ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ
CENTRIFUGAL COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к области компрессоростроения, преимущественно к центробежным компрессорам с высокочастотным электроприводом без смазки в опорах ротора, в частности безмасляным вакуумным циркуляционным компрессорам газодинамических лазеров.
В ряде технологических процессов замкнутого цикла существует необходимость:
- полного исключения попадания масла в технологический газ;
- сохранения постоянства компонентного состава газа в газодинамическом контуре;
- минимизации утечек технологического газа в атмосферу (до полной герметичности);
- поддержания вакуума в газодинамическом контуре.
Известны конструкции центробежных компрессорных агрегатов, содержащие компрессор, включающий установленный в корпусе на подшипниках вал с лопатками и установленные на валу газодинамические уплотнения, привод, установленный также в корпусе и связанный с валом компрессора посредством соединительного элемента (см., например, патент RU 2333398, опубликован 10.09.2008; интернет сайт www.s2m.fr или www.converteam.com). Применяемая при этом конструктивная схема «MOPICO герметичный» или «HOFIM герметичный» позволяет удовлетворить вышеперечисленным требованиям.
Однако существует ряд проблем, связанных с применением высокочастотных электроприводов в подобных конструкциях.
1. Охлаждение ротора высокочастотного электродвигателя.
В указанных схемах ротор электродвигателя и компрессора находится в среде технологического газа. Если съем тепла от статорной части может быть осуществлен жидкостью, в частности водой, то охлаждение роторной части (в том числе и электромагнитных подшипников) возможно только технологическим газом. Так как высокочастотный электродвигатель, а соответственно его ротор, имеют меньшие размеры, что является преимуществом по сравнению с асинхронным электродвигателем той же мощности, но нормальной частоты вращения (3000 об/мин), а количество тепла, подлежащее съему с ротора, в обоих случаях примерно одинаково, то площадь поверхности теплообмена высокочастотного ротора из-за меньших размеров недостаточна при одинаковых параметрах (расходе, начальной температуре и давлении) охлаждающего технологического газа для нормального охлаждения ротора. Ротор будет нагреваться. Для вакуумных компрессорных агрегатов проблема охлаждения усугубляется из-за снижения коэффициента теплоотдачи разреженного газа. Для успешного охлаждения ротора высокочастотного электродвигателя необходимо либо увеличение поверхности теплообмена, либо дополнительное охлаждение технологического газа, направляемого на охлаждение ротора.
Первый путь связан с увеличением длины ротора электродвигателя, т.к. диаметр ротора из условия прочности увеличить нельзя. Но это ведет к разработке нового электродвигателя, новых электромагнитных подшипников (ЭМП), увеличению габаритов, массы, соответственно и стоимости, т.е. к потере того преимущества, которое имел изначально высокочастотный электродвигатель.
Второй путь - это дополнительные энергозатраты на охлаждение технологического газа. Газ, подаваемый на охлаждение, должен быть хорошо подготовлен, пройти глубокую очистку. Но разработка и создание системы охлаждения также ведет к увеличению стоимости установки и снижению ее эксплуатационной надежности.
2. Дополнительные (длительные или эквивалентные) испытания материалов (в том числе изоляции), соприкасающихся с технологическим газом в условиях воздействия электромагнитного поля.
Реальные технологические газы, проходящие через компрессор и обтекающие ротор и статорные части электродвигателя, могут содержать различные виды примесей, включая воду, конденсат, сероводород, ванадий, калий, ртуть и другие химические элементы таблицы Менделеева, а также коррозионно-активные агенты, абразивные включения, в том числе песок. Неочищенный газ вызывает быстрое образование отложений на горячих частях электродвигателя, выводит его из строя, подвергает обмотки статора неизбежному риску короткого замыкания, приводит к отказам магнитных подшипников.
Работы по испытаниям материалов потребуют дополнительных затрат времени и дополнительного финансирования для создания испытательного стенда и проведения испытаний.
3. Все высокочастотные герметичные электродвигатели - единичного производства и имеют высокую стоимость.
Известны также конструкции безмасляных центробежных компрессорных агрегатов, выполненных по схеме «HOFIM герметичный», содержащие единый герметичный корпус компрессора и высокочастотный электродвигатель с единым ротором на электромагнитных подшипниках (см., например, В.В.Дурыманов, С.А.Леонтьев, В.В.Седов «На суше и под водой: капсулированный компрессорный агрегат STC-ECO компании SIEMENS». Турбины и дизели / март-апрель 2010. С.10-14).
Статор электродвигателя отделен от прямого воздействия нечищеного газа специальным изолирующим «стаканом» (капсулой). Изолирующий стакан статора, который устанавливается в зазор между статором и ротором, представляет собой неметаллическую композитную оболочку, также предотвращающую образование вихревых токов. Система охлаждения статора при этом выполняется двухконтурной, усложненной, с дополнительным оборудованием. Обмотки короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя вложены и зафиксированы внутри вала и имеют специальное защитное покрытие.
В герметичных компрессорных агрегатах все активные ЭМП герметически изолированы от рабочего газа.
Размещение дополнительного оборудования с системой контроля его работы, а также увеличение габаритов статорной части электромотора (для компенсации воздействия изолирующего стакана) приведут к увеличению габаритов электропривода, т.е. опять к утрате ряда преимуществ высокочастотного электропривода.
Задачей изобретения является исключение проблем, связанных с применением электродвигателей в конструкциях компрессорных агрегатов по схемам «MOPICO герметичный» и «HOFIM герметичный», исключение дополнительных контуров охлаждения и затрат на их организацию.
Технический результат изобретения заключается в следующем:
- полном исключении попадания масла в технологический газ;
- сохранении постоянства компонентного состава газа в газодинамическом контуре;
- минимизации утечек технологического газа в атмосферу;
- поддержании вакуума в газодинамическом контуре.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что центробежный компрессорный агрегат содержит компрессор, включающий установленный в корпусе на подшипниках вал с лопатками и установленные на валу газодинамические уплотнения, и привод, связанный посредством соединительного элемента с валом компрессора, причем привод расположен вне корпуса, одно из газодинамических уплотнений расположено между подшипником и соединительным элементом, при этом, по меньшей мере, с одним всасывающим патрубком соединены каналы подвода газа к подшипникам, а на роторной части подшипников установлены крыльчатки.
Кроме того, на каждом канале подвода газа может быть установлен фильтр-сепаратор.
Кроме того, соединительный элемент может быть выполнен в виде сухой муфты.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана конструктивная схема центробежного компрессорного агрегата, поясняющая предложенное конструктивное решение.
Центробежный компрессорный агрегат содержит компрессор 1, включающий корпус 2, внутри которого установлен на электромагнитных подшипниках 3 (ЭМП) вал 4 с рабочими лопатками 5. Компрессор 1 включает также всасывающие 6 и нагнетательный 7 патрубки. Агрегат содержит расположенный вне корпуса 2 привод 8, представляющий собой безмасляный, безмультипликаторный высокочастотный электродвигатель с электромагнитными подшипниками ротора и с собственной системой охлаждения (воздушной или жидкостной) статора и ротора (не показаны). Привод 8 механически связан с валом 4 компрессора посредством соединительного элемента 9, выполненного в виде сухой муфты. Между соединительным элементом 9 и ЭМП 3 в корпусе 2 компрессора 1 расположено газодинамическое (сухое, безмасляное) уплотнение 10, предназначенное для исключения попадания воздуха из атмосферы в технологический газ и для минимизации утечек технологического газа в атмосферу.
С всасывающими патрубками 6 компрессора 1 соединены каналы 11 подвода газа к статорным частям ЭМП 3, на каждом из которых установлен фильтр-сепаратор 12, при этом на роторной части ЭМП 3 установлены крыльчатки 13 (импеллеры), служащие для создания избыточного давления технологического газа, используемого для охлаждения ЭМП 3.
В работе привод 8 находится в атмосфере воздуха и не соприкасается с технологическим газом. Собственная система охлаждения обеспечивает охлаждение ротора и статора электродвигателя и его ЭМП.
Охлаждение ЭМП 3 компрессора 1 осуществляется технологическим газом, отбираемым от всасывающих патрубков 6 компрессора 1 через каналы 11. Охлаждаемый газ очищается в фильтрах-сепараторах 12 и крыльчаткой 13 подается в полости ЭМП 3, откуда поступает на рабочие колеса компрессора 1, т.е. возвращается в технологический процесс.
На сухое газодинамическое уплотнение 10 подается буферный газ того же состава, что и технологический, с давлением газа для вакуумного агрегата, незначительно (например, на 10 Па) превышающим атмосферное.
Предложенная конструкция компрессорного агрегата позволяет использовать покупной высокочастотный электродвигатель без доработок, т.е. исключается:
- контакт электродвигателя с технологическим газом;
- проблема охлаждения и дополнительных испытаний;
- проблема обеспечения герметичности электродвигателя.
Наличие одного единственного сухого уплотнения в два раза снижает утечки технологического газа в атмосферу.
Расположение сухого уплотнения 10 от проточной части за ЭМП 3 в сторону приводного конца вала 4 позволяет организовать охлаждение ЭМП 3 компрессора 1 непосредственно технологическим газом.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет:
- применять покупные высокочастотные электродвигатели обычной, хорошо отработанной комплектации;
- уменьшить вдвое по сравнению с типовыми конструкциями компрессоров количество газодинамических уплотнений;
- снизить затраты на организацию охлаждения ЭМП;
- уменьшить динамические осевые нагрузки.