DE69807930T2

DE69807930T2 - Produktion von hochdruckgas

Info

Publication number: DE69807930T2
Application number: DE69807930T
Authority: DE
Inventors: Jaakko Larjola
Original assignee: Sundyne Corp
Current assignee: Gardner Denver Deutschland GmbH; Sundyne Corp
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: JP2002508477A; CN1102704C; EP1036278B1; WO1999031390A1; CN1291262A; FI103296B; EP1036278A1; JP3474852B2; DE69807930D1; US6450780B1; FI103296B1; AU1437099A; FI974401A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das im Oberbegriff des Anspruch 1 näher definiert ist, zum Erzeugen von Hochdruckgas, speziell von Druckluft.
In der Industrie ist, zum Reparieren von Gebäuden usw., Druckluft erforderlich, bei der der Druck typischerweise in der Größenordnung von 7 bis 10 bar Überdruck liegt. Um diese Druckluft zu erzeugen, werden herkömmlicherweise Kolben- oder Schraubenverdichter verwendet, die üblicherweise geölt werden. Ziel ist, Ölnebel von der Druckluft abzutrennen, mit dem sie vermischt ist, aber es bleibt mindestens etwas Öl in der Druckluft und bleibt schließlich in der Umgebung. Herkömmliche Kolben- oder Schraubenkompressoren sind groß, schwer und oft laut. Sie erfordern relativ häufige Wartung und speziell bei ungekühlten Schraubenkompressoren ist die Betriebseffizienz oft gering.
Kinetische Kompressoren wurden herkömmlicherweise nur verwendet, um Druckluft auf oben beschriebene Weise herzustellen, wenn eine wesentliche Luftmenge erforderlich ist, sonst wäre es notwendig, eine sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit zu verwenden. Es ist schwierig, eine sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit mit einem Schonganggetriebe zu erzeugen; das Schonganggetriebe wird teuer und anfällig für Störungen.
Das US-Patent 5,065,590 stellt ein Kühlgerät vor, das einen kleinen Hochgeschwindigkeitskreiselkompressor verwendet. Dieser Kompressor wird mit einem Elektromotor angetrieben, dessen Rotorwelle mit Kompressorstufen ausgerüstet ist. Zwischen den Kompressorstufen ist ein Zwischenkühler. Diese Kompressorwelle gemäß der Patentveröffentlichung ist mit Kugellagern gelagert, worin ein Nachteil beispielsweise darin liegt, dass sie bei hohen Geschwindigkeiten Schweröl erfordern; ansonsten bewirkt die Reibung in ihnen, dass die Lager heißlaufen und schnell verschleißen.
Die internationale Patentanmeldung WO 94/29597 stellt einen Kühlkompressor eines Kreiselverdichtertyps dar. Dieser Kompressor umfasst eine oder mehrere Kompressorstufen, einen Elektromotor und eine Welle, die durch radiale Lager gelagert ist, wie Magnet- oder Gaslager. Außerdem ist die Welle mit axialen Stellmitteln versehen. Um die Funktion dieser Stellmittel zu steuern, ist der Kompressor mit Sensoren ausgerüstet, mittels derer die Stellung des Rotors zu einem gegebenen Zeitpunkt erkannt werden kann.
Die internationale Patentanmeldung WO 91/17361 stellt einen Kompressor vor. Der Kompressor ist durch einen Hochgeschwindigkeitsinduktionsmotor angetrieben, wie einer bürstenlosen permanent magnetisierten Gleichstrommaschine. Der Hochgeschwindigkeitsinduktionsmotor wird mittels eines Inverters mit Elektrizität versorgt.
In kinetischen Kompressoren des Standes der Technik kann die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors im Wesentlichen konstant gehalten werden. Der Druck und die Leistung des Kompressors werden mittels einstellbarer Leitventile eingestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das mit einer Vorrichtung ausgeführt wird, die Druckluft mit einem sehr schnell rotierenden kinetischen Kompressor auf Grundlage der Hochgeschwindigkeitstechnologie erzeugt. In diesem Zusammenhang bedeutet Hochgeschwindigkeitstechnologie, dass die Rotoreinheit direkt mit einer Hochgeschwindigkeitselektromaschine gekoppelt ist, die mit der durch einen Inverter erzeugten notwendigen Frequenz versorgt wird. Weil die Vorrichtung, die die Erfindung anwendet, nicht mit einem Schonganggetriebe ausgerüstet ist, ist es möglich, sehr hohe Rotationsfrequenzen problemlos zu verwenden. Bevorzugt ist der Inverter mit einer Steuerungslogik für den Kompressor versehen.
Um die zuvor genannten Zwecke zu erreichen, ist das Verfahren gemäß der Erfindung primär durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des angefügten Anspruch 1 angegeben ist.
Die anderen unabhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung ausführlicher beschrieben mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kombination eines Kompressors und einer Hochgeschwindigkeitselektromaschine zeigt, die das Verfahren gemäß der Erfindung anwenden, und
Fig. 2 einen verkleinerten Querschnitt der Lageranwendung in einer Kombination eines Kompressors und einer Hochgeschwindigkeitselektromaschine zeigt, die das Verfahren gemäß der Erfindung anwenden.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist der kinetische Kompressor gemäß der Erfindung üblicherweise ein sogenannter Radialkompressortyp, weil er beträchtlich weniger kostet als ein Axialkompressor. Die Betriebseffizienz des Radialkompressors ist am besten, wenn seine sogenannte dimensionslose Rotationsgeschwindigkeit Ns in der Größenordnung von 0,5 < Ns < 1,1 liegt. Die dimensionslose Rotationsgeschwindigkeit Ns ist auf folgende Weise spezifiziert:
Hier ist n gleich der Rotationsgeschwindigkeit (1/s), Qv gleich dem Ansaugvolumenstrom (m³/s) und Δhs gleich dem isentropen Enthalpieanstieg, der zur Luftverdichtung erforderlich ist. Die Gleichung zeigt, dass je geringer der Volumenstrom, desto höher ist die Rotationsgeschwindigkeit, die zum Erreichen eines bestimmten Ns-Wertes, d. h. eine wesentlichen Betriebseffizienz erforderlich ist. Andererseits zeigt die Gleichung, dass die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit reduziert werden kann, wenn die Kompression in verschiedene Radialkompressorstufen geteilt wird, worin die in der Gleichung verwendete stufenspezifische Δhs reduziert ist.
Anstelle einer oder mehrerer Radialkompressorstufen ist es auch möglich, sogenannte axiale und radiale Mischströmungskompressoren (Halbaxialkompressoren) zu verwenden. In solchen Kompressoren sind die Flügel des Kompressorlaufrades derart konstruiert, dass sie sowohl eine axiale wie eine radiale Strömung erzeugen. Die Verwendung eines Halbaxialkompressors führt oft zu einem hohen Wert der Abtriebs/Rotationsgeschwindigkeit. Zur Verbesserung des Leistungsübertragungsverhältnisses kann mit Vorteil das erste Kompressorlaufrad so angeordnet sein, dass es dem Halbaxialtyp entspricht, worin das zweite und mögliche dritte Kompressorlaufrad so eingestellt sein kann, dass es bei einer höheren dimensionslosen Rotationsgeschwindigkeit Ns läuft. Die Halbaxiallösung ist vorteilhaft, wenn die dimensionslose Rotationsgeschwindigkeit Ns > 1,1 ist.
Bei der Herstellung von Druckluft nach oder obigen Art ist es vorteilhaft, die Kompression in mindestens zwei radiale Kompressorstufen aufzuteilen, da ansonsten die relativen Geschwindigkeiten im Radialkompressor so hoch ansteigen, dass es das Leistungsübertragungsverhältnis beeinflusst und außerdem die Rotationsgeschwindigkeit unnötig hoch ansteigt, wie in der obigen Gleichung zu sehen ist.
Außerdem kann der Energieverbrauch des gesamten Kompressors durch Kühlen der Druckluft zwischen den Stufen beträchtlich reduziert werden.
Wenn beispielsweise das Ziel ist, 0,7 kg/s Luft mit 8,0 bar Überdruck zu produzieren, beträgt die notwendige Rotationsgeschwindigkeit in einem zweistufigen Radialkompressor ungefähr 70000 Upm und in einem dreistufigen Radialkompressor ungefähr 60000 Upm. Der zweistufige Radialkompressor ist die vorteilhafteste Alternative, weil er nur eine Welle A erfordert, deren erstes Ende die erste Radialkompressorstufe 1 umfasst und deren zweites Ende die zweite Radialkompressorstufe 2, wobei der Rotor 3 und die Hochgeschwindigkeitselektromaschine auf der Welle A zwischen der ersten Stufe 1 und der zweiten Stufe 2 platziert sind. Die notwendige Abtriebsleistung beträgt ungefähr 200 kW.
Die notwendige Kombination von Abtriebs/Rotationsgeschwindigkeit von 200 kW/70000 Upm ist jedoch eine wesentliche Forderung für eine Elektromaschine: sie beträgt das Zehnfache im Vergleich zu den Leistungskennwerten eines herkömmlichen Kurzschlussläufermotors. Bezüglich Biegeschwingungen ist der übliche Kompressor-Elektromaschinenrotor 1-3-2 vorteilhaft subkritisch, da einen superkritischen Rotor 3 auszugleichen und zu stabilisieren, bei der Rotationsgeschwindigkeit teuer werden kann. Das superkritische Merkmal ist jedoch kein so großes Problem, wenn in der Lageranwendung Magnetlager verwendet werden. Die notwendigen Erfordernisse können unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitskurzschlussläufermotors als Elektromaschine erfüllt werden, die an sich bekannt ist und mit einem kupferüberzogenen massiven Rotor ausgerüstet ist. Eine solche Hochgeschwindigkeitsmotorkonstruktion ist im finnischen Patent FI- 92114 der Anmelderin dargestellt, und kann mit Vorteil beim Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Der Hochgeschwindigkeitsmotor ist gebildet aus einem Rotor, der sich in Bezug auf den Stator dreht und Elektrizität leitet, worin ein Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gebildet ist, wobei die Größe des Luftspalts im Wesentlichen die Gleichung erfüllt
in welcher Gleichung
Dr = Außendurchmesser des Rotors (mm),
Ds = Innendurchmesser des Stators (mm),
u = Umfangsgeschwindigkeit (m/s),
δ = Luftspalt (mm),
A = eine Konstante, deren Wert ≤0,3, mit Vorteil 0,7 bis 1,5, bevorzugt 1 beträgt,
B = eine Konstante, deren Wert ≤150, mit Vorteil 50 bis 100, bevorzugt 70 beträgt,
C = eine Konstante, deren Wert ≤1200, mit Vorteil 300 bis 600, bevorzugt 400 in m/s/mm beträgt.
Außerdem übersteigt beim Hochgeschwindigkeitsmotor der vorliegenden Erfindung die Umfangsgeschwindigkeit 100 m/s.
Um den Kompressor-Elektromaschinenrotor 1-3-2 aus Kompressor 1, 2 und dem Rotor 3 in einem subkritischen Zustand zu halten, müssen die Wellenzapfen relativ dick sein. Daher ist es vorteilhaft, Gas- oder Magnetlager zu verwenden, die auch ölfrei und nahezu wartungsfrei sind.
Beim Vergleich des oben beschriebenen zweistufigen Kompressors, der Gas- oder Magnetlager aufweist und auf einer Hochgeschwindigkeitselektromaschine beruht, mit herkömmlichen Lösungen werden die folgenden Vorteile erreicht:
1) Vollkommen ölfreie Druckluft.
2) Kleine und leichte Struktur
3) Wesentliche Betriebseffizienz selbst unter außergewöhnlichen Betriebsbedingungen und kontinuierlicher Betrieb im Normalbereich durch Rotationsgeschwindigkeitseinstellung.
4) Lange technische Lebensdauer und nahezu wartungsfreie Funktion durch kontaktlosen Betrieb.
5) Außerdem ist gemäß Abschnitt 3) ein Druckluftspeichertank unnötig, der bei herkömmlichen Kompressoren erforderlich ist, wenn der Bedarf an Druckluft im normalen Verbrauchsbereich bleibt oder wenn bei geringeren Druckluftmengen als dem Verbrauchsbereich ein Ablassen möglich ist.
Im normalen Verbrauchsbereich, der typischerweise von 70 bis 100% beim Nennfluss beträgt, wird der oben beschriebene kinetische Kompressor durch Verändern der Rotationsgeschwindigkeit in der Weise eingestellt, dass der vom Benutzer gewünschte Druck eingehalten werden kann. Wenn der gewünschte Fluss geringer ist als die zuvor genannte Untergrenze (70%), wird entweder der Kompressor im diskontinuierlichen Betrieb gefahren (worin ein Druckluftspeichertank erforderlich ist) oder das Ablassventil wird entsprechend dem Bedarf geöffnet. Eine dritte Alternative ist beide Kompressorstufen 1, 2 mit einem Ventil auszurüsten, das verwendet werden kann, um einen Teil der von einem axialen Induktionsteil 8 des Laufrads zurück zur Ansaugung zu führen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kompressor so zu stellen, dass er ohne Stoß mit einem ziemlich kleinen Volumenstrom arbeitet.
Schließlich können einige strukturelle Lösungen untersucht werden, die beim oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitskompressor vorteilhaft sind. Als Radiallager 4 ist es vorteilhaft, ein dynamisches Gaslager vom Segmentdrucktyp zu verwenden, wie in der Ausführungsform von Fig. 1, oder ein aktives Magnetlager wie es in schematischer Querschnittsansicht in Fig. 2 dargestellt ist. Als Axiallager 5 ist es vorteilhaft, ein aktives Magnetlager zu verwenden, dessen Gegenflächen 6 durch die Enden des Elektromaschinenrotors vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, die höchstmögliche biegekritische Rotationsgeschwindigkeit des Kompressorrotors zu erreichen.
Die Verwendung des aktiven Magnetlagers 4, 5 erfordert die Verwendung eines Lagesensors 7. Der Lagesensor 7 wird verwendet, um die Stellung der Welle zu einem gegebenen Zeitpunkt in der axialen und radialen Richtung zu definieren. Auf Grundlage dieser Information werden die Magnetlager in einer an sich bekannten Weise eingestellt, so dass mögliche Abweichungen der Welle von der Zielposition korrigiert werden können. Beim Bestimmen der axialen oder radialen Stellung ist es möglich, separate Lagesensoren zu verwenden, oder einen solchen Lagesensor, der in der Lage ist, die Stellung in beiden Richtungen zu bestimmen. Der Lagesensor 7 ist entweder nahe dem Magnetlager bei der Welle platziert (Fig. 2) oder auf der Verlängerung der Welle des ersten Radialkompressorrotors (Fig. 1). Wenn mehrere Lagesensoren 7 verwendet werden, ist es möglich, die beiden Stellungsalternativen zu verwenden. Auf diese Weise wird der nächstgelegen zur Welle platzierte Lagesensor mit Vorteil verwendet, um das Radiallager einzustellen und der auf der Verlängerung der Welle des Radialkompressors platzierte Lagesensor wird verwendet, um das Axiallager einzustellen.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf die oben dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifiziert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Hochdruckgas mittels eines kinetischen Kompressors, der an eine Hochgeschwindigkeitselektromaschine gekoppelt ist, die auf derselben Welle (A) mit dem Kompressor angeordnet ist und einen Rotor (3) umfasst, dessen Rotationsgeschwindigkeit grösser ist als 20000 Upm, in welchem Verfahren die Welle (A) des Rotors (3) mit Magnet- und/oder Gaslagern versehen ist, die Hochgeschwindigkeitselektromaschine in Bezug auf die Kompressorstufe (1, 2) des Kompressors zentral auf der Welle (A) platziert ist, der Rotor (3) mindestens in der axialen Richtung auf einem Magnetlager angebracht ist und das Magnetlager so ausgewählt ist, dass es ein aktiver Typ ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Rotors (3) mindestens teilweise als Gegenflächen für das axiale Magnetlager verwendet werden, dass ein mit einem beschichteten massiven Rotor ausgerüsteter Hochgeschwindigkeitskurzschlussläufermotor als Hochgeschwindigkeitselektromaschine verwendet wird, und dass die Hochgeschwindigkeitselektromaschine mit der durch einen Inverter erzeugten notwendigen Frequenz versorgt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kompressorstufe (1, 2) als Mischströmungskompressor ausgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kompressorstufe (1, 2) als Radialkompressor ausgewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) so dimensioniert wird, dass er in Bezug auf Biegeschwingungen unterkritisch ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) auf einem Magnetlager in radialer Richtung angebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) auf einem Gaslager in radialer Richtung angebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Gaslager als dynamischer Segmentlagertyp ausgewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellungssensor (7) auf der Verlängerung einer Welle der radialen Kompressorstufe (1) platziert wird, um die Funktion des axialen Magnetlagers zu steuern.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich des Kompressors erweitert wird, indem eine oder mehrere Kompressorstufen (1, 2) mit einem Ventil versehen werden, das verwendet werden kann, um einen Teil der durch den axialen Einlaufteil des Laufrads verdichteten Luft in die Ansaugung zurückzuführen.