NO316638B1 - Vaeskeringkompressor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kompressor, især en væskeringkompressor.

De fleste kompressorer arbeider med tilnærmet adiabatisk prosess, dvs. uten utveksling av varme under kompresjonsfasen. I praksis avgir f.eks. en stempelkompressor en god del varme, men det er en svært liten del av denne varmen som er avgitt under kompresjonen, det meste er etter, eller i sluttfasen. En turbokompressor har ofte meget nær adiabatisk prosess.

Enkelte, litt mer spesielle kompressorer kan arbeide meget nært isotermisk, dvs. at varmen som utvikles, føres kontinuerlig bort og temperaturen holdes uendret. Eksempler på dette er vanndrevne ejektorer og væskeringkompressorer, som begge er hyppig brukt ved vakuum. En skruekompressor med oljeinnsprøyting arbeider polytropisk, dvs. et sted mellom adiabatisk og isotermisk.

Den isotermiske prosess krever mindre tilført energi enn adiabatisk. Forskjellen øker sterkt med økende trykkforhold, som vist på diagrammet i figur 1. Dette viser teoretiske verdier, beregnet for luft ut fra gjeldene formler for ideell gass. Luft og gasser som i tilstand ikke ligger i nærheten av det kritiske punkt, opptrer meget nært ideelt.

For de fleste formål er det ikke ønskelig med varm gass etter kompresjon, og ut fra dette og energiforbruket, er den isotermiske prosess i teorien å foretrekke..

Når så denne likevel ikke utnyttes i dag, ligger årsaken i at eksisterende isotermiske eller nært isotermiske kompressorer har for store hydrauliske og dynamiske tap. Det gjelder et visst unntak for vakuumpumper som i realiteten er væskekompressorer med høye trykkforhold, p2/pl, men liten trykkhøyde, p2-pl. Disse kan operere med lave periferihastigheter på væskeringen. Et annet problem er at det ligger store tekniske utfordringer i å kunne fjerne varmen fortløpende under kompresjonen.

Innen vakuum benyttes hyppig både ejektorer og vannringkompressor. En ejektor utnytter massehastigheten i en vannstråle som utvider tverrsnittet og derved kan trekke med seg et annet medium. Ejektoren omformer dynamisk trykk til statisk trykk. Imidlertid har et ejektorsystem relativt høye tap i pumpe, i dyse, ved støt og friksjon. Ejektorer blir derfor sjeldent benyttet til annet enn vakuumområdet.

Innen kjent teknikk ligger vannringkompressoren nærmest kompressoren ifølge oppfinnelsen.

En væskeringkompressor består i hovedtrekk av et skovlehjul som roterer eksentrisk i et ytre hus sammen med en vannring som sentrifugalkraften holder på plass mot periferien. Innsuget er oftest anrettet som en åpning i husets ene eller begge endevegger hvor gassen blir dratt inn til mellomrommene i skovlehjulet. Tilsvarende er det anrettet åpninger i endeveggene på trykksiden, hvor den komprimerte gassen støtes ut. Andre typer kan ha anrettet stasjonære kommutatorer sentralt inni rotoren hvor inn og utløp skjer radialt.

Væskeringkompressoren omformer ikke energien i vannet på samme måte som ejektoren. Det statiske trykk i vannringen blir her konstant. Vannringen funksjonerer som et stempel i hver celle i rotoren. Prinsippet for en vanlig væskeringkompressor er vist i figur 2, hvor en væskering 23 roterer eksentrisk i et stasjonært hus 22, drevet av en rotor 21 hvor rommet mellom skovlene vil suge inn gass på den ene side av en omdreining og komprimere gassen på den andre.

Det statiske trykk i vannringen må minst være like høyt som kompresjonstrykket, ellers vil vannet trykkes ut av cellen, dvs. vannringen blir deformert. Derved er det gitt at til en bestemt trykkhøyde, p2-pl, krever en minimum sentrifugalkraft. En væskeringkompressor har vanligvis betydelig høyere trykkhøyde og krever derfor høyere rotasjonshastighet enn en vakuumpumpe.

De største friksjonstap i en konvensjonell vannringkompressor oppstår der rotoren ligger helt inntil huset. Her må klaringen være liten, noe som medfører at vannet mot husets periferi har samme hastighet som rotorens skovletupper. Dessuten må det også være liten klaring mellom rotorens sideflater og huset. Også i disse spaltene blir friksjonen høy.

Generelt øker friksjonstapene med kvadratet av hastighetsøkningen, og i praksis taper vannringkompressoren energimessig i forhold til en adiabatisk kompressor allerede ved relativt lave trykkforhold.

Utenom disse friksjonstapene, har væskeringkompressoren svært mange fordeler. Den er meget enkel og kan være entrinns opptil relativt høye trykkforhold.

Det er åpenbart at dersom huset rundt vannringen roterte sammen med denne, ville de hydrauliske friksjonstap bli minimale. Således vil en slik kompressor for vanlige trykkforhold kunne utnytte den isotermiske energifordel nærmest fullt ut.

Det er tidligere kjent forslag som ved en ytre, roterende sylinder søker å løse friksjonsproblemet, uten at disse har ført til realiserbare løsninger. US 5 100 300 og US 5 370 502 beskriver væskeringkompressorer med en sylinder som flyter på en film av væske eller gass mellom sylinderen og det ytre stasjonære hus. Ved en bæring på en væskefilm, er det ytterst tvilsomt om det vil oppnås noen reduksjon av friksjonen, og ved gass vil det neppe være mulig å oppnå tilstrekkelig bæringsevne og stabilitet, slik at sylinderen ikke berører huset.

I et senere patentskrift US 5 395 215 fra samme firma foreslås en opplagring av denne sylinderen i et ytre hus, påmontert en rekke ruller som er innfelt i husveggen hvor sylinderen støttes av rullene. Dette synes lite realistisk med de aktuelle rotasjonshastigheter det vil bli på rullene. Et senere patentskrift US 5 653 582 går da også tilbake til fluider som en ytre bæring for den roterende sylinder som forslag til basisløsning.

US 5 251 593 viser som foregående publikasjoner at det er et intrikat problem å få til to i forhold til hverandre eksentriske opplagringer i kombinasjon med stasjonære kanaler for gassens inn- og utløp. I denne publikasjonen antydes en opplagring av den ytre roterende sylinder på den ene side og rotoren er lagret på den andre, hvor en stasjonær plate inntil rotorens åpne ende har kanaler for inn- og utløp. Det er i hovedsak to avgjørende svakheter ved konstruksjonen. Den første er åpenbart den ensidige opplagringen denne løsningen gir, der lagerbelastningen blir skjev og for høy. Samtidig oppstår store aksiale trustkrefter. Den andre svakheten er problemene med å oppnå noenlunde gasstett tetning mellom den ytre roterende sylinder, og platen hvor inn- og utløpskanaler er anrettet i en sirkulær plate, innfelt i rotorens åpne endeside. Her blir det gasslekkasje bakover fra celle til celle og ellers ut gjennom den sirkulære spalten mellom den stasjonære platen og rotoren. Prinsippet er urealistisk for praktisk utførelse.

US 4 747 752 viser forøvrig generelt teknikkens stand innenfor fagområdet væskeringkompressorer.

Til tross for mange studier og forslag over mange år, har det åpenbart ikke lykkes å komme frem til konstruksjoner som fyller forutsetningene for å virke tilfredsstillende. Av disse grunner finnes det i dag ingen væskeringkompressorer med slik roterende medrotor. De ovenstående publikasjoner viser at man har vært bundet opp i et utgangspunkt for rotor- og kommunikatorsystem som i de konvensjonelle vakuumpumper og kompressorer for relativt lave trykk, med de foran nevnte begrensninger i turtall. Dette gjenspeiles av relativt bred rotor med kommunikator på hver side, som medfører lang lageravstand og høy lagerbelastning. I en kompressor med væskeringen i en ytre medrotor, spesielt ved høye trykk, blir dette en feil geometri, som medfører opplagringsforhold som er uforenelig for eksisterende lagertyper. Med kommunikator på hver side får en fire seksjoner av spalter hvor det vil være lekkasje fra sonene ved trykksiden.

Kompressoren ifølge oppfinnelsen har et formål i å løse de problemer som til nå har forhindret at vannringkompressoren kan utnytte de ovenstående fordeler ved en medrotor for væskeringen. Et annet formål er å oppnå tilnærmet isotermisk kompresjon ved en ny, meget effektiv direkte innsprøyting av væske i gassen under hele kompresjonsfasen.

Vann som injeksjons væske har svært gode termiske egenskaper, og er ønskelig å benytte ved de gasser som tillater dette. Men, som for pumper og lignende utstyr, krever konstruksjonen for en væskeringkompressor med en medrotor et sikkert skille mellom vann og medrotorens opplagring. Fra utvikling av skruekompressorer med vanninnsprøyting er det kjent at det har vært store problemer med tetninger på trykksiden av skruene. For det første har vann lite smørende effekt på tetningen som må ha et relativt høyt trykk mot akslingene og derfor får høy slitasje. Dessuten penetrerer vann meget lett selv gjennom i de fineste spalter, og særlig ved høye trykk. I det etterfølgende fremgår at kompressoren ifølge oppfinnelsen løser tetningsproblemet ved å eliminere årsakene til dette. De foran nevnte mål tilfredsstilles med væskeringkompressoren ifølge foreliggende oppfinnelse slik den er definert med de i kravene angitte trekk.

I det etterfølgende beskrives oppfinnelsen nærmere under henvisning til tegningen hvor figur 1 viser et diagram med teoretisk energibehov i avhengighet av trykkforholdet, figur 2 viser skjematisk prinsippet for en væskeringkompressor, figur 3 viser væskeringkompressoren ifølge oppfinnelsen i et avdelt lengdesnitt, figur 4 i et tverrsnitt i figur 4, figur 5 viser kompressoren som en sammenstilt, snittet konstruksjon, figur 6 viser detaljer av rotoren, figur 7a og 7b viser detaljer ved kommutatoren og figur 8 viser nærmere medrotorens lager, tetninger og systemet for avlufting av sonene ved lagrene.

Hoveddelene i figur 3 består av to husdeler 1 og 2, to medrotorer 3 og 4, en rotor 6 og en rotoraksel 5, en kommutator 7, to lagre 11 for medrotorene 3 og 4 og to lagre 12 for rotorakselen 5 samt akslinger 8 og 9 for de ytre og indre lagrene 12. På figur 4 fremkommer en sektor I-II med innsug, en kompresjons- og injeksjonssektor II-III og en sektor III-I for gassutstøting i retning med urviseren. I sektoren II-III sprøytes væske fra kommutatoren direkte inn i rotorens celler under kompresjonen og kjøling av gassen i cellene.

Ved den sterkt reduserte friksjon i vannringen medrotoren medfører, er det mulig å gjøre rotoren betydelig smalere samtidig med at leveringsvolumet kompenseres ved at turtallet økes betydelig. Derved blir det indre trykk i vannringen større og kompressoren kan levere med meget høye trykk.

En kort rotor får liten bendekraft fra gasstrykket og tillates derfor festet til en flens på sin aksling kun ved den ene endevegg for derved å kunne ha en enkelt kommutator i hele rotorens bredde. En far da bare to lekkasjespalter mellom kommutator og rotor. Denne spalten er det eneste sted der lekkasje fra trykksiden vil kunne finne sted. Det kan lekke aksialt til begge sider fra spalten og langs periferien fra trykkutløpet mot innsuget, spesielt i rotasjonsretningen. Selv i svært smale spalter vil ren gass uten væske med de aktuelle trykk kunne lekke i betydelige mengder, med lavere leveringsmengde og dårligere virkningsgrad til følge.

Rotorens 6 flate på innsiden mot kommutatoren er i endene 63 glatt, med mellomliggende kanalåpningerer 62 til hver enkelt celle. På figur 7a og 7b er det vist at kommutatoren har en rekke riller 71 i de motsvarende sidepartiene. Rillene står under væsketrykk fra væskekanalen 74 som derved sperrer for lekkasje av gass i de aksiale retninger.

Væskeringkompressoren ifølge oppfinnelsen kunne vært utført med hydrodynamiske lager for medrotoren. Disse kunne da være smurt og kjølt med samme væske som benyttes til injeksjon. Men med utgangspunkt i den nødvendige akseldiameter og hastigheter, viser imidlertid undersøkelser at friksjonstapene i slike lager da blir svært høye og mye av gevinsten ved en medrotor går tapt. Ved høyere trykk øker lagerstørrelsen ytterlig og tapene i dem til uakseptable størrelser.

Derimot viser de samme forhold å være akseptable for relativt store kule- eller rullelager, men samtidig medfører slike lagre en ny problematikk omkring lagertetningen. Lagre med integrerte tetninger kan nemlig ikke operere i nærheten av den nødvendige hastighet og det finnes heller ingen statiske tetninger som tillater denne, eller som vil oppnå akseptabel levetid. Labyrinttetninger er derimot er berøringsfrie og kan operere med høye hastigheter, men gir ingen statisk tetning. Disse forutsetter at det ikke er differansetrykk over tetningen.

For å unngå differansetrykk over lagrene er medrotoren avluftet til kompressorhuset gjennom boringer 81 som vist i figur 8. For trykkluftkompressorer er huset i sin tur avluftet til atmosfære eller er ved kompresjon av andre gasser for å unngå utslipp, avluftet til innsuget, og derved vil det ikke være differansetrykk over medrotorens lager. Sperrevæske som lekker fra spalten mellom kommutatoren og rotoren vil under drift slynges ut i væskeringen og vil ikke kunne komme til lagrene for medrotoren. Derfor krever konstruksjonen kun statisk Iagertetning under stoppfasen, hvor faren for vannsprut mot tetningene reelt er til stede når vannringen kollapser pga. for liten sentrifugalkraft. I konvensjonelle vannringkompressorer er det tidligere kjent å bruke leppepakninger som for eksempel vist i publikasjon US 4 747 752. Her gjelder dette imidlertid en drivaksel som har relativt liten diameter og lav periferihastighet. Som nevnt ovenfor blir hastighetsforholdet for medrotoren derimot kritisk med hensyn slitasje.

Dette har gitt behovet for å konstruere en helt ny type leppetetning 82, mer detaljert vist i figur 8, som løser problemet på en relativt enkel måte. Tetningen roterer sammen med lagrets 11 ytre ring. Leppen 83 er relativt duktil og ved stillstand og under start og stoppsyklusen ligger denne an mot akslingen og tetter statisk, men når turtall og sentrifugalkraft øker, slynges den ut og får en klaring sx slik at den ikke berører akslingen under drift. Dette er vist i utsnittene A og B på figur 8.

Det fremgår at leppen under drift legger seg an mot kanten av åpningene i medrotorens endevegger slik at det er relativt lite leppen bendes fra å være i kontakt med akslingen til ikke å være det. Dette gir liten utmattelseseffekt selv ved hyppig start og stopp.

Tetningen er med andre ord statisk ved lave turtall og virker dynamisk ved høyere, der den kun har som oppgave å hindre lagerfettet fra å slynges ut. Medrotorens lagre får med dette systemet omtrent samme omgivende forhold og sikkerhet som om de opererte i friluft.

Det er diameteren på rotorens lager og eksentrisiteten mellom rotorene som er bestemmende for diameteren på medrotorens lagerakslinger fordi rotorens lager som vist er innfelt i disse. Belastningen på rotorens lager blir den samme som for medrotorens. For å tåle denne lasten, samt å gi minst mulige dimensjoner for akselen til medrotoren, benyttes såkalte nålelager for rotoren. Hensikten og nødvendigheten av å integrere rotorens lager i medrotorens akslinger, er å oppnå kortest mulig lageravstand som gir minst akseldiameter. For lagrene for denne akselen tillater periferihastigheten vanlige statiske tetninger, og lagrene kan være oljesmurt.

For å unngå at det dannes innestengte gasslommer i rotorens celler 61 er disse som vist på figur 6, sirkulære innover mot åpningskanalen. Langs periferien av kommutatoren i den sektor av denne hvor kompresjonen finner sted, er det boret et antall hull 75 som står i forbindelse med den indre væskekanal 74 som har et trykk tilsvarende kompressorens leveringstrykk. Gjennom disse hullene sprøytes væske direkte inn i rotorens celler. Disse strålene treffes av kantene av cellenes inn- og utløpskanal 62 med høy hastighet og frekvens, og væsken pulveriseres slik at det dannes en væsketåke inne i cellen. Tåken slynges ut mot vannringen, men fornyes fortløpende av nye stråler slik at det blir en utadrettet gjennomstrømning. Tettheten av hull kan øke på mot slutten av kompresjonssektoren for å kompensere for et fallende differansetrykk mellom væske og gass.

Kommutatoren er festet til den ene, stasjonære aksling 8 for medrotoren. Akslingen forbinder kommutatorens kanaler med de respektive inn- og utløp for gass og injeksjons væske.

Når kompressoren ifølge oppfinnelsen benyttes for andre gasser enn luft, for eksempel i kjøleanlegg eller i petrokjemiske anlegg, kan det være aktuelt å benytte den aktuelle gass i væskefase til injeksjon og som væskering.

Ved et forventet, betydelig lavere energibehov enn en turbokompressor vil kompressoren ifølge oppfinnelsen være meget egnet som kompressor i gassturbinanlegg som opererer ved relativt høye trykkforhold. Riktignok vil luften fra denne i motsetning til turbokompressor, være kald, men her må en være oppmerksom på at varmeenergien turbokompressoren leverer er tatt ut av turbinens aksel og reduserer dennes avgitte effekt tilsvarende samtidig som den varme luften ikke muliggjør særlig varmegjenvinning fra turbinens eksos. Ved bruk av kompressoren ifølge oppfinnelsen, kan luften fra kompressoren varmeveksles med eksosgassen og tilnærmet komme opp i samme temperatur som etter en turbokompressor.

Claims (10)

1. Væskeringkompressor, karakterisert ved at en eksentrisk indre rotor (6) er lagret i akslinger (8, 9) for en ytre medrotor (3) for væskeringen, hvor medrotorens lager (11) utenpå de samme akslinger på hver side er innkapslet i hus (10) der det på hver side av lagrene (11) er anrettet en roterende leppetetning (82) hvis leppe (83) ligger an mot akslingene (8, 9) ved lave turtall, og som ved høyere turtall av sentrifugalkraften slynges ut og løfter seg fra akslingene, hvor gjennom boringer (81) gjennom medrotors sidevegger og lagerhus, dennes volum innenfor væskeringen avluftes til det omgivende hus (1), og bevirker at det ikke oppstår differansetrykk over lagrene og lagrenes tetninger.

2. Kompressor ifølge krav 1, karakterisert ved at rotoren (6) i periferien har et antall celler (61) med halvsylindrisk form hvor buen er vendt mot senter.

3. Kompressor ifølge krav 1-2, karakterisert ved rotorens (6) celler (61) har radiale kanalåpninger (62) på hver side omgitt av et sirkulært glatt parti (63) for tetning mot en i senter av rotoren plassert, stasjonær kommutator (7).

4. Kompressor ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det fra hull (75) i kommutatoren (7) i kompresjonssektoren sprøytes inn væske hvor væskestrålene knuses av kantene av kanalåpningene (62) til rotorens celler (61).

5. Kompressor ifølge krav 1-4, karakterisert ved at kommutatoren (7) på hver side har perifere riller (71), hvor injeksjonsvæske befinner seg under trykk og sperrer for gasslekkasje.

6. Kompressor ifølge krav 1-5, karakterisert ved at kommutatorens (7) periferi ligger utenfor medrotorens lagertetninger slik at lekkende vann fra spalten mellom kommutatoren og rotoren slynges ut i væskeringen uten å passere lagertetningene.

7. Kompressor ifølge krav 1-6, karakterisert ved at lagrene (11) for medrotoren er av kule- eller rullelager type.

8. Kompressor ifølge krav 1-6, karakterisert ved at lagrene (11) er glidelager, inkludert hydrodynamisk typer

9. Anvendelse av en kompressor ifølge krav 1-8 som kompressor for luft og vannkompatible gasser der det anvendes vann som injeksjonsvæske.

10. Anvendelse av en kompressor ifølge krav 1-9 som kompressor i gassturbinanlegg.