RU194782U1

RU194782U1 - Centrifugal compressor unit

Info

Publication number: RU194782U1
Application number: RU2019136158U
Authority: RU
Inventors: Леонид Григорьевич Кузнецов; Юрий Леонидович Кузнецов; Александр Васильевич Бураков; Александр Сергеевич Перминов
Original assignee: Леонид Григорьевич Кузнецов; Юрий Леонидович Кузнецов; Александр Васильевич Бураков; Александр Сергеевич Перминов
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2019-12-23

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, который установлен на подшипниковых опорах внутри герметичного корпуса агрегата с образованием между ними полости охлаждения электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок компрессорного агрегата, при этом центробежный компрессор включает два центробежных колеса, расположенные в корпусе компрессорного агрегата на противоположных сторонах относительно электродвигателя и консольно закрепленные на едином с ротором электродвигателя валу.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 mounted on bearing bearings inside the sealed unit case with the formation between them along awns motor cooling gas stream flowing in the inlet of the compressor unit, wherein the centrifugal compressor comprises two rotary wheels located in the casing of the compressor unit at opposite sides relative to the motor and mounted on the single cantilever with the rotor shaft of the motor.

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 или другого хладагента без загрязнения рабочей среды продуктами смазки, например в холодильных установках для охлаждения энергетического оборудования.In particular, the present utility model can be used to circulate helium and helium-containing gas mixtures or other refrigerant without contaminating the working medium with lubricants, for example, in refrigeration units for cooling power equipment.

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;

- минимизация утечек технологического газа в атмосферу (до полной герметичности).- minimization of process gas leaks 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 F04D 29/66, публикация 1995 г.).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 integral 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 F04D 29/66, 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, причем ротор электродвигателя выполнен кольцевым, входной патрубок размещен внутри ротора электродвигателя, а рабочее колесо размещено с противоположной заборному отверстию стороны относительно электродвигателя (патент РФ №2172431, МПК F04D 25/06, публикация 2001 г.).A centrifugal electric blower is known, comprising a housing with inlet and outlet nozzles, an electric motor mounted therein with an impeller mounted on the rotor of the electric motor, an intake hole being made in the inlet, the rotor of the electric motor being circular, the inlet nozzle located inside the electric motor rotor, and the impeller placed on the opposite side of the intake hole relative to the motor (RF patent No. 2172431, IPC F04D 25/06, 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 герметичном корпусе, при этом ротор двигателя и ведомый вал компрессора связаны между собой при помощи гибкого соединительного элемента, располагающегося в упомянутом корпусе (патент РФ №2333398, МПК F04D 25/06, публикация 2008 г.).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 sealed housing, this rotor of the engine and the driven shaft of the compressor are interconnected using a flexible connecting element located in the casing (RF patent No. 2333398, IPC F04D 25/06, publication 2008).

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 F04D 25/00, публикация 2018 г.).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, the rotor being 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 output of which is connected to the output a 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, which is sealed with respect to the suction and discharge cavities of the compressor (RF patent No. 2675296, IPC F04D 25 / 00, 2018 publication).

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 the creation of an effective in operation and convenient in operation device design used for circulating helium and helium-containing gas mixtures without contaminating the working medium with lubricant products, for example, in nuclear power.

Сущность технического решения заключается в следующем.The essence of the technical solution is as follows.

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, который установлен на подшипниковых опорах внутри герметичного корпуса агрегата с образованием между ними полости охлаждения электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок компрессорного агрегата, при этом центробежный компрессор включает два центробежных колеса, расположенные в корпусе компрессорного агрегата на противоположных сторонах относительно электродвигателя и консольно закрепленные на едином с ротором электродвигателя валу.The centrifugal compressor unit 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, which is mounted on bearing bearings inside the sealed housing of the unit with the formation of a cooling cavity between the electric motor between the gas flowing into the inlet pipe of the compressor unit, while the centrifugal compressor includes two centrifugal wheels located compressor unit housing on opposite sides relative to the motor and mounted on the single cantilever with the rotor shaft of the motor.

Подшипниковые опоры представляют собой сухие лепестковые газодинамические подшипники.Bearing bearings are dry bladed 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 (фиг. 2) содержит герметичный корпус 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, и установленные внутри корпуса центробежный компрессор 4 и высокооборотный электродвигатель 5. Рабочие центробежные колеса 6 компрессора консольно закреплены на едином с ротором 7 электродвигателя валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10. Центробежные колеса 6 компрессора установлены в корпусе компрессорного агрегата симметрично относительно электродвигателя 5 и входного патрубка 2. Подшипниковые опоры 9 и 10 представляют собой сухие лепестковые газодинамические подшипники. Электродвигатель 5 установлен внутри герметичного корпуса 1 с образованием между ними полости охлаждения 11 электродвигателя потоком газа, поступающего во входной патрубок 2. Компрессор содержит спиральные улитки 12 и диффузор 13, а также выполненные на валу 8 лабиринтные уплотнения 14, расположенные между рабочим колесом 6 и электродвигателем 5. Электрические кабели выходят из корпуса через специальный герметичный кабельный разъем 15.The centrifugal compressor unit (Fig. 2) contains a sealed casing 1 with an inlet pipe 2 and an outlet pipe 3, and a centrifugal compressor 4 and a high-speed electric motor 5 installed inside the casing. The centrifugal impellers 6 of the compressor are cantilevered on a shaft 8 mounted to the rotor 7 of the electric motor, mounted on the bearings 9 and 10. The centrifugal wheels 6 of the compressor are installed in the compressor unit housing symmetrically with respect to the electric motor 5 and the inlet pipe 2. Bearing bearings 9 and 10 pre set themselves dry lobe gas-dynamic 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 spiral coils 12 and a diffuser 13, as well as labyrinth seals 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 трубопроводом газа 16 (фиг. 1), на котором установлен датчик давления газа 17, а 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 (Fig. 1), on which the gas pressure sensor 17 is installed, and 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 , with an outlet water 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 capacity of the unit by changing the number of revolutions in the motor 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 разбивается на 2 потока и, пройдя вдоль корпуса, поступает в рабочие центробежные колеса 6, закрепленные на едином с электродвигателем валу 8, установленном на подшипниковых опорах 9 и 10, и имеющие 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 is divided into 2 flows and, passing along the body, enters the working centrifugal wheels 6, mounted on a shaft 8 mounted on a shaft identical to the electric motor, mounted on bearing bearings 9 and 10, and having a rotation frequency of from 20,000 to 80,000 rpm.

Указанная частота вращения для рабочих колес центробежного компрессора 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 необходимы колеса диаметром не более 80 мм. Центробежные колеса, синхронно вращаясь с указанной скоростью, отбрасывают газ на периферию - в спиральные улитки 12 и далее в диффузор 13, и выходной патрубок 3. Для исключения утечки газа из полостей рабочих колес в полость охлаждения электродвигателя предусмотрены лабиринтные уплотнения 14, эффективно герметизирующие рабочие колеса, учитывая низкий перепад давления компрессора (0,1 МПа).The indicated rotation frequency for the impellers of a centrifugal compressor 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, wheels with a diameter of not more than 80 mm are required . Centrifugal wheels, synchronously rotating at the indicated speed, discharge gas to the periphery - into spiral coils 12 and further into the diffuser 13 and the outlet pipe 3. To prevent gas leakage from the cavities of the impellers into the cooling cavity of the electric motor, labyrinth seals 14 are provided that effectively seal the impellers 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°С выше температуры на входе), для чего необходимо снизить температуру газа в охладителе газа 22, который может быть выполнен в виде водо-газового 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.The gas through the outlet pipe 3 exits into the pipe 18, where the pressure sensor 19 is installed. The gas after compression in the compressor 4 has a high temperature (10-30 ° C higher than the inlet temperature), for which it is necessary to reduce the temperature of the gas in the gas cooler 22, which can be made in the form of a water-gas 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 pipe oprovod gas 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 efficiency in operation and ease of operation of the design of the compressor unit used to circulate helium and helium-containing gas mixtures without contaminating the working environment with lubricants, 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, which is mounted on bearing bearings inside sealed unit casing 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 and, wherein the centrifugal compressor comprises two rotary wheels located in the casing of the compressor unit at opposite sides relative to the motor and mounted on the single cantilever with the rotor shaft of the motor.

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

3. 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.