RU2133929C1

RU2133929C1 - Turbine compressor-pump aggregate

Info

Publication number: RU2133929C1
Application number: RU97117684/06A
Authority: RU
Inventors: нов А.Г. Уль; А.Г. Ульянов; Ю.П. Шишкин
Original assignee: Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-07-27

Abstract

FIELD: cooling equipment. SUBSTANCE: turbine compressor-pump aggregate is intended for pumping of vapors of cooling agent and can specifically be used in air conditioning systems employed to cool electronic equipment and in combined absorption-compressor plants. It includes air-tight body, electric motor fitted with cooling jacket and shaft, plain bearings, two pairs of impellers. Aggregate is additionally fitted with another pair of impellers, one being compressor impeller and the other one being pumping impeller. Cooling agent is used as lubricant. Complex building-block approach to compressor and pump parts made it possible to transfer aggregate to one type of working medium and to exclude totally presence of lubricating oil and water. EFFECT: enhanced operational reliability and efficiency of aggregate. 2 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, а более конкретно к устройству малорасходных турбокомпрессоров, которые могут быть использованы для систем кондиционирования воздуха, для охлаждения электронной аппаратуры, а также в комбинированных абсорбционно- компрессорных установках. The invention relates to refrigeration, and more particularly to a device of low consumption turbocompressors, which can be used for air conditioning systems, for cooling electronic equipment, as well as in combined absorption and compressor units.

Известны центробежные фреоновые компрессоры с приводом от фреоновой турбины. Особенность данной конструкции заключается в том, что приводной элемент - рабочее колесо турбины, находится на одном валу с рабочим колесом компрессора и они зафиксированы консольно на концах вала. [Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - Л.: Судостроение, 1972, 399 - 491 с.]. Результаты испытаний подобных агрегатов показали, что наиболее существенный недостаток турбохолодильных машин - относительная сложность, и, следовательно, повышенная стоимость изготовления. Это снижает эффективность использования агрегатов. Known centrifugal freon compressors driven by a freon turbine. The peculiarity of this design is that the drive element - the turbine impeller, is located on the same shaft with the compressor impeller and they are fixed cantilever at the ends of the shaft. [Zakharov Yu.V. Marine air conditioning and chillers. - L .: Shipbuilding, 1972, 399 - 491 p.]. The test results of such units showed that the most significant drawback of turbo-refrigeration machines is the relative complexity, and, consequently, the increased cost of manufacture. This reduces the efficiency of use of units.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является турбоагрегат с электродвигателем промышленной частоты, в частности четырехступенчатый турбокомпрессор со встроенным электродвигателем. Он состоит из герметичного корпуса, электродвигателя, подшипников и двух пар, консольно закрепленных рабочих компрессорных колес на общем валу. Вал компрессора вращается в опорах скольжения; нижняя часть подшипниковых камер сложной конфигурации заполнена маслом; смазка осуществляется разбрызгиванием. Для поддержания постоянной температуры масла в масляные ванны встроены водяная рубашка и электрический подогреватель. Рабочие колеса выполнены с зауженным входом и малой относительной шириной лопаток. [Баренбойм А. Б. Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры. - М.: Машиностроение, 1974,с.177 -180.]. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a turbine unit with an industrial frequency electric motor, in particular a four-stage turbocharger with a built-in electric motor. It consists of a sealed housing, an electric motor, bearings and two pairs of cantilever mounted compressor wheels on a common shaft. The compressor shaft rotates in the sliding bearings; the lower part of the bearing chambers of complex configuration is filled with oil; lubrication by spraying. To maintain a constant oil temperature, a water jacket and an electric heater are integrated in the oil baths. The impellers are made with a narrowed entrance and a small relative width of the blades. [Barenboim A. B. Low-consumption freon turbochargers. - M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 177 -180.].

Одним из основных недостатков данного устройства является смазывание подшипников скольжения разбрызгиванием масла из ванн. Известно, что взаимодействие масел с хладагентами существенно ухудшает смазывающую и уплотняющую способность смазок. И как бы ни была высока эффективность газодинамических и гидродинамических уплотнений, в любом случае имеет место унос масла из корпуса компрессора в испарительную часть холодильной машины, снижающий эффективность холодильного цикла, что в конечном результате значительно снижает эффективность работы турбоагрегата. One of the main disadvantages of this device is the lubrication of sliding bearings by spraying oil from the bathtubs. It is known that the interaction of oils with refrigerants significantly impairs the lubricating and sealing ability of lubricants. And no matter how high the efficiency of gas-dynamic and hydrodynamic seals, in any case, there is an entrainment of oil from the compressor housing to the evaporative part of the refrigeration machine, which reduces the efficiency of the refrigeration cycle, which ultimately reduces the efficiency of the turbine unit.

Анализ результатов эксплуатационной практики показал, что другим существенным недостатком является сравнительно большие габариты и масса. Это вызвано сложной конфигурацией корпуса агрегата, обусловленной размещением подшипниковых масленых ванн в его внутренней части. В громоздкие подшипниковые масленые ванны встроены водяные рубашки, требующие индивидуального подвода охлаждающей воды. Здесь же установлен и электрический нагреватель, требующий подвода электропитания. При работе же агрегата требуются соответствующие расходы воды и электроэнергии. An analysis of the results of operational practice showed that another significant drawback is the relatively large dimensions and weight. This is due to the complex configuration of the unit body, due to the placement of bearing oil baths in its internal part. Cumbersome bearing oil baths incorporate water shirts that require an individual supply of cooling water. An electric heater is also installed here, requiring power supply. During the operation of the unit, the corresponding consumption of water and electricity is required.

В дополнение к указанным недостаткам необходимо учесть и необходимость размещения в агрегате индивидуальной системы охлаждения встроенного электродвигателя. In addition to these shortcomings, it is necessary to take into account the need to place an integrated electric motor cooling system in the unit.

Таким образом, конструкция указанного турбоагрегата сложна в изготовлении и эксплуатации. Thus, the design of the specified turbine unit is difficult to manufacture and operate.

Указанные недостатки полностью отсутствуют у предлагаемого технического решения. These disadvantages are completely absent from the proposed technical solution.

При создании изобретения ставилась задача повышения эффективности работы турбоагрегатов за счет комплексного перевода режимов работы систем смазывания и охлаждения на принципиально новое рабочее тело - жидкий хладагент и расширения диапазона его применимости в холодильной технике. When creating the invention, the task was to increase the efficiency of turbine units due to the complex transfer of the operating modes of lubrication and cooling systems to a fundamentally new working fluid - liquid refrigerant and expanding the range of its applicability in refrigeration equipment.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, включающее герметичный корпус, электродвигатель, снабженный рубашкой охлаждения, с валом, подшипники скольжения, две пары рабочих компрессорных колес и систему смазки дополнительно включены пара рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным, а в системе смазки использован жидкий хладагент. The problem is solved in that in the known device, including a sealed housing, an electric motor equipped with a cooling jacket, with a shaft, sliding bearings, two pairs of impellers and a lubrication system, a pair of impellers are additionally included, one of which is compressor and the other is pump and a liquid refrigerant is used in the lubrication system.

Дополнительная пара рабочих колес выполнена и установлена таким образом, что его всасывающая полость связана через систему осерадиальных каналов и уплотнительную головку с резервуаром с жидким хладагентом, а нагнетательная - с жидкостными магистральными трубопроводами холодильной машины, а также через систему патрубков и подсоединительную колонку с рубашкой охлаждения электродвигателя и системой охлаждения и смазки подшипников, работающих в режиме смазывания хладагентом. An additional pair of impellers is made and installed in such a way that its suction cavity is connected through a system of axial channels and a sealing head to a reservoir with liquid refrigerant, and a discharge cavity to the liquid main pipelines of the refrigeration machine, as well as through a pipe system and a connecting column with an electric motor cooling jacket and a cooling and lubrication system for bearings operating in the refrigerant lubrication mode.

Отличительные признаки заявляемого технического решения - турбоагрегат снабжен дополнительной парой рабочих колес, одно из которых является компрессорным, а другое - насосным позволяет расширить диапазон применимости конструкции в двух направлениях. Во-первых, добавление центробежного компрессорного колеса увеличивает степень повышения давления в компрессорной части агрегата и соответственно позволяет снизить давление кипения хладагента в испарительной системе холодильной машины, что является немаловажным положительным фактором (применительно к подобным агрегатам). Во-вторых, установка насосного колеса решает проблемы смазывания жидким хладагентом специальных подшипников скольжения; охлаждения встроенного электродвигателя и самое главное обеспечивает циркуляцию хладагента по магистральным жидкостным трубопроводам, входящим в состав холодильной машины. Это говорит о том, что расширяется область применения агрегата. Он может быть применен в насосных схемах, либо в схемах со значительной длиной трубопроводов, либо для перекачки жидкости из одного аппарата в другой и других технологических операций. Кроме того, наличие насосного колеса в турбоагрегате, имеющего нагнетательную полость, связанную через систему патрубков и подсоединительную колонку с рубашкой охлаждения электродвигателя и системой охлаждения и системой смазки подшипников позволили применить вместо смазочного масла жидкий хладагент. Использование жидкого хладагента в предлагаемом техническом решении дает следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- полностью отсутствует смазочное масло, унос которого в испарительную систему холодильной машины снижает холодопроизводительность цикла;
- полностью отсутствует вода, унос которой в систему может привести к замораживанию регулирующих органов;
- отсутствует необходимость подогрева смазочных жидкостей;
- в агрегате используется только одно рабочее тело - жидкий хладагент;
- свободное пространство масленых ванн с водяными банями заполнено рабочими колесами, позволяющими перевести работу турбоагрегата на один тип рабочего тела;
- увеличена степень повышения давления за счет возрастания числа ступеней;
- значительно расширен диапазон применимости турбоагрегата, заявляемый турбоагрегат может использоваться не только в технике кондиционирования воздуха, как прототип, но и в холодильной технике.Distinctive features of the proposed technical solution - the turbine unit is equipped with an additional pair of impellers, one of which is compressor, and the other is pumping, which allows to expand the range of applicability of the design in two directions. Firstly, the addition of a centrifugal compressor wheel increases the degree of pressure increase in the compressor part of the unit and, accordingly, allows to reduce the boiling pressure of the refrigerant in the evaporative system of the refrigeration machine, which is an important positive factor (in relation to such units). Secondly, the installation of a pump wheel solves the problems of lubrication of special plain bearings with liquid refrigerant; cooling of the built-in electric motor and, most importantly, ensures the circulation of the refrigerant through the main liquid pipelines that are part of the refrigeration machine. This suggests that the scope of the unit is expanding. It can be used in pumping circuits, or in circuits with a significant length of pipelines, or for pumping fluid from one apparatus to another and other technological operations. In addition, the presence of a pump wheel in a turbine unit having an injection cavity connected through a branch pipe system and a connecting column with an electric motor cooling jacket and cooling system and bearing lubrication system made it possible to use liquid refrigerant instead of lubricating oil. The use of liquid refrigerant in the proposed technical solution gives the following advantages compared to the prototype:
- there is completely no lubricating oil, the entrainment of which into the evaporative system of the chiller reduces the cooling capacity of the cycle;
- there is completely no water, the entrainment of which into the system can lead to freezing of regulatory bodies;
- there is no need for heating lubricant fluids;
- only one working fluid is used in the unit - liquid refrigerant;
- the free space of oil baths with water baths is filled with impellers, allowing to transfer the operation of the turbine unit to one type of working fluid;
- increased degree of pressure increase due to an increase in the number of steps;
- the range of applicability of the turbine unit is significantly expanded, the inventive turbine unit can be used not only in air conditioning technology, as a prototype, but also in refrigeration equipment.

На фиг. 1 А и фиг. 1 Б представлен предлагаемый турбоагрегат, который содержит герметичный корпус 1 со встроенным электродвигателем 2 (частота 50 Гц). По три рабочих колеса, причем колеса 3, 4 являются компрессорными, а колесо 5 - насосного типа консольно закреплены на выходных концах вала 6. Вал 6 установлен в осерадиальных подшипниках скольжения 7, 8, которые смазываются жидким хладагентом. Особенность конструкции вала 6 заключается в том, что он имеет систему осерадиальных каналов для подвода жидкого хладагента во всасывающую полость колеса 5, в том числе сквозной радиальный канал 9 и осевой канал 10 с винтовой канавкой (на чертеже не обозначена), интенсифицирующей перемещение жидкости. В осевом канале 10 при помощи резьбы зафиксирована выходная часть полого участка 11 вала 6, входящего в состав специальной уплотнительной головки 12, и неподвижные штуцеры 13, 14. В состав головки 12 входят: подшипник качения 15, неподвижное уплотнительное кольцо 16, вращающееся контркольцо 17. Штуцеры 13,14 снабжены уплотнительным устройством 18, которое через соответствующие запорно-регулирующую арматуру и трубопровод связаны с резервуаром с жидким хладагентом (запорно-регулирующая арматура, трубопровод и резервуар не являются предметом заявки). Перед колесом 5 насосного типа установлен закрепленный в герметичном корпусе 1 улиткообразный расширяющийся канал вставки 19. Выходной патрубок 20 конструктивно соединен трубой 21 с подсоединительной колонкой 22, которая в свою очередь посредством трубы 23 и отверстия 24 соединена с внутренней полостью 25 рубашки охлаждения электродвигателя 2. Внутренняя полость 25 имеет сливное отверстие 26 и специальные каналы 27,28 в подшипниковых вставках 29, соединяющие ее с подшипниками скольжения 7,8. Подшипниковая вставка 29 имеет отверстие 30, соединяющее внутреннюю полость агрегата с трубой 31, имеющей дроссельную шайбу (на чертеже не показана). В нагнетательной насосной полости предусмотрен фильтр, который на чертеже условно не показан. In FIG. 1A and FIG. 1 B presents the proposed turbine unit, which contains a sealed housing 1 with a built-in electric motor 2 (frequency 50 Hz). Three impellers each, with wheels 3, 4 being compressor and wheel 5 of the pump type, cantilevered to the output ends of shaft 6. Shaft 6 is mounted in axial-radial plain bearings 7, 8, which are lubricated with liquid refrigerant. The design feature of the shaft 6 is that it has a system of axial radial channels for supplying liquid refrigerant to the suction cavity of the wheel 5, including a through radial channel 9 and an axial channel 10 with a helical groove (not indicated in the drawing), which intensifies the movement of fluid. The output part of the hollow section 11 of the shaft 6, which is part of the special sealing head 12, and the fixed fittings 13, 14 are fixed in the axial channel 10 with the help of the thread. The head 12 includes: the rolling bearing 15, the stationary sealing ring 16, the rotating counter ring 17. The fittings 13,14 are equipped with a sealing device 18, which through the corresponding shut-off and control valves and piping are connected to the tank with liquid refrigerant (shut-off and control valves, piping and tank are not the subject of the application). In front of the pump-type wheel 5, a cochlear-shaped expanding channel of insert 19 fixed in a sealed housing 1 is installed. The outlet pipe 20 is structurally connected by a pipe 21 to a connecting column 22, which in turn is connected to the internal cavity 25 of the cooling jacket of the electric motor 2 through the pipe 23 and the hole 24 the cavity 25 has a drain hole 26 and special channels 27.28 in the bearing inserts 29 connecting it to the sliding bearings 7.8. The bearing insert 29 has an opening 30 connecting the internal cavity of the unit with a pipe 31 having a throttle washer (not shown in the drawing). A filter is provided in the discharge pump cavity, which is not conventionally shown in the drawing.

Рассмотрим работу турбоагрегата без подключения к конкретному типу холодильной машины. Пуск производится при ручном обслуживании. Для предотвращения перегрузки электродвигателя необходимо чтобы при пуске давление в испарительной системе и во всасывающем трубопроводе компрессорной части было близким давлению всасывания при нормальной расчетной работе агрегата. Consider the operation of a turbine unit without connecting to a specific type of refrigeration machine. Start-up is carried out with manual maintenance. To prevent overload of the electric motor, it is necessary that at start-up the pressure in the evaporator system and in the suction pipe of the compressor part be close to the suction pressure during normal design operation of the unit.

Пуск насосной части производится при закрытом вентиле на напорном трубопроводе, и полностью открытом вентиле на всасывающем трубопроводе для заполнения насосной части жидкостью. Переход к рабочему режиму работы осуществляется постепенным открытием вентиля на напорном трубопроводе. При этом жидкий хладагент поступает из резервуара (ресивера) по штуцерам 13, 14, снабженных уплотнительным устройством 18 в уплотнительную головку 12, которая обеспечивает герметичность корпуса 1 за счет входящих в ее состав подшипника качения 15, неподвижного уплотнительного кольца 16 и вращающегося контркольца 17 и через полый участок 11 вала 6 в осевой канал 10 с винтовой канавкой, интенсифицирующей процесс движения жидкости. Затем через сквозной радиальный канал 9 во всасывающую полость насосного колеса 5 выбрасывается из него с большой скоростью в улиткообразный расширяющийся канал вставки 19 герметичного корпуса 1 и по выходному патрубку 20 - в магистральный жидкостной трубопровод, который на чертеже не показан. Часть потока через сверление во фланце патрубка 20 перемещается по трубке 21 в подсоединительную колонку 22, а оттуда - по трубке 23 и сверлению 24 во внутреннюю полость рубашки охлаждения 25 электродвигателя 2. Здесь определенная часть потока отводит тепло, выделившееся из электродвигателя, а затем выходит из рубашки через патрубок с отверстием 26. Фиксированное количество жидкого хладагента поступает через специальные каналы 27, 28 в подшипниковых вставках 29 на смазку и охлаждение подшипников скольжения 7, 8, воспринимающих как радиальную, так и осевую нагрузку. Образовавшийся пар хладагента при работе опор отводится через паз с отверстием 30 в подшипниковой вставке 29, а затем по трубе 31 с дроссельной шайбой - во всасывающую полость компрессора. При установившемся режиме работы насосной части контролируется давление на всасывании; давление на нагнетании; уровень жидкости в колонке и перепад давления на всасывании и нагнетании. The pump part is started when the valve on the pressure pipe is closed and the valve on the suction pipe is completely open to fill the pump part with liquid. The transition to the operating mode of operation is carried out by the gradual opening of the valve on the pressure pipe. In this case, the liquid refrigerant enters from the reservoir (receiver) through fittings 13, 14 provided with a sealing device 18 to the sealing head 12, which ensures the tightness of the housing 1 due to the rolling bearing 15, the stationary sealing ring 16 and the rotating control ring 17 included in it, and through the hollow section 11 of the shaft 6 into the axial channel 10 with a helical groove, intensifying the process of fluid movement. Then, through a through radial channel 9 into the suction cavity of the pump wheel 5, it is ejected from it at high speed into the cochlear-like expanding channel of the insert 19 of the sealed housing 1 and through the outlet pipe 20 into the main liquid pipe, which is not shown in the drawing. Part of the flow through the drilling in the flange of the pipe 20 is moved through the tube 21 to the connecting column 22, and from there through the tube 23 and the drilling 24 into the internal cavity of the cooling jacket 25 of the motor 2. Here, a certain part of the flow removes the heat released from the electric motor, and then leaves jacket through the nozzle with an opening 26. A fixed amount of liquid refrigerant enters through special channels 27, 28 in the bearing inserts 29 for lubrication and cooling of the sliding bearings 7, 8, perceiving both radial and sowing load. The resulting refrigerant vapor during operation of the supports is discharged through a groove with an opening 30 in the bearing insert 29, and then through a pipe 31 with a throttle washer into the compressor suction cavity. With the steady state operation of the pump part, the suction pressure is controlled; discharge pressure; liquid level in the column and pressure drop across the suction and discharge.

Одновременно в момент пуска в компрессорной части пары хладагента из испарителя поочередно обегают рабочие поверхности компрессорных колес 4, 3, сжимаются и поступают в конденсатор холодильной машины (на чертеже не показаны). At the same time, at the time of start-up, in the compressor part of the refrigerant vapor from the evaporator, the working surfaces of the compressor wheels 4, 3 are alternately circled, compressed and fed into the condenser of the refrigeration machine (not shown in the drawing).

При установившемся режиме работы выполняется противопомпажное регулирование и контролируются следующие параметры: температуру в подшипниках; температуру на всасывании и нагнетании; давление на всасывании; давление нагнетания паров хладагента. Under steady-state operation, anti-surge control is performed and the following parameters are controlled: temperature in the bearings; suction and discharge temperatures; suction pressure; refrigerant vapor pressure.

Регулирование холодопроизводительности производится дросселированием потока на всасывании; регулирование производительности насосного колеса выполняется при помощи калиброванных шайб, либо перепуском части потока жидкости на всасывание. Для остановки компрессорно-насосного турбоагрегата отключается электродвигатель. Refrigeration capacity control is performed by throttling the suction flow; pump wheel performance is controlled using calibrated washers or bypassing part of the fluid flow to the suction. To stop the compressor-pump turbine unit, the electric motor is turned off.

Преимущества турбокомпрессоров с приводом от электродвигателей промышленной частоты очевидны. Их масса в 3 раза меньше по сравнению с поршневыми. Минимальная долговечность подшипников составляет 7500 ч. The advantages of turbochargers driven by industrial frequency motors are obvious. Their mass is 3 times less compared to piston ones. The minimum bearing life is 7500 hours.

Комплексное агрегатирование компрессорной и насосной части позволило впервые перевести агрегат на один тип рабочего тела и расширить диапазон применимости в холодильной технике. The complex aggregation of the compressor and pump parts made it possible for the first time to transfer the unit to one type of working fluid and to expand the range of applicability in refrigeration equipment.

Claims

A compressor-pump turbine unit containing a sealed housing, an electric motor equipped with a cooling jacket, with a shaft, sliding bearings, two pairs of impellers and a lubrication system, characterized in that it is additionally equipped with a pair of impellers, one of which is compressor and the other pumping, and in the lubrication system used liquid refrigerant.