ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области компрессоростроения, в частности к двухступенчатым центробежным компрессорам со встроенным высокооборотным электроприводом без смазки в опорах ротора.
Известен двухступенчатый центробежный компрессор со встроенным между консольно расположенными ступенями электродвигателем, имеющий корпус, состоящий из корпуса электродвигателя и присоединенных к нему с каждой стороны через промежуточные фланцы корпусов одной и другой ступени, и ротор - единый для ступеней и электродвигателя, установленный в расположенных между ступенями и электродвигателем опорных и упорного магнитных подшипников, имеющих статорные и роторные элементы, причем внутри корпуса статорные элементы опорных и упорного магнитных подшипников выполнены в виде блоков, установленных в дополнительных корпусах, каждый из которых закреплен на промежуточном фланце с его внутренней, обращенной к ступени стороне, причем со стороны одной ступени в дополнительном корпусе установлены статорные элементы опорного магнитного подшипника, а со стороны другой ступени - статорные элементы опорного и упорного магнитных подшипников (патент РФ на ПМ №36709, F04D 25/06, опубл. 20.03.2004).
Недостатком известной конструкции является ее высокая стоимость и необходимость использования специальной системы управления электромагнитными подшипниками, а также специальной системы охлаждения электродвигателя.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является двухступенчатый центробежный компрессор со встроенным между консольно расположенными ступенями асинхронным или синхронным электродвигателем, ротор которого - единый для ступеней и электродвигателя - установлен в расположенных между ступенями и электродвигателем газодинамических подшипниках (И.Я. Сухомлинов и др., Малорасходные холодильные центробежные компрессоры, Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том III. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке, г. Сумы, 2004, с.19).
Достоинством прототипа, по сравнению с компрессорами других типов, являются малые массогабаритные показатели, отсутствие системы смазки, мультипликатора и вращающихся уплотнений, лучшие виброакустические характеристики, большая эффективность регулирования при работе на нерасчетных режимах и меньшая стоимость.
Недостатком прототипа является необходимость использования водяного охлаждения для отвода теплоты потерь электродвигателя. Кроме того, при создании такой конструкции компрессора на большие производительности возникают проблемы с использованием газодинамических подшипников из-за их несущей способности, ограничивающей допустимую массу ротора.
С учетом изложенного, целью полезной модели является расширение функциональной возможности использования двухступенчатого центробежного компрессора.
Технический результат - возможность эффективной работы компрессора вне холодильного цикла без водяного охлаждения электродвигателя и снижение его массогабаритных характеристик за счет упрощения конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в двухступенчатом центробежном компрессоре, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, всасывающими и моторной камерами, нагнетательными камерами с диффузорами, опорными перегородками с газодинамическими подшипниками и интегрированным в корпус между опорными перегородками статором электродвигателя, размещенным во втулке корпуса, имеющей периферийные пазы, размещенный в газодинамических подшипниках ротор компрессора с установленными на нем рабочими колесами первой и второй ступеней и ротором электродвигателя, который установлен с зазором относительно статора, опорные перегородки снабжены отверстиями, соединяющими диффузор нагнетательной камеры первой ступени и всасывающую камеру второй ступени с моторной камерой, а соотношение площади периферийных пазов втулки корпуса к площади зазора между ротором и статором электродвигателя равно
в
з
S/S=5-20
где:
в
S - площадь периферийных пазов втулки корпуса;
з
S - площадь зазора между статором и ротором электродвигателя, при этом ротор компрессора выполнен полым, периферийные пазы втулки обращены к статору электродвигателя, а электродвигатель выполнен высокочастотным синхронным четырехполюсным на постоянных магнитах.
Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых представлены:
эд
эд
в
з
Фиг.1 - принципиальная схемой двухступенчатого центробежного компрессора; Фиг.2 - график зависимости тепловых потерь Δt и потерь давления ΔP от соотношения площади периферийных пазов втулки корпуса S к площади зазора между ротором и статором электродвигателя S.
Согласно представленной схеме двухступенчатый центробежный компрессор включает следующие элементы:
корпус 1;
входной патрубок 2;
выходной патрубок 3;
моторная камера 4;
рабочее колесо первой ступени 5;
всасывающая камера второй ступени 6;
диффузор первой ступени 7;
диффузор второй ступени 8;
опорная перегородка первой ступени 9;
опорная перегородка второй ступени 10;
газодинамические подшипники 11;
втулка корпуса 12;
статор электродвигателя 13;
ротор компрессора 14;
ротор электродвигателя 15;
рабочее колесо второй ступени 16;
нагнетательная камера первой ступени 17;
нагнетательная камера второй ступени 18;
всасывающая камера первой ступени 19.
Ротор электродвигателя 15 установлен с зазором относительно статора электродвигателя 13; опорные перегородки 9 и 10 снабжены отверстиями 20, соединяющими нагнетательную камеру первой ступени 17 и всасывающую камеру второй ступени 6 с моторной камерой 4; втулка корпуса 12 снабжена периферийными пазами 21.
Испытания заявленной полезной модели проводились на опытном образце двухступенчатого центробежного компрессора производительностью 350 кВт в режиме водоохлаждающей машины для систем кондиционирования.
Опытный образец представляет собой компрессор двухступенчатый с оппозитным расположением ступеней с обеих сторон высокочастотного синхронного электродвигателя мощностью 100 кВт. Ротор компрессора 14 вращается в газодинамических подшипниках 11 лепесткового типа, установленных с каждой стороны между ступенями и ротором электродвигателя 15. Для обеспечения работоспособности подшипников 11 электродвигатель выполнен высокочастотным синхронным 4-х полюсным на постоянных магнитах, а ротор компрессора 14 - полым, что позволило снизить общий вес ротора компрессора 14 с учетом веса ротора электродвигателя 15 до 7,5 кг.
Оппозитная схема расположения ступеней с рабочими колесами диаметром D=102 мм сократила осевые усилия, действующие на ротор компрессора 14, что позволило отказаться от установки разгрузочного поршня, а применение газодинамических подшипников 11, стоимость и трудоемкость изготовления которых на порядок ниже стоимости электромагнитного подвеса, и многополюсного, в частности - 4-х полюсного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах, существенно снизило габариты и массу компрессора.
Работа компрессора осуществляется следующим образом.
Агент/рабочее тело поступает по входному патрубку 2 через всасывающую камеру первой ступени 19 в рабочее колесо первой ступени 5 компрессора, после процесса сжатия в котором подается в моторную камеру 4 через диффузор первой ступени 7, нагнетательную камеру первой ступени 17 и отверстия 20 в опорной перегородке первой ступени 9. Далее, большая часть рабочего тела, охлаждая внешние поверхности лобовых частей и статора электродвигателя 13, через периферийные пазы 21 во втулке корпуса 12, а вторая часть, охлаждая внутренние поверхности лобовых частей и ротор электродвигателя 15 через зазор между ротором электродвигателя 15 и статором электродвигателя 13, через отверстия 20 в перегородке 10 подается через всасывающую камеру второй ступени 6 на рабочее колесо второй ступени 16 и далее, через диффузор второй ступени 8 и нагнетательную камеру второй ступени 18, на выходной патрубок 3.
Периферийные пазы 21 втулки корпуса 12 обращены к статору электродвигателя 13. При этом отношение площади периферийных пазов 21, выполненных во втулке корпуса 12, к площади зазора между ротором электродвигателя 15 и статором электродвигателя 13 соответствует отношению потерь в статоре 13 и роторе 15 электродвигателя и находится в диапазоне 5-20. Для подачи рабочего тела во всасывающую камеру второй ступени 6 в опорной перегородке второй ступени 10 также предусмотрены отверстия 20.
Всесторонние испытания компрессора на воздухе (вне холодильного цикла) и холодильном агенте R134a подтвердили работоспособность предложенной конструкции, а использование для охлаждения электродвигателя пара агента/рабочего тела после первой ступени обеспечили возможность эффективной автономной работы компрессора вне холодильного цикла без применения водяного охлаждения.
в
з
эд
в
з
эд
Диапазон изменения отношения площадей определен по результатам испытаний компрессора (см. Фиг.2), а, именно: нижнее значение S/S=5 определяется минимальными потерями давления в полости электродвигателя - ΔP=0,5 бар, ниже которого резко возрастают потери давления, то есть снижается эффективность компрессора, а верхнее значение S/S=20 из условия ограничения допустимой температуры нижней части статора и ротора электродвигателя t=80 град. C°, выше которого в соответствии с приведенным графиком, температура резко возрастает, что так же означает снижение эффективности компрессора.
С учетом изложенного можно сделать вывод, что поставленная цель полезной модели - повышение функциональной возможности двухступенчатого центробежного компрессора - решена, и заявленный технический результат - возможность эффективной работы компрессора вне холодильного цикла без водяного охлаждения электродвигателя и снижение его массогабаритных характеристик за счет упрощения конструкции - достигнут.