрессии, адаптированных под сжатие газа между впускным и выпускным отверстием с помощью множества лопастей, установленных на ведомом валу, соединенном с ротором с приводом, для создания потока сжатого газа. Поворотный вал установлен в блоке интегрированного мотора-компрессора посредством подшипников. Эти подшипники могут представлять собой, например, работающие магнитные подшипники (AMB - active magnetic bearings).
[004] Вал, используемый для непосредственного приведения в действие центробежного компрессора этого типа, должен вращаться с относительно высокими значениями скоростей вращения ротора (например, 18000 об/мин), генерируя тепло в подшипниках. Если это тепло не рассеивается надлежащим образом, оно может оказывать неблагоприятное воздействие на опорные системы и привести к ухудшению или поломке подшипников.
[005] Известно, что для регулирования тепла и охлаждения подшипников используют открытый или закрытый контур охлаждения, в котором охлаждающий газ извлекают из технологического процесса, например, на выпуске первой ступени компрессии. Затем газ циркулирует через двигатель и подшипники для поглощения тепла.
[006] Например, приблизительно 10% газа подается в контур охлаждения из потока. Охлаждающий газ может быть приведен в действие разницей давлений между источником охлаждающего газа и точкой, в которой может протекать газ.
[007] Подшипники часто очень чувствительны к качеству охлаждающего их газа. В частности, когда подшипники относятся к типу AMB, крупные твердые частицы могут неправильно воздействовать на магнитную подвеску поворотного вала. Для фильтрации газа необходимо использовать систему фильтрации, таким образом, удаляя нежелательные твердые частицы, например размером более 3 мкм.
[008] На Фиг. 1 показано стандартное решение,  в котором блок мотора-компрессора I с контуром II охлаждения, предназначен для фильтрации всего потока газа в контуре охлаждения путем размещения по меньшей мере одного фильтра F, расположенного в контуре охлаждения перед впускным отверстием охлаждающего газа, протекающего в подшипниках типа AMB, расположенных по центру, и в моторе. В показанном примере фильтр, рассчитанный на 100% потока газа, необходим для удаления достаточного количества нежелательных частиц из газа, прежде чем они попадут в подшипники типа AMB, повышая затраты и объемы энергопотребления, а также для обеспечения достаточного уровня надежности фильтрации. Кроме того, поскольку фильтр F загрязняется при использовании, он требует периодического технического обслуживания и контроля. Таким образом, чем интенсивнее использование фильтров F, тем чаще необходимо его обслуживать и тем больше будет простоев блока ИМК.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
[009] Варианты осуществления фильтрующего картриджа для блока интегрированного мотора-компрессора (ИМК), описанного в настоящем документе, предназначены для устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков. Особым преимуществом описанных вариантов осуществления изобретения является исключение необходимости использовать фильтр или его часть, а также сокращение требуемого технического обслуживания.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[010] Вышеупомянутые цели настоящего изобретения достигаются с помощью фильтрующего устройства, предназначенного для фильтрации охлаждающего газа, а именно улавливания частиц определенного размера, которые могут смешиваться с охлаждающим газом, и монтируемого на корпусе интегрируемого компрессора с возможностью снятия, и которое включает в себя:
наружный корпус с внутренней цилиндрической стенкой,
внутренний картридж с наружной цилиндрической стенкой и внутренним каналом для отфильтрованного газа, причем внутренний картридж установлен в наружном корпусе и образует с ним канал, размещенный между впускным отверстием для охлаждающего газа и первым выпускным отверстием для захваченных частиц,
причем на внутреннем картридже расположен узел по меньшей мере второго выпускного отверстия фильтра, проходящего между каналом и внутренним каналом и между впускным отверстием и первым выпускным отверстием.
[011] Таким образом, в канале, по которому течет газ, предусмотрена ловушка частиц. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения газ можно отфильтровать перед использованием для охлаждения работающих магнитных подшипников (AMB) для установки на них поворотного вала блока интегрированного компрессора, таким образом предотвращая преждевременный износ или отказ подшипников AMB и при этом исключая необходимость или сокращая потребность использования фильтра.
[012] Преимуществом является то, что каждое второе выпускное отверстие имеет ось, проходящую вверх по потоку с позиции потока охлаждающего газа.
[013] Таким образом, самые крупные нежелательные частицы не могут попасть во второй выпускной канал и поэтому вынуждены направляться к первому выпускному отверстию.
[014] Преимуществом является то, что предлагается пара вторых противоположных выпускных отверстий.
[015] Таким образом, поток газа делится на два потока, текущих в противоположных направлениях канала, причем потоки встречаются над первым выпускным отверстием и создают турбулентную зону, в которой задерживаются более крупные частицы.
[016] Преимущественно направление второго выпускного отверстия составляет от 135° до 170° относительно направления потока охлаждающего газа от впускного отверстия.
[017] Через каждое второе выпускное отверстие, которое может быть оснащено фильтром, завершается эффект фильтрации устройства по потоку газа.
[018] Преимуществом является то, что контейнер соединен с первым выпускным отверстием и выполнен с возможностью сбора уловленных частиц.
[019] В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения предусмотрено средство для управления открытием первого выпускного отверстия.
[020] Преимуществом является то, что внутренняя стенка имеет плоскую часть, обращенную к первому выпуску.
[021] Таким образом, поперечное сечение канала резко увеличивается, вызывая падение давления газа и увеличивая улавливание нежелательных частиц в турбулентной зоне.
[022] Преимуществом является то, что фильтрующее устройство представляет собой носитель для работающего магнитного подшипника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[023] Другие цели, признаки и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения станут более понятными из подробного исследования следующего описания, которое представлено исключительно в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи:
На [ФИГ. 1] схематично показана картриджная фильтрация в соответствии с современным уровнем техники;
На [ФИГ. 2] схематично показано поперечное сечение фильтрующего устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
На [ФИГ. 3] схематично показано поперечное сечение фильтрующего устройства, изображенного на Фиг. 2, дополнительно содержащего опциональные картриджные фильтры;
На [ФИГ. 4] показан только внутренний картридж фильтрующего устройства в соответствии с вариантом осуществления, продемонстрированным на Фиг. 2 - вид в перспективе; и
На [ФИГ. 5] схематично показан интегрированный мотор-компрессор, содержащий фильтрующее устройство, показанное на Фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[024] На Фиг. 2, 3 и 4 схематично показано фильтрующее устройство 1, в котором циркулирует и подвергается фильтрации охлаждающий газ. В проиллюстрированном варианте осуществления фильтрующее устройство 1 предназначено для размещения охлаждающего газа на работающие магнитные подшипники (AMB) для их защиты. Однако фильтрующее устройство такого типа можно применять для фильтрации охлаждающих газов любого типа вращательного элемента интегрированного мотора-компрессора («блок ИМК»). Охлаждающий газ может представлять собой, например, природный газ или смесь газов, таких как воздух, состоящую из нежелательных частиц или содержащих такие частицы. Загрязняющие частицы разного типа можно диспергировать в этих газах. Например, примеси, такие как металлические частицы, частицы ржавчины, конденсация, капли воды или масла, могут находится в газе вследствие коррозии или механического повреждения компонентов блока ИМК при его нормальной эксплуатации. Фильтрующее устройство позволяет улавливать самые большие из этих нежелательных частиц, например, имеющих размеры от 3 до 10 микрон. Если в газе содержится избыточное количество этих нежелательных крупных загрязняющих твердых частиц, работа подшипников AMB может быть нарушена. Это связано с тем, во время вращения подшипников AMB при циркуляции газа для их охлаждения они чувствительны к засорению, закупорке или даже царапинам.
[025] Как показано на Фиг. 2, 3 и 4, фильтрующее устройство 1 содержит внутренний картридж 2, образующий внутреннее опорное кольцо AMB, а именно опорное кольцо AMB, установленное во внешнем корпусе 3, соответствующем по меньшей мере участку блока ИМК, например его корпусу. Внутренний картридж 2 может быть выполнен с возможностью установки одной или более других частей блока ИМК, например опорных элементов. Например, внутренний картридж 2 может быть навинчен на корпус ИМК. Внутренний картридж 2 имеет наружную цилиндрическую стенку W0 и внутренний канал 4 для отфильтрованного охлаждающего газа. Охлаждаемые подшипники AMB соединены с внутренним каналом 4, который размещен в центральной области фильтрующего устройства 1.
[026] Внешний корпус 3 содержит цилиндрическую внутреннюю стенку W1. Наружная цилиндрическая стенка W0 заключена в цилиндрическую внутреннюю стенку W1. Внутренняя и наружная цилиндрические стенки проходят вдоль одной и той же продольной оси X, образуя между собой канал 5, по которому может циркулировать газ.
[027] Канал 5 расположен между впускным отверстием 6 для охлаждающего газа и первым выпускным отверстием 7 для захваченных частиц. Воздуховод 5 может по существу соответствовать трубчатому пространству. В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 2, трубчатое пространство имеет приблизительно яйцевидную форму, перенесенную в плоскость поперечного сечения, причем длинная ось соответствует вертикальной восходящей оси Z. Канал 5 по отношению к вертикальной восходящей оси 3 имеет максимальную высоту (вверху) и минимальную высоту (внизу), как показано на Фиг. 2.
[028] Канал 5 является герметичным по отношению к частицам газа, так что газ в канале 5 может протекать только в канале 5.
[029] Впускное отверстие 6 содержит по меньшей мере одно отверстие, которое проходит через внешний корпус 3, чтобы охлаждающий газ поступал в канал 5. Входной канал 6 может, например, быть оснащен форсункой, трубкой и (или) клапаном, позволяющим газу поступать, например, с помощью компрессора.
[030] Первое выпускное отверстие 7 содержит по меньшей мере одно отверстие, проходящее через внешний корпус 3 из канала 5.
[031] Преимуществом является то, что впускное отверстие 6 расположено как можно ближе к верхней части воздуховода 5. Тот факт, что впускное отверстие 6 расположено наверху, позволяет удлинить траекторию движения частиц в канале 5, в котором происходит их фильтрация. Расположенный выше впускной канал 6 также облегчает захват крупных частиц под действием силы тяжести, поскольку это позволяет получить более длинную траекторию газа в канале 5. Аналогичным образом, можно получить фильтрующее устройство 1 с вертикальной симметрией.
[032] Преимуществом является то, что первое выпускное отверстие 7 расположено по существу вокруг нижней части канала 5, где формируется турбулентность потока и где задерживаются нежелательные частицы.
[033] Преимуществом является то, что внутренний картридж 2 содержит набор из по меньшей мере одного второго фильтрующего выпускного отверстия 8a, 8b. Каждое второе выпускное отверстие 8a, 8b предусмотрено для прохождения через внутренний картридж 2, что позволяет газу, содержащемуся в канале 5, достигать внутреннего канала 4. Газ может циркулировать только от впускного отверстия 6 к первому выпускному отверстию 7 или до второго выпускного отверстия 8a, 8b по меньшей мере одного, через канал 5.
[034] В соответствии с первым вариантом осуществления эффект фильтрации действует в канале 5, заполненном газом, прежде чем газ проходит через второе выпускное отверстие 8a, 8b. Цель состоит в том, чтобы обеспечить попадание максимального количества нежелательных частиц под действием силы тяжести к первому выпускному отверстию 7, и улавливание их в нем, в частности, путем создания зоны турбулентности газового потока непосредственно над первым выпускным отверстием 7, что предотвращает повторный подъем частиц ко второму выпускному отверстию 8a, 8b.
[035] Каждое второе выпускное отверстие 8a, 8b расположено в промежуточном положении между впускным отверстием 6 и первым выпускным отверстием 7 канала 5 и представляет собой единое целое, вызывая точечный перепад давления в потоке газа из-за сужения второго выпускного отверстия 8a, 8b относительно диаметра канала 5. Поток во втором выпускном отверстии 8a, 8b может быть ниже, чем в канале 5, чтобы свести к минимуму всасывание нежелательных частиц в потоке газа, поступающем во второе выпускное отверстие 8a, 8b.
[036] Скорость газа у входного отверстия 6 и расположение второго выходного отверстия 8a, 8b выбраны таким образом, чтобы большая часть нежелательных частиц проходила перед вторым выходным отверстием 8a, 8b, не входя в него, то есть со скоростью, достаточно высокой, чтобы выдерживать местный перепад давления, и опускалась в канал 5, пока не достигнет первого выходного отверстия 7, где находится ловушка частиц.
[037] Как показано на Фиг. 2, второе выпускное отверстие 8a, 8b проходит через внутренний картридж 2 из сквозного отверстия, имеющего впускное отверстие на наружной цилиндрической стенке W0 и выпускное отверстие на внутреннем канале 4. Преимуществом является то, что выпускное отверстие расположено над впускным отверстием относительно вертикальной возрастающей оси Z. Другими словами, поток газа отключается у второго выпускного отверстия 8a, 8b, а часть газа поднимается вверх по потоку через второе выпускное отверстие 8a, 8b. Угол O1, O2 между осью сквозного отверстия и вертикальной осью должен быть выбран так, чтобы он по меньшей мере превышал 90°, если возможно, и был острым 135-170° для максимального увеличения перепада давления и, таким образом, предотвращения попадания крупных частиц во второе выпускное отверстие 8a, 8b.
[038] Преимущественный вариант осуществления изобретения предусматривает два вторых выходных отверстия 8a, 8b, оба из которых ведут к внутреннему каналу 4 через внутренний картридж 2 и из канала 5, причем каждое из выходных отверстий расположено по существу симметрично друг другу относительно вертикальной возрастающей оси Z. Преимуществом является то, что вторые выпускные отверстия 8a, 8b по существу идентичны и размещены симметрично на одинаковой высоте между каналом 5 и внутренним каналом 4 и между впускным отверстием 6 и первым выпускным отверстием 7. Преимуществом является то, что вторые выпускные отверстия 8a, 8b ориентированы одинаково вверх по потоку, с осью, проходящей выше по потоку с углами O1, O2 относительно вертикальной оси Z. Преимущественно поток охлаждающего газа, поступающий из впускного отверстия 6, делится на два потока, как показано на ФИГ. 2 и 3, к каждому из вторых выпускных отверстий 8a, 8b. В каждом потоке частицы газа проходят по существу половину общей длины канала 5, потому что два противоположных потока встречаются, когда достигают нижней части канала 5, подходя с двух противоположных направлений. Каждый из двух противоположных потоков препятствует прохождению другого намного дальше, чем половина канала 5, а затем обратно ко второму противоположному выходному отверстию 8a, 8b. Наличие двух симметричных потоков создает точку турбулентности в нижней части воздуховода 5 над первым выпускным отверстием 7. Это предотвращает возврат нежелательных частиц к одному из вторых выпускных отверстий 8a, 8b. Каждое второе выпускное отверстие 8a, 8b может быть расположено как можно ближе к впускному отверстию 6 для предотвращения возврата нежелательных частиц, особенно в случае потока на входе с высокой скоростью. Однако в связи с тем, что их направление обязательно ориентировано вверх, каждый второй выпускной канал 8a, 8b располагается с учетом кривизны внутренней цилиндрической стенки W1.
[039] В соответствии с другим вариантом осуществления наружная цилиндрическая стенка W0 содержит плоскую часть 9, обращенную к первому выпускному отверстию. Как показано на Фиг. 2, 3 и 4, плоская часть 9 может, например, быть расположена, по существу, горизонтально на наружной цилиндрической стенке W0 и непосредственно над первым выпускным отверстием 7. Ровный участок 9 имеет два острых края 9a, 9b, образующих неоднородности внутри воздуховода 5, на наружной цилиндрической стенке W0, вдоль которой проходит газ. Как показано на Фиг. 2, плоский участок 9 также создает расширение воздуховода 5. Потоки газа, которые соединяются перед этим расширением и между двумя острыми краями 9a, 9b ровного участка, естественным образом создают турбулентный поток. В этом турбулентном потоке более крупные частицы быстро теряют свою кинетическую энергию и в конечном счете падают под действием силы тяжести. По этой причине плоская часть 9 расположена в качестве препятствия для вертикального подъема частиц и удерживает наибольшие частицы.
[040] Благодаря фильтрующему устройству 1, которое показано, описано и заявлено в настоящем документе, нежелательные частицы можно уловить путем настройки нескольких параметров, включая, но не ограничиваясь, скорость входящего потока газа, углы O1, O2 вторых выходных отверстий, длину плоской части 9 и резкость краев 9a, 9b плоской части.
[041] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, показанным на Фиг. 3, картридж 10 фильтра вставляется в каждое второе выпускное отверстие 8a, 8b. Такой картридж 10 фильтра может также, например, быть вставлен в канал 5 вдоль внутренней цилиндрической стенки или внешней стенки W0. Этот фильтр может представлять собой, например, коалесцирующий картридж 10 фильтра, выполненный с возможностью естественного улавливания частиц желаемого размера, например более 3 мкм.
[042] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагается контейнер 11, который соединен с первым выпускным отверстием 7. Этот контейнер 11 позволяет собирать уловленные частицы, которые могут накапливаться в нижнем слое канала 5 под действием силы тяжести и в конечном счете формировать слой осадка вокруг нижней части канала 5, где они концентрируются.
[043] Может быть дополнительно предусмотрено средство управления 12 для открытия первого выпускного отверстия 7 для облегчения удаления уловленных частиц, например, в течение периода технического обслуживания. Управляющее устройство 12 может, например, содержать клапан и трубку для соединения канала 5, например, с контейнером 11 или для его отделения.
[044] Кроме того, внутренняя и наружная цилиндрические стенки могут, например, иметь специальные формы, выполненные с возможностью увеличения поперечного сечения воздуховода 5 по окружности наружной цилиндрической стенки W0 и от впускного отверстия 6 к первому выпускному отверстию 7. Иными словами, внутренняя и внешняя стенки могут иметь конкретные формы, адаптированные таким образом, чтобы расстояние между ними увеличивалось к низу. Например, диаметр воздуховода 5 может увеличиваться от верхней части до нижней части воздуховода 5. Это позволит газу постепенно расширяться к выпускным отверстиям 7, 8a, 8b и в то же время немного замедлять частицы. Такое расширение канала 5, а также наличие первого выпускного отверстия 7 и плоской части 9, как правило, приводят к перенаправлению и замедлению потока текучей среды и способствуют падению более крупных частиц вниз под действием силы тяжести, тем самым улучшая улавливание нежелательных частиц через первое выпускное отверстие 7.
[045] Ниже представлена Фиг. 5, на которой схематически показан блок мотора-компрессора, оснащенный фильтрующим устройством 1, описанным выше. Как показано, блок мотора-компрессора, обозначенный ссылкой 13, содержит электромотор 14 и компрессор 15, имеющий по меньшей мере одну ступень компрессии 15, установленную на валу, приводимом в движение ротором. Каждый ведомый вал и ротор поддерживается парой подшипников AMB 16.
[046] Подшипники AMB 16 и мотор охлаждаются с помощью контура охлаждения 17, в котором охлаждающий газ отбирают из потока процесса на первой ступени компрессии 15. Большая часть охлаждающего газа циркулирует в электрическом роторном моторе 14, а оставшаяся часть газа протекает в направлении подшипников AMB 16. По меньшей мере одно вышеописанное фильтрующее устройство 1 может быть собрано на корпусе 18 блока мотора-компрессора 13 и размещено перед каждым входящим потоком охлаждающего газа на подшипниках AMB 16. Фильтрующее устройство 1 этого типа затем рассчитывается на меньшую часть потока охлаждающего газа.