ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ МАШИНА
MACHINE CONVERTING FLUID MEDIUM ENERGY

Изобретение относится к преобразующей энергию текучей среды машине, в частности, компрессору или насосу, содержащей корпус, электродвигатель, по меньшей мере одно рабочее колесо, по меньшей мере два радиальных подшипника, по меньшей мере один проходящий вдоль продольной оси вала вал, который несет по меньшей мере одно рабочее колесо и ротор электродвигателя, при этом вал установлен в радиальных подшипниках, при этом электродвигатель имеет окружающий, по меньшей мере, частично ротор в зоне электродвигателя статор, и между ротором и статором, а также между ротором и радиальными подшипниками выполнен проходящий в окружном направлении и вдоль продольной оси вала зазор, который заполнен, по меньшей мере, частично текучей средой.
Такие преобразующие энергию текучей среды машины являются предметом особенно интенсивных выполняемых в настоящее время исследований, поскольку они предлагают возможность выполнения без уплотнений. Электродвигатель, который, как правило, выполнен в виде электрического привода, и рабочее колесо преобразующей энергию текучей среды машины, например рабочее колесо компрессора, могут быть расположены совместно в одном единственном корпусе, герметично закрытым от окружения, так что для вала не требуется проход наружу. Без уплотнения в этой связи означает, что уплотнение вала не должно уплотнять относительно окружения зазор между движущимся конструктивным элементом и неподвижным конструктивным элементом. Однако некоторые уплотнения, например, в зоне рабочих колес, все же необходимы и выполняются, как правило, в виде лабиринтных уплотнений. Ротор и статор электродвигателя окружены технологической текучей средой, поскольку также в корпусе между компрессором и электродвигателем предпочтительно не предусмотрено уплотнение вала. В соответствии с этим, в зазорах между ротором и неподвижными конструктивными элементами, т.е. между статором электродвигателя и ротором, в подшипниках и улавливающих опорах, находится технологическая текучая среда. Если ротор или экранирующая зазор труба приводится в колебания, которые изменяют высоту зазора в окружном зазоре в окружном положении, и текучая среда в зазоре между ротором и экранирующей зазор трубой имеет заслуживающую упоминания окружную скорость, то местное уменьшение высоты зазора вызывает в образующемся потоке Кутта ускорение, которое в соответствии с законом Бернулли приводит к местному уменьшению давления, так что дополнительно к вызванному уменьшению высоты зазора возникает усиление уменьшающих высоту зазора сил. Эти аэродинамические и гидродинамические силы растут с увеличивающейся плотностью текучей среды и могут при достаточной величине приводить к контакту между вращающимися и неподвижными частями и даже к повреждениям. Такое уменьшение готовности преобразующей энергию текучей среды машины необходимо обязательно предотвращать.
Из WO 97/08808 уже известен электродвигатель с защищенным статором, который имеет по меньшей мере один электродвигатель без подшипников и приводит в действие расположенную сбоку крыльчатку насоса. Предложенная система пригодна лишь для работы небольших преобразующих энергию текучей среды машин, поскольку расположенное на свободном конце рабочее колесо ограничено динамикой ротора относительно размера и массы. Ступенчатое выполнение в указанной конструкции невозможно. Гидродинамическая нестабильность в потоке в зазоре не выяснена.
Исходя из указанных выше проблем, в основу изобретения положена задача создания преобразующей энергию текучей среды машины указанного в начале вида, которая имеет особенно высокую готовность, при этом, в частности, должна быть повышена надежность работы в большой преобразующей энергию текучей среды машине.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью дополнительно указанных в пункте 1 формулы изобретения признаков. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные модификации изобретения.
Под рабочим колесом следует понимать в рамках данного изобретения вращающийся конструктивный элемент, который в соответствии с предназначением машины транспортирует технологическую текучую среду или приводится ею в движение. Это может быть, например, крыльчатка компрессора. В соответствии с этим, в центробежном компрессоре может быть расположено, например, несколько центробежных рабочих колес в линию или последовательно. Дополнительное приложение сил к ротору электродвигателя с помощью отдельных магнитных полей, которые создаются регулируемым статором, обеспечивает надежное положение ротора и повышенную концентричность продольной оси вала относительно экранирующей зазор трубы. В соответствии с этим, происходит не так рано указанное выше обусловленное динамикой ротора и гидравлическое явление гидродинамической нестабильности, соответственно, можно без риска использовать дополнительный рабочий диапазон.
Особенно предпочтительно корпус выполнен газонепроницаемым, при этом предусмотрены по меньшей мере один вход и один выход для подлежащей транспортировке преобразующей энергию текучей среды машиной или приводящей в движение технологической текучей среды. В этом смысле в рамках изобретения под газонепроницаемым корпусом понимается, что не должно быть предусмотрено уплотнение вала для вывода вала из корпуса.
Согласно изобретению, предусмотрен по меньшей мере один осевой подшипник для заданной опоры вала в осевом положении. Этот осевой подшипник предпочтительно выполнен в виде магнитного подшипника, так же как по меньшей мере два отдельных радиальных подшипника.
Экономия сложного уплотнения вала приводит, естественно, к тому недостатку, что электродвигатель должен быть не чувствительным к воздействию часто химически агрессивной технологической текучей среды. При этом технологическая текучая среда может быть, например, природным газом, который сжимается под водой и, наряду с химической агрессивностью, имеет также недостаток сильно колеблющегося давления и наличия грубых загрязнений.
При этом целесообразно защищать по меньшей мере внутреннее пространство статора электродвигателя от технологической текучей среды, так что в зазоре между ротором и статором может быть предусмотрена так называемая экранирующая зазор труба, которая отделяет пространство, в котором ротор омывается технологической текучей средой, от пространства, в котором расположено внутреннее пространство статора.
При этом статор предпочтительно с помощью отдельной охлаждающей системы с охлаждающей текучей средой удерживается на подходящей рабочей температуре, при этом охлаждение остальных компонентов машины предпочтительно осуществляется с помощью технологической текучей среды. В частности, подшипники, которые выполнены в виде магнитных подшипников, могут охлаждаться с помощью технологической текучей среды.
При этом к экранирующей зазор трубе предъявляются особые требования. Для того чтобы она не нагревалась слишком сильно на основании индуцированных вихревых токов в изменяющихся магнитных полях статора, она не должна быть электрически проводящей. Наряду с этим она должна иметь достаточную механическую стабильность, поскольку могут образовываться большие разницы давления между технологической текучей средой и отделенной с помощью экранирующей зазор трубы, как правило, от технологической текучей среды охлаждающей текучей средой статора. Для обеспечения приемлемого коэффициент полезного действия толщина стенки экранирующей зазор трубы не должна быть слишком большой. Кроме того, экранирующая зазор труба должна быть химически устойчивой относительно технологической текучей среды.
В другой предпочтительной модификации изобретения компоненты преобразующей энергию текучей среды машины охлаждаются с помощью подлежащей транспортировке текучей среды, соответственно, технологической текучей среды, в частности, выполненные в виде магнитных подшипников подшипники. Кроме того, преобразующая энергию текучей среды машина предпочтительно выполнена так, что технологическая текучая среда по меньшей мере частично омывает ротор.
Для того чтобы электродвигатель мог создавать латеральные силы для стабилизации концентричности ротора относительно экранирующей зазор трубы целесообразно, что электродвигатель имеет по меньшей мере две системы обмотки с различным количеством пар полюсов.
Кроме того, целесообразно, когда регулирование соединено с датчиками положения и/или колебаний и применяет их сигналы в качестве входных сигналов для управления электродвигателем. Эти датчики можно использовать также для регулирования радиальных магнитных подшипников, так что не требуются дополнительные конструктивные элементы. Дополнительно или в качестве альтернативного решения, регулирование может быть соединено с измерениями электрических токов через обмотки электродвигателя или с измерениями магнитных потоков электродвигателя и применять их в качестве входного сигнала для управления электродвигателем с целью приложения латеральных сил к ротору.
Преимущества изобретения особенно проявляются, когда речь идет о многоступенчатом компрессоре или многоступенчатом насосе с соответствующим количеству ступеней количеством рабочих колес.
Для особенно короткого конструктивного выполнения опора вала может осуществляться с помощью двух отдельных радиальных подшипников, которые расположены на концах вала и включают между собой комбинацию из электродвигателя и компрессора.
Относительно динамики ротора особенно целесообразно, когда электродвигатель и/или рабочие колеса расположены вдоль продольной оси вала, и вдоль этой продольной оси вала по обеим сторонам электродвигателя предусмотрен соответствующий радиальный подшипник, и на противоположной электродвигателю стороне рабочего колеса или рабочих колес предусмотрен другой радиальный подшипник. Эта содержащая три отдельных радиальных подшипника система пригодна для хорошей динамики ротора в многоступенчатых компрессорах.
В соединении с регулированием, согласно изобретению, которое управляет электродвигателем так, что, наряду с крутящими моментами для привода преобразующей энергию текучей среды машины, к продольной оси вала прикладываются также радиальные силы, такая система имеет также в экстремальных рабочих диапазонах высокую готовность.
Кроме того, изобретение относится к способу работы преобразующей энергию текучей среды машины указанного в начале вида, в котором на выполняемое с помощью регулирования управление электродвигателем с целью управления приводным крутящим моментом накладывается дополнительное управление с целью создания радиальных относительно продольной оси вала сил, при этом наряду с электродвигателем предусмотрены по меньшей мере два дополнительных радиальных подшипника.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании описания специального варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Для специалистов в данной области техники из раскрытия понятны другие возможности выполнения, которые входят в объем изобретения и отличаются от указанного примера выполнения. На чертежах схематично изображено:
фиг. 1 - продольный разрез преобразующей энергию текучей среды машины, согласно изобретению, с составляющими частями регулирования, согласно изобретению, которые упрощенно показаны с помощью блоков.
На фиг. 1 показана в продольном разрезе преобразующая энергию текучей среды машина 1 и регулятор 2 в виде блок-схемы в упрощенном виде. Преобразующая энергию текучей среды машина 1 имеет компрессор 3 и электродвигатель 4, которые соединены с помощью общего вала 5 вдоль продольной оси 6 вала в газонепроницаемом наружу корпусе 7. Газонепроницаемый корпус 7 является газонепроницаемым в том смысле, что не предусмотрен проход для вала 7, который необходимо было бы уплотнять с помощью уплотнения вала. В этом смысле преобразующую энергию текучей среды машину 1 можно рассматривать как не имеющую уплотнения, хотя между отдельными ступенями компрессора 3 находятся уплотнения вала для компенсации образующейся в ступенях разницы давления.
Корпус 7 имеет вход 8 и выход 9 для технологической текучей среды 10, которая сжимается с помощью компрессора 3. Наряду с основным потоком 13 через вход 8 и выход 9, соответственно, несколько рабочих колес 11 компрессора 3, небольшая часть технологической текучей среды 10 протекает от последнего рабочего колеса 11 вдоль вторичного пути 12 прохождения потока вплоть до первого рабочего колеса 11.
Электродвигатель 4 имеет ротор 15 и статор 16, при этом ротор 15 опирается на вал 5. Вал 5 опирается на первый радиальный подшипник 17 и второй радиальный подшипник 18, а также на осевой подшипник 19. На фиг. 1 штриховыми линиями изображен третий радиальный подшипник 20, который может быть предусмотрен не обязательно. В этой части вал 5 может быть выполнен не напряженным на изгиб в зоне между компрессором 3 и электродвигателем 4, также с помощью полого вала 21 (изображен штриховыми линиями).
Компрессор 3 выполнен с тремя рабочими колесами 11, т.е. трехступенчатым, однако может иметь также меньшее или большее количество ступеней.
Подшипники 17, 18, 19 и 20 выполнены в виде магнитных подшипников, и вторичный путь 12 прохождения потока проходит вдоль этих подшипников с целью их охлаждения. Технологическая текучая среда 10 охлаждает вдоль вторичного пути 12 прохождения потока не только магнитные подшипники 17-20, но также ротор 15 электродвигателя 4. Статор 16 отделен от ротора 15 зазором 22, при этом вторичный путь 12 прохождения потока проходит через зазор 22. Для защиты внутреннего пространства статора 16 от технологической текучей среды 10 он капсулирован и отделен от зазора 22 с помощью так называемой экранирующей зазор трубы 24.
Статор 16 охлаждается с помощью отдельного охлаждения 25 статора. Циркулирующая в охлаждении статора охлаждающая текучая среда 26 может находиться под другим давлением, чем имеющаяся в зазоре технологическая текучая среда 10, при этом разницу давления воспринимает экранирующая зазор труба 24.
Электродвигатель 4 передает на компрессор 3 крутящий момент 30 для привода сжатия. При этом регулятор 2 регулирует скорость вращения преобразующей энергию текучей среды машины 1, при этом датчик 31 скорости вращения измеряет скорость вращения на валу 5 и измеренное значение передает в инвертер 40 регулятора 2. Инвертер 40 снабжает статор 16 соответствующим номинальному значению скорости вращения управлением, соответственно, током требуемого напряжения и частоты. Комбинированный регулятор и усилитель 41 регулятора 2 задает инвертеру 40 соответствующие номинальные значения скорости вращения. Кроме того, комбинированный регулятор и усилитель 41 соединен с двумя датчиками положения, первым датчиком 50 радиального положения и вторым датчиком 51 радиального положения, измерительные величины которых использует комбинированный регулятор и усилитель 41 для соответствующего управления первым радиальным подшипником 17 и вторым радиальным подшипником 18, так что вал 5 остается в своем пространственном номинальном положении. Наряду с этим, комбинированный регулятор и усилитель 41 использует сигналы датчиков 50, 51 радиального положения для того, чтобы инвертер 40 выполнял накладываемое на управление приводом компрессора управление статором 16 электродвигателя 4, которое устраняет отклонение концентричного положения вала 5 относительно экранирующей зазор трубы 24, при этом управление приводит к воздействию дополнительных радиальных сил 60 на вал 5.
Для обеспечения возможности создания электродвигателем дополнительных радиальных сил 60, в статоре 16 предусмотрена первая обмоточная система 71 и вторая обмоточная система 72, при этом обмоточные системы 71, 72 имеют различное количество пар полюсов.