CN1102704C

CN1102704C - 产生超压气体的方法

Info

Publication number: CN1102704C
Application number: CN98813241.9A
Authority: CN
Inventors: J·拉约拉
Original assignee: SENDNY CO
Current assignee: SENDNY CO; Gardner Denver Deutschland GmbH
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2002508477A; EP1036278B1; WO1999031390A1; CN1291262A; FI103296B; EP1036278A1; JP3474852B2; DE69807930T2; DE69807930D1; US6450780B1; FI103296B1; AU1437099A; FI974401A0

Abstract

本发明涉及一种利用动力压缩机产生超压气体的方法，该压缩机和设置于同一轴(A)上的高速电机连接，并且包括一个转速超过20000rpm的转子(3)，压缩机至少有两级(1，2)，转子(3)的轴(A)安装在磁性和/或气体轴承上，而高速电机则相对于压缩机的压缩机级(1，2)安置在轴(A)的中央，转子(3)至少沿轴向安装在一个磁性轴承上，且转子(3)的端部至少部分地用作轴向磁性轴承的支承表面。

Description

产生超压气体的方法

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中较严密定义的用以产生超压气体—特别是压缩空气的方法。

在工业中，当修理建筑物等时，需要压力数量级通常为7～10bar的压缩空气。为了产生此压缩空气，一般使用通常注油的活塞式或螺杆式压缩机。其目标是将油雾从混有油雾的压缩空气中分离，但至少还有一些油留在压缩空气内，最终跑到环境中。一般的活塞式或螺杆式压缩机的尺寸大和重量重，且常产生噪音。它们比较经常地需要维修，而且，特别在不冷却的螺杆式压缩机中，其工作效率常常很差。

只有当需求的空气量很大时，才通常采用动力压缩机以便以上述方式产生压缩空气，否则，便必须采用很高的转速。因为超速传动齿轮装置价格昂贵且易损坏，故难于利用它产生很高的转速。

美国专利5,065,590提出一种使用小型高速离心压缩机的冷却装置。这种压缩机被一台电动机驱动，其转子轴上装备着压缩机级。在压缩机级之间有一个中间冷却器。按照该专利公开说明书所述的此种压缩机的轴由滚珠轴承支承，可是它的缺点举例来说是在高速时需要大量润滑油，否则其内部的磨擦将导致轴承发热和迅速磨损。

国际专利申请书WO 94/29597提出一种离心式冷却压缩机。此种压缩机包含一个或多个压缩机级、一个电动机和一根由诸如磁性或气体轴承之类的径向轴承支承的轴。此外，此轴还设置轴向定位装置。为了控制这些定位装置的工作，压缩机上还装有一些传感器，通过它们能检测出给定时间的转子位置。

在现有技术的动力压缩机中，电动机的转速实际上可以保持不变，而压缩机的压力和输出则由可调导向叶片加以调节。

本发明涉及的方法是使用一台包含以极高转速转动的动力压缩机的装置生产压缩空气，而该压缩机是以高速技术为基础的。在本文中，高速技术指的是转子元件直接和高速电机连接，而高速电机则由一台变频机提供必需的频率。由于使用本发明的装置不装备超速传动齿轮装置，因此可以无问题地使用很高的旋转频率。变频机最好配备一个压缩机控制逻辑装置。

为了达到上述目的，按照本发明的方法的主要特征在所附权利要求1的特性部分中予以说明。

其他独立的权利要求提出了本发明的数个有益实施例。

下文将对照附图就本发明作较详细的说明，其中：

图1是应用本发明方法的压缩机与高速电机联合机组的纵向横断面和

图2是应用本发明方法的压缩机与高速电机联合机组轴承装置的简化横断面。

如图所示，本发明的动力压缩机通常为所谓的径流压缩机型式，因为它比轴流压缩机便宜得多。当径流压缩机的所谓无量纲转速N_s处于0.5＜N_s＜1.1数量级时，其工作效率最佳。无量纲转速N_s定义如下：

N_{s} = \frac{2 \cdot π \cdot n \cdot \sqrt{Q_{v}}}{Δ {h_{s}}^{0.75}}

式中，n等于转速(1/s)，Q_v等于吸入体积流(m³/s)，而Δh_s则等于空气压缩所需焓的等熵增量。等式表示，体积流愈小，为达到特定N_s值—即高工作效率所需要的转速愈高。另一方面，等式也表示，如果将压缩由分成数级的径流压缩机实现，则需要的转速可以降低，因为等式中用到的级特性值Δh_s将减小。

也有可能用所谓的轴向与径向混合流压缩机代替一个或多个径流压缩机级。在这样的压缩机内，压缩机叶轮的叶片设计成既能产生轴向流，亦能产生径向流。采用混合流压缩机常使输出/转速值提高。为了改进动力传输比，宜将第一压缩机叶轮设计成混合流型，而第二或可能的第三压缩机的叶轮可以规定在较高无量纲转速N_s下工作。当无量纲转速N_s＞1.1时，混合流的解决方案是合适的。

在产生上述种类的压缩空气时，宜将压缩至少分成两个径向压缩机级，否则，径向压缩机中的相对速度会高到影响功率传输比的程度。此外，正如从以上等式中可以看出的那样，转速亦将上升得不必要地高。还有，压缩空气在级间冷却能使整台压缩机的功率消耗大大减少。

举例言，如果目标是生产0.7kg/s的8.0bar超压空气，则两级径流压缩机的必需转速应为约70000rpm，而三级径流压缩机应为约60000rpm.两级径流压缩机是最合适的选择，因为它仅需一根轴A，轴的第一端包含第一径流压缩机级1，第二端包含第二径流压缩机级2，高速电机的转子3位于轴A的第一级1和第二级2之间。必需的轴输出功率约为200KW。

但是，200kw/70000rpm的必需的输出/转速组合对于一台电机是一项基本的要求：因为它和一台普通鼠笼式感应的电动机的工作特性相比提高了10倍。至于弯曲振动，所述公共压缩机电机转子1-3-2的组合最好是亚临界，因为要在所述转速下平衡和稳定超临界转子3将很昂贵。如果磁性轴承用于支承作业，那末超临界特性便不成为如此大的一个问题。使用一台大家熟知的此类高速鼠笼式感应电动机作为电机，再装上一个整体镀铜转子便能满足此必需的要求。这样一种高速电动机结构已在由申请人提出的芬兰专利F1-92114中作了介绍，它宜于在本发明的压缩机内应用。高速电动机包括一个相对于定子旋转并导电的转子，其中在转子和定子之间形成一个空气隙，其大小基本上符合下述等式：

δ = \frac{D_{r} - D_{f}}{2} > A + \frac{D_{f}}{B} + \frac{u}{C}

式中，Dr＝转子的外径(mm)。

Ds＝定子的内径(mm)。

u＝圆周速度(m/s)。

δ＝空气隙(mm)。

A＝其值≥0.3的常数，0.7～1.5较宜，1最佳。

B＝其值≤150的常数，50～100较宜，70最佳。

C＝其值≤1200的常数，300～600较宜，400最佳；单位为

m/s/mm。

还有，本发明的高速电动机的圆周速度超过100m/s。

为了将由压缩机1，2和转子3共同组成的压缩机和电机转子1-3-2的组合保持在亚临界状态，轴柱应做得较粗，于是宜于采用也是无油且几乎不需要维护的气体或磁性轴承。

当将上述具有气体或磁性轴承且以高速电机为基础的两级压缩机和普通的解决案比，具有以下的优点：

1)压缩空气中完全无油；

2)结构小巧轻盈。

3)由于转速可调，因而即使在特殊工况以及在正常使用范围内连续工作，工作效率均相当高。

4)由于无接触地工作，因而技术寿命长，且具有几乎无需维护的功能。

5)此外，按照3)条，如果对压缩空气的需求处于正常使用范围内，或者如果允许放走数量较使用范围小的压缩空气，则可不需要普通压缩机所需要的压缩空气储罐。

在一般为额定流量70～100％的正常使用范围内，靠以保持用户要求的压力的方式改变转速来调节上述动力压缩机。如果需要的流量小于前述下限(70％)，则或者按断续工作方式驱动压缩机(此时需要一个压缩空气贮罐)，或者根据需求打开排气阀。第三个可供选择的方案是给两个压缩器级1，2各装备一个用于使一些被叶轮轴向导流部件8压缩的空气回流入吸气口的阀。用此种方法可使压缩机以很小的体积流量而无波动地进行工作。

最后，让我们考察几种上述高速压缩机宜于采用的结构方案。作为径向轴承4，宜采用图1实施例中的倾斜座型(tilting pad)气体动力轴承，或者采用图2简化横断面视图中的主动磁性轴承。作为轴向轴承5，宜于采用由电机转子端部提供其支承表面6的主动磁性轴承。用此种方式可使压缩机转子达到最大可能的临界弯曲转速。

使用主动磁性轴承4，5要求使用位置传感器7。位置传感器7用于确定轴在给定时间的轴向和径向位置。根据此信息，磁性轴承可以通过纠正轴和目标位置间的可能偏差的已知方式得到调节。在确定轴向和径向位置时，可以分别使用位置传感器，或者使用一个能确定两个方向中位置的位置传感器。位置传感器的位置既可靠近轴旁的磁性轴承(图2)，亦可位于第一径向压缩机转子轴的延伸部上(图1)。当使用数个位置传感器7时，可以同时采用两个所述位置的方案。这样一来，位于轴旁的位置传感器宜于用于调节径向轴承，而位于径向压缩机轴延伸部上的位置传感器则用于调节轴向轴承。

很明显，本发明并不仅仅限于上面介绍的实施例，相反，它可以在所附权利要求的范围内予以改进。

Claims

1.一种利用动力压缩机产生超压气体的方法，压缩机和设置在同一轴(A)上的高速电机连接，并且包括一个转速超过20000rpm的转子(3)，在此方法中，转子(3)的轴(A)上装有磁性和/或气体轴承，该高速电机相对于压缩机级(1，2)安置在压缩机轴(A)的中央，转子(3)安装在一个至少沿轴向的磁性轴承上，选用主动型的磁性轴承，该方法的特征是：转子(3)的两端至少部分地用作轴向磁性轴承的支承表面，一台装有整体电镀转子的高速鼠笼式感应电动机用作高速电机，同时由变频机产生供给高速电机必需的频率。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征是：至少有一个压缩机级(1，2)选定为混合流压缩机。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征是：至少有一个压缩机级(1，2)选为径流压缩机。

4.按照权利要求1，2或3所述的方法，其特征是：转子尺寸设计得产生亚临界弯曲振动作用。

5.按照权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征是：转子(3)安装在径向磁性轴承上。

6.按照权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征是：转子(3)安装在径向气体轴承上。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征是：径向气体轴承选用气体动力倾斜座轴承型式。

8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征是：一个位置传感器(7)安置在径向压缩机级(1)轴的延伸部上，以便控制轴向磁性轴承的工作。

9.按照上述任何一项要求所述的方法，其特征是：由于一个或多个压缩机级(1，2)装备了一个能用于使一些被叶轮轴向导流部件压缩的空气回流入吸气口的阀，从而扩大了压缩机的运转范围。