МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР С ВСТРОЕННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
MULTISTAGE COMPRESSOR WITH INTEGRAL TRANSMISSION

Изобретение относится к многоступенчатому компрессору с встроенной передачей, содержащему первую рабочую ступень, вторую рабочую ступень и передачу, через которую соединены друг с другом обе рабочие ступени с различной скоростью вращения, при этом передача соединяет приводной вал компрессора с третьей скоростью вращения, которая отличается от скоростей вращения рабочих ступеней, с обеими рабочими ступенями.
Компрессоры с встроенной передачей применяются для сжатия воздуха или химических газов, для разделения воздуха в металлургии и в других процессах. Воздух или другие газы, которые в дальнейшем для простоты называются также воздухом, сжимаются в первой рабочей ступени до первого давления, затем подаются во вторую ступень, где они сжимаются до второго и более высокого давления.
Большие компрессоры с встроенной передачей, например, для современных установок разложения воздуха для производства многих тысяч тонн кислорода в день, должны сжимать большие объемные потоки с высоким коэффициентом полезного действия. Для достижения высокого коэффициента полезного действия вызывающие сжатие воздуха рабочие ступени работают с различными скоростями вращения, при этом, как правило, вторая рабочая ступень работает с более высокой скоростью вращения, чем первая рабочая ступень.
Для получения различных скоростей вращения с помощью одного единственного привода компрессора компрессор с встроенной передачей снабжен передачей, которая соединяет друг с другом обе рабочие ступени с различной скоростью вращения. Привод может быть как электродвигателем, так и турбомашиной, например паровой турбиной или газовой турбиной.
Такое устройство уже известно из следующих публикаций: US 2007/134111 A1, US 4 105 372 A, EP 0 653 566 A1, US 4 047 848 A.
Задачей данного изобретения является создание многоступенчатого компрессора с встроенной передачей, который обеспечивает возможность работы с меньшими затратами и высоким коэффициентом полезного действия.
Эта задача решена с помощью многоступенчатого компрессора с встроенной передачей указанного в начале вида, в котором дополнительно предусмотрены признаки отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение исходит из понимания того, что для сжатия воздуха необходима скорость вращения рабочей ступени намного выше 1000 об/мин с целью обеспечения возможности сжатия очень большого объема воздуха с высоким коэффициентом полезного действия. Если в качестве привода компрессора применяется электродвигатель, то он должен быть для обеспечения возможности жесткого соединения непосредственно с одним из обоих рабочих колес очень быстро вращающимся электродвигателем, который имеет, например, преобразователь частоты. Такой электродвигатель является дорогостоящим.
Поэтому для обеспечения возможности применения стандартного электродвигателя предпочтительно, когда передача преобразует скорость вращения привода компрессора, т.е. вала компрессора, в подходящую для одной рабочей ступени скорость вращения, в частности для первой рабочей ступени. За счет этого можно относительно низкую скорость вращения привода компрессора преобразовывать в более высокую вторую скорость вращения первой рабочей ступени и в еще более высокую третью скорость вращения второй рабочей ступени. Как привод компрессора, так и обе рабочие ступени могут работать с оптимальной для них скоростью вращения, так что компрессор с встроенной передачей может работать с высоким коэффициентом полезного действия с простым приводом, например простым электродвигателем.
Компрессор с встроенной передачей может быть компрессором воздуха или компрессором рабочего газа, при этом газы любого вида называются в последующем для простоты также воздухом. Целесообразно, компрессор с встроенной передачей является турбокомпрессором. Приводной вал компрессора, называемый также соединительным валом, служит для соединения с приводом компрессора, а также для передачи полной вводимой приводом компрессора в компрессор с встроенной передачей приводной мощности.
Рабочая ступень может быть радиальной ступенью компрессора с рабочим колесом, например, с конструкцией консольной ступени, как обычно в компрессорах с встроенной передачей, или несколькими расположенными друг за другом на одном валу рабочими колесами между двумя подшипниками вала. Рабочая ступень может быть также осевой ступенью компрессора, которая содержит один или несколько вращающихся на одном валу рядов осевых лопаток.
Для упрощения понятий в последующем как рабочее колесо радиальной ступени компрессора, так и вращающийся ряд лопаток осевой ступени компрессора называется лопаточным колесом. Каждая из обеих рабочих ступеней снабжена по меньшей мере одним лопаточным колесом. Скорость вращения рабочей ступени является скоростью вращения по меньшей мере одного лопаточного колеса. С помощью передачи соединены друг с другом лопаточные колеса обеих рабочих ступеней с различной скоростью вращения.
Рабочая ступень характеризуется входом, например входным патрубком, и выходом, например выходным патрубком. Она может содержать одно или несколько лопаточных колес, при этом два радиальных лопаточных колеса на общем валу могут образовывать также две рабочие ступени, когда они имеют каждая собственные входы и выходы. Рабочая ступень может осуществлять один рабочий ход или рабочую стадию, например, сжатия воздуха. Две рабочие ступени могут выполнять друг за другом две рабочие стадии в одном единственном рабочем процессе или две рабочие стадии в двух отдельных рабочих процессах. Обе рабочие ступени могут осуществлять сжатие одного и того же воздуха друг за другом до различных давлений. Для этого обе рабочие ступени целесообразно выполнены различно по форме и/или по величине. Предпочтительно, рабочие ступени и передача расположены в одном единственном корпусе компрессора и окружены им.
Корпус компрессора содержит целесообразно несколько закрытых относительно друг друга напорных пространств, при этом первая рабочая ступень, вторая рабочая ступень и передача герметично отделены друг от друга.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения передача содержит планетарную передачу. С помощью планетарной передачи можно стабильно и надежно длительно передавать большие силы в соединении с высокими скоростями вращения.
Особенно эффективное расположение планетарной передачи во всей передаче достигается, когда солнечное колесо расположено центрально в передаче, т.е. в частности, центрально симметрично относительно приводных валов обеих рабочих ступеней. Особенно предпочтительным является расположение оси солнечного колеса на одной линии с валом первой рабочей ступени.
Кроме того, предлагается, что приводной вал компрессора соединен через планетарную передачу с обеими рабочими ступенями. Приводная энергия обеих рабочих ступеней может направляться через одну единственную планетарную передачу, за счет чего обеспечивается ее эффективное использование. Целесообразно, приводной вал компрессора центрирован относительно планетарной передачи, при этом предпочтительным является расположение на одной линии приводного вала компрессора с осью солнечного колеса.
Предпочтительно, солнечное колесо удерживается неподвижно относительно корпуса, т.е. неподвижно относительно корпуса передачи, корпуса привода, т.е., например, корпуса электродвигателя, или неподвижно относительно другого, стационарного по отношению к корпусу компрессора с встроенной передачей элемента.
Если приводной вал компрессора жестко соединен с водилом планетарной передачи, то может достигаться эффективная передача от привода через планетарную передачу к рабочим ступеням.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрено, что первая рабочая ступень жестко соединена с коронной шестерней планетарной передачи. За счет этого симметричного расположения первой рабочей ступени относительно планетарной передачи можно достигать стабильной передачи больших сил на рабочую ступень, т.е. на ее лопаточное колесо или лопаточные колеса.
С помощью планетарной передачи скорость вращения приводного вала компрессора преобразуется в одну из этих различных, в частности, в более высокую скорость вращения первой рабочей ступени. При этом эти обе скорости вращения целесообразно прикладываются к водилу и к коронной шестерне планетарной передачи.
Для создания третьей скорости вращения для второй рабочей ступени предпочтительно, когда передача дополнительно к планетарной передаче содержит цилиндрическую зубчатую передачу. В одном предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что вал второй рабочей ступени целесообразно является валом одной шестерни цилиндрической зубчатой передачи. Простая и эффективная передача силы достигается посредством качения вала шестерни, соответственно, шестерни, по коронной шестерне планетарной передачи.
Эффективное соединение между планетарной передачей и цилиндрической зубчатой передачей достигается, когда коронная шестерня планетарной передачи жестко соединена с цилиндрическими зубьями цилиндрической зубчатой передачи. Целесообразно, при этом большое зубчатое колесо цилиндрической зубчатой передачи образовано планетарной передачей, соответственно, коронной шестерней планетарной передачи.
Кроме того, относительно вида конструкции и передачи силы предпочтительно, когда передача содержит цилиндрическую зубчатую передачу с большим зубчатым колесом, при этом первая рабочая ступень расположена симметрично большому зубчатому колесу. За счет этого существует, кроме того, возможность выполнения первой рабочей ступени в качестве центральной осевой ступени компрессора.
3
Для сжатия особенно больших воздушных потоков, в частности в диапазоне свыше 500 000 м/ч, предпочтительно применение осевой ступени компрессора в качестве первой рабочей ступени. Воздух может всасываться через имеющий большой объем осевой вход и эффективно сжиматься в большом объеме. Механически особенно нагружаемое и компактное расположение компрессора с встроенной передачей достигается, когда первая рабочая ступень, т.е., например, лопатки первой и выполненной в виде осевой ступени компрессора рабочей ступени жестко соединены с большим зубчатым колесом.
Если вторая рабочая ступень является радиальной ступенью компрессора, то можно достигать эффективного сжатия до высокого конечного давления.
Для сжатия большого объемного потока во второй рабочей ступени до высокого давления предпочтительно промежуточное охлаждение. Для этого выходящий из первой рабочей ступени объемный поток можно подавать в промежуточный холодильник, который расположен в пути прохождения воздушного потока между обеими рабочими ступенями. Для эффективного сжатия воздуха можно сжатый в первой рабочей ступени воздух подвергать тем самым обратному охлаждению, прежде чем он входит во вторую рабочую ступень и сжимается до конечного давления. Для этого компрессор с встроенной передачей целесообразно содержит воздушный выход первой рабочей ступени из компрессора с встроенной передачей и воздушный вход в компрессор с встроенной передачей ко второй рабочей ступени, так что холодильник может быть подключен к воздушному входу и воздушному выходу. Сжатый в первой рабочей ступени воздух направляется через холодильник для обратного охлаждения и попадает после обратного охлаждения во вторую рабочую ступень. Возможно расположение холодильника внутри корпуса компрессора.
В частности, когда первая рабочая ступень является осевой ступенью компрессора, предпочтительно, когда сжатый ею объемный поток можно распределять на несколько вторых рабочих ступеней, рабочий объем которых меньше. При таком расположении можно в качестве второй рабочей ступени использовать несколько параллельных радиальных ступеней компрессора. Для этого предпочтительно, когда выходящий из первой рабочей ступени и уже предварительно сжатый объемный поток разделяется на несколько объемных потоков для последующего сжатия в нескольких вторых рабочих ступенях.
Таким образом, компрессор с встроенной передачей предпочтительно содержит несколько параллельно установленных вторых рабочих ступеней с соответствующими раздельными приводными валами. Каждая вторая рабочая ступень целесообразно является радиальной ступенью компрессора с рабочим колесом в консольном выполнении. Вторые рабочие ступени могут быть распределены симметрично вокруг центра передачи, так что происходит симметричное и тем самым стабильное разделение сил в передаче.
Обе рабочие ступени могут быть выполнены так, что сторона всасывания второй рабочей ступени соединена со стороной давления первой рабочей ступени. За счет этого воздух предварительно сжимается в первой рабочей ступени и подвергается последующему сжатию в следующей стадии процесса. В качестве альтернативного решения возможно, что обе рабочие ступени работают в различных рабочих процессах, так что в первую рабочую ступень подается другой воздух, чем во вторую рабочую ступень. Таким образом, с помощью компрессора с встроенной передачей можно обрабатывать различные газы и/или различные объемы в обеих рабочих ступенях.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - компрессор с встроенной передачей, содержащий осевую часть компрессора и радиальную часть компрессора, а также холодильник;
фиг. 2 - направление воздуха из осевой части компрессора в радиальную часть компрессора; и
фиг. 3 - альтернативный компрессор с встроенной передачей, содержащий коаксиальное прохождение приводного вала компрессора и держателя солнечного колеса.
На фиг. 1 схематично показан в разрезе компрессор 2 с встроенной передачей. Компрессор 2 с встроенной передачей содержит первую рабочую ступень 4 в виде осевой ступени компрессора, соответственно, осевого компрессора с лишь схематично изображенными осевыми лопатками 6, которые могут быть однорядными или двурядными, т.е. могут содержать одно или несколько жестко соединенных друг с другом на общем валу лопаточных колес. Кроме того, компрессор 2 с встроенной передачей имеет две вторые рабочие ступени 8 в виде радиальной ступени компрессора, соответственно, радиального компрессора, с изображенным лишь схематично радиальным рабочим колесом 10.
Три рабочие ступени 4, 8 соединены друг с другом через передачу 12, которая содержит планетарную передачу 14 и цилиндрическую зубчатую передачу 16. Обе рабочие ступени 4, 8 и передача 12 расположены в корпусе 18 компрессора, который окружает эти элементы. Передача 12 расположена внутри корпуса 18 компрессора в корпусе 20 передачи. Корпус 18 компрессора разделен на несколько герметично отделенных друг от друга камер, при этом первая рабочая ступень 4 и обе вторые рабочие ступени 8 герметично отделены друг от друга. Передача 12 в своем корпусе 20 передачи также герметично отделена от рабочих ступеней 4, 8, так что сжатый или не сжатый рабочий газ не попадает в корпус 20 передачи. Возможно также, что корпус 20 передачи по меньшей мере частично лежит снаружи и тем самым образует часть корпуса 18 компрессора.
Холодильник 22 расположен снаружи корпуса 18 компрессора, однако возможно также расположение холодильника 22 внутри корпуса 18 компрессора. Также снаружи корпуса 18 компрессора расположен привод компрессора 2 с встроенной передачей, который может быть электродвигателем, паровой турбиной, газовой турбиной или другим подходящим приводом 24.
3
Компрессор с встроенной передачей служит для сжатия воздуха, который всасывается через вход 26 первой рабочей ступени 4, сжимается с помощью осевых лопаток 6 до первого давления, например 3,96 бар, и направляется в холодильник 22. Сжатый объемный поток составляет в этом примере выполнения, например, 800 000 м/ч. Нагретый за счет сжатия воздух подвергается обратному охлаждению в холодильнике 22 и подается в оба радиальных рабочих колеса 10 второй рабочей ступени 8, как обозначено стрелками 28. С помощью второй рабочей ступени 8 оба воздушных потока подвергаются последующему сжатию до давления 8,67 бар каждый и покидают компрессор 2 с встроенной передачей через соответствующие выходы 30. Объемы и давления можно согласовывать с помощью соответствующих конструктивных размеров и скоростей вращения в широких диапазонах с различными требованиями.
Распределение предварительно сжатого в первой рабочей ступени 4 воздуха на два воздушных потока в обе вторые рабочие ступени 8 схематично показано на фиг. 2. Сжатый с помощью осевых лопаток 6 воздух выдавливается наружу в систему 32 распределения воздуха, как обозначено стрелками 34. При этом предварительно сжатый воздух разделяется равными частями на два проточных канала 36, которые направляют воздух к соответствующему охлаждающему элементу 38 холодильника 22. За счет этого предварительно сжатый воздух из одноступенчатого осевого компрессора разделяется равными частями на два радиальных компрессора обеих вторых рабочих ступеней.
Для привода обеих рабочих ступеней 4, 8 привод 24 компрессора соединен через приводной вал 40 компрессора опосредованно (см. фиг. 1) или непосредственно (см. фиг. 3) с планетарной передачей 14. На обеих фигурах компрессор 2, 42 с встроенной передачей показан на виде сверху, при этом оба охлаждающих элемента 38 стоят сбоку или под передачей 12.
В показанном на фиг. 1 примере выполнения солнечное колесо 44 удерживается неподвижно относительно корпуса. Оно соединено неподвижно с корпусом 18 передачи через ось 46 солнечного колеса. Привод передачи 12 осуществляется через приводной вал 40 компрессора, который изображен на фиг. 1 штриховыми линиями и под осью 46 солнечного колеса жестко соединен с также изображенным штриховыми линиями зубчатым колесом 48. Зубчатое колесо 48 находится в зацеплении с лежащим над ним зубчатым колесом 50, которое жестко соединено с водилом 52 планетарной передачи 14. Оба зубчатых колеса 48, 50 образуют другую цилиндрическую зубчатую передачу, передаточное число которой можно согласовывать с заданными требованиями к компрессору 2 с встроенной передачей.
Привод 24 приводит во вращение приводной вал 40 компрессора со скоростью вращения, например, 1000 об/мин. Эта скорость вращения преобразуется в скорость вращения 1500 об/мин зубчатого колеса 50 и тем самым водила 52. Водило 52 приводит во вращение с помощью своих планетарных шестерней 54 через удерживаемое неподвижно относительно корпуса солнечное колесо 44 коронную шестерню 56, которая вращается со скоростью 3400 об/мин. Коронная шестерня 56 соединена через вал 58 осевого колеса 58 с осевыми лопатками 6 и приводит их во вращение со скоростью 3400 об/мин.
Коронная шестерня 56 заменяет или образует большое зубчатое колесо 60 цилиндрической зубчатой передачи 16, при этом коронная шестерня 56 может быть снабжена внутренним зубчатым венцом для планетарных шестерней 54 и наружным зубчатым венцом для цилиндрического зубчатого колеса 62 цилиндрической зубчатой передачи 16. В другом варианте выполнения коронная шестерня 56 насажена на фланец, который образует большое зубчатое колесо 60 цилиндрической зубчатой передачи 16. Большое зубчатое колесо 60, соответственно фланец, вращаются с той же скоростью, что и коронная шестерня 56. За счет цилиндрической зубчатой передачи 16 оба цилиндрических зубчатых колеса 62 вращаются со скоростью 9400 об/мин. За счет жесткого соединения цилиндрических зубчатых колес 62 с валами 64 с нарезными зубьями радиальных рабочих колес 10, с которыми они соединены без возможности проворачивания, скорость вращения 9400 об/мин передается на радиальные рабочие колеса 10. За счет этой высокой скорости вращения происходит оптимальное по мощности сжатие воздуха до конечного давления.
В другом примере выполнения дополнительно к обеим вторым рабочим ступеням 8 может быть предусмотрена одна или несколько третьих рабочих ступеней. Каждая третья рабочая ступень приводится во вращение с помощью шестерни, соответственно, цилиндрического зубчатого колеса, которое аналогично цилиндрическим зубчатым колесам 62 находится в зацеплении с большим зубчатым колесом 60. Дополнительные цилиндрические зубчатые колеса могут иметь другое число зубьев по сравнению с цилиндрическими зубчатыми колесами 62, так что третья рабочая ступень или третьи рабочие ступени могут приводиться в действие со скоростью вращения, отличной от скорости вращения второй рабочей ступени или вторых рабочих ступеней. Таким образом, можно получать три рабочие ступени, которые приводятся в действие с собственной скоростью вращения, при этом каждая из трех скоростей вращения может отличаться от обеих других скоростей вращения.
В показанном на фиг. 3 примере выполнения ось 46 солнечного колеса проходит через корпус 18 передачи наружу. Она может проходить через привод 24 и может быть соединена со стационарным элементом, так что она удерживается неподвижно относительно корпуса. При этом приводной вал 16 компрессора выполнен в виде полого вала и проходит коаксиально вокруг оси 46 солнечного колеса. Он передает скорость вращения привода непосредственно на водило 52 планетарной передачи.
В другом варианте выполнения предусмотрено, что ось 46 солнечного колеса используется в качестве вала солнечного колеса, который соединен с приводом 24. Он может приводиться во вращение дополнительно к водилу 52, при этом скорость вращения оси 46 солнечного колеса отличается от скорости вращения приводного вала 66 компрессора, когда необходимо обеспечивать передачу скорости вращения на коронную шестерню 56. При одинаковой скорости вращения коронная шестерня 56 также вращается с этой скоростью. За счет противоположного направления вращения оси 46 солнечного колеса и приводного вала 66 компрессора можно дополнительно увеличивать передаточное отношение к коронной шестерне 56. Дополнительно к этому, можно уменьшать прикладываемый между приводом 24 и компрессором 42 с встроенной передачей крутящий момент, в экстремальном случае даже доводить до нуля.
Кроме того, возможно и предпочтительно разделение привода 24 на две, лежащие, например, друг за другом приводные части, как изображено штриховыми линиями в виде дополнительной приводной части 68. Приводная часть 68 предусмотрена для вращения оси 46 солнечного колеса, и другая приводная часть, в этом случае изображенный сплошными линиями привод 24, образует другую приводную часть, которая предусмотрена для вращения приводного вала 66 компрессора и тем самым водила 52 планетарной передачи. Обе приводные части 68 целесообразно предназначены для вращения в противоположных направлениях, так что с помощью их можно достигать высокого передаточного отношения скорости вращения с два раза половинной приводной мощностью по сравнению с единственным приводом 24.
За счет конструкции соединения планетарной передачи 14 с цилиндрической зубчатой передачей 16 возможно предпочтительное для компрессора 2 с встроенной передачей расположение соосных друг с другом приводного вала 66 компрессора и вала 58 осевого колеса, т.е. коаксиальное расположение, за счет которого возникает компактная и мощная механика. Кроме того, оба вала 58, 56 расположены центрально-симметрично в компрессоре 2 с встроенной передачей. Кроме того, оба радиальных рабочих колеса 10 расположены центрально-симметрично вокруг обоих валов 58, 66. Также возможно предусмотрение более двух радиальных рабочих колес 10, которые целесообразно расположены также центрально-симметрично вокруг обоих валов 58, 66.
В другом примере выполнения оба цилиндрических зубчатых колеса 62 компрессоров 2, 42 с встроенной передачей могут иметь различное число зубьев, так что оба радиальных рабочих колеса 10 могут работать с различной скоростью вращения. За счет этого можно оба частичных воздушных потока сжимать до различного конечного давления. За счет симметричного выполнения обоих проточных каналов 36 можно распределять воздушный поток неравными частями в радиальные рабочие колеса 10, так что, например, подается меньший поток на более быстро вращающееся радиальное рабочее колесо 10 для более высокого сжатия.