Компрессор с тепловым экраном и способы работы
COMPRESSOR WITH THERMAL SHIELD AND METHODS OF OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение, раскрытое в данном документе, относится к газовым компрессорам, в частности к многоступенчатым газовым компрессорам, таким как центробежные многоступенчатые газовые компрессоры.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Газовые компрессоры применяются во многих отраслях промышленности, например, при эксплуатации трубопроводов, в нефтегазовой промышленности, в установках для регенерации углекислого газа, в системах накопления энергии сжатого воздуха и подобных им, для повышения давления газа.
Газ, обрабатываемый компрессором, всасывается при входном давлении и выпускается при более высоком давлении на выходе, причем повышение давления получают за счет преобразования механической энергии в потенциальную энергию давления, накапливаемую в газовом потоке. Данный процесс вызывает повышение температуры обрабатываемого газа. В некоторых применениях температура газа может повышаться до нескольких сотен градусов Цельсия.
Типичными прикладными областями, в которых высокие значения давления и температуры получают посредством обрабатываемого газа, являются те области, которые относятся к аккумулированию энергии путем закачки сжатого воздуха в так называемых CAES (АЭЗСВ) установках. Эти установки применяют для аккумулирования энергии в виде энергии давления в кавернах-хранилищах воздуха, используя избыток электроэнергии, имеющийся в распределительных электросетях, например в ночное время. В типичном случае, в АЭЗСВ установках применяют многоступенчатые газовые компрессоры, чтобы получить требуемое давление воздуха на выходе.
Фиг. 1 изображает продольный разрез известного многоступенчатого газового компрессора 100, содержащего наружный корпус 101, в котором расположен ротор 3. Ротор 3 состоит из вала 105 и нескольких рабочих колес 107. В примере, показанном на фиг. 1, компрессор 100 содержит пять рабочих колес, расположенных последовательно в направлении потока от впускного отверстия 109 компрессора до его выпускного отверстия 111. Вал 105 опирается на подшипники 113, 115.
Каждое рабочее колесо образует часть соответствующей ступени компрессора, содержащей впускной канал 117 и обратный направляющий канал 119. Газ, обрабатываемый каждым колесом 107, поступает в него на входе 117 и возвращается через обратный направляющий канал 119 в направлении входа 117 следующего колеса. Обратный направляющий канал различных ступеней образован одной или несколькими диафрагмами 121, неподвижно размещенными в корпусе 101. Газ, выпускаемый из последнего рабочего колеса, т.е. из самого нижнего по потоку колеса, собирается в улитке 123, из которой сжатый газ подается к отверстию 111.
Корпус 101 может состоять из цилиндрической части 101В и двух торцевых частей 101С, образующих закрытый отсек, в котором расположен ротор 103 с возможностью вращения и размещены неподвижно диафрагмы 121.
Механическая энергия, используемая для вращения рабочих колес 107, преобразуется в давление газа, причем это давление постепенно увеличивается по мере прохождения газа через расположенные последовательно рабочие колеса. В процессе сжатия образуется тепло, при этом температура газа повышается от температуры на входе до температуры на выходе. Тепло передается от газа к диафрагмам 121 и, соответственно, к корпусу 101. Следовательно, корпус 101 нагревается до максимальной температуры при установившемся режиме, зависящей от степени сжатия компрессора 100, от его эффективности и от температуры окружающей среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения предложен газовый компрессор, содержащий корпус и проточную часть, расположенную в указанном корпусе. Между корпусом и проточной частью компрессора расположен тепловой экран, наличие которого снижает или замедляет теплопередачу от проточной части к корпусу компрессора. Такое решение приводит к более медленному нагреванию корпуса и также уменьшает температуру при установившемся режиме, достигаемую наружным корпусом в условиях непрерывной работы компрессора в случае естественной или принудительной вентиляции. Таким образом, корпус испытывает меньшие термомеханические напряжения с предотвращением или замедлением вязко-пластичной деформации (или деформации ползучести).
Проточная часть компрессора может содержать ротор, содержащий по меньшей мере одно установленное на нем рабочее колесо, и по меньшей мере одну диафрагму, неподвижно расположенную в корпусе компрессора. В многоступенчатом компрессоре проточная часть содержит ротор с несколькими рабочими колесами и диафрагму или несколько диафрагм, образующих обратные направляющие каналы между последовательными рабочими колесами. В корпусе может быть неподвижно расположена улитка для сбора сжатого газа из последней ступени компрессора и подачи сжатого газа в направлении газовыпускного отверстия компрессора.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения компрессор может работать в течение рабочих временных интервалов, разделенных интервалами для охлаждения, во время которых компрессор находится в неработающем состоянии и может быть охлажден. Тепловой экран замедляет интенсивность теплообмена между проточной частью компрессора и корпусом с увеличением допустимой продолжительности временных интервалов в состоянии работы.
Проточная часть компрессора может содержать ротор и одну или более диафрагм. В предпочтительных вариантах выполнения компрессор является центробежным компрессором. В некоторых вариантах выполнения компрессор является многоступенчатым компрессором, содержащим несколько рабочих колес, установленных с возможностью вращения в одной или более диафрагм, которые неподвижно расположены в корпусе.
Теплозащитное устройство может содержать непрерывное или прерывистое ограждение, расположенное между диафрагмой (диафрагмами) и внутренней поверхностью наружного корпуса. В некоторых вариантах выполнения теплозащитного устройство может содержать теплозащитное ограждение, расположенное вдоль улитки, обеспечивающей сбор сжатого газ из последней ступени компрессора и последующую подачу сжатого газа в направлении выпускного отверстия компрессора.
Выходное отверстие компрессора может содержать выпускной патрубок, образующий часть наружного корпуса или присоединенный к нему. В некоторых вариантах выполнения между газовым трактом и внутренней поверхностью выпускного патрубка выполнено внутреннее теплозащитное ограждение. Указанное ограждение ограничивает теплоперенос от газового потока к газовыпускному патрубку и может содержать теплозащитное покрытие или внутреннюю облицовку, причем покрытие расположено между внутренней поверхностью выпускного патрубка и газовым трактом с предотвращением тем самым непосредственного контакта между покрытием и газом.
В соответствии с другим аспектом изобретение, раскрытое в данном документе, относится к компрессорной установке, содержащей по меньшей мере первый компрессор и второй компрессор, каждый из которых предпочтительно содержит по меньшей мере тепловой экран, расположенный между проточной частью компрессора и корпусом. Указанные по меньшей мере два компрессора используются попеременно, так что, когда один компрессор обрабатывает газ и нагревается, то другой компрессор находится в неработающем состоянии и может охлаждаться. Переключение с одного компрессора на другой компрессор приводит в результате к непрерывной обработке газа при периодической работе каждого компрессора, так что каждый компрессор установки может охлаждаться, пока его корпус не достигнет пороговой температуры и/или пока компрессор не отработает заданное время.
Таким образом эффективно предотвращается ухудшение механических свойств наружного корпуса, обусловленное высокой температурой, и его повреждение от ползучести, даже если для изготовления наружного корпуса используется материал с невысокими эксплуатационными качествами, такой как низколегированная сталь.
В соответствии с еще одним аспектом предложенное изобретение относится к способу работы газового компрессора, содержащего корпус и проточную часть, расположенную в указанном корпусе, причем указанный способ включает этап уменьшения теплопередачи от газообразного потока, обрабатываемого указанным компрессором, в направлении указанного корпуса.
В соответствии с еще одним аспектом предложенное изобретение относится к способу работы компрессорной установки, которая содержит первый и второй компрессоры, каждый из которых содержит тепловой экран, расположенный между соответствующим корпусом компрессора и проточной частью, причем данный способ включает следующие этапы:
обеспечение работы одного из указанных первого и второго компрессоров, в то время как другой из указанных компрессоров поддерживается в неработающем состоянии;
обеспечение работы указанного другого из указанных компрессоров после временного интервала, прекращение работы указанного первого из указанных двух компрессоров и обеспечения возможности охлаждения этого компрессора.
В дополнение к преимуществам, применительно к уменьшению термомеханического напряжения наружного корпуса, использование теплового экрана, предотвращающего или уменьшающего тепловой поток от газового потока и проточной части компрессора в направлении корпуса, обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в предотвращении рассеяния тепла из технологического газа. Таким образом, газ, подаваемый компрессором, имеет увеличенный запас энергии в виде тепловой энергии, которая может быть полезно использована. Например, в АЭЗСВ установках более высокая температура сжатого воздуха, собранного в резервуаре для сжатого воздуха, повышает общую эффективность установки, когда воздух расширяется для создания механической энергии. В других вариантах выполнения тепловая энергия может быть извлечена из потока сжатого газа и использована или сохранена в аккумулирующем тепло приемнике для ее использования в отдельном технологическом процессе.
Свойства и варианты выполнения раскрыты в данном документе ниже и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть описания. В приведенном кратком описании изложены свойства различных вариантов выполнения данного изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания, а также для лучшего понимания усовершенствования существующей техники. Естественно, что имеются другие свойства изобретения, которые рассмотрены ниже и изложены в формуле изобретения. В этом отношении перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения изобретения следует уяснить, что его различные варианты выполнения не ограничиваются их применением к деталям конструкции и к расположениям компонентов, рассмотренных в следующем описании или проиллюстрированных на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике или выполнены различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, применительно к данному документу, используется с описательной целью и не должна рассматриваться как ограничительная.
По существу специалисты должны понимать, что концепция, заложенная в изобретение, может быть легко использована в качестве основополагающего принципа для создания других конструкций, способов и/или систем для осуществления нескольких целей изобретения. Соответственно, важно понимать, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую такие равнозначные конструкции в той мере, в какой они не отклоняются от сущности и объема правовой охраны изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание приведенных вариантов выполнения изобретения, а также сопутствующих им преимуществ можно легко получить по мере их лучшего понимания из следующего подробного описания, рассмотренного в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых
фиг. 1 изображает разрез известного многоступенчатого центробежного компрессора,
фиг. 2 изображает разрез предложенного многоступенчатого центробежного компрессора в соответствии с одним вариантом выполнения;
фиг. 3 изображает увеличенный вид части теплового экрана между диафрагмами и наружным корпусом компрессора, показанного на фиг. 2,
фиг. 4 изображает увеличенный вид теплового экрана, расположенного вокруг улитки компрессора, показанного на фиг. 2,
фиг. 5 изображает увеличенный вид теплового покрытия, расположенного в выпускном патрубке компрессора, показанного на фиг. 2,
фиг. 6 изображает АЭЗСВ установку, в которой используется предложенный компрессор,
фиг. 7 изображает установку для обработки газа, в которой используются два предложенных компрессора, расположенных последовательно,
фиг. 8 иллюстрирует график зависимости температуры от времени.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также, следующее подробное описание не ограничивает изобретение, а объем его охраны определен в формуле изобретения.
Ссылка в описании на «один вариант выполнения», «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретное свойство, конструкция или признак, описанные в отношении варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, появление формулировки «в одном варианте выполнения», «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах на протяжении описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (вариантам выполнения). Кроме того, конкретные свойства, конструкции или признаки могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Фиг. 2 изображает разрез многоступенчатого центробежного компрессора 1 в соответствии с данным изобретением. Компрессор 1 содержит корпус 3, в котором поддерживается ротор 4 с возможностью вращения.
В некоторых вариантах выполнения корпус 3 содержит наружную цилиндрическую часть 3В и две торцевых крышки 3С. Это устройство является типичным для так называемого компрессора с вертикальной плоскостью разъема. В других вариантах выполнения корпус 3 может состоять из двух по существу симметричных половинных частей, сопрягаемых друг с другом вдоль осевой продольной плоскости. Второй тип корпуса используют в так называемом компрессоре с горизонтальной плоскостью разъема. Изобретение, раскрытое в данном документе, может быть осуществлено в обоих типах компрессоров, даже если на чертежах показан только один иллюстративный вариант выполнения, относящийся к многоступенчатому центробежному компрессору с горизонтальной плоскостью разъема.
Ротор 4 может состоять из вала 5, поддерживаемого подшипниками 7 и 9. Для изоляции внутренней части компрессора 1 от окружающей среды могут быть выполнены уплотнения 10 и 11.
В некоторых вариантах выполнения на валу 5 может быть установлено одно или более рабочих колес. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг. 2, компрессор 1 является многоступенчатым центробежным компрессором, содержащим пять ступеней, каждая из которых содержит соответствующее рабочее колесо. Рабочие колеса обозначены ссылочными позициями 13А, 13В, 13С, 13D и 13Е, при этом на них также делается общая ссылка как на рабочее колесо 13.
В некоторых вариантах выполнения рабочее колесо 13 может быть закреплено шпоночным соединением на валу ротора, как показано на фиг. 2. Однако возможны другие конструктивные решения. В некоторых вариантах выполнения ротор 4 может состоять из пакетированных рабочих колес 13, удерживаемых вместе центральной поперечной связью, как изложено, например, в патентном документе US 2011/0262284, включенном в данный документ посредством ссылки.
Каждое рабочее колесо 13А-13Е содержит лопатки 15А-15Е, образованные рабочими лопатками, имеющими соответствующие передние кромки 16А-16Е и задние кромки 17А-17Е. Каждое рабочее колесо 13A-13D объединено, соответственно, с обратным направляющим каналом 14А, 14В, 14С и 14D, выполненным в соответствующих диафрагмах 19A-19D, размещенных неподвижно в корпусе 3. В некоторых вариантах выполнения диафрагмы могут быть выполнены виде единого целого, а не в виде отдельных и пакетированных компонентов, как показано в иллюстративном варианте выполнения на фиг.2.
Диафрагмы 19 и ротор 4 образуют часть так называемой проточной части компрессора, расположенной в корпусе 3 компрессора.
Газ поступает в компрессор 1 через газовпускное отверстие 20 и подается последовательно через рабочие колеса 13А-13Е.
Газ обрабатывается каждым колесом 13 и поступает в лопатки 15 на входе в рабочее колесо, границы которого определены передними кромками 16 лопаток, и выходит из рабочего колеса через его выход, соответствующий задним кромкам 17 рабочих лопаток. Газ, обрабатываемый каждым рабочим колесом 13A-13D, направляется посредством соответствующего обратного направляющего канала 14A-14D в радиальном направлении от выхода к входу последующего рабочего колеса 13.
Газ, выходящий из последнего колеса 13Е, собирается в улитке 21 и выпускается через газовыпускное отверстие 23.
Газ, проходящий через ступени компрессора, постепенно подвергается сжатию от давления на входе до давления на выходе. Сжатие газа также вызывает подъем температуры, так как часть механической энергии, сообщаемой рабочими колесами газу, преобразуется в тепловую энергию. Тепло стремится пройти от ротора 4 и диафрагм 19 в направлении корпуса 3, постепенно нагревая его.
Таким образом, корпус 3 испытывает большое тепловое и механическое напряжение, обусловленное давлением внутри корпуса, соответствующим давлению на выходе обработанного газа. Совместное действие температуры и давления может привести к возникновению вязко-пластичных деформаций (деформации ползучести) корпуса 3, особенно если температура корпуса повышается с выходом за пределы температурного порога.
Для ограничения температуры, достигаемой корпусом 3 во время работы компрессора 1, и тем самым уменьшения теплового напряжения в корпусе, и/или чтобы для изготовления корпуса 3 использовать материал с невысокими эксплуатационными качествами, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения предложено теплозащитное устройство, уменьшающее теплопередачу от диафрагм 19 к корпусу 3. Теплозащитное устройство уменьшает интенсивность нагрева корпуса, а также снижает конечную температуру в установившемся режиме, достигаемую корпусом при непрерывной работе компрессора. Следовательно, теплозащитное устройство также повышает конечную температуру газа, подаваемого компрессором 1.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения теплозащитное устройство содержит тепловой экран 25, расположенный вдоль внутренней поверхности центральной части корпуса 3, окружающей диафрагмы 19.
В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 2, тепловой экран 25 расположен вдоль по существу цилиндрической внутренней поверхности цилиндрической части 3В.
Фиг. 3 изображает увеличенный вид теплового экрана 25. В некоторых вариантах выполнения экран 25 может содержать защитные панели 27. Защитные панели 27 могут быть прикреплены к наружному корпусу 3, предпочтительно с тепловым контактом с ним. Для прикрепления защитных панелей 27 к корпусу 3 могут быть выполнены соединительные элементы 28. В некоторых вариантах выполнения элементы 28 могут содержать винты с соответствующими головками 28Н, прикрепляющими края 27Е смежных защитных панелей 27 к корпусу 3.
В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 3, каждая панель 27 может быть присоединена к корпусу 3 вдоль противоположных краев 27Е и 27F, при этом один край 27Е присоединен посредством ряда винтов 28, а противоположный параллельный край 27F присоединен в подрезе 3U, выполненном вдоль внутренней поверхности корпуса 3. Размеры подреза 3U и защитных панелей 27 являются такими, что между краями 27F и посадочным местом, образующим подрез 3U, остается достаточный зазор, допускающий тепловое расширение защитных панелей 27.
В некоторых вариантах выполнения защитные панели могут содержать наружный листовой материал, например металлическую пластину или листовой материал 27М. Например, металлическая пластина или лист 27М может быть выполнен из стали. Форма металлического листа 27М может быть выполнена с образованием внутреннего кармана 27Р, который может быть заполнен теплоизоляционным материалом, например, керамической пудрой или керамическими волокнами. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами выполнения могут быть использованы изоляционные материалы, такие как тальк, кордиерит, алюминий, цирконий или их смесь. В зависимости от требуемой степени изоляции возможно использование других изоляционных материалов.
В соответствии с другими вариантами выполнения тепловой экран может быть выполнен не в виде защитных панелей, а в виде покрытия, непосредственно нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами выполнения покрытие может быть нанесено напылением при высокой температуре, плазменной металлизацией, электрохимическим осаждением.
Как можно лучше видеть на фиг. 2, теплозащитное устройство, содержащее тепловой экран 25, окружает по существу полностью диафрагмы 19, ограничивая тем самым тепловыделение из газового тракта к корпусу 3.
В некоторых вариантах выполнения в других частях компрессора 1 выполнены дополнительные теплоизоляционные устройства. В некоторых вариантах выполнения дополнительный тепловой экран 31 расположен вокруг улитки 21, как показано на фиг. 2 и в увеличенном виде на фиг. 4. В некоторых вариантах выполнения тепловой экран 31 может состоять из одного или более фасонных металлических листов или пластин 31М, образующих внутренний карман 31Р, который может быть заполнен теплоизоляционным материалом, например, керамической пудрой или другим материалом, как изложено выше в отношении защитных панелей 27.
В некоторых вариантах выполнения экран 31 может быть прикреплен к корпусу 3, например, к его соответствующей торцевой крышке 3Е, посредством соединительных элементов 33, например, винтами или подобными им. В компрессоре с вертикальной плоскостью разъема, как проиллюстрировано на фиг. 2, тепловой экран 31 может быть выполнен в виде единого целого, как единый компонент. В других вариантах выполнения экран 31 может быть разделен на множество отдельных компонентов. Например, в компрессоре с горизонтальной плоскостью разъема тепловой экран 31 может состоять из двух полукольцевых частей, установленных в двух половинных частях корпуса, образующих наружный корпус компрессора. Тепловой экран 31 ограничивает тепловой поток, распространяющийся от улитки 21 к корпусу 3.
В некоторых вариантах выполнения могут быть выполнены дополнительные теплоизоляционные устройства для уменьшения теплового потока от сжатого газа к наружному корпусу турбокомпрессора 1 у его выпускного отверстия 23.
В некоторых вариантах выполнения, как лучше всего показано на фиг. 4 и 5, газовыпускное отверстие 23 компрессора 1 может содержать выпускной патрубок 35, который может быть выполнен с фланцем 37, присоединяющим газовыпускное отверстие к выпускному трубопроводу 39, содержащему соответствующий фланец 39F.
Выпускной патрубок 35 может иметь внутреннюю поверхность 35В в форме усеченного конуса, вдоль которой выполнено теплоизоляционное устройство 37. Устройство 37 может состоять из теплоизоляционного покрытия 39. В некоторых вариантах выполнения может быть дополнительно добавлена облицовка 41, как показано на фиг. 4 и 5.
Облицовка 41 может быть расположена между технологической текучей средой и теплоизоляционным покрытием 39. Такая облицовка 41 может быть выполнена для защиты покрытия 39 от воздействия текучей среды, обрабатываемой компрессором. В некоторых применениях технологическая текучая среда может содержать грязь или другие химически или механически агрессивные компоненты или материалы, которые могут вызвать эрозию покрытия 39 при отсутствии защитной облицовки.
Покрытие 39 может быть в виде элемента в форме усеченного конуса, который может быть выполнен из сфальцованного металлического листа 39М, окружающего внутренний карман 39Р, который может быть заполнен теплоизоляционным материалом, таким как керамика или подобным ей, аналогично выше рассмотренным теплозащитным устройствам, окружающим диафрагмы 19 и улитку 21.
Покрытие 39 может быть расположено между внутренней поверхностью 35В патрубка 35 и внутренней облицовкой. Как лучше всего показано на фиг. 4, внутренняя облицовка 41 может быть прикреплена, например, винтами 43 к патрубку 35 или другой неподвижной части корпуса 3.
Облицовка 41 может иметь форму усеченного конуса и может быть выполнена с наружным кольцеобразным бортиком 43С, имеющим множество резьбовых отверстий, в которые завинчены винты 43, при этом кольцеобразный бортик 43С прилегает к кольцеобразному краю 35Е выпускного патрубка 35.
Дополнительная теплозащита может быть выполнена вдоль проточного прохода 47 между улиткой 21 и газовыпускным отверстием 23, как показано на фиг. 4 и 5. Эта дополнительная теплозащита может состоять из теплозащитного покрытия 51, расположенного между внутренней поверхностью сквозного отверстия, выполненного в самой нижней по потоку диафрагме 19Е, и облицовкой 53. Покрытие 51 может состоять из металлического листа 51М, например, стального листа или пластины, свернут с образованием внутреннего кармана 51Р, который может быть заполнен теплоизоляционным материалом, таким как керамика или другими материалами, как изложено выше. Покрытие 51 и облицовка 53 могут быть прикреплены к диафрагме 19Е винтами 55 или другими соединительными элементами. В соответствии с другими вариантами выполнения покрытие 39 может быть выполнено не в виде защитных панелей, прикрепленных к неподвижным компонентам компрессора, а в виде покрытия, непосредственно нанесенного на внутреннюю поверхность выпускного патрубка 35. Например, покрытие может быть нанесено на внутреннюю поверхность выпускного патрубка 35 напылением при высокой температуре, плазменной металлизацией, электрохимическим осаждением. Защитная облицовка 41 может быть выполнена для защиты покрытия от химического или механического воздействия обрабатываемым газом.
Подобным образом, в некоторых вариантах выполнения теплоизоляция между улиткой 21 и наружным корпусом может быть выполнена в виде теплоизоляционного покрытия, а не в виде защитных панелей. Покрытие может быть нанесено на наружную поверхность улитки 21 и/или на внутреннюю поверхность части корпуса, например, торцевой крышки 3С.
Теплозащитное устройство, описываемое до сих пор, обеспечивает эффективное теплозащитное ограждение между проточной частью, т.е. ротором и диафрагмами 19, и корпусом 3. Теплозащитное ограждение уменьшает интенсивность нагрева корпуса, а также может уменьшать температуру установившегося режима, достигаемую корпусом 3 во время работы компрессора 1. Оба воздействия уменьшают опасность возникновения вязко-пластичных деформаций (деформации ползучести) корпуса 3, так что для изготовления такого корпуса может использоваться материал с невысокими эксплуатационными качествами, даже если во время работы достигаются высокая температура и высокое давление обрабатываемого газа. Использование материала с невысокими эксплуатационными качествами снижает стоимость компрессора и облегчает механическую обработку.
В некоторых вариантах выполнения работой компрессора 1 управляют так, что его останавливают при достижении корпусом 3 температуры, которая может быть опасной с точки зрения возможного повреждения корпуса из-за деформации ползучести. Применение теплового ограждения, образованного одним или более описанными выше теплозащитными устройствами, уменьшает интенсивность нагрева, при которой температура корпуса увеличивается от температуры окружающей среды до максимального порога, за пределами которого компрессор должен быть остановлен. Таким образом, имеется возможность получить более длительный период работы компрессора 1.
Существуют области применения, в которых компрессор требуется для работы периодически, например, в АЭЗСВ установках. В этих установках компрессор приводится в действие лишь тогда, когда, например, имеется избыток электроэнергии в распределительной электросети. Обычно это происходит в ночное время, когда электроэнергия, вырабатываемая непрерывно работающими крупными паросиловыми установками, превышает электроэнергию, необходимую для присоединенных к распределительной электросети нагрузок. Избыточная электроэнергия преобразуется в механическую энергию электродвигателем, а затем посредством одного или более компрессоров - в энергию давления воздушного потока. Сжатый воздух аккумулируется в каверне-хранилище или другой емкости для хранения. Когда энергия из сети недоступна, сжатие воздуха больше не осуществляют, при этом компрессор 1 может быть выключен. Тепловой экран, описанный выше, уменьшает интенсивность нагрева корпуса 3 до такой степени, что температура корпуса 3 никогда не будет достигать критического значения во время периодической работы компрессора.
В других вариантах выполнения, когда, например, компрессор должен работать непрерывно, может быть выполнена установка из сдвоенных компрессоров, так что один компрессор работает в течение первого периода, во время которого температура его корпуса 3 медленно достигает температурного порога, выше которого температура не должна повышаться. В этот момент работающий компрессор выключают и запускают второй компрессор, обеспечивая возможность охлаждения первого компрессора.
Фиг. 6 показывает иллюстративный вариант выполнения АЭЗСВ установки, в которой может быть использован описанный выше компрессор 1. Установка 60 может содержать один или более компрессоров 1, приводимых в действие электрической машиной 61, которая может быть электродвигателем. В некоторых вариантах выполнения электрическая машина является реверсивной электрической машиной, которая может работать попеременно в режиме двигателя или в режиме генератора, при этом предпочтительно она присоединена к распределительной электросети G.
Вал 62 присоединяет машину 61 к компрессору 1. Между машиной 61 и компрессором 1 может быть расположена муфта 63 для избирательного подсоединения и отсоединения двух машин.
Воздух, всасываемый компрессором 1, сжимается и подается через воздуховод 64 к емкости или каверне-хранилищу 66, в которой аккумулируется сжатый воздух. При подаче сжатого воздуха компрессором 1 к каверне-хранилищу 66 открывают клапан 65.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения установка 60 дополнительно содержит детандер 74. Кроме того, может быть дополнительно выполнена газовая турбина 67. Сжатый воздух может подаваться из каверны-хранилища 66 через воздуховод 68 к детандеру 74 и к газовой турбине 67 за счет открытия клапана 69. Частично расширенный воздух, подаваемый детандером 74 к камере 70 сгорания, может смешиваться с газообразным или жидким топливом F. Топливно-воздушную смесь воспламеняют для создания газообразных продуктов сгорания, которые подают к газовой турбине 67 и расширяют в ней с созданием механической энергии на валу 71.
В некоторых вариантах выполнения ротор детандера 74 может поддерживаться тем же самым валом 71, так что механическая энергия, создаваемая за счет расширения воздуха в детандере 74, становится доступной для того же самого приводного вала 71. Для избирательного подсоединения машины 61 к турбомашинам 74 и 67 или для отсоединения машины 61 от них может быть выполнена муфта 72.
Установка 60 работает нижеследующим способом. Когда в распределительно электросети G имеется избыток электроэнергии, то указанная избыточная энергия может быть использована для работы машины 61 в режиме двигателя с приведением в действие компрессора 1. Муфту 63 вводят в зацепление, а муфту 72 расцепляют. Турбомашины 74 и 67 находятся в неработающем состоянии. Клапан 69 закрывают, а клапан 65 открывают. Окружающий воздух, всасываемый компрессором 1, сжимается и подается через воздуховод 64 в каверну-хранилище 66, в которой аккумулируется воздух под высоким давлением. Этот режим работы продолжается до тех пор, пока имеется избыточная электроэнергия из сети G, например, в ночное время. Временной интервал, во время которого работает турбокомпрессор 1, является достаточно коротким для предотвращения достижения корпусом 3 компрессора 1 критической температуры, которая может вызвать повреждения корпуса, обусловленные деформацией ползучести.
Если в сети нет избыточной электроэнергии, компрессор 1 останавливают.
Если из сети G требуется дополнительная электроэнергия, то установку 60 включают в генераторный режим путем открытия клапана 69 и запускают детандер 60 и газовую турбину 67. Сжатый воздух подают из каверны-хранилища 66 в направлении детандера 74, в котором он частично расширяется до тех пор, пока его давление не станет достаточно низким для поступления в камеру 70 сгорания. Топливо F, смешанное со сжатым воздухом и воспламененное, создает газообразные продукты сгорания, которые расширяются в турбине 67. Муфту 72 вводят в зацепление так, что механическая энергия, создаваемая на валу 71, может использоваться для вращения машины 61, которая теперь работает в генераторном режиме. Муфту 63 расцепляют. Таким образом, машина 61 вырабатывает электроэнергию, вводимую в распределительную электросеть G.
Фиг. 7 иллюстрирует установку, в которой расположены в параллель два компрессора 1, работающие попеременно так, что каждый компрессор имеет период охлаждения, когда температура его наружного корпуса достигла температурного порога, с обеспечением при этом непрерывной работы установки и предотвращением нагревания корпусов компрессоров с выходом за пределы критической температуры, что может вызвать явление ползучести. В некоторых вариантах выполнения установка состоит из первого компрессора 1А и второго компрессора 1 В. Компрессоры 1А и 1В могут быть выполнены так, как изложено в соответствии с фиг. 1-5. Каждый компрессор 1А и 1В может быть приведен в действие, соответственно, своим собственным электродвигателем МА и MB. Вместо электродвигателя возможно использование других первичных движителей, таких как турбина.
Впускной трубопровод 81 подает газ, который необходимо сжимать, или к одному, или к другому из двух компрессоров 1А и 1В. Сжатый газ подается в подающий трубопровод 82 из одного или из другого из двух компрессоров 1А и 1В. Клапаны 83А и 83В, расположенные у газовпускных отверстий двух компрессоров 1А, 1 В, и клапаны 84А и 84В, расположенные у газовыпускных отверстий двух компрессоров 1А, 1В, могут использоваться для избирательного присоединения одного или другого из двух компрессоров 1А и 1В к трубопроводным системам 81 и 82.
Работа установки 80 происходит, как изложено ниже. Компрессор 1А может работать, например, в течение первого временного интервала, во время которого его наружный корпус медленно нагревается вследствие теплового потока, распространяющегося от обрабатываемого газа. Теплозащитные устройства, выполненные во внутренней части компрессора, замедляют нагревание корпуса. При достижении температурного порога или по истечении заданного временного интервала запускают второй компрессор 1В, а первый компрессор 1А может быть остановлен. При этом способе первый компрессор 1А может быть охлажден до окружающей температуры, тогда как второй компрессор 1В находится в работающем состоянии и медленно нагревается.
Фиг. 8 схематически показывает зависимость температуры корпуса от времени для известного компрессора (кривая С1) и для предложенного компрессора (кривые С2 и С3). Первая кривая С1 иллюстрирует увеличение температуры от температуры окружающего воздуха до максимального значения Т1, достигаемого асимптотически после определенного временного интервала.
Если используется теплозащитное устройство, как изложено выше, то температура корпуса 3 будет повышаться в соответствии с кривой С2. Повышение температуры в соответствии с кривой С2 происходит значительно медленнее, чем повышение температуры в соответствии с кривой С1. Это обусловлено действием теплового ограждения, создаваемого теплозащитным устройством. Помимо этого, максимальная температура Т2, достигаемая наружным корпусом, будет в этом случае ниже, чем температура Т1, достигаемая известным компрессором. Различие в максимальных температурах обозначено как ΔT.
В действительности, в предпочтительных вариантах выполнения, как отмечено выше, для дополнительного предотвращения повреждений наружного корпуса, обусловленных деформацией ползучести, компрессор 1 может работать в течение временного интервала, после которого компрессор останавливают и дают ему остыть. Этот режим работы компрессора показан кривыми С2 и С3. Например, компрессор может работать до тех пор, пока температура его наружного корпуса не достигнет температуры Т3 после временного интервала t2-t1. В момент времени t2 компрессор останавливают, при этом температура его корпуса 3 будет понижаться в соответствии с кривой С3 до тех пор, пока не она достигнет температуры ТА окружающей среды.
Несмотря на то, что раскрытые выше варианты выполнения изобретения проиллюстрированы на чертежах и полностью описаны выше в частности и подробно в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, тем не менее, специалистам следует понимать, что возможно внесение множества модификаций, изменений и изъятий по существу без отклонения от основных идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ изобретения, указанных в формуле изобретения. Соответственно, объем охраны раскрытых нововведений следует определять только самым широким толкованием формулы изобретения для охвата всех подобных модификаций, изменений и изъятий. Кроме того, порядок или последовательность выполнения любого из этапов процесса или способа могут быть изменены или переупорядочены в соответствии с другими вариантами выполнения.