УРАВНОВЕШИВАЮЩИЙ И УПЛОТНЯЮЩИЙ ПОРШЕНЬ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ КОНТУР ОХЛАЖДЕНИЯ И СПОСОБ
BALANCING AND SEALING PISTON AND CORRESPONDING COOLING CIRCUIT AND METHOD

Настоящее изобретение относится к интегрированному мотору-компрессору и, в частности, к уравновешивающему осевое усилие и уплотняющему поршню, контуру охлаждения и способу охлаждения, в котором реализован такой поршень.
Как показано на Фиг. 1, интегрированный мотор-компрессор содержит общий корпус 2, непроницаемый для газа, используемого мотором-компрессором, в котором размещены электрический двигатель 3 и компрессорная группа 4, например многоступенчатая группа, содержащая комплект рабочих колес 5, 6, 7 и 8, установленных на валу 9. Двигатель 3 приводит во вращение ротор 10, соединенный с валом 9 компрессорной группы 4. Подшипники 11, 12, 13 и 14 используют для поддержки линии вала мотора-компрессора, а уравновешивающий осевое усилие и уплотняющий поршень 15 установлен на валу 9.
Мотор-компрессор 1 дополнительно содержит линию 16 всасывания газа, линию 17 нагнетания и линию 18 забора охлаждающего газа, отводимого из выпускного отверстия мотора-компрессора.
Уравновешивающий крутящий момент и уплотняющий поршень 15 содержит уравновешивающий поршень 19 для компенсации перепада давлений, прилагаемых к рабочим колесам 5, 6, 7 и 8, между давлением всасывания и давлением нагнетания и уплотнительное устройство 20, окружающее уравновешивающий поршень 19, для обеспечения герметичности конца вала за счет потерь давления.
Поток утечки проходит через поршень 15 в осевом направлении и выводится из корпуса 2 по линии 21 утечки, соединенной с линией 16 всасывания.
Температура газа, собранного линией 21 утечки, после сжатия компрессором 4, выше, чем температура газа в линии 16 всасывания.
Как правило, температура газа, подаваемого на вход мотора-компрессора, составляет порядка от 20 до 50°C, а температура газа утечки составляет порядка 180°C.
Таким образом, утечка газа повышает температуру газа, циркулирующего в линии 16 всасывания, снижая производительность компрессора 4.
Линия 17 нагнетания по существу соединена с охладителем 22 для охлаждения сжатого газа.
Часть газа, выходящего из охладителя 22, отводят и инжектируют в корпус 2 по линии 18 впуска охлаждающего газа. Внутри эта линия 18 соединена со средствами 23 охлаждения корпуса 2 с целью охлаждения электрического двигателя 3 и подшипников 11, 12, 13 и 14.
В одном варианте часть газа, выходящего из колеса, отводят, охлаждают и затем инжектируют в корпус 2.
Сжатый газ, отводимый на выходе охладителя 22 или на выходе колеса, рециркулирует в моторе-компрессоре 1, что приводит к снижению производительности мотора-компрессора и скорости потока газа, выходящего из охладителя.
Таким образом, предложено уменьшить недостатки, связанные, с одной стороны, с рециркуляцией потока утечки уравновешивающего осевое усилие и уплотняющего поршня и, с другой стороны, с охлаждением мотора-компрессора.
С учетом вышесказанного в соответствии с первым аспектом предложен уравновешивающий и уплотняющий поршень для интегрированного мотора-компрессора, содержащий:
- уравновешивающий поршень, выполненный с возможностью установки на валу мотора-компрессора для компенсации перепада давлений, прилагаемых к колесам секции сжатия мотора-компрессора, между давлением всасывания и давлением нагнетания; и
- уплотнительное устройство, окружающее уравновешивающий поршень и выполненное с возможностью установки на корпусе мотора-компрессора для обеспечения герметичности секции сжатия.
Кроме того, уравновешивающий и уплотняющий поршень дополнительно содержит канал для отвода газа, причем осевое положение канала для отвода определяют таким образом, чтобы значение давления отводимого газа было равно заданному значению, которое меньше значения давления нагнетания.
Преимуществом является то, что уплотнительное устройство содержит ступенчатое лабиринтное уплотнение, содержащее диски с полым центром, распределенные в осевом направлении так, чтобы обеспечивать потерю давления между двумя смежными дисками, причем канал для отвода газа расположен между двумя смежными дисками.
Предпочтительно уплотнительное устройство содержит уплотнение с сотовой структурой, причем канал для отвода газа расположен в центре уплотнения.
В соответствии с другим аспектом предложен контур охлаждения для интегрированного мотора-компрессора, содержащий
- уравновешивающий и уплотняющий поршень, как определено выше;
- охладитель газа, содержащий впускное отверстие, соединенное с каналом для отвода газа, и выпускное отверстие;
- средства охлаждения для подшипников и для электрического двигателя, соединенные с выпускным отверстием охладителя газа,
причем значение давления отведенного газа в канале для отвода по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых охладителем газа и средствами охлаждения.
В соответствии с другой характеристикой, контур охлаждения дополнительно содержит фильтр, имеющий впускное отверстие, соединенное с выпускным отверстием охладителя, и выпускное отверстие, соединенное со средствами охлаждения, причем значение давления отводимого газа в канале для отвода по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых охладителем, средствами охлаждения и фильтром.
Кроме того, преимуществом является то, что контур охлаждения содержит:
- регулирующий клапан, соединенный с выпускным отверстием охладителя и средствами охлаждения;
- по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры электрического двигателя или температуры подшипника;
- блок обработки данных, соединенный с регулирующим клапаном и датчиком температуры и управляющий регулирующим клапаном,
причем значение давления отводимого газа в канале для отвода по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых охладителем, клапаном и средствами охлаждения.
Соответственно, контур предпочтительно дополнительно содержит фильтр, имеющий впускное отверстие, соединенное с выпускным отверстием охладителя, и выпускное отверстие, соединенное с регулирующим клапаном, причем значение давления отводимого газа в канале для отвода по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых охладителем, регулирующим клапаном и фильтром.
Кроме того, в соответствии с другой характеристикой контур охлаждения дополнительно содержит второй регулирующий клапан, с одной стороны соединенный с выпускным каналом мотора-компрессора или с выпускным отверстием колеса, а с другой стороны - со средствами охлаждения, причем второй регулирующий клапан управляется блоком обработки данных.
В соответствии со вторым аспектом предложен способ охлаждения интегрированного мотора-компрессора, в котором регулируют скорость потока газа, инжектируемого в средства охлаждения с помощью регулирующего клапана таким образом, чтобы температура, измеренная по меньшей мере одним датчиком температуры, была равна заданной температуре.
Преимуществом является то, что, когда температура, измеренная датчиком температуры, превышает заданную температуру и скорость потока газа, инжектируемого с помощью регулирующего клапана, равна заданному максимальному значению скорости потока, регулируют скорость добавочного потока газа, инжектируемого в средства охлаждения, с помощью второго регулирующего клапана таким образом, чтобы температура, измеренная по меньшей мере одним датчиком температуры, была равна заданной температуре.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятны после прочтения следующего описания вариантов осуществления изобретения, приведенного исключительно в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на чертежи, на которых:
на Фиг. 1, как уже упоминалось, представлен мотор-компрессор предшествующего уровня техники;
на Фиг. 2 представлен первый вариант осуществления мотора-компрессора; и
на Фиг. 3 представлен второй вариант осуществления мотора-компрессора.
На Фиг. 2 представлен первый вариант осуществления интегрированного мотора-компрессора 30.
Интегрированный мотор-компрессор 30 содержит общий герметичный корпус 31, в котором размещены электрический двигатель 32 и компрессорная группа 33, содержащая, например, секцию сжатия, имеющую комплект рабочих колес 34, 35, 36 и 37, установленных на валу 38. Двигатель 32 приводит во вращение ротор 39, соединенный с валом 38 компрессорной группы 33. Подшипники 40, 41, 42 и 43 используют для поддержки линии вала мотора-компрессора и уравновешивающего и уплотняющего поршня 44, установленного на одном конце вала 38.
Этот поршень 44 выполнен с возможностью уравновешивания осевого усилия, воздействующего на ступени сжатия мотора-компрессора вследствие перепада давлений, и обеспечения герметичности секции сжатия.
Мотор-компрессор 30 дополнительно содержит канал 45 всасывания газа и выпускной канал 46 для сжатого газа, канал 47 охлаждения, соединенный со средствами 48 охлаждения электрического двигателя 32 и подшипников 40, 41, 42 и 43, и канал 49 утечки, соединенный с каналом 45 всасывания.
Средства 48 охлаждения подают охлаждающий газ.
Поток утечки проходит в осевом направлении по уравновешивающему осевое усилие и уплотняющему поршню 44 и выходит из корпуса 31 по каналу 49 утечки.
Подшипники 40, 41, 42 и 43 могут представлять собой электромагнитные подшипники, обеспечивающие поддержку вала 38 при работе мотора-компрессора 30.
Уравновешивающий и уплотняющий поршень 44 содержит уравновешивающий поршень 50 для компенсации перепада давлений, прилагаемых к колесам компрессора 33, между давлением всасывания и давлением нагнетания и уплотнительное устройство 51, окружающее уравновешивающий поршень 50 для обеспечения герметичности конца вала за счет потерь давления.
Поршень 44 дополнительно содержит канал 52 для отвода газа.
Осевое положение канала 52 для отвода газа определяют таким образом, чтобы значение давления отводимого газа было равно заданному значению давления отводимого газа (Pext), которое меньше значения давления нагнетания.
Уплотнительное устройство 51 содержит ступенчатое лабиринтное уплотнение, содержащее диски с полым центром, распределенные в осевом направлении так, чтобы обеспечивать потерю давления между двумя смежными дисками, причем канал 52 для отвода газа расположен между двумя смежными дисками.
В одном варианте уплотнительное устройство 51 содержит уплотнение с сотовой структурой, причем канал 52 для отвода газа расположен в центре уплотнения.
Количество горячего газа, циркулирующего через канал 49 утечки, уменьшается на количество газа, отводимого через канал 52 для отвода.
Следовательно, температура газа в канале всасывания ниже температуры в корпусе уравновешивающего осевое усилие и уплотняющего поршня, не имеющего канала для отвода.
Производительность мотора-компрессора повышается.
Мотор-компрессор 30 дополнительно содержит контур охлаждения, содержащий уравновешивающий и уплотняющий поршень 44, охладитель 53 газа, одно впускное отверстие которого соединено с каналом 52 для отвода, а выпускное отверстие соединено с впускным отверстием фильтра 54, причем одно выпускное отверстие фильтра соединено с регулирующим клапаном 55, соединенным со средствами 48 охлаждения.
Охладитель 53 охлаждает газ, циркулирующий на впускном отверстии.
Контур охлаждения дополнительно содержит датчики 56, 57 и 58 температуры, измеряющие температуру электрического двигателя 32 и температуру подшипников 41 и 42, блок 59 обработки данных, управляющий регулирующим клапаном 55 и принимающий информацию о температуре, переданную датчиками температуры.
В одном варианте каждый подшипник может быть оснащен датчиком температуры.
Фильтр 54 фильтрует газ на выпускном отверстии для удаления частиц и воды, содержащихся в газе.
Блок 59 обработки данных регулирует скорость потока газа, инжектируемого в контур охлаждения мотора-компрессора с помощью регулирующего клапана 55, таким образом, чтобы температура, измеренная датчиками 56, 57 и 58 температуры, была равна заданной температуре Tcons, выбранной с возможностью предотвращения ухудшения характеристик электрического двигателя 32 и подшипников.
Контур охлаждения содержит контур регулирования температуры.
Блок 59 обработки данных реализован, например, с помощью микропроцессора.
Это может быть любое устройство, выполненное с возможностью управления регулирующим клапаном 55 таким образом, чтобы температура, измеренная датчиками 56, 57 и 58 температуры, была равна заданной температуре Tcons.
Заданное значение Pext1 давления газа, отводимого по каналу 52 для отвода, по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых средствами 48 охлаждения, охладителем 53, фильтром 54 и регулирующим клапаном 55. Предполагается, что потери давления, создаваемые линиями, соединяющими элементы контура охлаждения, пренебрежимо малы по сравнению с потерями давления, создаваемыми указанными элементами.
В одном варианте контур охлаждения не имеет фильтра 54. Заданное значение Pext2 давления газа, отводимого по каналу 52 для отвода, по меньшей мере равно значению потерь давления, создаваемых средствами 48 охлаждения, охладителем 53 и регулирующим клапаном 55.
В соответствии с другими вариантами осуществления контур охлаждения не имеет клапана 55. Заданное значение Pext3 давления газа, отводимого по каналу 52 для отвода, равно заданному значению Pext1 минус значение потерь давления, создаваемых клапаном 55, если контур включает в себя фильтр 54, или заданному значению Pext2 минус значение потерь давления, создаваемых клапаном 55.
Средства 48 охлаждения инжектируют газ утечки, выходящий из поршня, имеющего обозначение 44.
Следовательно, охлаждающий газ не отводится через выпускной канал 46 или через одно из колес 34, 35, 36 и 37, что снижает рециркуляцию газа. Производительность мотора-компрессора повышается.
Теперь обратимся к Фиг. 3, на которой представлен второй вариант осуществления интегрированного мотора-компрессора 30.
Далее элементы, идентичные описанным ранее элементам, обозначены с помощью тех же числовых ссылок.
Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что контур охлаждения дополнительно содержит второй охладитель 60, одно впускное отверстие которого соединено с выпускным каналом 46, и второй регулирующий клапан 61, соединенный с выпускным отверстием второго охладителя 60.
В одном варианте впускное отверстие второго охладителя 60 соединено с выпускным отверстием колеса 34, 35, 36 или 37 секции сжатия.
Второй охладитель 60 охлаждает газ, выходящий из компрессора 33.
В соответствии с другими вариантами осуществления второй регулирующий клапан 61 непосредственно соединен с выпускным каналом 46 или с выпускным отверстием колеса 34, 35, 36 или 37 секции сжатия.
Второй регулирующий клапан 61 дополнительно соединен с каналом 47 охлаждения.
Блок 59 обработки данных дополнительно управляет вторым регулирующим клапаном 61 так, что, когда температура, измеренная датчиками 56, 57 и 58 температуры, превышает заданную температуру Tcons и скорость потока газа, инжектируемого с помощью первого регулировочного клапана 55, равна заданному максимальному значению скорости потока, скорость потока добавочного газа, инжектируемого с помощью второго регулирующего клапана в средства 48 охлаждения, способствует уменьшению температуры, измеряемой датчиками температуры, до тех пор пока она не будет равна заданной температуре Tcons.
Заданное максимальное значение скорости потока представляет собой максимальную скорость потока газа, проходящего через первый регулирующий клапан 55.
В одном варианте, если контур охлаждения не содержит первого регулирующего клапана 55, блок 59 обработки данных управляет вторым регулирующим клапаном 61 так, что, когда температура, измеренная датчиками 56, 57 и 58 температуры, превышает заданную температуру Tcons, скорость резервного потока газа, инжектируемого с помощью второго регулирующего клапана в средства 48 охлаждения, способствует уменьшению температуры, измеряемой датчиками температуры, до тех пор, пока она не будет равна заданной температуре Tcons.
В данном варианте осуществления, если скорости потока газа утечки, отводимого через канал 52 для отвода, недостаточно для охлаждения двигателя 32 и подшипников до заданной температуры Tcons, через выпускной канал 46 отводится добавочный поток газа.
Охлаждающая способность контура охлаждения возрастает.
Поскольку добавочный поток газа, отводимый через выпускной канал, пренебрежимо мал по сравнению с потоком газа, выходящим из компрессора 34, производительность мотора-компрессора не снижается.
В соответствии с другими вариантами осуществления мотор-компрессор 30 может содержать несколько секций сжатия, установленных на его валу, причем каждая секция сжатия соединена с уравновешивающим осевое усилие и уплотняющим поршнем.
Уравновешивающий осевое усилие и уплотняющий поршень, значение низкого давления которого является самым низким, содержит канал для отвода газа.