Модульный центробежный компрессор с осевым входом и встроенным электроприводом
MODULAR CENTRIFUGAL COMPRESSOR WITH AXIAL INPUT AND INTEGRAL ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к компрессорной технике и может использоваться в качестве компрессорного агрегата для сжатия различных газов в нефтегазовых, химических и других отраслях промышленности.
Известные компрессорные агрегаты обычно выполняют в виде многоступенчатых конструкций (компрессорных корпусов сжатия, электродвигателей, мультипликаторов), объединенных с помощью различного типа трансмиссий в единый компрессорный агрегат (Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.; Машиностроение. 1995. - 240 с).
Недостатком таких агрегатов является необходимость большой установочной площади для размещения составных частей агрегата и трубной обвязки.
Известны конструкции многовальных компрессорных агрегатов с осевым входом и со встроенным мультипликатором, в которых каждое рабочее колесо или два колеса установлены на концы своей вал-шестерни и образуют секцию центробежного компрессора с оптимальным подбором параметров. (Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.; Машиностроение. 1995. - 240 с).
Такая конструкция наиболее близка функционально к предлагаемому устройству, однако она имеет ограничение по количеству ступеней и применяется на относительно невысокие давления
Известны конструкции компрессорных агрегатов, в которых электродвигатель и компрессорные ступени сжатия объединены в единую конструкцию, причем рабочие колеса центробежных ступеней сжатия устанавливаются на концы ротора электродвигателя с одной или с двух сторон. Такая компоновка компрессорного агрегата получила название MOPICO (Motor Pipeline Compressor) (М. Брюне, И. Детомб. Применение активных магнитных подшипников в турбокомпрессорах и турбодетандерах газовой промышленности. Компрессорная техника и пневматика. №7, 2001 г., 18 с).
В компрессорных агрегатах по схеме MOPICO все вращающиеся элементы находятся в одном герметизированном корпусе, расположенном в среде технологического газа. Учитывая, что оси входных и выходных патрубков таких компрессоров расположены под углом 90 градусов, то при многокорпусной компоновке агрегата также требуется большая площадь для размещения составных частей агрегата и трубной обвязки, что является их недостатком.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание высокоэффективной и технологичной при монтаже конструкции компрессора полной заводской готовности, обеспечивающую также компактную сборку из нескольких компрессоров многокорпусного компрессорного агрегата.
Технический результат достигается тем, что в модульном компрессоре с осевым входом и встроенным электроприводом, содержащем установленный во внутреннем корпусе модуль электропривода с электродвигателем и опорами активных магнитных подшипников и модуль ступени сжатия, объединенные в едином наружном корпусе и имеющие единый ротор, сам ротор выполнен в виде полой трубы, сообщенной одним своим концом со всасывающим патрубком, а другим концом - со входом в консольно закрепленное на ней центробежное рабочее колесо модуля ступени сжатия, выход из которого соединен с выходным патрубком компрессора, причем с внешней стороны трубы установлены роторы электродвигателя и опор системы магнитных подшипников, при этом внутренний корпус модуля электропривода установлен в наружном корпусе с образованием полости охлаждения электродвигателя, выполненной герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора. Кроме того, центробежное рабочее колесо может быть выполнено либо закрытого типа и при этом быть связанным своим выходом через диффузор и обратный направляющий аппарат с осевым выходным патрубком, либо полуоткрытого типа и при этом быть связанным с радиальным выходным патрубком через выходное устройство в виде сборной улитки, конструктивно совмещенным с задней крышкой компрессора.
В качестве электродвигателя модуля электропривода может быть применен высокочастотный электродвигатель постоянного или переменного тока с регулируемой частотой вращения единого ротора от электронного преобразователя.
Исполнение единого ротора компрессора в виде трубы уменьшает массу ротора и повышает жесткость роторной системы, что облегчает выбор режимов настройки САМП, повышая, тем самым эффективность работы компрессора, и обеспечивая компактность и технологичность его схемы.
Установка внутреннего корпуса модуля электропривода в наружном корпусе с образованием герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора полости, позволяет осуществлять охлаждение электродвигателя, что повышает эффективность работы компрессора.
Конструктивное исполнение модульного компрессора, как с осевым, так и радиальным направлением выхода компримируемого газа позволяет создавать максимально компактную сборку многокорпусного компрессорного агрегата из нескольких различных модульных компрессоров.
Применение в предлагаемой конструкции компрессора электропривода с регулируемой частотой вращения позволяет выбирать оптимальные режимы работы модуля ступени сжатия при использовании компрессора, как в индивидуальном применении, так и в составе многоступенчатого компрессорного агрегата.
На фиг. 1 представлен модульный компрессор с осевым входом и выходом компримируемого газа, на фиг. 2 представлен модульный компрессор с осевым входом и радиальным выходом компримируемого газа, на фиг. 3 представлен разрез А-А фиг. 2, на фиг. 4 представлена схема организации многокорпусной компоновки компрессорного агрегата, составленная из модульных компрессоров.
Модульный компрессор содержит цилиндрический внутренний корпус 1, в котором установлен статор 2 электродвигателя, статоры 3 и 4 радиальных и осевых электромагнитных опор системы активных магнитных подшипников (САМП), а также страховочные механические подшипники 5. Единый ротор компрессора выполнен в виде трубы 6, на которой с внешней стороны установлены ротор 7 электродвигателя, роторы 8 радиальных и осевых (диск упорный) электромагнитных опор САМП и рабочее колесо 9 модуля ступени сжатия. Рабочее колесо 9 может быть выполнено полуоткрытого и закрытого типа. При выполнении рабочего колеса закрытого типа (фиг. 1) оно состоит из основного и покрывного дисков 10, 11, тогда как у рабочего колеса полуоткрытого типа (фиг. 2) в наличии только основной диск 10 с выфрезерованными или приваренными к нему лопатками. Внутренняя полость трубы 6 соединена с осевым входным патрубком компрессора 12 и является полостью всасывания компрессора.
Внутренний корпус 1 и статорная часть модуля ступени сжатия размещены во внешнем цилиндрическом корпусе 13, являющимся и корпусом компрессора. Между внешним и внутренним корпусами 1, 13 образована полость 14 охлаждения электродвигателя, герметичная по отношению к полостям всасывания и нагнетания компрессора. Статорная часть модуля ступени сжатия содержит диффузор 15 и обратный направляющий аппарат 16, организующий совместно с элементом 18 поворот и осевой выход компримируемого газа через патрубок 17 (фиг. 1). Статорная часть модуля ступени сжатия может также быть выполнена в виде сборной улитки 19, организующей выход газа в радиальном направлении через выходной патрубок 17 (фиг. 2, 3).
Электродвигатель выполнен в виде высокочастотного электропривода постоянного или переменного тока с регулируемой частотой вращения ротора от электронного преобразователя. В конструкции может быть и электродвигатель другого типа, например синхронный двигатель или безконтактный двигатель постоянного тока, при этом при этом конструкция агрегата принципиально не изменяется, а отличаться варианты будут только роторными элементами электродвигателя и аппаратурой управления.
Модульное исполнение компрессора с осевым входом и осевым или радиальным выходом позволяет компоновать многоступенчатый компрессорный агрегат путем последовательной сборки друг за другом модульных компрессоров с их соединением через входные и выходные патрубки 12, 17. При этом производственная площадь, занимаемая многокорпусным компрессорным агрегатом, будет минимальна. На фиг. 4 показан вариант компоновки из модульных компрессоров 20, конструкция которых представлена на фиг. 1 и модульных компрессоров 21 конструкция которых, представлена на фиг. 2, 3.
Работу модульного компрессора рассмотрим на примере исполнения секций электродвигателя по типу асинхронного с обмоткой ротора в виде беличьей клетки.
Первым этапом включения в работу является включение САМП представляющей собой пятиканальную систему автоматической стабилизации ротора относительно оси внутреннего корпуса 1. При включении САМП активизируются ее радиальные и осевые опоры, в результате действия которых ротор компрессора стабилизируется относительно оси корпуса без механического контакта с неподвижными элементами. На втором этапе включения в работу многофазная обмотка статора 2 электродвигателя запитывается от частотного преобразователя, осуществляющего запуск двигателя по определенному алгоритму. Компримируемый газ поступает со стороны всасывания, проходит через модуль ступени сжатия и поступает на сторону нагнетания, либо через обратный направляющий аппарат в осевом направлении, либо через сборную улитку в радиальном направлении.
Применение в предлагаемой конструкции компрессора электропривода с регулируемой частотой вращения позволяет выбирать оптимальные режимы работы при использовании компрессора, как в индивидуальном, так и в составе многоступенчатого компрессора.
Таким образом, благодаря выполнению компрессора в виде совмещенной конструкции модуля электропривода и модуля ступени сжатия, с единым ротором в виде трубы, установленной в опорах системы активных магнитных подшипников, получена возможность создания модульного компрессора с осевым входом и встроенным электроприводом, конструкция которого технологична при изготовлении, монтаже и вводе в эксплуатацию, и которая позволяет создавать компактную сборку многоступенчатых компрессорных агрегатов с оптимальным распределением параметров по ступеням сжатия.