NO337508B1 - Kompressorenhet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en kompressorenhet som har et felles hus for elektrisk motor og kompressor i henhold til innledningen av krav 1.

En kompressorenhet av denne typen er kjent fra US 3 960 468, hvilken beskriver en kompressorenhet for å komprimere en gass. Kompressorenheten omfatter en sentrifugalkompressor og en elektrisk motor. Den elektriske motoren omfatter en stator og en rotor, rotoren driver kompressoren. Kompressoren og den elektriske motoren er anordnet i et felles gasstett hus, hvilket er tilveiebragt med et gassinnløp og et gassutløp.

I kompressorenheten vist på fig. 1 av US 3 960 468, finnes det en tynn delevegg mellom rommet i hvilket statoren er plassert og rommet i hvilket rotoren er plassert. En delevegg av denne typen sikrer at enhver aggressiv substans som kan være tilstede i gassen som skal komprimeres, ikke kan nå statorrommet, hvor de kan reagere med statoren. Denne kjente deleveggen er tynn og kan være dannet av et metall med en høy elektrisk motstand eller fra et ikke-ledende materiale. Som det kan ses fra fig. 1, er denne kjente deleveggen støttet av statoren.

En delevegg for innkapsling av statoren i en elektrisk motor er kjent fra publikasjonen EP 0 678 964 Al som er laget av lag av fibre innleiret i en grunnmasse av polymer eller keramikk. Korrosjonsmotstand, erosjonsmotstand og gasstetthet blir ikke samtidig oppfylt med denne foreslåtte partisjonen.

Den kjente deleveggen har forskjellige ulemper. Først, kan deleveggen forårsake slitasje på den selv og på statoren. Slitasje av denne typen inntreffer når deleveggen og statoren beveger seg i forhold til hverandre som et resultat av fluktuerende trykk og/eller temperaturer. For det andre, har den kjente deleveggen ikke mulighet til å absorbere høye trykkdifferanser mellom statorrommet og rotorrommet. I den grad deleveggen har mulighet til å absorbere trykkdifferansene, kan dette tillegges støtten på statoren, og er ingen egenskap til selve deleveggen.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kompressorenhet i hvilken disse ulempene er i det minste delvis overkommet, eller for å danne et brukbart alternativ.

Spesielt, er det en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en kompressorenhet, tilveiebragt med en delevegg, som har mulighet til å absorbere relativt høye trykkdifferanser og hvilken ikke forårsaker slitasje på den selv og/eller statoren.

I henhold til oppfinnelsen, er denne hensikt oppnådd ved anordninger ved en kompressorenhet i henhold til kravl.

Statorrommet er begrenset av en veggseksjon, som omgir statoren. Av det felles huset for kompressorenheten, en gasstett delevegg og i det minste én endevegg, hvilken forbinder deleveggen, på en gasstett måte, til huset av kompressorenheten. Med dette, kan huset av kompressorenheten være formet på en slik måte at den tilfredsstiller funksjonen av en endevegg på én eller to sider av statoren. Den gasstette deleveggen holder ikke bare statorrommet fritt fra gass, men sikrer også at forskjellige trykk kan opprettholdes i statorrommet sammenlignet med arbeidstrykket hvilket er tilstede i kompressoren. Den gasstette deleveggen strekker seg fritt mellom statoren og rotoren, med det resultat at den ikke er i kontakt med statoren og rotoren. Denne orienteringen av deleveggen har den fordel at statoren og deleveggen kan ekspandere og trekke seg sammen uavhengig av hverandre under påvirkningen av temperaturendringene uten å skrape langs hverandre, hvilket ellers kan forårsake slitasje. Deleveggen er dannet av et materiale med en tilstrekkelig styrke for å håndtere deformasjonen av deleveggen som resulterer fra spenningskreftene som er dannet av arbeidstrykket til kompressoren til å være tilstrekkelig lavt for deleveggen slik at den forblir med klaring til både statoren og rotoren.

Spesielt, er deleveggen dannet ved i det minste et parti av en fiberforsterket plast. Dette materialet kan tildannes med liten veggtykkelse men undergår bare en mindre mengde av deformasjon ved høye spenningskrefter.

Mer spesielt, omfatter deleveggen et erosjonsmotstandig lag på rotorsiden. Dette laget beskytter deleveggen fra erosjon av selve gassen, ved enhver aggressiv og slitasjefremmende komponent i gassen og/eller ved høye temperaturer av gassen.

I en variant, omfatter deleveggen et gasstett lag, som gjør det mulig for bare en del av hele tverrsnittet av deleveggen til å bestå av et gasstett materiale.

Deleveggen omfatter fordelaktig et lag av korrosjonsfritt materiale. Å benytte metall i deleveggen gjør det siste gasstette laget, om dette laget er benyttet på rotorsiden, motstandsdyktig mot erosjon.

I en variant, omfatter deleveggen et lag av polyaryleterketon. Polymerer fra denne gruppen kan motstå høye temperaturer, er slipemotstandige, er motstandige mot slitasje og er dårlige ledere av elektrisitet.

Ytterligere utførelser er definert i underkravene.

En fremgangsmåte for å produsere en delevegg kan beskrives som følgende. I denne fremgangsmåten, er i det minste et indre lag og et ytrelag dannet separat av et indre skall og et ytre skall. Etter at det indre og det ytre skallet er blitt dannet, den ytre diameteren av det indre skallet, under det samme trykk og temperaturen, er større enn den indre diameteren av det ytre skallet. For å tillate det indre skallet deretter til å bli introdusert inn i det ytre skallet, diameteren av det ytre skallet økes ved å benytte et høyt gass- eller væsketrykk. Samtidig, eller som et alternativ, er diameteren av det indre skallet temporært redusert ved å senke temperaturen. Trykket er øket og/eller temperaturen redusert til en slik grad at den ytre diameteren av det indre skallet blir mindre enn den indre diameteren av det ytre skallet. Deretter, kan det indre skallet presses inn i det ytre skallet, etter hvilke trykket og temperaturene er gjenopprettet til normale nivåer. Som et resultat, vil det indre skallet ekspandere og/eller det ytre skallet vil trekke seg sammen, slik at det indre skallet er klemt inn i det ytre skallet under spenning.

Oppfinnelsen vil nå forklares i mer detalj i den følgende beskrivelsen av en utførelse av kompressorenheten i henhold til oppfinnelsen med referanse til tegningene hvor: Fig. 1 diagrammessig viser en utførelse av kompressorenheten i henhold til oppfinnelsen, og

Fig. 2 viser en delevegg mellom en rotor og en stator i mer detalj,

Fig. 3 viser en detaljert skisse av en delevegg mellom en rotor og en stator i henhold til en alternativ utførelse.

Kompressorenheten illustrert på fig. 1 omfatter en sentrifugalkompressor 1 for å komprimere en gass, f.eks. prosessgass, med en rotor 2 med én eller flere, i dette tilfellet tre, kompressorimpellere 3 og en elektrisk motor 4 som har en stator 5 og en rotor 6 for å drive rotoren 2 av kompressoren. Kompressoren 1 og den elektriske motoren 4 er tilveiebragt i et felles gasstett hus 7 hvilket er tilveiebragt med et gassinnløp 8 og et gassutløp 9.

Rotoren 2 til kompressoren 1 og rotoren 6 til den elektriske motoren 4 er anordnet på en felles rotoraksling 10 omfattende en enkel enhet. Rotorakslingen 10 er montert i to magnetiske radiallagre 11 og 12, hvilke hver er anordnet i nærheten av en ende 13 og 14, respektivt, av rotorakslingen 10, og et magnetisk aksiallager 15 er anordnet i nærheten av radiallager 11.

Kompressorenheten er tilveiebragt med et kjølesystem for å kjøle de magnetiske lagene 11, 12, 15 og rotoren 6 av den elektriske motoren 4. Kjølesystemet omfatter en passasje 16 hvilken forløper fra kompressor og deler seg inn i passasjene 18 og 19 som forløper til de magnetiske lagene 11, 12, 15. Et filter 20 er innarbeidet i passasjen 16 som forløper fra kompressoren. For å kjøle rotoren 6 av den elektriske motoren 4 og de magnetiske lagene 11, 12, 15, er komprimert gass tappet av i et mellomtrinn av kompressoren 1 og passerer gjennom passasjen 16 og filteret 20 før det mates på målt måte, via passasjene 18 og 19, til de magnetiske lagene 11 og 15, og 12, respektivt. Kjølegassen er samlet sammen igjen innvendig kompressorenheten og ledet til innløpsseksjonen av kompressoren.

Statoren 5 til den elektriske motoren 4 befinner seg i et statorrom 21 hvilket er separert fra resten av det indre av kompressorenheten og er begrenset av en

veggseksjon, som omgir statoren 5. Til huset 7 av kompressorenheten, en endevegg 22.1 som går sammen med denne veggseksjonen og som strekker seg i radial retning på begge sider av statoren 5, og en delevegg 22.2 som strekker seg mellom statoren 5 og rotoren 6 til den elektriske motoren 4. Statorrommet 21 er tilveiebragt med en tilførsel 23 og et utløp 24 for et separat kjølemedium, slik som en gass eller væske, hvilken er sirkulert i en kjølekrets 26 av en pumpe 25. En varmeveksler 27 er innarbeidet i kjølekretsen 26. Trykket i kjølekretsen 26 og statorrommet 21 er gjennomsnittelig ca. 4 bar.

Deleveggen 22.2 omfatter et plastlag forsterket med karbonfibrer (karbonforsterket plast, carbon reinforced plastic, CRP) 22.3 og et metallag 22.4, f.eks. et rustfritt stål eller Inconel, spesielt Inconel 625 (cf. fig. 2). Det metalliske laget 22.4 er laget tykkere for å danne en lukkering 22.5 for forsterkningshensikter ved lokasjonen til forbindelsen, og til en første av endeveggene 22.1. På lignende måte er det metalliske laget 22.4 laget tykkere for å danne en stopp 22.6 ved lokasjonen til forbindelsen, og til den andre endeveggen 22.1. Forbindelsen mellom deleveggen 22.2 og de to endeveggene 22.1 er gjort gasstette ved to eller flere komprimerbare tetningsringer 22.7.

Deleveggen 22.2 strekker seg fritt mellom statoren 5 og rotoren 6, dvs. deleveggen 22.2 befinner seg i en avstand fra statoren 5 og rotoren 6. Det er et mellomrom eller klaring 22.8 mellom den radielt ytre siden av deleveggen 22.2 og statoren 5, og det er et mellomrom eller klaring 22.9 mellom det radielt indre side av deleveggen 22.2 og rotoren 6.

Deleveggen 22.2 får sin styrke spesielt til CRP-laget 22.3. Dette materialet er så sterkt at en vegg med en tykkelse på, f.eks., 4 mm og en diameter rundt rotoren 6 av deleveggen 22.2 på 350 mm undergår en maksimum radiell deformasjon i området på 0,5 mm under et kompressortrykk hvilket kan stige til så høyt som over 150 bar. Som et resultat av klaringen 22.8, mellom statoren 5 og deleveggen 22.2, er det valgt til å være større enn maksimums deformasjon av CRP, vil deleveggen 22.2 forbli klar av statoren 5 og rotoren 6 under alle operasjonsforholdene. Også, deleveggen 22.2 vil ikke skrape langs statoren 5 om den beveges i forhold til statoren 5, som et resultat av ujevn ekspansjon forårsaket av en økning i temperaturen.

CRP'en eller et beskyttende lag anordnet på dette har mulighet til å motstå den kjemiske virkningen av kjølemediet som befinner seg inne i statorrommet 21. Det metalliske laget 22.4 har mulighet til å motstå påvirkning av prosessgassen, mens begge lag har mulighet til å motstå høye temperaturer, hvilket i kompressoren kan stige til over 180°C. På grunn av det faktum at det metalliske laget 22.4 er veldig tynt ved lokasjonen av statoren 5 og rotoren 6, spesielt i området på 1 mm, på grunn av det faktum at CRP-laget 22.3 har høy magnetisk overføringskraft, og på grunn av det faktum at den totale avstanden mellom statoren 5 og rotoren 6 er liten på grunn av den lille veggtykkelsen av deleveggen 22.2 og de små klaringene 22.8 og 22.9, er de elektriske tapene begrenset.

Fig. 3 viser en alternativ utførelse for en delevegg 30 mellom en rotor 31 og en stator 32. En rotor 31 og stator 32 av denne typen danner til sammen en induksjonsmotor, hvilken kan benyttes, f.eks., i en kompressorenhet som vist på fig.l. Statoren 32 befinner seg i et separat statorrom 33, hvilken er separert fra et rotorrom 34 av en første endevegg 35, en annen endevegg 36 og deleveggen 30.1 statorrommet 33 er det et kjølemedium, f.eks. en kjølevæske, som sirkulerer ved hjelp av en pumpe (ikke vist).

Deleveggen 30 er dannet av et ytre epoksy lag 39 forsterket med karbonfibrer og et indre lag 40, dannet av en erosjonsmotstandig polymer. Denne polymeren er av polyaryleterketontype og spesielt omfattende den repeterende enheten: oksy-1,4-fenylen-oksy-l,4-fenylen-karbonyl-l,4-fenylen, også kjent ved varenavnet PEEK. Det radielt ytre laget 39 strekker seg i den aksiale retningen fra den første endeveggen 35 til forbi den andre endeveggen 36. En hevet kant eller flens 41, som under bruk ligger an mot endeveggen 36, er formet forbi den andre deleveggen 36. Deleveggen 30 er lukket av på en gasstett måte med hensyn til endeveggene 35 og 36 ved hjelp av tetningsringer 42 og 43, respektivt. Ved lokaliseringen av tetningsringene 42 og 43, er den radielt ytre side av det ytre lag 39 tilveiebragt med nikkel 44, 45 for å beskytte mot slitasje. Derfor, kan deleveggen 30 ekspandere og kontrahere i den aksiale retningen i forhold til endeveggene 35 og 36, med en gasstett lukning av statorrommet 33 i forhold til rotorrommet 34 som er opprettholdt ved naturen av tetningsringene 42 og 43.

Som et alternativ, kan deleveggen 30 også være tilveiebragt med en endering, eller flens, ved dens andre aksiale ende. I dette tilfellet, kan den aksiale lengden av deleveggen 30 være valgt på en slik måte at deleveggen 30 er fastgjort til endeveggene 35 og 36 ved forspenning. Denne forspenningen kan velges på en slik måte at deleveggen 30 ikke vil ekspandere under trykkene og temperaturene som inntreffer, med det resultat at deleveggen 30 ikke beveges i forhold til endeveggene 35 og 36 ved lokaliseringen av tetningene 42 og 43.

Det karbonforsterkede laget 39 er tilstrekkelig sterkt i forhold til deformasjonen, hvilke det undergår under høye trykkdifferanser mellom rotorrommet 34 og statorrommet 33 til å være så tilstrekkelig at den forblir klar av både rotoren 31 og statoren 32, dvs. det er alltid et gap eller klaring mellom rotoren 31 og det radielt indre side av deleveggen 30 og mellom statoren 32 og det radielt ytre side av deleveggen 30. Veggtykkelsen av deleveggen 30 er i dette tilfellet omtrent 4 mm, og det kan motstå et arbeidstrykk i rotorrommet i området opptil 150 bar, trykket i statorrommet 33 er gjennomsnittelig ca. 10 bar. Temperaturen ved benyttelse kan i dette tilfellet variere fra -40°C til 180°C.

Det indre lag 40, dannet av polymeren PEEK, er motstandsdyktig mot erosjon, har mulighet til å motstå høye temperaturer og påvirkning av forskjellige aggressive kjemikalske komponenter, slik som de som vil inntreffe i, f.eks., naturgass. På grunnlag av den dårlige elektriske ledeevnen, har også det erosjonsmotstandige polymerlaget 40 liten påvirkning på virkningen av induksjonsmotoren. Deleveggen 30 som beskrevet kan fordelaktig også benyttes for elektriske motorer av en annen type enn induksjonsmotoren vist, i hvilket det er ønskelig å separere statorrommet fra rotorrommet. Den elektriske motoren kan også bli benyttet med andre utstyr enn en kompressor.

Deleveggen 30 er produsert ved å påføre det indre laget 40 rundt en spindel, hvilket fungerer som en støpeform. Denne applikasjonen av det indre laget 40 på spindelen kan utføres, f.eks., ved spraying. Deretter, er en fiberforsterket plast, spesielt en karbonfiberforsterket epoksy, påført på den ytre siden av det indre laget 40. Før det indre laget er påført spindelen, er det fordelaktig å påføre en frigjøringsagent, f.eks. aluminium, på spindelen. Etter produksjonen av deleveggen 30 er ferdigstilt, oppløses denne frigjøringsagenten, slik at deleveggen 30 enkelt kan fjernes fra spindelen. For å forbedre heften mellom det indre laget 40 og det ytre laget 39, er det mulig å forhåndsbearbeide det ytre laget av det indre laget 40, før påføringen av det ytre laget 39, f.eks. ved kjemisk aktivering. Det er fordelaktig for et tynt lag av epoksy å bli påført rundt det indre laget 40 aller først. I dette tilfellet er deretter karbonfibre viklet rundt det, hvilke fibre har tidligere, samtidig eller deretter blitt impregnert med eller neddykket i epoksy. Fremgangsmåten beskrevet kan fordelaktig også benyttes for å produsere andre fiberforsterkede plastobjekter, hvilke skal tilveiebringes med et polymerlag, slik som PEEK.

I tillegg til utførelsen vist, er et antall av varianter mulige, f.eks., kan kompressoren og den elektriske motoren være anordnet i et gasstett hus på en annen måte, i hvilket tilfelle, f.eks., kompressorimpellere befinner seg på begge sider av den elektriske motoren.

Det er også mulig å benytte forskjellige kjølesystemer for rotoren av den elektriske motoren, for kompressoren og for statorrommet, slik som innvendig kjøling av statoren og rotoren.

Videre, kan deleveggen være dannet av flere eller færre enn to lag. Om bare ett lag er benyttet, er det mulig å velge eller sette sammen et materiale hvilket er gasstett, erosjonsmotstandig og sterkt. I tilfellet med tre lag, kan materialene av hvert lag velges spesielt for én av disse funksjonene. Det er også mulig for deleveggen og én eller to av endeveggene til å bli dannet som et enkelt stykke og for deleveggen, endeveggene og kompressorhuset til å være fleksibelt forbundet til hverandre for å håndtere variasjonene i form forårsaket, f.eks., ved forskjellene i ekspansjon under fluktuerende temperaturforhold.

Videre, kan forskjellige typer av fiberforsterkede materialer, f.eks. omfattende glass eller aramidfibre, benyttes for deleveggen. Keramiske materialer eller andre plaster kan også benyttes som et erosjonsmotstandig lag av deleveggen.

For å oppsummere, tilveiebringer oppfinnelsen en kompressorenhet i hvilken statoren til den elektriske motoren er skjermet fra aksjonen av gassen som skal komprimeres ved hjelp av en delevegg. Det tynne og sterke materialet benyttet for deleveggen tillater motoren å overføre en høy kraft pr. enhetsareal. Deleveggen og/eller statoren vil ikke bli slitte som et resultat av relativ bevegelse i forhold til hverandre, siden de ikke er i kontakt med hverandre. Derfor, krever den elektriske motoren lite vedlikehold og har lang levetid.

Claims (9)

1. Kompressorenhet omfattende en sentrifugalkompressor (1) for å komprimere en gass, og en elektrisk motor (4) som har en stator (5) og en rotor (6) for å drive kompressoren (1), der kompressoren (1) og den elektriske motoren (4) er anordnet i et felles gasstett hus (7) hvilket er tilveiebragt med et gassinnløp (8) og et gassutløp (9), statoren befinner seg i et separat statorrom (21), hvilket er begrenset av en veggseksjon, omgivende statoren (5), til huset (7) av kompressorenheten, er en gasstett delevegg (22.2) som strekker seg mellom statoren (5) og rotoren (6) til den elektriske motoren (4), og i det minste én endevegg (22.1) som strekker seg mellom deleveggen (22.2) og huset (7) av kompressorenheten, karakterisert vedat deleveggen (22.2) strekker seg fritt mellom statoren (5) og rotoren (6) til den elektriske motoren (4), og omfatter et materiale av tilstrekkelig høy styrke for å forbli klar av statoren (5) og rotoren (6) under arbeidstrykket av gassen som kan inntreffe innvendig i huset (7), og der deleveggen (22.2) omfatter et separat indre lag (22.4) og et ytre lag (22.3), på rotor- og statorsidene, respektivt, og at i det minste de indre laget (22.4) har erosjonsresistente egenskaper, og at i det minste ett lag har en høy styrke og i det minste ett lag er gasstett.

2. Kompressorenhet i henhold til krav 1, karakterisert vedat høy styrke materialet av deleveggen (22.2) omfatter et fiberforsterket plast (22.3).

3. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat deleveggen (22.2) omfatter et erosjonsresistent lag (22.4) på rotorsiden.

4. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat deleveggen (22.2) omfatter et gasstett lag (22.4).

5. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat deleveggen (22.2) omfatter et lag av korrosjonsfritt metall (22.4).

6. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav 1-4,karakterisert vedat deleveggen (30) omfatter et lag av polyaryleterketon (40).

7. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat veggtykkelsen til deleveggen (22.2) er større ved endene (22.5, 22.6) enn i midten.

8. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat deleveggen (22.2) og endeveggen (22.1) er separate deler som er forbundet til hverandre på en gasstett måte ved hjelp av én eller flere tetningsringer (22.7).

9. Kompressorenhet i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat statorrommet (21) er tilveiebragt med forbindelse til en kjølingsenhet for tilførsel og uttømming (23, 24) av kjølemedium.