УСТРОЙСТВО С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И НАСОСОМ
DEVICE WITH MOTOR AND PUMP

Настоящее изобретение относится к устройству с электродвигателем и насосом, приводимым в действие электродвигателем, в котором рабочая текучая среда доводится насосом до более высокого давления, причем электродвигатель содержит статор и ротор, причем ротор выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения, а статор окружает ротор, по меньшей мере, частично по окружности, причем зазор проходит по окружности между ротором и статором, причем предусмотрен канал для перемещения, вдоль которого, по меньшей мере, часть рабочей текучей среды перемещается в осевом направлении, причем упомянутый зазор является частью канала для перемещения.
Устройство вышеупомянутого типа известно из области компрессоров с электроприводом, которые часто выполнены в виде компактных модулей и иногда содержатся в общем корпусе, который, предпочтительно, выполнен газонепроницаемым. Данные модули способны сжимать, например, токсичные газы или могут работать во взрывоопасных условиях, или даже под водой благодаря возможности исполнения их без уплотнений. Такие бессальниковые компрессоры принимают рабочую текучую среду через всасывающую линию и выпускают ее через нагнетательную линию при более высоком уровне давления. Поскольку трудно провести разграничительную линию между насосами и компрессорами, в данном документе оба типа машин называются насосами.
Одна особенность бессальникового исполнения состоит в том, что, по существу, все элементы в общем газонепроницаемом корпусе окружены рабочей текучей средой. Это влечет за собой недостаток, который заключается в том, что все данные элементы должны быть выполнены с возможностью выдерживать в конечном итоге химически агрессивную рабочую среду. Одним преимуществом является возможность использования рабочей текучей среды для охлаждения элементов устройства без обеспечения специальной системы охлаждения. Охлаждение статора и подшипников ротора, например магнитных подшипников, электродвигателя можно осуществлять рабочей текучей средой.
Однако рабочая текучая среда, перемещающаяся через зазор между ротором и статором электродвигателя и охлаждающая статор и ротор, по меньшей мере, частично, может приводить к динамическим неустойчивостям ротора вследствие некоторых явлений потока. Рабочая текучая среда, проникающая в зазор, ускоряется в направлении вращения ротора по окружности. Если же ротор смещается относительно оси вращения, то зазор радиально сужается, и рабочая текучая среда должна ускоряться в соответствии с непрерывностью. По закону Бернулли при ускорении текучей среды давление уменьшается, что увеличивает смещение ротора и, возможно, также отклоняет части статора, которые сдвигаются, дополнительно сужая зазор. Если будут превышены критические параметры, то статор и ротор могут входить в контакт и могут повреждаться.
Поэтому одной задачей изобретения является усовершенствование вышеупомянутого устройства таким образом, чтобы динамика ротора в меньшей степени ухудшалась динамикой текучей среды в зазоре во время работы. Другой задачей изобретения является предотвращение повреждений, обусловленных вышеописанным эффектом гидродинамически вызываемой неустойчивости.
Решение вышеупомянутой задачи в соответствии с изобретением обеспечивает устройство, включающее в себя признаки, изложенные в п.1 формулы изобретения.
Посредством введения элементов направления потока в канал для перемещения рабочей текучей среды можно оказывать влияние на распределение потока таким образом, что окружная скорость рабочей текучей среды увеличивается не так быстро, как при отсутствии данных элементов. Посредством уменьшения окружного ускорения уменьшается влияние радиального смещения ротора относительно статора на распределение давления в зазоре. Изобретение установило, что более высокая окружная скорость рабочей текучей среды увеличивает тенденцию неустойчивости как реакцию на любое возбуждение. Таким образом, устройство в соответствии с изобретением обеспечивает работу электродвигателя с более высокой скоростью вращения или с меньшим радиальным промежутком зазора или при более высоком давлении соответственно более высокой плотности рабочей текучей среды или даже при большей осевой длине зазора, которая позволяет использовать электродвигатели больших размеров. Одним существенным преимуществом данного изобретения является уменьшенное ускорение рабочей текучей среды в круговом направлении.
В публикации WO 2007/110281 А1 и DE 2001119 U1 раскрыто устройство канала для перемещения в соответствии с вводной частью пункта 1, но они не предусматривают дополнительных элементов направления потока, пригодных для сдерживания кругового потока, к тому же в этих публикациях не описано предотвращение гидродинамически вызываемой неустойчивости.
Другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения является установка направляющих лопаток в канале для перемещения выше по течению от зазора, которые выполнены с возможностью создания встречных вихрей относительно направления вращения перед прониканием текучей среды в зазор. Таким образом, текучая среда в зазоре сначала должна ускоряться в противоположном направлении, чтобы устранить встречный вихрь, причем во время данного ускорения рабочая текучая среда уже может проходить некоторое осевое расстояние.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения обеспечивает элементы направления потока на поверхности статора, примыкающей к зазору. Данные элементы направления потока выполнены так, что рабочая текучая среда увеличивает окружную скорость менее быстро. Данные элементы направления потока могут быть выполнены в виде продольных канавок, проходящих вдоль оси вращения, расположенных на данной поверхности. Продольные канавки направляют поток в осевом направлении и сдерживают окружное ускорение. Другой возможностью образования элементов направления потока является создание канавок в форме спирали, причем спираль является левосторонней для ротора правостороннего вращения и правосторонней для ротора левостороннего вращения, так что поток, следующий по спирали, направлен против вращения ротора. Таким образом, разность осевого давления вынуждает поток проходить зазор аксиально, набирая меньшую окружную скорость.
Проблемы, решаемые данным изобретением, вероятнее всего возникают в устройстве, в котором электродвигатель и насос заключены в общем газонепроницаемом корпусе, который содержит впускное отверстие и выпускное отверстие для рабочей текучей среды.
В таком устройстве рабочая текучая среда может циркулировать через зазор электродвигателя, когда для предотвращения этого не используются уплотнения.
Для изготовления устройства в соответствии с изобретением, пригодного для высокоэффективного применения, для статора может быть предусмотрена специальная система охлаждения, которая отделена от зазора примыкающей разделительной перегородкой. Данная перегородка может иметь форму цилиндра и должна выдерживать высокую механическую нагрузку, обусловленную разностями давления между рабочей текучей средой и охлаждающей текучей средой, и, кроме того, данная перегородка не должна быть электропроводящей, поскольку в противном случае вихревые токи могут создавать дополнительную тепловую нагрузку. Поэтому выбор материала для такой разделительной перегородки является очень ограниченным, что увеличивает предъявляемое к устройству в соответствии с изобретением требование снижения механической нагрузки на такую разделительную перегородку.
Вышеупомянутые характеристики и другие признаки и преимущества данного изобретения и способ их достижения станут более очевидными, и само изобретение будет более понятным посредством ссылки на приведенное ниже описание наиболее предпочтительного на данный момент варианта осуществления изобретения в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения устройства в соответствии с изобретением;
фиг.2 - элемент Х с фиг.1; и
фиг.3-5 - виды в перспективе элементов направления потока в соответствии с изобретением, указанных на фиг.2, причем стрелки с римскими цифрами на фиг.2 соответствуют номерам чертежей.
Фиг.1 изображает устройство 1 в соответствии с изобретением, содержащее компрессор или насос 2 и электродвигатель 3, приводящий в движение общий ротор 4, который поддерживает рабочие колеса 5 насоса 2. Ротор 4 вращается вокруг вертикальной оси 6 вращения и поддерживается двумя радиальными подшипниками 7, 8 и осевым подшипником 9. Подшипниками 7, 8, 9 являются магнитные подшипники, которые герметизированы так, чтобы предотвратить контакт между рабочей текучей средой 10 и их внутренними элементами.
Подшипники 7, 8, 9, насос 2 и электродвигатель 3 окружены общим газонепроницаемым корпусом 11. Корпус 11 содержит впускное отверстие 15 и выпускное отверстие 16, причем впускное отверстие 15 соединено с не показанной дополнительно всасывающей линией, а выпускное отверстие 16 соединено с не показанной дополнительно нагнетательной линией, через которые рабочая текучая среда 10 входит или выходит из корпуса 11. В корпусе 11 текучая среда перемещается вдоль канала 100 для перемещения, который может отклоняться несколько раз.
Насос 2 обеспечивает повышение уровня давления рабочей текучей среды в пределах своих трех рабочих колес (первого 5а, второго 5b, третьего 5с).
Переходное соединение 21 между первым рабочим колесом 5а и вторым рабочим колесом 5b содержит отвод 22, через который рабочая текучая среда забирается с целью охлаждения. Отвод 22 соединен с участками машины, в которых требуется охлаждение, то есть с подшипниками 7, 8, 9 и электродвигателем 3.
Электродвигатель 3 содержит ротор 31 электродвигателя и статор 32. Статор 32 содержит цилиндрическое расточенное отверстие 33, через которое ротор 31 электродвигателя продолжается вдоль оси 6 вращения. Внутренняя поверхность статора 32, или расточенное отверстие 33, примыкает к кольцевому зазору 35 между ротором 31 электродвигателя и статором 32. Зазор 35 является частью канала 100 для перемещения, что является важным признаком изобретения.
Статор 32 содержит специальную систему 40 охлаждения, через которую охлаждающая текучая среда 41 циркулирует в замкнутом контуре.
Как изображено в элементе Х (показанном на фиг.2), разделительная перегородка 50 отделяет внутренние элементы статора 32 от зазора 35, через который перемещается рабочая текучая среда 10.
На фиг.2-5 направление вращения ROT указано стрелкой, упоминаемой как ROT, соответственно. Прежде чем рабочая текучая среда 10 проникает в зазор 35 между ротором 31 электродвигателя и статором 32, она проходит через неподвижный канал 61 между двумя неподвижными частями 62, 63. Данный неподвижный канал 61 содержит множество входных направляющих лопаток 65, которые выполнены таким образом, что встречный вихрь относительно направления вращения ROT создается в потоке текучей среды 10 перед входом в зазор 35 (показанный на фиг.3, изображающей вид III в соответствии с фиг.2).
Фиг.4 и 5 показывают виды IV-V соответственно, которые указаны на фиг.2. Оба чертежа показывают внутреннюю поверхность расточенного отверстия 33 статора 32 и примыкающего неподвижного элемента 52. Расточенное отверстие 33 на фиг.2 содержит продольные канавки, проходящие вдоль оси 34 вращения, так что сдерживается увеличение окружной скорости потока текучей среды 10 в направлении вращения ROT ротора 31 электродвигателя. Канавки 70 направляют поток текучей среды 10 в осевом направлении.
Фиг.5 изображает спиральные канавки 81, предусмотренные на внутренней поверхности расточенного отверстия 33 статора 32. Со ссылкой на направление потока текучей среды 10, спиральные канавки 81 направляют поток против направления вращения ROT ротора 31 электродвигателя вследствие их наклона относительно оси 34 вращения. Для ротора 4 левостороннего вращения предусмотрена правосторонняя спираль спиральных канавок 81 и наоборот.