CN113294359B - 高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机及工作机制 - Google Patents

高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机及工作机制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机及工作机制，该系统包括双叶轮及其进气道/蜗壳、叶轮连接轴、永磁同步电机主轴、磁浮推力盘及轴向磁力轴承定子、磁浮径向轴承及保护轴承、增压叶轮及其进气道、电机外壳、冷气出口环腔、定子铁芯绕组、密封环、固定结构，本发明基于高速永磁同步电机与单侧双第一叶轮非工作面相邻的布置形式，减小了转子轴向推力和轴向长度，在两叶轮间隙内设置了密封环，降低了叶轮间的泄漏流量，通过主流工质工作过程和电机内冷却气体工作过程，可实现在小空间内小流量高压比两级高效压缩，针对设备失电情况设置了防止主轴跌落的保护轴承，具有安全可靠、成本低、便于部件加工和设备拆装等优点。

Description

高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机及工作机制
技术领域
本发明涉及气体压缩及粉尘输送技术领域，具体涉及一种高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的工作方法。
背景技术
每年鼓风机、压缩机、泵等设备的用电量约占当年发电量的三分之一，提高上述设备的能效，将直接降低企业用电支出和碳排放指标。其中，作为在工业领域中应用广泛的成熟气体输送和粉尘输送设备，罗茨风机、传统螺杆空压机/压缩机、多级离心齿轮式压缩机的应用场景多、使用量十分巨大，上述设备能耗高、需要油润滑系统、存在油污染、噪声大、维修频繁。磁悬浮直驱压缩机具有效率高、无摩擦、无油润滑、噪声低、维护简单的优点，尤其在鼓风机、空压机、压缩机、真空设备或其他特种设备等领域，可以用于替换应用广泛的老一代高能耗设备，同时高压力等级的磁浮直驱压缩机也存在多叶轮/多轴承布局困难、装配/拆卸困难、发电机散热困难、轴向推力平衡困难等设计和装配难题，上述难题一直困扰着高压力等级磁浮直驱压缩机设备的使用安全和推广。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的工作方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机，包括第一进气管道(1)、第一叶轮(2)、第一蜗壳(3)、叶轮连接轴(4)、第二叶轮(5)、第二进气管道(6)、第二蜗壳(7)、永磁同步电机主轴(8)、磁浮推力盘(9)、第一磁浮径向轴承(10)、第二磁浮径向轴承(11)、增压叶轮(12)、增压叶轮进气管道(13)、永磁同步电机外壳(14)、电机冷气出口环腔(15)、固定结构(16)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)、密封环(19)、第一径向保护轴承(20)、第二径向保护轴承(21)、第一轴向磁力轴承定子(22)、第二轴向磁力轴承定子(23)，其中，第一叶轮(2)通过叶轮连接轴(4)与第二叶轮(5)固定，第一叶轮(2)、第二叶轮(5)、磁浮推力盘(9)和增压叶轮(12)依次固定在永磁同步电机主轴(8)上，在磁浮推力盘(9)的两侧设置有第一轴向磁力轴承定子(22)和第二轴向磁力轴承定子(23)，永磁同步电机主轴(8)有两个径向轴承支撑位置，其中一个径向轴承支撑位置由第一径向保护轴承(20)或第一磁浮径向轴承(10)支撑，另一个径向轴承支撑位置由第二磁浮径向轴承(11)或第二径向保护轴承(21)支撑，第一进气管道(1)的一端通过第一叶轮(2)外部管道与第一蜗壳(3)相连，第二进气管道(6)的一端通过第二叶轮(5)外部管道与第二蜗壳(7)相连，第二进气管道(6)固定于永磁同步电机外壳(14)上，密封环(19)固定于第一蜗壳(3)和第二蜗壳(7)连接处，电机冷气出口环腔(15)位于永磁同步电机外壳(14)上，增压叶轮进气管道(13)一端与永磁同步电机外壳(14)相连，另一端与增压叶轮(12)外部管道相连，定子绕组(18)固定于定子铁芯(17)上，定子铁芯(17)通过固定结构(16)固定在永磁同步电机外壳(14)上，永磁同步电机主轴(8)的主轴中心线与定子铁芯(17)和定子绕组(18)的中心线重合，电机冷气出口环腔(15)的入口、增压叶轮(12)的外部管道出口直接与永磁同步电机外壳(14)内部腔室连通，第一叶轮(2)与第二叶轮(5)的轴向布置方式为第一叶轮(2)的非工作面与第二叶轮(5)的非工作面相邻，二者间设置密封环(19)。
所述的第一磁浮径向轴承(10)和第二磁浮径向轴承(11)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，大于第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于正常状态时，永磁同步电机主轴(8)处于悬浮状态，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于不正常状态时，永磁同步电机主轴(8)落在第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)上。
高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的所述工作方法包括主流工质的工作过程和永磁同步电机的冷却气体工作过程，所述主流工质的工作过程为主流工质流动方式1或主流工质流动方式2，所述主流工质流动方式1是指主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)，经过第一叶轮(2)提升压力后从第一蜗壳(3)的出口排出，再经由外部管路输送至第二进气管道(6)的进口，随后主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)再次提升压力，最后通过第二蜗壳(7)的出口排出，所述主流工质流动方式2是指主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)，经过第二叶轮(5)提升压力后从第二蜗壳(7)的出口排出，再经由外部管路输送至第一进气管道(1)的进口，随后主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)再次提升压力，最后通过第一蜗壳(3)的出口排出；所述永磁同步电机的冷却气体工作过程是指，永磁同步电机的冷却气体从增压叶轮进气管道(13)进入增压叶轮(12)，经过增压叶轮(12)提升压力后，进入永磁同步电机外壳(14)内部腔室，通过永磁同步电机主轴(8)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)与永磁同步电机外壳(14)之间的间隙，带走永磁同步电机工作时产生的热量，最后从电机冷气出口环腔(15)流出永磁同步电机外壳(14)。
本发明的有益效果在于：
目前，尚未见到成熟的可应用于高压力等级磁浮直驱压缩机的小空间布局方案和轴向推力降低技术方案。本发明提出了一种造价低、可操作性高的高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机布局方案的工作方法，本发明采用高速永磁同步电机与单侧双第一叶轮非工作面相邻的布置形式，降低了转子的轴向推力，节约了轴向空间，在两叶轮间隙内设置了密封环，降低了叶轮间的泄漏流量，通过主流工质的工作过程和永磁同步电机的冷却气体工作过程，可实现在小空间内高压比小流量两级高效压缩，针对磁浮设备失电情况设置了防止主轴跌落的保护轴承，具有安全可靠、成本低、便于部件加工和设备拆装等优点。
附图说明
图1是本发明高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机，包括第一进气管道(1)、第一叶轮(2)、第一蜗壳(3)、叶轮连接轴(4)、第二叶轮(5)、第二进气管道(6)、第二蜗壳(7)、永磁同步电机主轴(8)、磁浮推力盘(9)、第一磁浮径向轴承(10)、第二磁浮径向轴承(11)、增压叶轮(12)、增压叶轮进气管道(13)、永磁同步电机外壳(14)、电机冷气出口环腔(15)、固定结构(16)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)、密封环(19)、第一径向保护轴承(20)、第二径向保护轴承(21)、第一轴向磁力轴承定子(22)、第二轴向磁力轴承定子(23)，其中，第一叶轮(2)通过叶轮连接轴(4)与第二叶轮(5)固定，第一叶轮(2)、第二叶轮(5)、磁浮推力盘(9)和增压叶轮(12)依次固定在永磁同步电机主轴(8)上，在磁浮推力盘(9)的两侧设置有第一轴向磁力轴承定子(22)和第二轴向磁力轴承定子(23)，在磁浮推力盘(9)和增压叶轮(12)之间，永磁同步电机主轴(8)有两个径向轴承支撑位置，其中一个径向轴承支撑位置由第一径向保护轴承(20)或第一磁浮径向轴承(10)支撑，另一个径向轴承支撑位置由第二磁浮径向轴承(11)或第二径向保护轴承(21)支撑，第一进气管道(1)的一端通过第一叶轮(2)外部管道与第一蜗壳(3)相连，第二进气管道(6)的一端通过第二叶轮(5)外部管道与第二蜗壳(7)相连，第二进气管道(6)固定于永磁同步电机外壳(14)上，密封环(19)固定于第一蜗壳(3)和第二蜗壳(7)连接处，电机冷气出口环腔(15)位于永磁同步电机外壳(14)上，增压叶轮进气管道(13)一端与永磁同步电机外壳(14)相连，另一端与增压叶轮(12)外部管道相连，定子绕组(18)固定于定子铁芯(17)上，定子铁芯(17)通过固定结构(16)固定在永磁同步电机外壳(14)上，永磁同步电机主轴(8)的主轴中心线与定子铁芯(17)和定子绕组(18)的中心线重合，电机冷气出口环腔(15)的入口、增压叶轮(12)的外部管道出口直接与永磁同步电机外壳(14)内部腔室连通，第一叶轮(2)与第二叶轮(5)的轴向布置方式为第一叶轮(2)的非工作面与第二叶轮(5)的非工作面相邻，二者间设置密封环(19)。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一磁浮径向轴承(10)和第二磁浮径向轴承(11)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，大于第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于正常状态时，永磁同步电机主轴(8)处于悬浮状态，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于不正常状态时，永磁同步电机主轴(8)落在第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)上。
作为本发明的优选实施方式，高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的所述工作方法包括主流工质的工作过程和永磁同步电机的冷却气体工作过程，所述主流工质的工作过程为主流工质流动方式1或主流工质流动方式2，所述主流工质流动方式1是指主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)，经过第一叶轮(2)提升压力后从第一蜗壳(3)的出口排出，再经由外部管路输送至第二进气管道(6)的进口，随后主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)再次提升压力，最后通过第二蜗壳(7)的出口排出，所述主流工质流动方式2是指主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)，经过第二叶轮(5)提升压力后从第二蜗壳(7)的出口排出，再经由外部管路输送至第一进气管道(1)的进口，随后主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)再次提升压力，最后通过第一蜗壳(3)的出口排出；所述永磁同步电机的冷却气体工作过程是指，永磁同步电机的冷却气体从增压叶轮进气管道(13)进入增压叶轮(12)，经过增压叶轮(12)提升压力后，进入永磁同步电机外壳(14)内部腔室，通过永磁同步电机主轴(8)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)与永磁同步电机外壳(14)之间的间隙，带走永磁同步电机工作时产生的热量，最后从电机冷气出口环腔(15)流出永磁同步电机外壳(14)。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的工作方法，其特征在于，高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机包括第一进气管道(1)、第一叶轮(2)、第一蜗壳(3)、叶轮连接轴(4)、第二叶轮(5)、第二进气管道(6)、第二蜗壳(7)、永磁同步电机主轴(8)、磁浮推力盘(9)、第一磁浮径向轴承(10)、第二磁浮径向轴承(11)、增压叶轮(12)、增压叶轮进气管道(13)、永磁同步电机外壳(14)、电机冷气出口环腔(15)、固定结构(16)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)、密封环(19)、第一径向保护轴承(20)、第二径向保护轴承(21)、第一轴向磁力轴承定子(22)、第二轴向磁力轴承定子(23)，其中，第一叶轮(2)通过叶轮连接轴(4)与第二叶轮(5)固定，第一叶轮(2)、第二叶轮(5)、磁浮推力盘(9)和增压叶轮(12)依次固定在永磁同步电机主轴(8)上，在磁浮推力盘(9)的两侧设置有第一轴向磁力轴承定子(22)和第二轴向磁力轴承定子(23)，在磁浮推力盘(9)和增压叶轮(12)之间，永磁同步电机主轴(8)有两个径向轴承支撑位置，其中一个径向轴承支撑位置由第一径向保护轴承(20)或第一磁浮径向轴承(10)支撑，另一个径向轴承支撑位置由第二磁浮径向轴承(11)或第二径向保护轴承(21)支撑，第一进气管道(1)的一端通过第一叶轮(2)外部管道与第一蜗壳(3)相连，第二进气管道(6)的一端通过第二叶轮(5)外部管道与第二蜗壳(7)相连，第二进气管道(6)固定于永磁同步电机外壳(14)上，密封环(19)固定于第一蜗壳(3)和第二蜗壳(7)连接处，电机冷气出口环腔(15)位于永磁同步电机外壳(14)上，增压叶轮进气管道(13)一端与永磁同步电机外壳(14)相连，另一端与增压叶轮(12)外部管道相连，定子绕组(18)固定于定子铁芯(17)上，定子铁芯(17)通过固定结构(16)固定在永磁同步电机外壳(14)上，永磁同步电机主轴(8)的主轴中心线与定子铁芯(17)和定子绕组(18)的中心线重合，电机冷气出口环腔(15)的入口、增压叶轮(12)的外部管道出口直接与永磁同步电机外壳(14)内部腔室连通，第一叶轮(2)与第二叶轮(5)的轴向布置方式为第一叶轮(2)的非工作面与第二叶轮(5)的非工作面相邻，二者间设置密封环(19)，所述的第一磁浮径向轴承(10)和第二磁浮径向轴承(11)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，大于第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)与永磁同步电机主轴(8)支撑位置处的环形间隙，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于正常状态时，永磁同步电机主轴(8)处于悬浮状态，当高性能单侧双叶轮磁浮高速直驱透平压缩机的磁浮系统处于不正常状态时，永磁同步电机主轴(8)落在第一径向保护轴承(20)和第二径向保护轴承(21)上；
具体的工作方法包括主流工质的工作过程和永磁同步电机的冷却气体工作过程，所述主流工质的工作过程为主流工质流动方式1或主流工质流动方式2，所述主流工质流动方式1是指主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)，经过第一叶轮(2)提升压力后从第一蜗壳(3)的出口排出，再经由外部管路输送至第二进气管道(6)的进口，随后主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)再次提升压力，最后通过第二蜗壳(7)的出口排出，所述主流工质流动方式2是指主流工质通过第二进气管道(6)进入第二叶轮(5)，经过第二叶轮(5)提升压力后从第二蜗壳(7)的出口排出，再经由外部管路输送至第一进气管道(1)的进口，随后主流工质通过第一进气管道(1)进入第一叶轮(2)再次提升压力，最后通过第一蜗壳(3)的出口排出；所述永磁同步电机的冷却气体工作过程是指，永磁同步电机的冷却气体从增压叶轮进气管道(13)进入增压叶轮(12)，经过增压叶轮(12)提升压力后，进入永磁同步电机外壳(14)内部腔室，通过永磁同步电机主轴(8)、定子铁芯(17)、定子绕组(18)与永磁同步电机外壳(14)之间的间隙，带走永磁同步电机工作时产生的热量，最后从电机冷气出口环腔(15)流出永磁同步电机外壳(14)。
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