KR20060058057A - Combination of compressor and permanent magnet motor for sewage aeration - Google Patents

Combination of compressor and permanent magnet motor for sewage aeration Download PDF

Info

Publication number
KR20060058057A
KR20060058057A KR1020057023463A KR20057023463A KR20060058057A KR 20060058057 A KR20060058057 A KR 20060058057A KR 1020057023463 A KR1020057023463 A KR 1020057023463A KR 20057023463 A KR20057023463 A KR 20057023463A KR 20060058057 A KR20060058057 A KR 20060058057A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
compressor
impeller
motor
diffuser
sewage aeration
Prior art date
Application number
KR1020057023463A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
키스 맨그날
케븐 그래드웰
Original Assignee
더 비오씨 그룹 피엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 비오씨 그룹 피엘씨 filed Critical 더 비오씨 그룹 피엘씨
Publication of KR20060058057A publication Critical patent/KR20060058057A/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02Surge control
    • F04D27/0261Surge control by varying driving speed
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02Aerobic processes
    • C02F3/12Activated sludge processes
    • C02F3/20Activated sludge processes using diffusers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006Regulation methods for biological treatment
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00Pumping installations or systems
    • F04D25/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/08Units comprising pumps and their driving means the working fluid being air, e.g. for ventilation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/22O2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10Biological treatment of water, waste water, or sewage

Abstract

A sewage aeration turbocompressor for continuously delivering air at a relatively low pressure to a sewage sludge treatment plant. The compressor has a housing, an impeller (10) mounted on an impeller shaft within the housing, and an electric drive motor having an output shaft coupled to and rotating in synchronism with the impeller shaft (9). The housing defines an axial air inlet (4) extending to the impeller, a diffuser passageway (12) extending radially outwards from the impeller, and a volute (13) extending from the diffuser to an air outlet. The electric motor is a variable speed permanent magnetic motor controlled by an inverter and the diffuser is vaneless. High levels of efficiency are achieved over a wide range of impeller speeds, enabling the compressor to deliver large volumes of air across a wide range of delivery rates, by designing the system to deliver optimum efficiency at a relatively low pressure rise less than 1500 millibar.

Description

하수 폭기 터보 압축기{COMBINATION OF COMPRESSOR AND PERMANENT MAGNET MOTOR FOR SEWAGE AERATION}Sewage aeration turbo compressor {COMBINATION OF COMPRESSOR AND PERMANENT MAGNET MOTOR FOR SEWAGE AERATION}

본 발명은 하수 폭기(sewage aeration)에 관한 것으로, 특히 원심 공기 압축기를 포함하는 하수 폭기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to sewage aeration, and more particularly to a sewage aeration system comprising a centrifugal air compressor.

물 처리 플랜트(water treating plant)는 다량의 하수 슬러지(sewage sludge)를 발생시킨다. 적절하게 설계된 폭기 탱크에 있어서 압축 공기를 슬러지에 전달함으로써 하수 슬러지의 탱크를 연속적으로 폭기하는 것이 필요하다. 현재에는, 3가지 상이한 타입의 공기 압축기, 즉 정변위 송풍기(positive displacement blowers), 단일 또는 멀티 스테이지의 원심 반경흐름 팬(single or multi-stage centrifugal radial flow fans) 및 혼합류 터보 압축기(mixed flow turbo compressors)가 사용된다.Water treating plants generate large amounts of sewage sludge. In a properly designed aeration tank it is necessary to continuously aeration the tank of sewage sludge by delivering compressed air to the sludge. Currently, there are three different types of air compressors: positive displacement blowers, single or multi-stage centrifugal radial flow fans, and mixed flow turbo compressors. compressors) are used.

정변위 송풍기는 60%의 등급의 효율을 갖고, 단일 또는 멀티 스테이지의 원심 반경흐름 팬은 60 내지 70% 범위의 효율을 갖는데, 이 효율은 보다 높은 압력에서 낮아지는 반면에, 터보 압축기는 일반적으로 "듀티 포인트(duty point)"로 불리 는 최대 효율의 상태에서 작동시에 80% 이상의 효율을 갖는다. 명백하게, 실질적으로 일정하게 터보 압축기를 유지한 작동 상태를 갖는 상황에서는 다른 대안보다 상당히 효율이 우수하다.Constant displacement blowers have a rating of 60% and single or multi-stage centrifugal radial flow fans have an efficiency in the range of 60 to 70%, which is lowered at higher pressures, whereas turbocompressors are generally It has an efficiency of at least 80% when operating in the state of maximum efficiency called the "duty point". Clearly, in situations with operating conditions that keep the turbo compressor substantially constant, it is considerably more efficient than other alternatives.

터보 압축기는, 2가지 주요한 이유, 즉 첫째로 다른 대안에 비해 높은 자본 비용이 든다는 점과, 둘째로 광범위하게 변화되는 유량이 소요되는 적용에서 높은 효율을 유지할 수 없다는 점 때문에, 하수 폭기 시장에서 우위를 차지하지 못하고 있다. 하수 폭기 플랜트의 조작자는 자본 비용과 장기간 작동 비용 양자에 민감하고, 이에 따라 처리 플랜트내의 산소 수요를 모니터링하고 산소 수요가 감소되었다고 지시되는 경우 공급된 공기 체적을 감소시킨다. 이것은, 많은 적용에 있어서 압축기가 50% 정도로 낮출 수 있는, 즉 최대 출력의 50% 내지 100% 사이의 어느 값으로 전달되어야 함을 의미한다.Turbo compressors dominate the sewage aeration market because of two main reasons: first, higher capital costs than other alternatives, and secondly, they cannot maintain high efficiency in applications that require widely varying flow rates. It does not occupy. The operator of the sewage aeration plant is sensitive to both capital and long term operating costs, thus monitoring the oxygen demand in the treatment plant and reducing the air volume supplied when indicated that the oxygen demand has been reduced. This means that for many applications the compressor must be delivered at a value that can be as low as 50%, ie between 50% and 100% of the maximum output.

터보 압축기는 2가지의 일반적인 설계 타입, 즉 가변적인 기하학적 설계 및 고정적인 기하학적 설계 중 하나를 갖는 것으로 고려될 수 있다. 가변적인 기하학적 설계에 있어서, 압축기내 통로의 기하학적 형상은, 속도 또는 하중과 같은 가변적인 조건을 맞추는 압축기 특성을 조절하도록 압축기를 회전시킴에 따라 변화될 수 있다. 반대로, 고정적인 기하학적 설계의 경우, 작동시에 기하학적 조절이 불가능하다. 터보 임펠러의 속도가 통상적인 듀티 포인트 속도로부터 멀어짐에 따라 하수 폭기용으로 사용되는 종래의 터보 압축기의 효율이 급속히 감소된다고 가정하면, 터보 압축기의 턴다운(turndown)을 조절할 수 있게 하는 접근법은 일반적으로 상기 임펠러 상류의 위치된 가변 입구 가이드 베인(variable inlet guide vanes)을 사용함에 따라 달라진다. 일정 속도의 유도 모터 드라이브는 고정 비율의 기어박스에 의해 터보 압축기에 결합되어서, 터보 압축기가 모터 속도보다 빠르게 일정 속도로 회전한다. Turbo compressors can be considered to have one of two general design types: variable geometric design and fixed geometric design. In a variable geometry design, the geometry of the passages in the compressor can be varied by rotating the compressor to adjust compressor characteristics to meet varying conditions such as speed or load. Conversely, in the case of a stationary geometric design, geometrical adjustments in operation are not possible. Assuming that the efficiency of a conventional turbocompressor used for sewage aeration rapidly decreases as the speed of the turbo impeller is away from the typical duty point speed, an approach that allows to control the turndown of the turbocompressor is generally It depends on using variable inlet guide vanes located upstream of the impeller. The constant speed induction motor drive is coupled to the turbo compressor by a fixed ratio gearbox so that the turbo compressor rotates at a constant speed faster than the motor speed.

유도 모터에 의해 구동되는 전형적인 기어식 터보 압축기에 있어서, 터보 압축기가 예컨대 가변 입구와 디퓨저 베인 양자를 포함하는 복합 설계인 경우에도, 에너지 손실은 대략 모터에서 7%, 기어박스에서 5%, 시스템 베어링에서 2% 그리고 터보 압축기 자체에서 19%가 발생한다. 특히 가변 베인 터보 압축기에 대한 높은 자본 비용과, 터보 압축기 구동 트레인(turbocompressor drive train)내의 비효율의 조합이 비교적 비효율적인 정변위 및 멀티 스테이지의 반경흐름 원심 팬을 계속적으로 사용하는 하수 폭기 산업에서 고무되고 있다.In a typical geared turbocompressor driven by an induction motor, the energy loss is approximately 7% in the motor, 5% in the gearbox, system bearings, even when the turbocompressor is a complex design including both variable inlet and diffuser vanes. 2% at and 19% at the turbo compressor itself. In particular, the combination of high capital costs for variable vane turbocompressors and inefficiencies in turbocompressor drive trains is encouraged in the sewage aeration industry, which continues to use relatively inefficient positive displacement and multi-stage radial flow centrifugal fans. have.

동기 속도를 6회로 작동하는 종래의 유도 모터에 의해 구동되는 터보 압축기가 공지되어 있는데, 이 모터는 기어박스를 필요로 하지 않는 터보 압축기에 결합된다. 이 모터는 인버터에 의해 제어되며, 인버터에 의해 모터로 공급된 AC 전력의 주파수를 제어함으로써 턴다운이 성취된다. 이러한 장치는 기어박스 전력 손실을 회피하지만 인버터/모터 조합체에서 일어나는 전력 손실의 증가 비용 때문에 유리하다. 그러나, 이러한 손실이 상당하므로 전력을 현저하게 절약하는 것을 쉽게 성취할 수 없다.Turbo compressors are known which are driven by conventional induction motors operating at six synchronous speeds, which are coupled to a turbo compressor which does not require a gearbox. This motor is controlled by an inverter and turndown is achieved by controlling the frequency of AC power supplied to the motor by the inverter. Such a device avoids gearbox power losses but is advantageous because of the increased cost of power losses occurring in the inverter / motor combination. However, this loss is significant and it is not easy to achieve significant power savings.

유도 모터에 있어서, 하나의 부재(일반적으로 스테이터)상의 제 1 권선에 전류를 통하도록 하는 데에는 교류 전류를 이용한다. 다른 부재(일반적으로 로터)상의 제 2 권선은 제 1 권선의 자기장에 의해 유도된 전류만을 전한다. 반대로, 영 구 자석 모터에 있어서, 스테이터 권선은 인버터의 전력 스위치를 통해 DC 공급원으로부터 공급된다. 로터는 영구 자석을 지지한다. 스테이터 권선 스위치는, 일반적으로 속도 명령 그리고 로터 위치의 측정 또는 추정을 나타내는 입력에 반응하는 컨트롤러에 의해 결정된 시간대에 수행되도록 개폐된다. 영구 자석에 의해 생성된 자기장과 스테이터 권선에 의해 생성된 자기장 사이의 상호 작용은 로터를 회전시킨다. 영구 자석 모터로 비교적 높은 효율이 성취될 수 있지만, 일반적으로 이러한 모터는 비교적 낮은 전력의 적용에만 사용된다. 영구 자석 모터는 전형적으로 300kW의 등급의 전력을 요구하는 하수 폭기 적용에서 사용되고 있지 않다. In an induction motor, an alternating current is used to direct current through a first winding on one member (generally a stator). The second winding on the other member (generally the rotor) carries only the current induced by the magnetic field of the first winding. In contrast, in permanent magnet motors, the stator windings are supplied from a DC source through the power switch of the inverter. The rotor supports the permanent magnets. The stator winding switch is normally opened and closed to be performed at a time determined by the controller in response to the speed command and the input representing the measurement or estimation of the rotor position. The interaction between the magnetic field generated by the permanent magnet and the magnetic field generated by the stator winding rotates the rotor. Although relatively high efficiencies can be achieved with permanent magnet motors, these motors are generally used only for applications of relatively low power. Permanent magnet motors are not typically used in sewage aeration applications requiring a power rating of 300 kW.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명의 목적은 상술된 문제점을 방지하거나 또는 완화하는 하수 폭기 압축기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a sewage aeration compressor that prevents or mitigates the above-mentioned problems.

본 발명에 따르면, 하수 슬러지 처리 플랜트에 공기를 연속적으로 전달하는 하수 폭기 터보 압축기로서, 하우징과, 상기 하우징내의 임펠러 축상에 장착된 임펠러와, 상기 임펠러 축에 결합되어 그와 동기식으로 회전하는 출력 축을 갖는 전기 모터를 포함하며, 상기 하우징은 상기 임펠러에 연장된 축방향 공기 입구를 형성하고, 디퓨저 통로는 상기 임펠러로부터 반경방향 외측으로 연장되고, 볼류트는 상기 디퓨저로부터 공기 출구까지 연장되며, 상기 전기 모터는 인버터에 의해 제어되는 가변 속도 영구 자석 모터이며, 상기 모터는 최대 및 최소 설계 속도에 의해 제한된 범위내의 속도로 상기 압축기를 구동하도록 설계되고, 상기 압축기는 상기 모터가 상기 최대 설계 속도로 구동되는 경우 1500밀리바아가 넘지 않는 상기 입구 와 출구 사이의 압력 상승을 전달하도록 설계된 베인리스 디퓨저를 갖는 고정된 기하학적 압축기이며, 상기 압축기는 상기 모터가 상기 최대 설계 속도보다 느린 속도로 구동되는 경우 최대 효율을 전달하도록 설계된 하수 폭기 터보 압축기가 제공된다.According to the present invention, a sewage aeration turbocompressor for continuously delivering air to a sewage sludge treatment plant, comprising: a housing, an impeller mounted on an impeller shaft in the housing, and an output shaft coupled to and synchronously rotating the impeller shaft. An electric motor having an axial air inlet extending to said impeller, a diffuser passage extending radially outward from said impeller, a volute extending from said diffuser to an air outlet, said electric The motor is a variable speed permanent magnet motor controlled by an inverter, the motor being designed to drive the compressor at a speed within a range limited by the maximum and minimum design speeds, the compressor being driven by the motor at the maximum design speed. If the pressure between the inlet and outlet does not exceed 1500 millibars A fixed geometric compressor with a vaneless diffuser designed to deliver lift, the compressor being provided with a sewage aeration turbocompressor designed to deliver maximum efficiency when the motor is driven at a slower speed than the maximum design speed.

1500밀리바아 미만의 듀티 압력 상승을 제한함으로써, 매우 효율적인 임펠러는 베인리스 디퓨저와 함께 조합되어 변동없는 효율 대 유량 곡선을 만들도록 설계될 수 있다. 이러한 구성은 광범위한 모터 속도에 비해 매우 효율적이다.By limiting the duty pressure rise below 1500 millibars, a highly efficient impeller can be designed in combination with a vaneless diffuser to create an unchanged efficiency versus flow curve. This configuration is very efficient compared to a wide range of motor speeds.

바람직하게, 압력 상승은 850 내지 1200밀리바아의 범위를 갖는다. 최대 효율은 1000 내지 1050밀리바아의 범위내에 있을 수 있다. 임펠러 설계는 특정 적용에 적합하도록 최적화될 수 있다. 마찬가지로, 볼류트는 디퓨저의 베인리스 특성으로 주어진 효율을 최적화하도록 설계될 수 있다. 바람직하게, 베인은 공기 입구내에 제공되지 않아, 가능한 임펠러 회전 속도의 적어도 어느 정도 범위에서 에너지 손실을 회피한다. 디퓨저 통로는 축방향으로 균일한 폭의 단순한 환형 통로일 수 있다.Preferably, the pressure rise is in the range of 850 to 1200 millibars. Maximum efficiency may be in the range of 1000 to 1050 millibars. The impeller design can be optimized to suit the particular application. Likewise, the volute can be designed to optimize the efficiency given the vaneless nature of the diffuser. Preferably, vanes are not provided in the air inlet to avoid energy losses in at least some extent of the possible impeller rotational speed. The diffuser passage may be a simple annular passage of uniform width in the axial direction.

인버터는 슬러지 처리 플랜트내의 슬러지의 산소 함유량을 모니터링하도록 결합된 산소 수요 센서에 의해 제어될 수 있다. The inverter can be controlled by an oxygen demand sensor coupled to monitor the oxygen content of the sludge in the sludge treatment plant.

본 발명의 예시적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 상세하게 기술한다.Exemplary embodiments of the invention are described in detail by way of example only with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 포함된 구성요소를 도시한 개략적인 블록 다이아그램,1 is a schematic block diagram showing components included in an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1에 도시된 시스템에 포함된 터보 압축기의 개략적인 사시도,FIG. 2 is a schematic perspective view of a turbo compressor included in the system shown in FIG. 1;

도 3은 도 2에 도시된 터보 압축기의 임펠러와 볼류트의 개략적인 사시도,3 is a schematic perspective view of an impeller and a volute of the turbo compressor shown in FIG. 2;

도 4는, 도 2 및 도 3에 도시된 터보 압축기와, 디퓨저 베인을 포함하는 종래의 하수 폭기 터보 압축기의 가변 유량에 대한 상대 효율을 나타낸 그래프,4 is a graph showing the relative efficiency with respect to the variable flow rate of the conventional sewage aeration turbo compressor including the turbo compressor and the diffuser vanes shown in FIGS.

도 5는 본 발명에 따른 터보 압축기내의 임펠러, 디퓨저 및 임펠러/디퓨저 조합체의 질량 유량에 대한 등엔트로피 효율을 나타낸 그래프.5 is a graph showing isentropic efficiency versus mass flow rate of an impeller, diffuser and impeller / diffuser combination in a turbocompressor according to the present invention.

도 1을 참조하면, 도시된 시스템은 라인(2)으로 나타낸 공기 흐름을 폭기 용기(3)에 전달하는 터보 압축기(1)를 포함하며, 이 전달된 공기는 예컨대 용기(3)내에 유지된 하수 슬러지를 통해 기포를 발생한다. 전형적으로, 터보 압축기의 출력 압력은 예컨대 1.2바아로 비교적 낮으며, 11000m3/h의 최대 유량을 갖는다.Referring to FIG. 1, the illustrated system comprises a turbo compressor 1 which delivers the air flow represented by the line 2 to the aeration vessel 3, the delivered air being for example sewage retained in the vessel 3. Bubbles are generated through the sludge. Typically, the output pressure of a turbocompressor is relatively low, for example 1.2 bar, and has a maximum flow rate of 11000 m 3 / h.

터보 압축기(1)는, 터보 압축기의 입력 축에 직접 결합된 출력 축(5)을 갖는 영구 자석 모터(4)에 의해 구동된다. 이에 따라, 모터(4)와 터보 압축기(1)는 동기식으로 회전한다. 인버터(6)는 전력을 모터(4)에 공급하도록 제어하며, 이 인버터는 200 내지 480A 범위의 전류를 전달하여 300kW 이상 등급의 유용한 전력 출력을 생성한다. 인버터(6)에 의해 모터(4)로 공급된 전력은, 용기(3)내의 산소 수요를 감지하는 산소 수요 센서(8)에 의해 제공된 인버터로 입력(7)에 의해 제어된다. 이에 따라, 산소 수요가 사전결정된 최대 임계값 이상인 경우, 인버터(6)는 최대 속도로 모터(4)를 구동하는데, 이 속도는 공기의 최대 용량을 용기(3)에 전달하는 터보 압축기의 속도와 동일하다. 감지된 산소 수요가 임계값 이하로 떨어진 경우, 모터 속도는 공급된 공기 용량을 산소 수요에 맞추도록 감소된다.The turbo compressor 1 is driven by a permanent magnet motor 4 having an output shaft 5 directly coupled to the input shaft of the turbo compressor. Accordingly, the motor 4 and the turbo compressor 1 rotate synchronously. Inverter 6 controls to supply power to motor 4, which delivers a current in the range of 200 to 480 A to produce a useful power output rated above 300 kW. The power supplied to the motor 4 by the inverter 6 is controlled by the input 7 to an inverter provided by an oxygen demand sensor 8 that senses the oxygen demand in the vessel 3. Thus, if the oxygen demand is above a predetermined maximum threshold, the inverter 6 drives the motor 4 at the maximum speed, which is equal to the speed of the turbo compressor that delivers the maximum capacity of air to the vessel 3. same. If the sensed oxygen demand falls below the threshold, the motor speed is reduced to match the supplied air capacity to the oxygen demand.

도 2 및 도 3을 참조하면, 터보 압축기(1)의 구조를 설명할 것이다. 터보 압축기는 모터(4)의 출력 축(5)에 직접 결합되어 그와 동기식으로 회전하는 구동 축(9)을 포함한다(도 1 참조). 터보 압축기 축(9)은 적절한 베어링상에 장착되고 중앙 허브를 갖는 임펠러(10)를 지지하며, 이 중앙 허브에서부터 임펠러 베인의 어레이가 연장된다. 허브는 도 2에 도시되어 있지만, 임펠러 베인의 형상을 알아보기 쉽게 하도록 도 3에는 도시되어 있지 않다. 임펠러는 베인리스 축방향 입구(vaneless axial inlet)(11)내로 연장되어, 축이 회전할 때 임펠러(10)는 입구를 통해 공기를 유입시키고 폭기 방향으로 균일한 폭을 갖고 임펠러(10)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 환형의 베인리스 슬롯의 형태인 디퓨저(12)로 가압 공기를 전달한다. 디퓨저(12)는 도 1의 라인(2)에 대응하는 공기 전달 라인에 교대로 결합된 볼류트(13)와 연통한다. 도 3에 있어서, 디퓨저(12)의 반경방향 내측 에지는 라인(14)으로 나타내고, 이 에지의 위치는 도 2에 참조부호(14)로 나타낸다.2 and 3, the structure of the turbo compressor 1 will be described. The turbo compressor comprises a drive shaft 9 directly coupled to the output shaft 5 of the motor 4 and synchronously rotating thereto (see FIG. 1). The turbo compressor shaft 9 is mounted on an appropriate bearing and supports an impeller 10 having a central hub, from which an array of impeller vanes extends. The hub is shown in FIG. 2, but is not shown in FIG. 3 to make it easier to see the shape of the impeller vanes. The impeller extends into a vaneless axial inlet 11 such that when the shaft rotates, the impeller 10 introduces air through the inlet and has a uniform width in the aeration direction and has a radius from the impeller 10. Pressurized air is delivered to a diffuser 12 in the form of an annular vaneless slot extending outwardly. The diffuser 12 communicates with a volute 13 which is alternately coupled to an air delivery line corresponding to the line 2 of FIG. 1. In FIG. 3, the radially inner edge of the diffuser 12 is indicated by line 14, and the position of this edge is indicated by reference numeral 14 in FIG. 2.

도 2 및 도 3에 도시된 일반적인 타입의 베인리스 입구와 디퓨저를 갖는 터보 압축기는, 소정의 임펠러 속도용 소정의 유량 및 출력 압력을 전달하도록 예컨대 임펠러 베인의 설계에 적용하는 기준으로서 공지되어 있다. 그러나, 하수 플랜트내에 폭기 용기에 공기를 전달하는 영구 자석 모터를 갖는 터보 압축기를 사용하는 것은 공지되어 있지 않다. 그러나, 이러한 상황에서의 터보 압축기를 사용하는 것은 도 4를 참조하여 논의된 바와 같이 실질적인 이익을 제공한다.Turbo compressors having a vaneless inlet and diffuser of the general type shown in FIGS. 2 and 3 are known as criteria to apply, for example, to the design of impeller vanes to deliver a desired flow rate and output pressure for a given impeller speed. However, it is not known to use a turbo compressor with a permanent magnet motor that delivers air to the aeration vessel in the sewage plant. However, using a turbo compressor in such a situation provides substantial benefits as discussed with reference to FIG. 4.

도 4를 참조하면, 라인(15)은 도 2의 터보 압축기에 대한 등엔트로피 효율과 최대 유량의 퍼센트 사이의 관계를 도시하고 있다. 효율은 85% 바로 위에서 최대 유량의 약 70%에서 최대가 되고 최대 유량의 100%에서 수 퍼센트 포인트 떨어진다. 효율은 항상 80% 이상이다. 반대로, 라인(16)은 종래의 방식으로 효율을 최대화하도록 설계된, 즉 임펠러 속도의 비교적 좁은 범위에 대한 가능한 가장 높은 효율을 성취함으로써, 베인식 디퓨저를 갖는 터보 압축기에서 등엔트로피 효율과 최대 퍼센트 유량 사이의 관계를 나타낸다. 라인(16)은 87%의 최대 효율을 나타내며, 이 효율은 82%까지 증가된 유량으로 떨어지지만, 감소된 유량으로 매우 급속히 증가된다.Referring to FIG. 4, line 15 shows the relationship between the isentropic efficiency and the percent of maximum flow rate for the turbo compressor of FIG. 2. The efficiency peaks at about 70% of the maximum flow just above 85% and drops a few percentage points at 100% of the maximum flow. The efficiency is always above 80%. Conversely, line 16 is designed to maximize efficiency in a conventional manner, i.e. achieving the highest possible efficiency for a relatively narrow range of impeller speeds, such that between isentropic efficiency and maximum percent flow rate in turbocompressors with vane diffusers. Indicates a relationship. Line 16 exhibits a maximum efficiency of 87%, which drops to an increased flow rate up to 82%, but increases very rapidly at a reduced flow rate.

도 4에 도시된 결과는 변형된 하수 폭기 시스템으로 성취될 수 있는 것보다 상당히 우수하다. 이에 대해 하기의 표에서 요약하고 있는 바, 1열은 본 발명에 따른 직접 구동체, 영구 자석 모터 및 고효율 베인리스 디퓨저 압축기 조합체를 나타내고, 2열은 기어박스, 유도 모터 및 가변 베인 디퓨저 조합체를 나타내고, 3열은 직접 구동체, 유도 모터, 베인리스 디퓨저 조합체를 나타내고, 4열은 정변위 벨드 구동식 송풍기를 나타내며, 이 표는 가스 압축 장치(압축기 또는 송풍기), 구동체(모터 및 구동 트레인) 및 듀티(최대 속도의 100%)와 40% 턴다운(최대 속도의 60%) 양자용인 가스 압축 및 구동 시스템의 조합체의 효율에 대한 4가지 변형예 각각을 나타내고 있다.The results shown in FIG. 4 are significantly better than what can be achieved with a modified sewage aeration system. This is summarized in the table below, where column 1 represents the direct drive, permanent magnet motor and high efficiency vaneless diffuser compressor combination according to the invention, and row 2 represents the gearbox, induction motor and variable vane diffuser combination. Column 3 represents the direct drive, induction motor and vaneless diffuser combination, column 4 represents the positive displacement belt driven blower, and this table shows the gas compressor (compressor or blower), drive (motor and drive train). And four variants of the efficiency of a combination of gas compression and drive systems for both duty (100% of maximum speed) and 40% turndown (60% of maximum speed).

[표 1]TABLE 1

효율efficiency 듀티Duty 40% 턴다운40% turndown 가스gas 구동체Driving body 총계sum 가스gas 구동체Driving body 총계sum 1One 8585 9797 8282 8282 9595 7878 22 8787 8989 7777 7777 8686 6666 33 8080 9292 7474 7878 8888 6969 44 6363 8888 5555 5959 8686 5151

상기 표에 나타낸 바와 같이, 유도 모터/기어박스 및 유도 모터/인버터 구동체가 듀티 유량에서 대략 11% 및 8%의 에너지 손실을 각각 갖는 반면에, 본 발명에 따른 300kW의 영구 자석 모터를 포함하는 구동 시스템은 대략 3%의 구동 손실을 나타낸다. 전체적인 효율은 대략 82%이다. 이렇게 현저한 효율은 전체 듀티 범위 이상, 즉 예상된 모든 유량 및 흡수된 전력용으로 유지된다.As shown in the table above, induction motors / gearboxes and induction motors / inverter drives have energy losses of approximately 11% and 8% at duty flow, respectively, while the drive comprises a 300 kW permanent magnet motor according to the invention The system exhibits approximately 3% drive loss. Overall efficiency is approximately 82%. This significant efficiency is maintained over the full duty range, i.e. for all expected flow rates and absorbed power.

하수 처리 플랜트에서 50%와 같은 비교적 낮은 퍼센트의 최대 유량이 요구되는 연장된 기간일 수 있다고 가정하면, 라인(16)으로 나타낸 감소된 최대 유량 퍼센트로 급속히 떨어진 효율은 전체 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이에 따라, 고효율 가변 속도 모터를 결합한 경우, 베인리스 입구 및 베인리스 디퓨저를 갖는 터보 발전기의 구동 축에 직접 결합된 영구 자석 모터는, 특히 베인리스 터보 압축기가 비교적 쉽게 제조 및 유지된다고 가정하면, 시스템의 전체 비용을 상당히 감소시키는 전체적인 효율을 증대시킨다. 80% 이상의 전체 효율이 성취될 수 있다. 이것은 전체 턴다운에서 최대 대략 69% 효율에서 전달되는 변형된 터보 압축기 시스템과 비교된다. 현재 전기 비용면에서 효율 차(efficiency difference)가 연간 £20,000의 소유 비용 절감이 된다고 가정하면, 이 시스템은 234kW의 가스 압축 전력을 평균적으로 전달한다. 총 효율이 최대 51%인 인버터 구동식 정변위 송풍기에 비해 대략 £75,000이 연간 절약된다. 정변위 송풍기의 초기 비용이 본 발명에 따른 터보 압축기 시스템보다 낮지만, 운전 비용 절약은 비교적 짧은 시간, 예컨대 2년 미만에 비용 증대를 커버하기에 충분해야 한다.Assuming that a relatively low percentage of the maximum flow rate, such as 50%, in the sewage treatment plant may be an extended period of time required, the efficiency rapidly dropped to the reduced maximum flow rate percentage represented by line 16 may degrade the overall efficiency. Thus, in combination with a high efficiency variable speed motor, a permanent magnet motor coupled directly to the drive shaft of a turbogenerator with a vaneless inlet and a vaneless diffuser, in particular assuming that the vaneless turbo compressor is relatively easy to manufacture and maintain, the system Increase the overall efficiency, which significantly reduces the overall cost of At least 80% overall efficiency can be achieved. This compares with a modified turbo compressor system that delivers up to approximately 69% efficiency at full turndown. Assuming an efficiency difference in current electricity costs, the cost of ownership is reduced by £ 20,000 per year, the system delivers on average 234 kW of gas compression power. Approximately £ 75,000 is saved annually compared to inverter-driven positive displacement blowers with up to 51% total efficiency. Although the initial cost of the positive displacement blower is lower than that of the turbocompressor system according to the invention, the savings in operating costs should be sufficient to cover the cost increase in a relatively short time, for example less than two years.

이에 따라, 종래의 터보 압축기는 고정 속도 모터 및 기어박스에 의존한 하수 폭기에 적용되는 반면에, 터보 압축기와 기어박스는 고효율이 성취될 수 없다. 반대로, 본 발명의 기술된 실시예는 고효율 모터에 의존하고, 매우 효율적인 임펠러/베인리스 디퓨저 압축기는 광범위의 압축기 속도에 걸쳐 고효율을 전달한다. 가변 속도 구동 모터는 모터 제어용 인버터를 필요로 하지 않지만, 인버터내의 에너지 손실은 비교적 작아, 특히 대부분의 하수 폭기 적용에 요구되는 공기의 비교적 저압 유량을 전달하도록 터보 압축기가 설계된 경우, 다른 변형예의 어느 것보다 상당히 우수한 전체 효율을 나타낸다. Thus, conventional turbo compressors are applied to sewage aeration depending on fixed speed motors and gearboxes, whereas turbocompressors and gearboxes cannot achieve high efficiency. In contrast, the described embodiment of the present invention relies on a high efficiency motor, and a highly efficient impeller / vaneless diffuser compressor delivers high efficiency over a wide range of compressor speeds. Variable speed drive motors do not require an inverter for controlling the motor, but the energy loss in the inverter is relatively small, especially if the turbo compressor is designed to deliver a relatively low pressure flow rate of air required for most sewage aeration applications. More significantly better overall efficiency.

Claims (5)

하수 슬러지 처리 플랜트에 공기를 연속적으로 전달하는 하수 폭기 터보 압축기(sewage aeration turbo compressor)에 있어서,In a sewage aeration turbo compressor that continuously delivers air to a sewage sludge treatment plant, 하우징과, 상기 하우징내의 임펠러 축상에 장착된 임펠러와, 상기 임펠러 축에 결합되어 그와 동기식으로 회전하는 출력 축을 갖는 전기 모터를 포함하며, 상기 하우징은 상기 임펠러에 연장된 축방향 공기 입구를 형성하고, 디퓨저 통로는 상기 임펠러로부터 반경방향 외측으로 연장되고, 볼류트는 상기 디퓨저로부터 공기 출구까지 연장되며,An electric motor having a housing, an impeller mounted on an impeller shaft within the housing, and an output shaft coupled to and rotating synchronously with the impeller shaft, the housing defining an axial air inlet extending to the impeller, The diffuser passage extends radially outward from the impeller, the volute extends from the diffuser to the air outlet, 상기 전기 모터는 인버터에 의해 제어되는 가변 속도 영구 자석 모터이며, 상기 모터는 최대 및 최소 설계 속도에 의해 제한된 범위내의 속도로 상기 압축기를 구동하도록 설계되고, 상기 압축기는 상기 모터가 상기 최대 설계 속도로 구동되는 경우 1500밀리바아가 넘지 않는 상기 입구와 출구 사이의 압력 상승을 전달하도록 설계된 베인리스 디퓨저를 갖는 고정된 기하학적 압축기이며, 상기 압축기는 상기 모터가 상기 최대 설계 속도보다 느린 속도로 구동되는 경우 최대 효율을 전달하도록 설계된The electric motor is a variable speed permanent magnet motor controlled by an inverter, wherein the motor is designed to drive the compressor at a speed within a range limited by the maximum and minimum design speed, the compressor being configured to drive the motor at the maximum design speed. A fixed geometric compressor having a vaneless diffuser designed to deliver a pressure rise between the inlet and outlet not exceeding 1500 millibars when driven, the compressor having maximum efficiency when the motor is driven at a speed slower than the maximum design speed Designed to convey 하수 폭기 터보 압축기.Sewage aeration turbo compressor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압축기는, 상기 모터가 상기 최소 설계 속도로 구동되는 경우의 850밀 리바아와, 상기 모터가 상기 최대 설계 속도로 구동되는 경우의 1200밀리바아 사이의 압력 상승을 전달하도록 설계된The compressor is designed to deliver a pressure rise between 850 millibars when the motor is driven at the minimum design speed and 1200 millibars when the motor is driven at the maximum design speed. 하수 폭기 터보 압축기.Sewage aeration turbo compressor. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 디퓨저는 축방향으로 균일한 폭의 환형 통로인The diffuser is an annular passage of uniform width in the axial direction. 하수 폭기 터보 압축기.Sewage aeration turbo compressor. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 인버터는 상기 슬러지 처리 플랜트내의 슬러지의 산소 함유량을 모니터링하도록 배치된 산소 요구 센서에 의해 제어되는The inverter is controlled by an oxygen demand sensor arranged to monitor the oxygen content of the sludge in the sludge treatment plant. 하수 폭기 터보 압축기.Sewage aeration turbo compressor. 첨부된 도면을 참조하여 실질적으로 상술된 바와 같은As substantially described above with reference to the accompanying drawings 하수 폭기 터보 압축기.Sewage aeration turbo compressor.
KR1020057023463A 2003-06-07 2004-04-07 Combination of compressor and permanent magnet motor for sewage aeration KR20060058057A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB0313143.0A GB0313143D0 (en) 2003-06-07 2003-06-07 Sewage aeration
GB0313143.0 2003-06-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20060058057A true KR20060058057A (en) 2006-05-29

Family

ID=9959533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020057023463A KR20060058057A (en) 2003-06-07 2004-04-07 Combination of compressor and permanent magnet motor for sewage aeration

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20060275114A1 (en)
EP (1) EP1633682A1 (en)
KR (1) KR20060058057A (en)
CN (1) CN1802319A (en)
CA (1) CA2522123A1 (en)
GB (1) GB0313143D0 (en)
TW (1) TW200506172A (en)
WO (1) WO2004108610A1 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1571348A3 (en) * 2004-03-05 2008-12-24 AWECO APPLIANCE SYSTEMS GmbH & Co. KG Centrifugal pump
DE102006028913A1 (en) * 2006-06-21 2007-12-27 Aweco Appliance Systems Gmbh & Co. Kg Pump, in particular for water-bearing household machines
JP5297047B2 (en) * 2008-01-18 2013-09-25 三菱重工業株式会社 Method for setting performance characteristics of pump and method for manufacturing diffuser vane
US7785405B2 (en) * 2008-03-27 2010-08-31 Praxair Technology, Inc. Systems and methods for gas separation using high-speed permanent magnet motors with centrifugal compressors
US20090241595A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-01 Praxair Technology, Inc. Distillation method and apparatus
US8529665B2 (en) 2010-05-12 2013-09-10 Praxair Technology, Inc. Systems and methods for gas separation using high-speed induction motors with centrifugal compressors
CN102182710B (en) * 2011-03-23 2013-07-17 清华大学 Centrifugal compressor with asymmetrical vane-less diffusers and producing method thereof
EP2545766B1 (en) * 2011-07-14 2014-07-09 Black & Decker Inc. A debris blowing and/or vacuum appliance
US8657918B2 (en) 2011-11-17 2014-02-25 Praxair Technology, Inc. Cyclic adsorption process using centrifugal machines
JP6055706B2 (en) * 2013-03-28 2016-12-27 株式会社日立製作所 Centrifugal pump

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5752380A (en) * 1996-10-16 1998-05-19 Capstone Turbine Corporation Liquid fuel pressurization and control system
CA2301415A1 (en) * 1999-04-19 2000-10-19 Capstone Turbine Corporation Helical flow compressor/turbine permanent magnet motor/generator
DE19956896C1 (en) * 1999-11-26 2001-03-29 Daimler Chrysler Ag Exhaust gas turbo charger for IC motor has paddles at radial compressor which can be extended or retracted according to mass flow to improve performance graph and radial compressor operation
US6402941B1 (en) * 2000-02-07 2002-06-11 Wastewater Biological Solutions, Corp Apparatus for biological treatment of environmental contaminants and waste
US6382912B1 (en) * 2000-10-05 2002-05-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Centrifugal compressor with vaneless diffuser
GB2370320A (en) * 2000-12-21 2002-06-26 Ingersoll Rand Europ Sales Ltd Compressor and driving motor assembly
EP1390618B1 (en) * 2001-04-23 2011-05-25 Earnest Pacific Limited Multi-stage centrifugal compressor driven by integral high speed motor

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004108610A8 (en) 2005-12-08
WO2004108610A1 (en) 2004-12-16
CN1802319A (en) 2006-07-12
TW200506172A (en) 2005-02-16
US20060275114A1 (en) 2006-12-07
GB0313143D0 (en) 2003-07-09
CA2522123A1 (en) 2004-12-16
EP1633682A1 (en) 2006-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5110264A (en) Variable speed turbo vacuum pump
US6616421B2 (en) Direct drive compressor assembly
US20230060779A1 (en) Multi-stage compressor with single electric direct drive motor
US20070065300A1 (en) Multi-stage compression system including variable speed motors
DE60227509D1 (en) COMPRESSOR WITH CIRCULAR COMPRESSOR AND ELECTRIC MOTOR
KR970021766A (en) Turbo compressor
KR20060058057A (en) Combination of compressor and permanent magnet motor for sewage aeration
EP2655890A1 (en) Variable-speed oil-free refrigerant centrifugal compressor with variable geometry diffuser
AU2012372806B2 (en) High pressure ratio multi-stage centrifugal compressor
WO2013039492A1 (en) Centrifugal compressor diffuser control
US6935838B1 (en) High pressure multi-stage centrifugal blower
JP5682157B2 (en) Motor drive device and pump system for vacuum pump
CN201982337U (en) High-speed centrifugal blower
JP2889499B2 (en) Pump device
CN215860885U (en) Magnetic suspension air blower with single-stage double-suction and double stator and rotor
US20240151245A1 (en) Turbo compressor with explosion-proof function
EP0648937B1 (en) Fluid machine with induction motor
KR101852263B1 (en) Fluid machinery having multifunctional bearingless axial impeller using magnetic levitation
EP0648936B1 (en) Motor pump group and method of manufacturing the same
CN113819077A (en) Magnetic suspension air blower with single-stage double-suction and double stator and rotor
WO2019199318A1 (en) Centrifugal compressor having an integrated electric motor
KR200306589Y1 (en) Staic air bearing type centrifugal turbocompressor utilizing tank pressure
US11835047B2 (en) Pump apparatus
JP2002315258A (en) Bearingless rotating machine and generator, blower and pump using the same
JP2001099089A (en) Blower

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid