Центробежный компрессорный агрегат

Полезная модель относится к области компрессоростроения, преимущественно к герметичным центробежным компрессорам со встроенным высокочастотным электроприводом без смазки в опорах ротора.
В частности, настоящая полезная модель может быть использована для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей или другого хладагента без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в холодильных установках для охлаждения энергетического оборудования.
Спецификой применения компрессорного оборудования для циркуляции гелия является:
- необходимость полного исключения попадания масла в технологический газ;
- минимизация утечек технологического газа в атмосферу (до полной герметичности).
Известен центробежный криогенный компрессор, содержащий рабочее колесо, диффузор, спиральную улитку и приводной высокочастотный электродвигатель, бочка ротора которого расположена на едином с рабочим колесом валу, установленном вертикально на радиальных и осевых газодинамических опорах посредством подшипниковых щитов в едином корпусе, в котором расположены статор приводного электродвигателя и его принудительная система охлаждения (патент РФ №2034999, МПК F04D 29/66, публикация 1995 г.).
Известен центробежный электронагнетатель, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленный в нем электродвигатель с рабочим колесом, установленным на роторе электродвигателя, при этом во входном патрубке выполнено заборное отверстие, причем ротор электродвигателя выполнен кольцевым, входной патрубок размещен внутри ротора электродвигателя, а рабочее колесо размещено с противоположной заборному отверстию стороны относительно электродвигателя (патент РФ №2172431, МПК F04D 25/06, публикация 2001 г.).
Известен центробежный компрессорный агрегат, имеющий в своем составе двигатель, компрессор, содержащий ведомый вал, приводимый во вращательное движение ротором двигателя, и систему колес с лопатками, установленных на ведомом валу, причем система, образованная двигателем и компрессором, размещается в общем герметичном корпусе, при этом ротор двигателя и ведомый вал компрессора связаны между собой при помощи гибкого соединительного элемента, располагающегося в упомянутом корпусе (патент РФ №2333398, МПК F04D 25/06, публикация 2008 г.).
Известное устройство обладает высокой металлоемкостью, а также сложностью обеспечения герметичности в случае перекачки гелия, что может приводить к утечке перекачиваемой среды.
Известен модульный центробежный компрессор с осевым входом и встроенным электроприводом, содержащий 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, при этом ротор выполнен в виде полой трубы, сообщенной одним своим концом с всасывающим патрубком, а другим концом - с входом в консольно закрепленное на ней рабочее колесо модуля ступени сжатия, выход из которого соединен с выходным патрубком компрессора, причем с внешней стороны трубы установлены роторы электродвигателя и роторные опоры системы магнитных подшипников, а внутренний корпус модуля электропривода установлен в наружном корпусе с образованием полости охлаждения электродвигателя, выполненной герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора (патент РФ №2675296, МПК F04D 25/00, публикация 2018 г.).
Недостатком известного компрессора является низкая эффективность при перекачке гелия, что связано с наличием отдельной полости охлаждения электродвигателя, выполненной герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора, а также сложностью обеспечения ремонтопригодности и герметичности этой полости в случае применения гелия, что может приводить либо к утечке перекачиваемой среды, либо к загрязнению перекачиваемой среды охлаждающей средой.
Задачей создания предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых в конструкциях центробежных компрессоров со встроенным высокооборотным электроприводом без использования смазки в опорах ротора.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения и в создании эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в ядерной энергетике.
Сущность технического решения заключается в следующем.
Центробежный компрессорный агрегат содержит герметичный корпус, снабженный входным и выходным патрубками, и расположенные внутри корпуса центробежный компрессор и привод компрессора, выполненный в виде высокооборотного электродвигателя, который установлен на подшипниковых опорах внутри герметичного корпуса агрегата с образованием между ними полости охлаждения электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок компрессорного агрегата, при этом центробежный компрессор включает два центробежных колеса, расположенные в корпусе компрессорного агрегата на противоположных сторонах относительно электродвигателя и консольно закрепленные на едином с ротором электродвигателя валу.
Подшипниковые опоры представляют собой сухие лепестковые газодинамические подшипники.
Центробежный компрессор с электрическим приводом имеет частоту вращения от 20000 до 80000 оборотов в минуту.
Агрегат содержит прибор управления, имеющий функцию частотного преобразователя, меняющего производительность агрегата посредством изменения числа оборотов электродвигателя.
На фиг. 1 представлена схема установки центробежного компрессорного агрегата; на фиг. 2 - центробежный компрессорный агрегат; на фиг. 3 - центробежный компрессорный агрегат, закрепленный на раме.
Центробежный компрессорный агрегат (фиг. 2) содержит герметичный корпус 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, и установленные внутри корпуса центробежный компрессор 4 и высокооборотный электродвигатель 5. Рабочие центробежные колеса 6 компрессора консольно закреплены на едином с ротором 7 электродвигателя валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10. Центробежные колеса 6 компрессора установлены в корпусе компрессорного агрегата симметрично относительно электродвигателя 5 и входного патрубка 2. Подшипниковые опоры 9 и 10 представляют собой сухие лепестковые газодинамические подшипники. Электродвигатель 5 установлен внутри герметичного корпуса 1 с образованием между ними полости охлаждения 11 электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок 2. Компрессор содержит спиральные улитки 12 и диффузор 13, а также выполненные на валу 8 лабиринтные уплотнения 14, расположенные между рабочим колесом 6 и электродвигателем 5. Электрические кабели выходят из корпуса через специальный герметичный кабельный разъем 15.
Входной патрубок 2 соединен с входным трубопроводом газа 16 (фиг. 1), на котором установлен датчик давления газа 17, а выходной патрубок 3 соединен с выходным трубопроводом газа 18, на котором установлен датчик давления газа 19. Агрегат соединен также с входным трубопроводом воды 20, выходным трубопроводом воды 21 и с охладителем газа 22. Датчики 17 и 19 электрически связаны с прибором управления работой агрегата 23. Прибор управления 23 имеет функцию частотного преобразователя, меняющего производительность агрегата посредством изменения числа оборотов электродвигателя 5.
Центробежный компрессорный агрегат (фиг. 3), включая прибор управления 23 и охладитель 22, размещены и закреплены на единой несущей раме 24.
Центробежный компрессорный агрегат работает следующим образом.
Газ (гелий или гелийсодержащие газовые смеси) поступает во входной трубопровод 16 (фиг. 1), где измеряется его давление посредством датчика давления 17, а показания датчика передаются в прибор управления 23. Далее газ через входной патрубок 2 поступает внутрь герметичного корпуса 1, перемещается по кольцевой полости 11 и охлаждает ротор 7 и статор высокооборотного электродвигателя 5. Газ разбивается на 2 потока и, пройдя вдоль корпуса, поступает в рабочие центробежные колеса 6, закрепленные на едином с электродвигателем валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10, и имеющие частоту вращения от 20000 до 80000 об/мин.
3
Указанная частота вращения для рабочих колес центробежного компрессора позволяет уменьшить габаритные размеры компрессора, например для перекачки гелия с производительностью 50 м/мин с перепадом давления в 0,1 МПа с 3,3 МПа до 3,4 МПа необходимы колеса диаметром не более 80 мм. Центробежные колеса, синхронно вращаясь с указанной скоростью, отбрасывают газ на периферию - в спиральные улитки 12 и далее в диффузор 13, и выходной патрубок 3. Для исключения утечки газа из полостей рабочих колес в полость охлаждения электродвигателя предусмотрены лабиринтные уплотнения 14, эффективно герметизирующие рабочие колеса, учитывая низкий перепад давления компрессора (0,1 МПа).
Кабели от электродвигателя выходят через герметичный сальник и подключаются к прибору управления 23, который обеспечивает плавный запуск, защиту от аварийных параметров, остановку, регулирование частоты вращения электродвигателя для обеспечения изменения производительности компрессора.
Герметичный корпус 1 имеет минимальное количество разъемных соединений и мест утечки или перетечки рабочей среды, благодаря чему обеспечивается герметичность компрессора относительно окружающей среды.
Газ через выходной патрубок 3 выходит в трубопровод 18, где установлен датчик давления 19. Газ после сжатия в компрессоре 4 имеет высокую температуру (на 10-30°С выше температуры на входе), для чего необходимо снизить температуру газа в охладителе газа 22, который может быть выполнен в виде водо-газового теплообменника (кожухотрубчатого или пластинчатого), в котором для охлаждения используется вода, поступающая по трубопроводу 20 и отводящаяся по трубопроводу 21. После охладителя газ с необходимым давлением и температурой поступает в выходной трубопровод газа 18.
Предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективность в работе и удобство в эксплуатации конструкции компрессорного агрегата, используемого для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в ядерной энергетике.