RU194523U1

RU194523U1 - Centrifugal compressor unit

Info

Publication number: RU194523U1
Application number: RU2019112117U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Бураков; Леонид Григорьевич Кузнецов; Юрий Леонидович Кузнецов; Александр Сергеевич Перминов
Original assignee: Александр Васильевич Бураков; Леонид Григорьевич Кузнецов; Юрий Леонидович Кузнецов; Александр Сергеевич Перминов
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2019-12-13

Abstract

Полезная модель относится к области компрессоростроения, преимущественно к герметичным центробежным компрессорам со встроенным высокочастотным электроприводом без смазки в опорах ротора.Центробежный компрессорный агрегат содержит герметичный корпус, снабженный входным и выходным патрубками, и расположенные внутри корпуса центробежный компрессор и привод компрессора, выполненный в виде высокооборотного электродвигателя, при этом центробежное колесо компрессора расположено в корпусе компрессорного агрегата с противоположной входному патрубку стороны относительно электродвигателя и консольно закреплено на едином с ротором электродвигателя валу, установленном на подшипниковых опорах, причем электродвигатель установлен внутри герметичного корпуса агрегата с образованием между ними полости охлаждения электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок компрессорного агрегата.The utility model relates to the field of compressor engineering, mainly to hermetic centrifugal compressors with integrated high-frequency electric drive without lubrication in the rotor bearings. The centrifugal compressor unit contains a sealed housing equipped with inlet and outlet nozzles, and a centrifugal compressor and compressor drive located inside the housing, made in the form of a high-speed electric motor while the centrifugal wheel of the compressor is located in the housing of the compressor unit with the opposite input the bottom pipe of the side relative to the electric motor and is cantileverly mounted on a shaft mounted on bearing bearings that is integral with the rotor of the electric motor, the electric motor being installed inside the sealed housing of the unit with the formation of a cooling cavity between the electric motor between them by the gas flow entering the inlet pipe of the compressor unit.

Description

Полезная модель относится к области компрессоростроения, преимущественно к герметичным центробежным компрессорам со встроенным высокочастотным электроприводом без смазки в опорах ротора.The utility model relates to the field of compressor engineering, mainly to hermetic centrifugal compressors with integrated high-frequency electric drive without lubrication in the rotor bearings.

В частности, настоящая полезная модель может быть использована для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в ядерной энергетике. In particular, the present utility model can be used to circulate helium and helium-containing gas mixtures without contaminating the working medium with lubricant products, for example, in nuclear power.

Спецификой применения компрессорного оборудования для циркуляции гелия является: The specifics of the use of compressor equipment for the circulation of helium is:

необходимость полного исключения попадания масла в технологический газ; the need to completely eliminate the ingress of oil into the process gas;

минимизации утечек технологического газа в атмосферу (до полной герметичности). minimize leakage of process gas into the atmosphere (to complete tightness).

Известен центробежный криогенный компрессор, содержащий рабочее колесо, диффузор, спиральную улитку и приводной высокочастотный электродвигатель, бочка ротора которого расположена на едином с рабочим колесом валу, установленном вертикально на радиальных и осевых газодинамических опорах посредством подшипниковых щитов в едином корпусе, в котором расположены статор приводного электродвигателя и его принудительная система охлаждения (патент РФ №2034999, МПК F04D29/66, публикация 1995г.).A centrifugal cryogenic compressor is known, comprising an impeller, a diffuser, a spiral scroll and a high-frequency drive electric motor, the rotor barrel of which is located on a shaft that is integrated with the impeller and mounted vertically on radial and axial gas-dynamic bearings by means of bearing shields in a single housing in which the stator of the drive electric motor is located and its forced cooling system (RF patent No. 2034999, IPC F04D29 / 66, 1995 publication).

Известен центробежный электронагнетатель, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленный в нем электродвигатель с рабочим колесом, установленным на роторе электродвигателя, при этом во входном патрубке выполнено заборное отверстие, при этом ротор электродвигателя выполнен кольцевым, входной патрубок размещен внутри ротора электродвигателя, а рабочее колесо размещено с противоположной заборному отверстию стороны относительно электродвигателя, причем корпус снабжен фланцем для крепления электронагнетателя с возможностью установки на торец фланца (патент РФ №2172431, МПК F04D25/06, публикация 2001г.).A centrifugal electric blower is known, comprising a housing with inlet and outlet nozzles, an electric motor installed in it with an impeller mounted on the rotor of the electric motor, an intake opening is made in the inlet, the rotor of the electric motor being circular, the inlet is placed inside the rotor of the electric motor, and the working the wheel is placed on the side opposite to the intake hole relative to the electric motor, and the housing is equipped with a flange for attaching the electric blower with the possibility of the mounting capacity at the end of the flange (RF patent No. 2172431, IPC F04D25 / 06, publication 2001).

Известен центробежный компрессорный агрегат, имеющий в своем составе двигатель, компрессор, содержащий ведомый вал, приводимый во вращательное движение ротором двигателя, и систему колес с лопатками, установленных на ведомом валу, причем система, образованная двигателем и компрессором, размещается в общем корпусе, герметичном по отношению к газу, обрабатываемому данным компрессорным агрегатом, при этом ротор двигателя и ведомый вал компрессора связаны между собой при помощи гибкого соединительного элемента, располагающегося в упомянутом корпусе, а концы вала удерживаются концевым подшипником (патент РФ №2333398, МПК F04D25/06, публикация 2008г.).A centrifugal compressor unit is known having an engine, a compressor comprising a driven shaft rotationally driven by an engine rotor, and a system of wheels with vanes mounted on a driven shaft, the system formed by the engine and compressor being housed in a common housing sealed by in relation to the gas processed by this compressor unit, while the rotor of the engine and the driven shaft of the compressor are interconnected by means of a flexible connecting element located in the aforementioned that case, and the shaft ends are held by an end bearing (RF patent No. 2333398, IPC F04D25 / 06, 2008 publication).

Известное устройство обладает высокой металлоемкостью, а также сложностью обеспечения герметичности в случае перекачки гелия, что может приводить к утечке перекачиваемой среды.The known device has a high metal content, as well as the difficulty of ensuring tightness in the case of pumping helium, which can lead to leakage of the pumped medium.

Известен модульный центробежный компрессор с осевым входом и встроенным электроприводом, содержащий установленный во внутреннем корпусе модуль электропривода с электродвигателем и опорами активных магнитных подшипников, и модуль ступени сжатия, объединенные в едином наружном корпусе и имеющие единый ротор, при этом ротор выполнен в виде полой трубы, сообщенной одним своим концом с всасывающим патрубком, а другим концом − с входом в консольно закрепленное на ней рабочее колесо модуля ступени сжатия, выход из которого соединен с выходным патрубком компрессора, причем с внешней стороны трубы установлены роторы электродвигателя и роторные опоры системы магнитных подшипников, а внутренний корпус модуля электропривода установлен в наружном корпусе с образованием полости охлаждения электродвигателя, выполненной герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора (патент РФ №2675296, МПК F04D25/00, публикация 2018г.).A modular centrifugal compressor with an axial inlet and an integrated electric drive is known, comprising an electric drive module with an electric motor and bearings of active magnetic bearings mounted in an internal housing, and a compression stage module combined in a single external housing and having a single rotor, wherein the rotor is made in the form of a hollow pipe, communicated at one end with a suction pipe, and at the other end with an entrance to the impeller of the compression stage module cantileverly mounted on it, the outlet of which is connected to the outlet m of the compressor nozzle, with the rotors of the electric motor and rotor bearings of the magnetic bearing system installed on the outside of the pipe, and the inner housing of the electric drive module installed in the outer housing with the formation of the cooling cavity of the electric motor, made airtight relative to the suction and discharge cavities of the compressor (RF patent No. 2675296, IPC F04D25 / 00, publication 2018).

Недостатком известного компрессора является низкая эффективность при перекачке гелия, что связано с наличием отдельной полости охлаждения электродвигателя, выполненной герметичной относительно полостей всасывания и нагнетания компрессора, а также сложностью обеспечения ремонтопригодности и герметичности этой полости в случае применения гелия, что может приводить либо к утечке перекачиваемой среды, либо к загрязнению перекачиваемой среды охлаждающей средой.A disadvantage of the known compressor is its low efficiency when pumping helium, which is associated with the presence of a separate cooling cavity of the electric motor, which is sealed with respect to the suction and discharge cavities of the compressor, as well as the difficulty in maintaining maintainability and tightness of this cavity in the case of helium, which can lead to leakage of the pumped medium or contamination of the pumped medium with a cooling medium.

Задачей создания предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых в конструкциях центробежных компрессоров со встроенным высокооборотным электроприводом без использования смазки в опорах ротора.The task of creating the proposed utility model is to expand the arsenal of hardware used in the construction of centrifugal compressors with integrated high-speed electric drive without the use of lubricant in the rotor bearings.

Технический результат заключается в реализации указанного назначения и в создании эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в ядерной энергетике. The technical result consists in the implementation of this purpose and in creating an effective in operation and convenient to operate device design used for the circulation of helium and helium-containing gas mixtures without contaminating the working environment with lubricants, for example, in nuclear power.

Указанный технический результат достигается использованием центробежного компрессорного агрегата, содержащего герметичный корпус, снабженный входным и выходным патрубками, и расположенные внутри корпуса центробежный компрессор и привод компрессора, выполненный в виде высокооборотного электродвигателя, при этом центробежное колесо компрессора расположено в корпусе компрессорного агрегата с противоположной входному патрубку стороны относительно электродвигателя и консольно закреплено на едином с ротором электродвигателя валу, установленном на подшипниковых опорах, причем электродвигатель установлен внутри герметичного корпуса агрегата с образованием между ними полости охлаждения электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок компрессорного агрегата.The specified technical result is achieved by using a centrifugal compressor unit containing a sealed casing provided with inlet and outlet nozzles, and a centrifugal compressor and compressor drive located inside the casing, made in the form of a high-speed electric motor, while the centrifugal compressor wheel is located in the compressor casing from the opposite side inlet pipe relative to the electric motor and cantileverly mounted on a shaft that is integral with the electric motor rotor mounted on bearings, and the motor is installed inside the sealed housing of the unit with the formation between them of the cooling cavity of the electric motor by the gas flow entering the inlet pipe of the compressor unit.

Подшипниковые опоры представляют собой магнитные или электромагнитные опоры или сухие лепестковые газодинамические подшипники.Bearing bearings are magnetic or electromagnetic bearings or dry spherical gas-dynamic bearings.

Центробежный компрессор с электрическим приводом имеет частоту вращения от 20000 до 80000 оборотов в минуту.An electrically driven centrifugal compressor has a rotational speed of 20,000 to 80,000 rpm.

Агрегат содержит прибор управления, имеющий функцию частотного преобразователя, меняющего производительность агрегата посредством изменения числа оборотов электродвигателя.The unit contains a control device having the function of a frequency converter that changes the performance of the unit by changing the speed of the electric motor.

На фиг. 1 представлена схема установки центробежного компрессорного агрегата; на фиг. 2 − центробежный компрессорный агрегат; на фиг. 3 − центробежный компрессорный агрегат, закрепленный на раме.In FIG. 1 shows the installation diagram of a centrifugal compressor unit; in FIG. 2 - centrifugal compressor unit; in FIG. 3 - centrifugal compressor unit mounted on the frame.

Центробежный компрессорный агрегат содержит герметичный корпус 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, и закрепленные внутри корпуса центробежный компрессор 4 и высокооборотный электродвигатель 5. Рабочее центробежное колесо 6 компрессора консольно закреплено на едином с ротором 7 электродвигателя валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10. Центробежное колесо 6 компрессора установлено в корпусе компрессорного агрегата с противоположной входному патрубку 2 стороны относительно электродвигателя 5. Подшипниковые опоры 9 и 10 представляют собой сухие лепестковые газодинамические подшипники или магнитные опоры. Электродвигатель 5 установлен внутри герметичного корпуса 1 с образованием между ними полости охлаждения 11 электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок 2. Компрессор содержит спиральную улитку 12 и диффузор 13, а также выполненное на валу 8 лабиринтное уплотнение 14, расположенное между рабочим колесом 6 и электродвигателем 5. Электрические кабели выходят из корпуса через специальный герметичный кабельный разъем 15.The centrifugal compressor unit contains a sealed housing 1 with an inlet pipe 2 and an outlet pipe 3, and a centrifugal compressor 4 and a high-speed electric motor 5 fixed inside the casing. The impeller centrifugal 6 of the compressor is cantilevered on a shaft 8 mounted on the bearings 9 and connected to the rotor 7 of the electric motor 10. The centrifugal wheel 6 of the compressor is installed in the housing of the compressor unit with the opposite side of the inlet pipe 2 relative to the electric motor 5. Bearing bearings 9 and 10 represent dry lobe gas-dynamic bearings or magnetic bearings. The electric motor 5 is installed inside the sealed housing 1 with the formation of the cooling cavity 11 of the electric motor between them by the gas flow entering the inlet pipe 2. The compressor contains a spiral scroll 12 and a diffuser 13, as well as a labyrinth seal 14 located on the shaft 8, located between the impeller 6 and the electric motor 5. Electrical cables exit the housing through a special sealed cable connector 15.

Входной патрубок 2 соединен с входным трубопровод газа 16, на котором установлен датчик давления газа 17, выходной патрубок 3 соединен с выходным трубопроводом газа 18, на котором установлен датчик давления газа 19. Агрегат соединен также с входным трубопроводом воды 20, выходным трубопроводом воды 21 и с охладителем газа 22. Датчики 17 и 19 электрически связаны с прибором управления работой агрегата 23. Прибор управления 23 имеет функцию частотного преобразователя, меняющего производительность агрегата посредством изменения числа оборотов электродвигателя 5.The inlet pipe 2 is connected to the gas inlet pipe 16 on which the gas pressure sensor 17 is installed, the outlet pipe 3 is connected to the gas outlet pipe 18 on which the gas pressure sensor 19 is installed. The unit is also connected to the water inlet pipe 20, the water outlet pipe 21 and with a gas cooler 22. Sensors 17 and 19 are electrically connected to the control unit of the unit 23. The control unit 23 has the function of a frequency converter that changes the performance of the unit by changing the speed of the electric engine 5.

Центробежный компрессорный агрегат (фиг. 3), включая прибор управления 23 и охладитель 22, размещены и закреплены на единой несущей раме 24. A centrifugal compressor unit (Fig. 3), including a control device 23 and a cooler 22, are placed and fixed on a single carrier frame 24.

Центробежный компрессорный агрегат работает следующим образом.Centrifugal compressor unit operates as follows.

Газ (гелий или гелийсодержащие газовые смеси) поступает во входной трубопровод 16 (фиг. 1), где измеряется его давление посредством датчика давления 17, а показания датчика передаются в прибор управления 23. Далее газ через входной патрубок 2 поступает внутрь герметичного корпуса 1, перемещается по кольцевой полости 11 и охлаждает ротор 7 и статор высокооборотного электродвигателя 5. Газ, пройдя вдоль корпуса, поступает на вход центробежного компрессора 4, и далее в рабочее центробежное колесо 6, закрепленное на едином с электродвигателем валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10, и имеющее частоту вращения от 20000 до 80000 об/мин. Gas (helium or helium-containing gas mixtures) enters the inlet pipe 16 (Fig. 1), where its pressure is measured by means of a pressure sensor 17, and the sensor readings are transmitted to the control device 23. Then the gas through the inlet pipe 2 enters the sealed enclosure 1, moves along the annular cavity 11 and cools the rotor 7 and the stator of the high-speed electric motor 5. The gas, passing along the body, enters the inlet of the centrifugal compressor 4, and then into the working centrifugal wheel 6, mounted on a shaft 8 connected to a single motor, tanovlenii on bearing supports 9 and 10 and having a rotational speed of 20,000 to 80,000 rev / min.

Указанная частота вращения для центробежных компрессоров позволяет уменьшить габаритные размеры компрессора, например для перекачки гелия с производительностью 50 м³/мин с перепадом давления в 0,1 МПа с 3,3 МПа до 3,4 МПа необходимо колесо диаметром не более 80 мм. Центробежное колесо, вращаясь с указанной скоростью, отбрасывает газ на периферию – в спиральную улитку 12 и далее в диффузор 13, и выходной патрубок 3. Для исключения утечки газа из полости рабочего колеса в полость охлаждения электродвигателя предусмотрено лабиринтное уплотнение 14, эффективно герметизирующее рабочее колесо, учитывая низкий перепад давления компрессора (0,1 МПа). The indicated speed for centrifugal compressors allows to reduce the overall dimensions of the compressor, for example, for pumping helium with a capacity of 50 m ³ / min with a pressure drop of 0.1 MPa from 3.3 MPa to 3.4 MPa, a wheel with a diameter of not more than 80 mm is required. The centrifugal wheel, rotating at the indicated speed, throws gas to the periphery - to the spiral scroll 12 and further to the diffuser 13, and the outlet pipe 3. To prevent gas leakage from the impeller cavity to the motor cooling cavity, a labyrinth seal 14 is provided that effectively seals the impeller, given the low pressure drop of the compressor (0.1 MPa).

Кабели от электродвигателя выходят через герметичный сальник и подключаются к прибору управления 23, который обеспечивает плавный запуск, защиту от аварийных параметров, остановку, регулирование частоты вращения электродвигателя для обеспечения изменения производительности компрессора. The cables from the electric motor exit through the sealed gland and are connected to the control device 23, which provides a smooth start, protection from emergency parameters, stop, regulation of the rotational speed of the electric motor to ensure changes in compressor performance.

Герметичный корпус 1 имеет минимальное количество разъемных соединений и мест утечки или перетечки рабочей среды, благодаря чему обеспечивается герметичность компрессора относительно окружающей среды. The sealed housing 1 has a minimum number of detachable joints and places of leakage or overflow of the working medium, which ensures the compressor is sealed against the environment.

Газ через выходной патрубок 3 выходит в трубопровод 18, где установлен датчик давления 19. Газ после сжатия в компрессоре 4 имеет высокую температуру (на 10 - 30 ^оС выше температуры на входе), для чего необходимо снизить температуру газа в охладителе газа 22, который может быть выполнен в виде водогазового теплообменника (кожухотрубчатого или пластинчатого), в котором для охлаждения используется вода, поступающая по трубопроводу 20 и отводящаяся по трубопроводу 21. После охладителя газ с необходимым давлением и температурой поступает в выходной трубопровод газа 18. Gas through the outlet pipe 3 goes to 18, where the pressure sensor 19. The gas after compression in compressor 4 has a high temperature (10 - 30 ° C above ^the inlet temperature), for which it is necessary to reduce the gas temperature in the gas cooler 22, which can be made in the form of a gas-water heat exchanger (shell-and-tube or plate), in which water is used for cooling, coming in through the pipe 20 and discharged through the pipe 21. After the cooler, gas with the necessary pressure and temperature enters the outlet gas supply 18.

Предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективность в работе и удобство в эксплуатации конструкции компрессорного агрегата, используемого для циркуляции гелия и гелийсодержащих газовых смесей без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в ядерной энергетике.The proposed technical solution allows to ensure the efficiency and ease of operation of the design of the compressor unit used for the circulation of helium and helium-containing gas mixtures without contaminating the working environment with lubricant products, for example, in nuclear power.

Claims

1. A centrifugal compressor unit for pumping helium and helium-containing gas mixtures, characterized in that it contains a sealed housing provided with inlet and outlet nozzles, and a centrifugal compressor and compressor drive located inside the housing, made in the form of a high-speed electric motor, while the centrifugal compressor wheel is located in the case of the compressor unit from the side opposite to the inlet pipe relative to the electric motor and cantilever mounted on a single electric rotor motor shaft mounted on the bearing supports, wherein the motor is installed inside the sealed housing assembly to form a cavity between the motor cooling gas stream flowing in the inlet of the compressor unit.

2. The assembly according to claim 1, characterized in that the bearing supports are magnetic or electromagnetic bearings.

3. The assembly according to claim 1, characterized in that the bearing supports are dry bladed gas-dynamic bearings.

4. The unit according to claim 1, characterized in that the centrifugal compressor with an electric drive has a rotational speed of from 20,000 rpm to 80,000 rpm.