BE1013692A3 - Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor. - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een hogedruk, meertrapscentrifugaalcompressor die minstens twee compressorelementen (1,4,5) bevat die als compressortrappen in serie zijn opgesteld en minstens twee elektrische motoren (3,7) om deze compressorelementen (1,4,5) aan te drijven, daardoor gekenmerkt dat hij benevens minstens één compressorelement (1) dat een lagedruktrap vormt en door een elektrische motor (3) wordt aangedreven, minstens twee compressorelementen (4,5) bevat die hogedruktrappen vormen en in serie opgesteld zijn een aangedreven worden door een zelfde tweede elektrische motor (7).

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor. Deze uitvinding heeft betrekking op een hogedruk, meertrapscentrifugaalcompressor die minstens twee compressorelementen bevat die als compressortrappen in serie zijn opgesteld en minstens twee elektrische motoren om deze compressorelementen aan te drijven. 



  Een centrifugaalcompressorelement bezit een hoog rendement indien zijn specifieke snelheid dicht bij de optimale waarde 
 EMI1.1 
 ligt. De specifieke snelheid Ns is gedefinieerd door 
 EMI1.2 
 'Vssj DHO. 



   :waarin : N = het toerental van de schoepenwaaier, Qvol = het volumetrische debiet aan de inlaat, C'= een constante, onder meer verschillend in functie van de gebruikte eenheden, 
 EMI1.3 
 DH = de adiabatische opvoerhoogte van de compressor 
 EMI1.4 
 t-) D=cp. -i) :waarin :   n   = de drukverhouding, T = de inlaattemperatuur, cp = de soortelijke warmte van het gas bij constante druk, k = de verhouding van de soortelijke warmte van het gas bij de constante druk en de soortelijke warmte van het gas bij constant volume. 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 Om een goed rendement en dus een laag specifiek verbruik of energieverbruik per hoeveelheid samengeperste lucht te verkrijgen, is het nodig om de parameters in het ontwerp van een compressorelement zo te kiezen dat Ns dicht bij het Optimum ligt. 



  In feite toont de vergelijking voor Ns aan dat voor ontwerpen met hetzelfde debiet het toerental moet stijgen voor een hogere drukverhouding, en voor ontwerpen met een constante drukverhouding het toerental moet stijgen voor een kleiner debiet. 



  Er zijn centrifugaalcompressoren bekend waarbij de assen van de compressorelementen rechtstreeks worden aangedreven door elektrische motoren aan hoge omwentelingsnelheid. 



  Dergelijke centrifugaalcompressoren hebben minder trappen nodig om een hoge drukverhouding te verkrijgen dan de klassieke centrifugaalcompressoren met rechtstreekse aandrijving door hogesnelheidsmotoren aan lage snelheid. 



  Hogesnelheidsmotoren worden gekenmerkt door een kengetal M =    P. N 2 groter   dan of gelijk aan 0, 1. 1012, waarbij P het motorvermogen is uitgedrukt in kW en N het toerental uitgedrukt in toeren per minuut. 



  De snelle aandrijving maakt een hogere drukverhouding per trap mogelijk. Minder trappen betekent minder verliezen. 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 Dergelijke centrifugaalcompressoren vermijden het gebruik van een tandwielkast zoals in klassieke centrifugaalcompressoren met een aandrijving via een tandwielkast die veel verliezen heeft, oliesmering vereist en plaats inneemt. 



  Bovendien is een hogesnelheidsmotor veel kleiner dan een klassieke, trage elektrische motor. 



  De hogesnelheidsmotor wordt uitgerust met aangepaste lagers voor deze hoge omwentelingssnelheden. Bij aanwending van luchtlagers of magnetische lagers is er geen olie nodig en is de compressor volledig olievrij wat een bijkomend voordeel is ten opzichte van compressoren met lagers met oliesmering. 



  Het probleem stelt zieh in de beperking van het vermogen en het toerental van de hogesnelheidsmotor en de noden van een centrifugaalcompressor voor hoge druk. 



  De elektrische hogesnelheidsmotoren worden gekenmerkt door een klein volume en bijgevolg een hoge energiedensiteit. 



  Gezien de kleine afmetingen stelt de koeling een bijzonder probleem. 



  De verhouding van het doorgevoerd vermogen P en het afvoerbaar vermogen   (h. A)   is het dimensieloos getal M'= P/ (h. A). Hierbij is A de referentie warmtewisselende oppervlakte en h de effectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen de warme motor en de koudere omgeving, eventueel via een koelsysteem met warmtewisselaar. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 Het oppervlak is evenredig met het kwadraat van de karakteristiek lengte van de motor : namelijk de straal van de rotor R. Het kengetal M'kan dan ook geschreven worden als : 
 EMI4.1 
 Mt= P me¯ h. 
 EMI4.2 
 



  De straal van de rotor is ook de verhouding van V op N waarbij N het toerental van de motor is en V de tipsnelheid van de rotor. Zodoende kan M'geschreven worden als 
 EMI4.3 
 P-A m M'=--h. 
 EMI4.4 
 



  Voor een gegeven type warmtewisseling is h een constante en voor een gegeven materiaal is V beperkt ten gevolge van centrifugaalspanningen. 



  Bijgevolg is het kengetal    M = P. N 2 een   waarde die de moeilijkheidsgraad aangeeft van het ontwerp en de constructie van de elektrische motor. Hoe hoger de waarde M, hoe moeilijker het is om de motor te koelen. Een hoge waarde van M vraagt om een beter rendement (zodat minder verliezen moeten afgevoerd worden), een betere warmteoverdrachtscoëfficiënt en een hogere materiaalsterkte. 



  In praktijk betekent dit dat een motor met een hogere waarde van het kengetal M een duurder ontwerp vergt en dat de ontwikkelingstijd langer zal zijn dan een motor met een lagere waarde van het kengetal M. 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 
 EMI5.1 
 



  Bij een turbocompressor is het benodigd vermogen gelijk aan 
 EMI5.2 
 e-D-- -l) ? 1 17 :waarin :   T)   = de adiabatische efficiëntie is van de compressor, p = de dichtheid van het gas, Q = het massadebiet. 



  Het toerental N wordt gekozen in functie van een goed 
 EMI5.3 
 specifiek toerental Ns 
 EMI5.4 
 N 7v=--, 
 EMI5.5 
 waaruit blijkt dat 
 EMI5.6 
 . . i') c92. 



  '7- 
 EMI5.7 
 Hierbij is C een constante. Deze vergelijking geeft aan dat een elektrische motor voor een direct aangedreven centrifugaalcompressor moeilijker is voor een hogere drukverhouding   (s)   en voor een hogedruktrap met dus hogere dichtheid aan de inlaat. 



  Deze redenering toont aan dat een compressie in   een   trap tot hoge drukken uiterst moeilijk te realiseren is met   een   enkele aandrijving. 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 Daarom is het nodig om een oplossing uit te werken om het kengetal M toch laag te houden. 



  Een voor de hand liggende oplossing is de compressie in meer dan   een   trap uitvoeren en meer dan   een   motor gebruiken, bijvoorbeeld   een   motor voor de lagedruktrap en een motor voor de hogedruktrap. 



  Uit de laatste vergelijking blijkt evenwel dat de hogere druk voor de hogedruktrap gepaard gaat met een veel hoger kengetal M. Dit is moeilijk te realiseren. 



  Bijgevolg moet de constructeur genoegen nemen met een lagere Ns en bijgevolg een slechter rendement. 



  Een beperkte verbetering kan worden verkregen door de verdeling van de drukverhoudingen van lage en hoge druk trappen optimaal te schikken, namelijk de drukverhouding in de eerste trappen hoger te nemen dan de drukverhoudingen van de laatste trappen. 



  Deze verbetering is echter beperkt aangezien voor drukverhoudingen groter dan drie, Mach-getal verliezen (stootverliezen) sterk toenemen. 



  De uitvinding heeft als doel voornoemde nadelen te verhelpen en laat toe in een meertrapscompressor het kengetal M van de elektrische motor voor de hogedruktrap te beperken zonder dat daarbij het specifiek toerental van de centrifugaalcompressorelementen veel moet afwijken van de optimale specifieke snelheid. 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de centrifugaalcompressor benevens minstens   een   compressorelement dat een lagedruktrap vormt en door een elektrische motor wordt aangedreven, minstens twee compressorelementen bevat die hogedruktrappen vormen en die in serie opgesteld zijn en aangedreven worden door een zelfde tweede elektrische motor. 



  In feite komt het er op neer dat de hogedruktrap uit een bekende meerstraps centrifugaalcompressor door minstens twee hogedruktrappen wordt vervangen die evenwel door een zelfde hogesnelheidsmotor worden aangedreven. Hierdoor neemt de drukverhouding voor de hogedruktrappen sterk af zodat het toerental relatief laag kan zijn. 



  De compressorelementen die de hogedruktrappen vormen, kunnen met hun rotoren op een zelfde as zijn gemonteerd die door de tweede motor wordt aangedreven. 



  De drukverhoudingen voor deze hogedruktrappen kunnen daarenboven zo worden gekozen dat de specifieke snelheden van deze hogedruktrappen niet veel afwijken van de optimale specifieke snelheid. 



  Bij voorkeur zijn de motoren gelijk aan elkaar, hetgeen betekent dat ze hetzelfde elektromagnetisch statorgedeelte en/of hetzelfde elektromagnetisch rotorgedeelte en/of dezelfde lagers en/of hetzelfde koelgedeelte bezitten. 



  Bij voorkeur zijn de motoren hogesnelheidmotoren. 

 <Desc/Clms Page number 8> 

 De centrifugaalcompressor kan een tussenkoeler voor het samengeperst gas bevatten tussen de in serie geplaatste compressorelementen van voornoemde hogedruktrappen. 



  Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen van een hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens de uitvinding beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin schematisch een dergelijke centrifugaalcompressor volgens de uitvinding is weergegeven. 



  De hogedruk centrifugaalcompressor weergegeven in de figuur bestaat in hoofdzaak uit een lagedruktrap gevormd door een eerste compressorelement 1 waarvan de rotor via een as 2 aangedreven wordt door een eerste elektrische hogesnelheidsmotor 3 en twee hogedruktrappen die gevormd worden door twee in serie opgestelde compressorelementen 4 en 5 die met hun rotoren evenwel op een zelfde as 6 vastgemaakt zijn en die dus via een zelfde as 6 aangedreven worden door   een   enkele tweede hogesnelheidsmotor 7. 



  Het compressorelement 1 waarop de invoerleiding 8 aansluit, sluit met zijn persleiding 9 aan op het compressorelement 4. 



  In deze persleiding is een met omgevingslucht of koelwater gekoelde tussenkoeler 10 opgesteld. 



  De persleiding 11 van het compressorelement 4 sluit aan op het compressorelement 5 dat voorzien is van een persleiding 12 op zijn uitlaat. In de eerstgenoemde persleiding 11 

 <Desc/Clms Page number 9> 

 tussen de compressorelementen 4 en 5 is een bijkomende met omgevingslucht of koelwater gekoelde tussenkoeler 13 opgesteld. 



  De tussenkoelers 10 en 13 kunnen uit een radiator 14 bestaan waardoor het samengeperste gas stroomt en waartegenover een ventilator 15 opgesteld is. 



  De drukverhoudingen van de twee hogedruktrappen en dus van de twee compressorelementen worden zo gekozen dat hun specifiek toerental Ns niet veel afwijkt van het optimale. 



  Daarenboven worden in de weergegeven uitvoeringsvorm deze drukverhoudingen ook zo gekozen dat dezelfde motoren kunnen gebruikt worden. De hogesnelheidsmotoren 3 en 7 zijn dus gelijk aan elkaar, hetgeen betekent dat ze hetzelfde elektromagnetisch statorgedeelte en/of hetzelfde elektromagnetisch rotorgedeelte en/of dezelfde lagers en/of hetzelfde koelgedeelte bezitten. 



  Door de invoerleiding 8 aangezogen gas, bijvoorbeeld lucht, wordt eerst op lage druk samengeperst door het lagedruk compressorelement 1 en vervolgens in twee stappen achtereenvolgens door de compressorelementen 4 en 5 op de einddruk gebracht. 



  Door de hogedruktrap te splitsen in twee trappen neemt de drukverhouding   n   per trap of compressorelement sterk af zodat het gewenste toerental N van de hogesnelheidsmotor 7 sterk afneemt. 

 <Desc/Clms Page number 10> 

 De drie trappen in het totaal laten toe van atmosfeercondities naar een effectieve druk van 7 of   8. 6   bar te gaan zonder de drukverhouding drie per trap te overschrijden. Bijgevolg is het aantal onderdelen beperkt en zijn de stootverliezen ook beperkt. 



  De bijkomende tussenkoeling van de lucht tussen de in serie geplaatste vervangende trappen biedt nog een bijkomend voordeel door een verminderd elektrisch energieverbruik. 



  Alhoewel dezelfde motor gebruiken een economisch schaalvoordeel is en het voordeel biedt van modulariteit met een beperkt aantal verschillende onderdelen, kunnen in andere uitvoeringsvormen de hogesnelheidsmotoren 3 en 7 toch verschillend zijn van elkaar. 



  Ook is het niet absoluut noodzakelijk dat het aantal hogedruktrappen die door dezelfde hogesnelheidsmotor 7 worden aangedreven juist twee is. Er kunnen drie of meer hogedruktrappen aanwezig zijn. 



  Ook kan de centrifugaalcompressor meerdere lagedruktrappen in serie bevatten die elk een compressorelement aangedreven door een eigen hogesnelheidsmotor bezitten. 



  De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuur weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke hogedruk meertraps-centrifugaalcompressor kan in verschillende varianten worden uitgevoerd zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (6)

1. Conclusies. l.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor die minstens twee compressorelementen (1, 4, 5) bevat die als compressortrappen in serie zijn opgesteld en minstens twee elektrische motoren (3, 7) om deze compressorelementen (1, 4, 5) aan te drijven, daardoor gekenmerkt dat hij benevens minstens een compressorelement (1) dat een lagedruktrap vormt en door een elektrische motor (3) wordt aangedreven, minstens twee compressorelementen (4, 5) bevat die hogedruktrappen vormen en in serie opgesteld zijn en aangedreven worden door een zelfde tweede elektrische motor (7).
2. 2.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de compressorelementen (4, 5) die de hogedruktrappen vormen met hun rotoren op een zelfde as (2) zijn gemonteerd die door de tweede elektriche motor (7) wordt aangedreven.
3. 3.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de drukverhoudingen voor de hogedruktrappen waarvan de compressorelementen (4, 5) door dezelfde motor (7) worden aangedreven zo gekozen werden dat de specifieke snelheden van deze hogedruktrappen niet veel afwijken van de optimale specifieke snelheid.
4. 4.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de motoren <Desc/Clms Page number 12> (3, 7) gelijk aan elkaar zijn en dus hetzelfde elektromagnetisch statorgedeelte en/of hetzelfde elektromagnetisch rotorgedeelte en/of dezelfde lagers en/of hetzelfde koelgedeelte bezitten.
5. 5.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de motoren (3, 7) hogesnelheidsmotoren zijn.
6. 6.-Hogedruk, meertraps-centrifugaalcompressor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat hij een tussenkoeler (13) voor het samengeperst gas bevat die tussen de in serie geplaatste compressorelementen (4, 5) van voornoemde hogedruktrappen opgesteld is.