NL1021656C2

NL1021656C2 - Compressoreenheid met gemeenschappelijke behuizing voor elektromotor en compressor, werkwijze voor het vervaardigen van een scheidingswand voor een compressoreenheid en gebruik van een compressoreenheid.

Info

Publication number: NL1021656C2
Application number: NL1021656A
Authority: NL
Inventors: Ralf Heinrich Bode; Klaus Mecking
Original assignee: Siemens Demag Delaval Turbomac
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-16
Also published as: NO20052341L; BR0315260B1; ES2343245T3; WO2004036052A1; EP1552159B1; AU2003301330A1; US7575422B2; JP2006503222A; NO337508B1; ATE464480T1; EP1552159A1; DE60332138D1; US20060292019A1; BR0315260A; JP4276177B2

Description

Λ '

Korte aanduiding: Compressoreenheid met gemeenschappelijke 5 behuizing voor elektromotor en compressor, werkwijze voor het vervaardigen van een scheidingswand voor een compressoreenheid en gebruik van een compressoreenheid.

De uitvinding heeft betrekking op een compressoreenheid met een 10 gemeenschappelijke behuizing voor elektromotor en compressor, volgens de aanhef van conclusie 1.

Een dergelijke compressoreenheid is bekend uit US-3.960.468. Hier wordt een compressoreenheid geopenbaard voor het comprimeren van een gas. De compressoreenheid omvat een centrifugaalcompressor en een 15 elektromotor. De elektromotor omvat een stator en een rotor, waarbij de rotor de compressor aandrijft. De compressor en de elektromotor zijn ondergebracht in een gemeenschappelijke gasdichte behuizing die voorzien is van een gasinlaat en een gasuitlaat.

Bij de uit US-3.960.468 in fig. 1 getoonde compressoreenheid is 20 een dunne scheidingswand aangebracht tussen de ruimte waarin zich de stator bevindt en de ruimte waarin zich de rotor bevindt. Een dergelijke scheidingswand zorgt ervoor dat eventueel in het te comprimeren gas aanwezige agressieve stoffen niet de statorruimte kunnen bereiken, waar ze de stator zouden kunnen aantasten. Deze 25 bekende scheidingswand is dun, kan vervaardigd zijn uit een metaal met een hoge elektrische weerstand, of uit een niet geleidend materiaal. Blijkens fig. 1 steunt de bekende scheidingswand af op de stator.

De bekende scheidingswand heeft diverse nadelen. In de eerste 30 plaats kan de scheidingswand slijtage veroorzaken aan zichzelf en aan de stator. Dergelijke slijtage ontstaat als de scheidingswand en de stator ten opzichte van elkaar bewegen ten gevolge van wisselende drukken en/of temperaturen. In de tweede plaats is de bekende scheidingswand niet in staat om grote drukverschillen tussen de 35 statorruimte en de rotorruimte op te vangen. Voor zover de scheidingswand wel drukverschillen opvangt is dit te danken aan het afsteunen op de stator, en niet aan eigenschappen van de scheidingswand zelf.

1021656 ~ z -

Het doel van de onderhavige uitvinding is een compressoreenheid te verschaffen, waarbij deze nadelen ten minste gedeeltelijk worden ondervangen, of om een bruikbaar alternatief te verschaffen.

In het bijzonder heeft de uitvinding als doel een 5 compressoreenheid te verschaffen, voorzien van een scheidingswand, die in staat is relatief grote drukverschillen op te vangen en die geen slijtage aan zichzelf en/of aan de stator veroorzaakt.

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt door middel van een compressoreenheid volgens conclusie 1.

10 De statorruimte wordt begrensd door een de stator omgevend wandgedeelte van de gemeenschappelijke behuizing van de compressoreenheid, een gasdichte scheidingswand en ten minste een eindwand die de scheidingswand gasdicht verbindt met de behuizing van de compressoreenheid. Hierbij kan de behuizing van de 15 compressoreenheid zodanig zijn vormgegeven, dat deze aan één, of twee zijden van de stator de functie van eindwand vervult. De gasdichte scheidingswand houdt de statorruimte niet alleen vrij van het gas, maar zorgt er ook voor dat in de statorruimte een andere druk kan heersen dan de werkdrukken die aanwezig zijn in de compressor. De 20 gasdichte scheidingswand strekt zich vrij uit tussen de stator en de rotor, waardoor deze de stator en de rotor niet raakt. Deze oriëntatie van de scheidingswand heeft als voordeel, dat de stator en de scheidingswand onafhankelijk van elkaar kunnen uitzetten en krimpen onder invloed van temperatuurwisselingen, zonder dat zij 25 langs elkaar schuren waardoor anders slijtage zou kunnen ontstaan. De scheidingswand is vervaardigd uit een zodanig stijf materiaal, dat de vervorming van de scheidingswand ten gevolge van trekspanning die ontstaat door de werkdruk van de compressor zo klein is, dat deze vrij blijft van zowel de stator als de rotor.

30 In het bijzonder is de scheidingswand ten minste gedeeltelijk vervaardigd uit een vezelversterkte kunststof. Dit materiaal laat zich tot kleine wanddiktes verwerken, waarbij het onder hoge trekspanning slechts geringe vervorming toont.

Meer in het bijzonder omvat de scheidingswand aan de rotorzijde 35 een erosiebestendige laag. Deze laag beschermt de scheidingswand tegen erosie door het gas zelf, door eventuele agressieve en abrassieve componenten in het gas, en/of door hoge temperaturen van het gas.

. Vö* > ’ - 3 -

In een variant omvat de scheidingswand een gasdichte laag. Hierdoor is het mogelijk dat slechts een deel van de gehele dwarsdoorsnede van de scheidingswand uit een gasdicht materiaal bestaat.

5 Met voordeel omvat de scheidingswand een laag van corrosievrij metaal. Door metaal toe te passen in de scheidingswand, wordt deze gasdicht, en - indien deze laag aan de rotorzijde wordt toegepast -erosiebestendig.

Verdere uitvoeringsvormen zijn vastgelegd in de 10 onderconclusies.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een scheidingswand volgens conclusie 10. Hierbij wordt ten minste een binnen- en een buitenlaag afzonderlijk vervaardigt in de vorm van een binnen- en buitenmantel. Na 15 vervaardiging van de binnen- en buitenmantel is de buitendiameter van de binnenmantel bij gelijke druk en temperatuur groter dan de binnendiameter van de buitenmantel. Om de binnenmantel vervolgens in de buitenmantel te kunnen brengen wordt de diameter van de buitenmantel vergroot door middel van het toepassen van een hoge gas-20 of vloeistofdruk. Tegelijkertijd, of als alternatief hierop, wordt de diameter van de binnenmantel tijdelijk verkleind door middel van een temperatuurverlaging. De druk wordt zodanig vergroot, respectievelijk de temperatuur wordt zodanig verlaagd, dat de buitendiameter van de binnenmantel kleiner wordt dan de binnendiameter van de buitenmantel. 25 Hierna kan de binnenmantel in de buitenmantel worden geschoven, waarna de druk en de temperatuur naar normale waarden worden teruggebracht. Hierdoor zal de binnenmantel uitzetten en/of de buitenmantel krimpen waardoor de binnenmantel klemmend onder spanning in de buitenmantel wordt opgenomen.

30 Tot slot heeft de uitvinding betrekking op het gebruik van een compressoreenheid volgens conclusie 11.

De uitvinding zal nader worden toegelicht in de hiernavolgende beschrijving van een uitvoeringsvorm van de compressoreenheid volgens de uitvinding aan de hand van de tekening, waarin: 35 fig. 1 schematisch een uitvoeringsvorm van de compressoreenheid volgens de uitvinding weergeeft, en fig. 2 meer in detail een scheidingswand tussen een rotor en een stator toont.

. Q ,· < · '> centrifugaalcorapressor 1 voor het comprimeren van een gas, bijvoorbeeld procesgas, met een rotor 2 met een of meerdere, in dit geval drie, compressorwaaiers 3 en een elektromotor 4 met een stator 5 5 en een rotor 6 voor het aandrijven van de rotor 2 van de compressor. De compressor 1 en de elektromotor 4 zijn ondergebracht in een gemeenschappelijke gasdichte behuizing 7 die voorzien is van een gasinlaat 8 en een gasuitlaat 9.

De rotor 2 van de compressor 1 en de rotor 6 van de 10 elektromotor 4 zijn aangebracht op een gemeenschappelijke, uit één geheel bestaande rotoras 10. De rotoras 10 is gelagerd in twee magnetische radiale lagers 11 en 12 die elk nabij een uiteinde 13 respectievelijk 14 van de rotoras 10 zijn aangebracht, en een nabij het radiale lager 11 aangebracht magnetisch axiaal lager 15.

15 De compressoreenheid is voorzien van een koelsysteem voor het koelen van de magnetische lagers 11, 12, 15 en de rotor 6 van de elektromotor 4. Dit koelsysteem omvat een vanaf de compressor lopende leiding 16 die zich vertakt in naar de magnetische lagers 11, 12, 15 lopende leidingen 18 en 19. In de vanaf de compressor lopende leiding 20 16 is een filter 20 opgenomen. Voor het koelen van de rotor 6 van de elektromotor 4 en de magnetische lagers 11, 12, 15 wordt in een tussentrap van de compressor 1 gecomprimeerd gas afgetapt en door de leiding 16 en het filter 20 geleid en via de leidingen 18 en 19 gedoseerd toegevoerd aan de magnetische lagers 11 en 15, 25 respectievelijk 12. Het koelgas wordt binnenin de compressoreenheid weer verzameld en naar de inlaatsectie van de compressor geleid.

De stator 5 van de elektromotor 4 is opgenomen in een van de rest van het inwendige van de compressoreenheid gescheiden statorruimte 21 die begrensd wordt door het de stator 5 omgevende 30 wandgedeelte van de behuizing 7 van de compressoreenheid, een op dit wandgedeelte aansluitende, zich in radiale richting aan beide zijden van de stator 5 uitstrekkende eindwand 22.1 en een zich tussen de stator 5 en de rotor 6 van de elektromotor 4 uitstrekkende scheidingswand 22.2. De statorruimte 21 is voorzien van een toevoer 35 23 en een afvoer 24 voor een afzonderlijk koelmedium, dat door een pomp 25 wordt rondgepompt in een koelcircuit 26. In het koelcircuit 26 is een warmtewisselaar 27 opgenomen. De druk in het koelcircuit 26 en de statorruimte 21 bedraagt gemiddeld ongeveer 4 bar.

1021856 - 5 -

De scheidingswand 22.2 omvat een koolstofvezel versterkte kunststoflaag (carbon reinforced plastics, CRP) 22.3 en een metallische laag 22.4, bijvoorbeeld een roestvast staal of Inconel, in het bijzonder Inconel 625 (zie fig. 2). De metallische laag 22.4 5 verdikt zich tot een sluitring 22.5 ter verstijving ter plaatse van de aansluiting op een eerste van de eindwanden 22.1. Op vergelijkbare wijze verdikt de metallische laag 22.4 zich tot een aanslag 22.6 ter plaatse van de aansluiting op de tweede eindwand 22.1. De aansluiting van de scheidingswand 22.2 op de beide eindwanden 22.1 wordt gasdicht 10 gemaakt door twee of meerdere samendrukbare afdichtringen 22.7.

De scheidingswand 22.2 ontleent zijn stijfheid voornamelijk aan de CRP-laag 22.3. Dit materiaal is zo stijf dat het bij een wanddikte van bijvoorbeeld 4 mm, en een diameter rond de rotor 6 van de scheidingswand 22.2 van 350 mm, een maximale radiale vervorming 15 krijgt in de orde van 0,5 mm, bij een compressordruk die kan oplopen tot meer dan 150 bar. Door nu de speling 22.8 tussen de stator 5 en de scheidingswand 22.2 groter te kiezen dan de maximale vervorming van het CRP, zal de scheidingswand 22.2 onder alle bedrijfstoestanden vrij blijven van de stator 5 en de rotor 6. Tevens zal de 20 scheidingswand 22.2 niet langs de stator 5 schuren, indien deze door ongelijke uitzettingen ten gevolge van temperatuurverhoging beweegt ten opzichte van de stator 5.

Het CRP of een daarop aangebrachte beschermingslaag is bestand tegen de chemische inwerking van het koelmedium dat zich in de 25 statorruimte 21 bevindt. De metallische laag 22.4 is bestand tegen de inwerking van het procesgas, terwijl beide lagen bestand zijn tegen hoge temperaturen, die in de compressor kunnen oplopen tot meer dan 180°C. Doordat de metallische laag 22.4 ter hoogte van de stator 5 en de rotor 6 slechts zeer dun is, in het bijzonder in de orde van 1 mm, 30 doordat de CRP-laag 22.3 magnetisch zeer goed doorlaatbaar is, en doordat de totale afstand tussen de stator 5 en de rotor 6 klein is dankzij de kleine wanddikte van de scheidingswand 22.2 en de geringe spelingen 22.8 en 22.9, zijn de elektrische verliezen gering en wordt een groot vermogen per oppervlakte-eenheid van de motor bereikt.

35 Naast de getoonde uitvoeringsvorm zijn vele varianten mogelijk.

Zo kunnen bijvoorbeeld de compressor en de elektromotor op een andere wijze in een gasdichte behuizing zijn ondergebracht, waarbij zich " * - *’ Λ

^ ~ J

υχ j vuuiucciu ααιi uciuc ώ J UCii vau '-‘c cxc^liwuiu ww^w^.

bevinden.

Tevens zijn afwijkende koelsystemen voor de rotor van de elektromotor, voor de compressor en voor de statorruimte mogelijk, 5 zoals een inwendige koeling van de stator en rotor.

Verder kan de scheidingswand uit meer, of minder dan twee lagen worden opgebouwd. Bij toepassing van één laag kan een materiaal gekozen, of samengesteld, worden dat zowel gasdicht, erosiebestendig, als stijf is. Bij drie lagen kan het materiaal van elke laag 10 specifiek voor één van deze functies worden geselecteerd.

Ook kunnen de scheidingswand en één of twee van de eindwanden als één stuk gevormd worden en kunnen de scheidingswand, eindwanden en compressorbehuizing onderling flexibel verbonden zijn om vormvariaties door bijvoorbeeld verschillen in uitzetting onder 15 temperatuur- wisselingen op te vangen.

Samenvattend biedt de uitvinding een compressoreenheid waarbij de stator van de elektromotor beschermd is tegen de inwerking van het te comprimeren gas door middel van een scheidingswand. Dankzij het dunne en stijve materiaal van de scheidingswand kan de motor een 20 groot vermogen per oppervlakte-eenheid overbrengen. De scheidingswand en/of de stator zullen niet slijten door relatieve bewegingen ten opzichte van elkaar, doordat deze elkaar niet raken. Aldus behoeft de elektromotor weinig onderhoud en verkrijgt een lange levensduur.

25 1021656

Claims

1. Compressoreenheid omvattende een centrifugaalcompressor (1) voor het comprimeren van een gas en een elektromotor (4) met een 5 stator (5) en een rotor (6) voor het aandrijven van de compressor (1), waarbij de compressor (1) en de elektromotor (4) zijn ondergebracht in een gemeenschappelijke gasdichte behuizing (7) die voorzien is van een gasinlaat (8) en een gasuitlaat (9), waarbij de stator (5) is opgenomen in een gescheiden statorruimte (21) die 10 begrensd wordt door een de stator (5) omgevend wandgedeelte van de behuizing (7) van de compressoreenheid, een gasdichte scheidingswand (22.2) die zich tussen de stator (5) en de rotor (6) van de elektromotor (4) uitstrekt, en ten minste een eindwand (22.1) die zich uitstrekt tussen de scheidingswand (22.2) en de behuizing (7) 15 van de compressoreenheid, met het kenmerk, dat de scheidingswand (22.2) zich vrij tussen de stator (5) en de rotor (6) van de elektromotor (4) uitstrekt, en een materiaal omvat met een zodanig hoge stijfheid, dat deze onder werkdrukken van het gas die in de behuizing (7) kunnen optreden vrij blijft van de stator 20 (5) en de rotor (6) .

2. Compressoreenheid volgens conclusie 1, waarbij het materiaal met hoge stijfheid van de scheidingswand (22.2) een vezelversterkte kunststof (22.3) omvat. 25

3. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de scheidingswand (22.2) aan de rotorzijde een erosiebestendige laag (22.4) omvat.

4. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de scheidingswand (22.2) een gasdichte laag (22.4) omvat.

5. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de scheidingswand (22.2) een laag van corrosievrij metaal 35 (22.4) omvat. / ’ 5 ’ -*' — - '{J 'id Ό·

6. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de wanddikte van de scheidingswand (22.2) aan de uiteinden (22.5, 22.6) groter is dan in het midden.

7. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de scheidingswand (22.2) en de eindwand (22.1) afzonderlijke delen zijn die door middel van een of meerdere afdichtringen (22.7) gasdicht met elkaar zijn verbonden.

8. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de statorruimte (21) is voorzien van aansluitingen op een koeleenheid voor de toe- en afvoer (23, 24) van een koelmedium.

9. Compressoreenheid volgens één der voorgaande conclusies, 15 waarbij de scheidingswand (22.2) een afzonderlijke binnen- (22.4) en buitenlaag (22.3) omvat, aan respectievelijk de rotor- en statorzijde, waarbij ten minste de binnenlaag (22.4) erosiebestendige eigenschappen omvat, ten minste één laag een hoge stijfheid omvat en ten minste één laag gasdicht is. 20

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een scheidingswand (22.2) volgens conclusie 9, waarbij de binnen- (22.4) en buitenlaag (22.3) afzonderlijk worden vervaardigd, in de vorm van een binnen- en buitenmantel, 25 de buitendiameter van de binnenmantel onder gelijke druk en temperatuur groter is dan de binnendiameter van de buitenmantel; de diameter van de buitenmantel door middel van gas-, of vloeistofdruk tijdelijk vergroot wordt, en/of de diameter van de binnenmantel door middel van 30 temperatuurverlaging tijdelijk verkleind wordt, waardoor het mogelijk is om de binnenmantel de buitenmantel in te schuiven, waarna de temperatuur van de binnenmantel en de druk teruggebracht worden.

11. Gebruik van een compressoreenheid volgens één der conclusies 1-9, voor het comprimeren van gas. 1021656 35