PL231167B1

PL231167B1 - Bladeless compressor assembly of magnetic elements in the rotor

Info

Publication number: PL231167B1
Application number: PL402571A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Kosowski; Tadeusz Blekiewicz; Marian Piwowarski; Robert Stępień; Wojciech Włodarski; Jarosław Mikielewicz; Jan Kiciński
Original assignee: Instytut Masz Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk; Instytut Maszyn Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2019-01-31
Also published as: PL402571A1

Abstract

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy z elementami magnetycznymi w wirniku zawiera wirnik sprężarki, który składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych (1), zamocowanych do piasty (9) wału (10) lub bezpośrednio na wale, przy czym wał (10) osadzony jest w łożyskach (17), umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy (11, 12) obudowy (7), a magnesy trwałe lub elektromagnesy (2) umieszczone są w otworach, wykonanych w tarczy lub tarczach wirnikowych sprężarki (1), przy czym bieguny sąsiadujących magnesów trwałych (2) występują naprzemiennie. Rdzenie twornika (3) wraz z uzwojeniami (8) zamocowane są do tarczy twornika (4) i do pokrywy (12) obudowy (7). W tarczy lub tarczach wirnikowych sprężarki (1) umieszczony jest w rowkach pierścień lub pierścienie (5) z materiału ferromagnetycznego, zamykając obwód strumienia magnetycznego. Wlot czynnika roboczego w postaci gazu następuje poprzez otwory (15) w pokrywie (11, 12) obudowy (7), przy czym sprężony gaz przepływając spiralnie przez szczeliny (6) dzięki zjawiskom występującym w warstwie przyściennej, przyjmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnikowej sprężarki (1). Wylot sprężonego gazu zrealizowany jest przez dyfuzor (16), umieszczony na powierzchni obudowy (1), przy czym w dyfuzorze wylotowym (16) zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia. Szczeliny (6) umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową (1) i tarczą twornika (4) oraz pomiędzy tarcza wirnikową, a pokrywą (11) obudowy (7). Jedna lub wiele tarcz wirnikowych pełni rolę zarówno tarczy silnika elektrycznego, jak i tarczy wirnika sprężarki.The bladeless compressor unit with magnetic elements in the rotor contains a compressor rotor, which consists of one or more rotor discs (1), attached to the hub (9) of the shaft (10) or directly on the shaft, with the shaft (10) mounted in bearings (17), placed in the holes inside the cover (11, 12) of the housing (7), and the permanent magnets or electromagnets (2) are placed in the holes made in the compressor disc or rotor discs (1), with the poles of the adjacent permanent magnets ( 2) they occur alternately. The armature cores (3) together with the windings (8) are attached to the armature disc (4) and to the cover (12) of the housing (7). In the compressor rotor disk or disks (1), a ring or rings (5) made of ferromagnetic material are placed in grooves, closing the magnetic flux circuit. The inlet of the working medium in the form of gas takes place through the holes (15) in the cover (11, 12) of the casing (7), and the compressed gas, flowing spirally through the slots (6), absorbs kinetic energy from the rotating rotor disc thanks to the phenomena occurring in the boundary layer. compressor (1). The outlet of the compressed gas is made through a diffuser (16), placed on the surface of the housing (1), and the kinetic energy of the gas is converted into pressure potential energy in the outlet diffuser (16). The slots (6) are located between the rotor disc (1) and the armature disc (4) and between the rotor disc and the cover (11) of the housing (7). One or more rotor discs act as both the electric motor disc and the compressor rotor disc.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bezłopatkowy zespół sprężarkowy z elementami magnetycznymi w wirniku.The invention relates to a bladeless compressor assembly with magnetic elements in the rotor.

Bezłopatkowa maszyna adhezyjna została zaprojektowana przez Nikolę Teslę. W stosowanych dotychczas rozwiązaniach konstrukcyjnych energia mechaniczna potrzebna do napędu wirnika sprężarki była doprowadzana z zewnątrz, zazwyczaj przez oddzielny silnik (z reguły elektryczny), sprzęgnięty z wałem sprężarki. Rozwiązanie to jest kłopotliwe w montażu, ze względu na konieczność precyzyjnego wyosiowania wału sprężarki z wałem silnika przed sprzęgnięciem - niezbędnego ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przy których pracuje sprężarka adhezyjna. Ponadto stosowanie oddzielnej sprężarki oraz silnika zwiększa gabaryty oraz koszt zespołu sprężarkowego. Znane są konstrukcje maszyn wirnikowych (niektórych pomp i turbin wodnych), w których wirnik maszyny i część elektryczna stanowią jeden układ wirujący. W tych rozwiązaniach, np. znanym z opisu WO9206301A1, w tarczach wirnikowych (oraz tzw. bandażach) umieszczane są magnesy stałe, a cewki elektryczne montowane na obudowie. Dotyczy to jednak klasycznych maszyn łopatkowych, tj. takich, w których elementem roboczym, odpowiedzialnym za zmianę parametrów (ciśnienia) czynnika roboczego są odpowiednio ukształtowane łopatki, a tarcze wirnikowe i tzw. bandaże (w których umieszcza się elementy generatora lub silnika elektrycznego) stanowią jedynie zewnętrzne ograniczenia kanału przepływowego.The bladeless adhesive machine is designed by Nikola Tesla. In the design solutions used so far, the mechanical energy required to drive the compressor rotor was supplied from outside, usually by a separate motor (usually electric) coupled to the compressor shaft. This solution is troublesome to assemble due to the need to precisely align the compressor shaft with the motor shaft before coupling - necessary due to the high rotational speeds at which the adhesive compressor works. Moreover, the use of a separate compressor and motor increases the size and cost of the compressor unit. Designs of rotating machines (some pumps and water turbines) are known in which the rotor of the machine and the electric part constitute one rotating system. In these solutions, e.g. known from the description WO9206301A1, permanent magnets are placed in the rotor disks (and so-called bandages) and electric coils are mounted on the housing. However, this applies to classic paddle machines, i.e. those in which the working element responsible for changing the parameters (pressure) of the working medium are suitably shaped blades, and the rotor discs and the so-called bandages (in which elements of the generator or electric motor are placed) are only external limitations of the flow channel.

W proponowanym rozwiązaniu rolę elementów maszyny elektrycznej i rolę roboczej części przepływowej pełni ten sam element - wirująca tarcza.In the proposed solution, the role of the electric machine elements and the working flow part are the same element - the rotating disc.

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy zawiera wirnik sprężarki, który składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych zamocowanych do piasty wału lub bezpośrednio na wale, przy czym wał osadzony jest w łożyskach, umieszczonych w otworach wewnątrz pokryw obudowy, a magnesy trwałe lub elektromagnesy umieszczone są w otworach wykonanych w tarczy lub tarczach wirnikowych sprężarki, a bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych występują naprzemiennie. Z kolei rdzenie twornika wraz z uzwojeniami zamocowane są do tarczy twornika i do pokrywy obudowy. W tarczy lub tarczach wirnikowych sprężarki umieszczony jest w rowkach pierścień lub pierścienie z materiału ferromagnetycznego, zamykając obwód strumienia magnetycznego. Wlot czynnika roboczego w postaci sprężonego gazu następuje poprzez otwory w pokrywach obudowy, przy czym gaz przepływa spiralnie przez szczeliny dzięki zjawiskom występującym w warstwie przyściennej przyjmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnikowej sprężarki. Wylot sprężonego gazu zrealizowany jest przez dyfuzor umieszczony na powierzchni obudowy, przy czym w dyfuzorze wylotowym zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia. Ponadto szczeliny umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową sprężarki i tarczą twornika oraz pomiędzy tarczą wirnikową sprężarki a pokrywą obudowy.The bladeless compressor assembly includes a compressor rotor which consists of one or more rotor discs attached to the shaft hub or directly on the shaft, the shaft is mounted in bearings placed in holes inside the housing covers, and permanent magnets or electromagnets are located in holes made in the compressor disk or rotor disks, and the N and S poles of adjacent permanent magnets alternate. In turn, the armature cores with windings are attached to the armature disc and to the housing cover. A ferromagnetic ring or rings are placed in the grooves in the compressor disc or rotor discs, completing the magnetic flux circuit. The inlet of the working medium in the form of compressed gas takes place through openings in the housing covers, and the gas flows in a spiral through the slots, due to the phenomena occurring in the boundary layer, it receives kinetic energy from the rotating rotor disc of the compressor. The outlet of the compressed gas is realized by a diffuser placed on the surface of the housing, and in the outlet diffuser, the kinetic energy of the gas is converted into potential pressure energy. Moreover, the slots are located between the compressor rotor disk and the armature disk, and between the compressor rotor disk and the housing cover.

Zaletą zespołu sprężarkowego według wynalazku jest to, że jedna lub wiele tarcz wirnikowych pełni rolę zarówno tarczy silnika elektrycznego, jak i tarczy wirnika sprężarki, co wydatnie zmniejsza koszty wykonania oraz poprawia eksploatację i charakterystyki dynamiczne wirnika.An advantage of the compressor assembly according to the invention is that one or more rotor disks act as both an electric motor disk and a compressor rotor disk, which significantly reduces the manufacturing costs and improves the operation and dynamic characteristics of the rotor.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy zespołu sprężarkowego, fig. 2 - rozmieszczenie magnesów w tarczy wirnikowej zespołu sprężarkowego, fig. 3 - przekrój A-A na fig. 2, fig. 4 - rozmieszczenie nabiegunników w tarczy twornika zespołu sprężarkowego, a na fig. 5 - schemat obwodu magnetycznego w zespole sprężarkowym.The subject of the invention is presented in the drawing, in which fig. 1 shows a schematic diagram of a compressor unit, fig. 2 - arrangement of magnets in the rotor disk of a compressor assembly, fig. 3 - section AA in fig. 2, fig. 4 - arrangement of pole pieces in the armature disk of the compressor unit, and in Fig. 5 a diagram of the magnetic circuit in the compressor unit.

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy według wynalazku stanowi konstrukcję, w której sprężarka adhezyjna (tzw. bezłopatkowa maszyna adhezyjna Tesli) połączona jest z silnikiem elektrycznym typu tarczowego, przy czym elementy magnetyczne w postaci magnesów stałych lub elektromagnesów umieszczone są w wirniku zespołu sprężarkowego turbiny, a elementy twornika powiązane są z nieruchomą obudową. Tarcza wirnikowa sprężarki pełni jednocześnie funkcje wirnika silnika elektrycznego. Wirnik tarczowy sprężarki oraz elementy twornika i obudowy osadzone są na wspólnym wale w jednej obudowie.The bladeless compressor set according to the invention is a structure in which the adhesive compressor (the so-called Tesla bladeless adhesion machine) is connected to a disc-type electric motor, the magnetic elements in the form of permanent magnets or electromagnets are placed in the rotor of the turbine compressor assembly, and the armature elements are related are with a fixed housing. The compressor rotor also functions as the rotor of the electric motor. The compressor disc rotor as well as the armature and housing elements are mounted on a common shaft in one housing.

Wirnik sprężarki pokazany na fig. 1 składa się przykładowo z jednej tarczy wirnikowej 1 zamocowanej do piasty 9 wału 10, przy czym wał 10 osadzony jest w łożyskach 18 umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy 11 i 12 obudowy 7. Przykładowo na fig. 2 pokazano, że magnesy trwałe 2 umieszczone są w otworach 13 wykonanych na obwodzie koła w tarczy wirnikowej sprężarki 1, przy czym bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych 2 występują naprzemiennie. Z kolei na fig. 5 pokazano, że w rowku 14, w tarczy wirnikowej 1 umieszczony jest pierścień 5 wykonany z materiału ferromagnetycznego, który zamyka obwód strumienia magnetycznego. Kolejno na fig. 4 pokazano rdzenie twornika 3,The compressor rotor shown in Fig. 1 consists, for example, of one rotor plate 1 attached to the hub 9 of the shaft 10, the shaft 10 being mounted in bearings 18 placed in holes inside the cover 11 and 12 of the housing 7. For example, Fig. 2 shows that permanent magnets 2 are placed in holes 13 made on the circumference of a circle in the rotor disk of the compressor 1, the poles N and S of adjacent permanent magnets 2 alternating. Figure 5, in turn, shows that a ring 5 made of a ferromagnetic material, which completes the circumference of the magnetic flux, is provided in the groove 14 in the rotor disc 1. In turn, Fig. 4 shows the armature cores 3,

PL 231 167 B1 które wraz z uzwojeniami 8 zamocowane są do tarczy twornika 4 i do pokrywy 12 obudowy 7. Przy czym rdzenie twornika 3 umieszczone są na obwodzie koła w tarczy twornika 4.PL 231 167 B1 which, together with the windings 8, are attached to the armature disc 4 and to the cover 12 of the housing 7. The armature cores 3 are placed around the circumference of the circle in the armature disc 4.

Wlot czynnika roboczego w postaci gazu następuje poprzez otwory 15 w pokrywie 11 i 12 obudowy 7, zlokalizowane w pobliżu osi tarczy wirnikowej sprężarki 1, przy czym gaz przepływa spiralnie przez szczeliny 6 umiejscowione pomiędzy tarczą wirnikową 1 i tarczą twornika 4 oraz pomiędzy tarczą wirnikową 1 a pokrywą 11 obudowy 7.The inlet of the working medium in the form of gas takes place through openings 15 in the cover 11 and 12 of the housing 7, located near the axis of the rotor disk of the compressor 1, the gas flowing in a spiral way through the gaps 6 located between the rotor disk 1 and the armature disk 4 and between the rotor disk 1 and housing cover 11 7.

Sprężony gaz przepływając spiralnie w szczelinach 6 dzięki zjawiskom występującym w warstwie przyściennej przyjmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnikowej sprężarki 1. Z kolei wylot sprężonego gazu zrealizowany jest przez dyfuzor 16 umieszczony na powierzchni obudowy 1. W dyfuzorze wylotowym 16 zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia.The compressed gas flowing in a spiral flow in the slots 6, due to the phenomena occurring in the boundary layer, receives kinetic energy from the rotating rotor disc of the compressor 1. In turn, the compressed gas outlet is realized by a diffuser 16 located on the casing surface 1. In the outlet diffuser 16, the kinetic energy of the gas is converted into the potential energy of the pressure.

Claims

Patent claims

1. Bladeless compressor assembly with magnetic elements in the rotor, characterized in that the compressor rotor consists of one or more rotor disks (1) fixed to the hub (9) of the shaft (10) or directly to the shaft, the shaft (10) mounted is in the bearings (17), placed in the holes inside the cover (11) and (12) of the housing (7), and the permanent magnets or electromagnets (2) are placed in the holes (13) in the compressor disk or rotor disks (1), whereby the N and S poles of adjacent permanent magnets (2) alternate, while the armature cores (3) with windings (8) are attached to the armature disc (4) and to the cover (12) of the housing (7), also in the shield or in the compressor rotor disks (1), a ring or rings (5) of ferromagnetic material are placed in the grooves (14), and inlet openings (15) in the covers (11) and (12), with gaps between the covers and the rotor disk (6), and a diffuser w. Is placed on the housing surface (7) the outlet (16).

2. A compressor assembly as claimed in claim 1. A device according to claim 1, characterized in that the slots (6) are located between the compressor rotor (1) and the armature disk (4) and between the compressor rotor and the cover (11) of the housing (7).

3. A compressor assembly as claimed in claim 1, A method as claimed in claim 1, characterized in that the permanent magnets or electromagnets (2) and the ring or rings (5) are placed successively in the holes (13) and in the grooves (14) made around the circumference of the circle or wheels in the disk or rotor disks of the compressor (1).

4. A compressor assembly as claimed in claim 1, The method of claim 1, characterized in that the armature cores (3) are arranged around the circumference of the circle or wheels in the armature disc (4).

5. A compressor assembly as claimed in claim 1. The method of claim 1, characterized in that the armature discs (4) with fixed armature cores (3) and windings (8) are stationary in relation to the rotor disc of the compressor (1) with fixed magnets or electromagnets (20).

6. A compressor assembly according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the openings (15) in the cover (11) and (12) of the housing (7) are located on the inner diameter of the disc.