Результат интеллектуальной деятельности: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР

Изобретение относится к области компрессоростроения, преимущественно центробежного направления.

Из уровня техники известен центробежный компрессор, содержащий, статор с безлопаточными диффузорами, установленный внутри него ротор на электромагнитных подшипниках, имеющих радиальные и осевую опоры, датчики радиального и осевого положения ротора, концевые уплотнения (см., например, А.З. Шайхутдинов и др. «Создание нагнетателя НЦ-16М "Урал" с электромагнитным подвесом и сухими уплотнениями». Сборник докладов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета «Труды девятого международного симпозиума», 2003 г., с. 160-165).

Сравнительные стендовые испытания на модельном газе (воздухе) компрессоров с одинаковой проточной частью, но разными опорами - электромагнитными и масляными, показали явные преимущества компрессора на электромагнитных опорах, в том числе по устойчивости работы при малых расходах (в предпомпажной зоне).

Демпфирующие свойства электромагнитных подшипников даже с фиксированной жесткостью опор и аналоговой системой управления позволяют существенно (на 15-20%) увеличить зону устойчивой работы компрессоров в области малой производительности. То есть электромагнитный подвес ротора способен выполнять роль устройства для предотвращения опасного для компрессора автоколебательного процесса истечения газа в проточной части (помпажа).

Существенным признаком, достоверно характеризующим начало области газодинамической неустойчивости процесса компримирования (вращающегося срыва), является увеличение размаха колебаний осевого положения ротора (повышение значения осевого виброперемещения).

Однако к недостаткам указанного устройства следует отнести:

- слабая устойчивость работы в зоне малых расходов;

- ограниченное демпфирование колебаний ротора при работе компрессора из-за фиксированного значения жесткости электромагнитов, контролируемых аналоговой системой управления;

- осевое усилие, воспринимаемое упорным электромагнитом, ограничено расчетным (без учета помпажных явлений) значением осевых сил, действующих на ротор в зоне газодинамически безопасных режимов эксплуатации компрессора.

В то же время для многих центробежных компрессоров (в частности, имеющих пологую кривую зависимости степени повышения давления от производительности в левой части характеристики и небольшие значения степени повышения давления π=1,15-1,6) положительный наклон характеристики не появляется до тех пор, пока существенно не изменится расход. Протяженность зоны, свободной от помпажа подобных компрессоров,может быть расширена.

Существуют пути увеличения области безопасной работы центробежного компрессора за счет применения электромагнитных подшипников со значением несущей способности, учитывающим как статические, так и динамические воздействия на ротор, возникающие в процессе компримирования, а также за счет оптимизации характеристик динамических корректирующих устройств в контурах обратной связи системы управления указанными подшипниками.

Ближайшим аналогом по технической сущности является центробежный компрессор (НЦ-12/56-1,44) с приводом от газотурбинного двигателя и упругой муфты, содержащий статор с безлопаточными диффузорами, установленный внутри него ротор на электромагнитных подшипниках, имеющих радиальные и осевую опоры регулируемой жесткости и датчики радиального и осевого положения ротора, концевые уплотнения (см. Я.З. Гузельбаев, А.Л. Хавкин «Особенности проведения помпажных испытаний и настройки системы антипомпажной защиты центробежных компрессоров с электромагнитными подшипниками». В сборнике докладов «Труды XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике». г. Казань, 2007 г., том 2, с. 179-192).

Компрессор НЦ-12/56-1,44 имеет больший запас по несущей способности как в радиальных, так и в осевых опорах, что позволило расширить диапазон устойчивой работы компрессора в области малых расходов с 210 м³/мин до 170 м³/мин, т.е. на 20%. Данное обстоятельство отражено в таблице 1.

Необходимо отметить, что оба компрессора НЦ-12/56-1,44 и НЦ-16/76-1,44, испытанные в реальных условиях, содержали унифицированную конструкцию электромагнитных подшипников с одинаковой несущей способностью.

Недостатками указанного устройства являются ограниченное демпфирование колебаний ротора при работе компрессора, низкий диапазон устойчивой работы компрессора при снижении расходов и наличие фиксированного (расчетного) значения возможной к восприятию осевой силы.

Задачей изобретения является повышение экономической эффективности и безопасности эксплуатации центробежного компрессора путем расширения диапазона устойчивой работы и снижения энергетических затрат при работе в области малых расходов за счет использования демпфирующих свойств электромагнитных подшипников и исключения необходимости перепуска (байпасирования) газа.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении демпфирования колебания ротора в области малых расходов компримируемого газа, расширение диапазона устойчивой работы компрессора при снижении расхода.

Технический результат достигается благодаря тому, что центробежный компрессор содержит статор с безлопаточными диффузорами, установленный коаксиально ему ротор на радиальных и осевой опорах регулируемой жесткости, выполненных в виде электромагнитных подшипников, датчики радиального и осевого положения ротора, концевые уплотнения, при этом осевая опора регулируемой жесткости включает по меньшей мере два осевых электромагнита, один из которых предназначен для работы компрессора в зоне газодинамически устойчивых режимах работы, а остальные предназначены для включения в действие при вхождении компрессора в зону вращающегося срыва, предшествующего помпажу, и выключения при выхождении из зоны вращающегося срыва, предшествующего помпажу.

Кроме того, осевая опора имеет корпус, соединенный со статором.

Кроме того, осевая опора может быть выполнена в виде отдельного узла, установленного на части ротора, выступающего за пределы статора.

Кроме того, электромагнитные подшипники имеют несущую способность, по крайней мере в два раза превышающую расчетные значения радиальных и осевых усилий, действующих на ротор при газодинамически устойчивых режимах работы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид предложенного центробежного компрессора; на фиг. 2 приведена конструктивная схема центробежного компрессора с выносной осевой опорой.

Центробежный компрессор содержит статор 1 с безлопаточными диффузорами, внутри которого коаксиально ему установлен ротор 2. Ротор 2 установлен на радиальных 3 и осевой 4 опорах с регулируемой жесткостью, выполненных в виде электромагнитных подшипников.

Компрессор также содержит установленные на роторе 2 концевые уплотнения 5, а также датчики 6 радиального и осевого положения ротора 2. Радиальные опоры 3 и осевая опора 4 имеют регулирование жесткости для изменения демпфирующих свойств. Опоры 3 и 4 рассчитаны и изготовлены на нагрузки, по крайней мере в два раза превышающие значения радиальных и осевых усилий, действующих на ротор 2 при номинальном режиме компримирования. Технико-экономическое обоснование преимуществ центробежного компрессора с электромагнитными подшипниками повышенной несущей способности проведены на примере компрессора НЦ-12/56-1,44, у которого зона устойчивой работы в области малой производительности расширилась с 210 м³/мин до 170 м³/мин.

Радиальный электромагнитный подшипник (радиальная опора 3) имеет собственные роторную и статорную части (ротор и статор радиального электромагнитного подшипника, не показаны). Ротор радиального подшипника (роторная часть) установлен (насажена) на ротор 2 и оснащен ферромагнитными пластинами, которые удерживаются магнитными полями, создаваемыми электромагнитами, размещенными на статоре радиального подшипника (статорной части), который монтируется в крышке корпуса сжатия. Ротор левитирует в центре, не касаясь статора. Различные индуктивные датчики отслеживают положение ротора. Эти датчики обнаруживают любое отклонение от нормального положения и подают сигналы, регулирующие токи электромагнитов, которые приводят ротор в нормальное исходное положение.

Осевой электромагнитный подшипник (осевая опора 4)

Осевая опора 4 (см. фиг. 1) расположена на части ротора 2, выступающей за пределы статора 1, и имеет корпус 7, соединенный со статором 1 преимущественно резьбовыми соединениями (соединение может быть также осуществлено любым другим возможным способом).

Осевая опора 4 состоит из нескольких осевых электромагнитов повышенной грузоподъемности, один из которых предназначен для работы компрессора в зоне газодинамически устойчивых режимов (правая ветвь характеристики), остальные включаются в действие при вхождении компрессора в зону вращающегося срыва, предшествующего помпажу. Способы получения сигнала о зарождении вращающегося срыва известны (см., например, статью, указанную для ближайшего аналога). При возвращении компрессора в зону газодинамически устойчивых режимов в работе остается только один осевой электромагнит, остальные отключаются. Так как большую часть времени компрессор эксплуатируется в зоне устойчивых режимов, такое распределение нагрузки на осевые электромагниты позволяет снизить энергозатраты.

Центробежный компрессор (см. фиг. 2) может иметь выносную осевую опору 4, выполненную в виде отдельного узла, установленного на части ротора 2, выступающего за пределы статора 1, при этом корпус 7 опоры 4 не соединен со статором 1. В данном случае осевая опора 4 также имеет несколько осевых электромагнитов повышенной грузоподъемности (расположенных вне корпуса сжатия), работающих так же, как и указано выше. Вынос осевой опоры 4 в отдельный корпус 7, не связанный со статором 1, позволит упростить систему взрывозащиты осевого электромагнита, улучшить условия технического обслуживания и охлаждения опоры.

Осевой подшипник работает по такому же принципу, как и радиальный подшипник. На роторе 2 установлен (насажен) дополнительный диск (диски, не показаны), который является роторной частью осевого электромагнитного подшипника (ротор 2 с упорными дисками) и который размещен перпендикулярно осям вращения и напротив электромагнитов, которые являются статорной частью осевого подшипника и которые обеспечивают двухстороннее притяжение.

Как правило, рабочий комплект магнитных опор компрессора состоит из двух радиальных опор, одной осевой (упорной) опоры, комплекта страховочных подшипников (как правило, качения) и блока управления системой магнитных опор ротора 2 компрессора.

В конструкции предложенного компрессора может присутствовать до двух-трех узлов осевых опор, в том числе и в вынесенном узле (фиг. 2). Большее количество нежелательно, поскольку увеличение узлов более трех сильно усложнит конструкцию и за счет увеличения длины ротора 2 снизит динамическую устойчивость системы.

При работе центробежного компрессора радиальные 3 и осевая 4 опоры, имеющие повышенную несущую способность, позволяют демпфировать колебания ротора 2 в области малых расходов компримируемого газа, вследствие чего вращающийся срыв не приводит к характерному для помпажа автоколебательному процессу. Чем выше запас по несущей способности электромагнитных опор, тем шире диапазон устойчивой работы компрессора при снижении расхода.

При работе компрессора в зоне малых расходов и максимальной степени сжатия наблюдаются явления газодинамической неустойчивости (вращающегося срыва) и предпомпажных явлений, которые сопровождаются колебаниями ротора 2 в осевом направлении. Блок управления системой магнитных опор позволяет на ранних этапах определять приближение зоны неустойчивой работы и, выдавая команды на величину силы, удерживающей ротор 2 в уравновешенном состоянии левитации, перемещать ротор 2 в пределах допустимых зазоров, изменяя величину расчетных зазоров и схему возникновения осевых усилий при наличии одной осевой опоры, и в последующем при более глубоких нестационарных режимах подключать дополнительные осевые опоры для увеличения величины усилия осевого магнита.

Возможность достижения положительного эффекта при использовании предлагаемого изобретения доказана в литературе, указанной в прототипе.

При использовании традиционных масляных опор или электромагнитных подшипников с недостаточной несущей способностью для обеспечения устойчивой работы компрессора НЦ-12/56-1,44 при значениях расхода в нагнетательный коллектор менее помпажного значения необходимо перепускать (байпасировать) часть газа с линии нагнетания в линию всасывания. То есть при расходе в сеть 170 м³/мин компрессору необходимы дополнительные затраты мощности ΔN на компримирование 40 м³/мин газа. Эти затраты можно вычислить по формуле:

Плотность газа ρ_н на входе в компрессор равна:

Удельная работа сжатия l_к в компрессоре вычисляется:

где степень повышения давления равна

Для компрессора НЦ-12/56-1,44:

С учетом формул (2), (3), (4) и (1) вычисленное значение дополнительных затрат мощности равно ΔN=1270 кВт. При этом электромагнитные подшипники, обеспечивающие устойчивую работу компрессора при расходе 170 м³/мин без применения байпасирования газа, потребляют менее 10 кВт.

Сравнение полученных значений мощностей, затрачиваемых на компримирование дополнительных объемов газа и обеспечение работоспособности электромагнитных подшипников, явно говорит в пользу последних как средства обеспечения устойчивой и безопасной эксплуатации компрессора в зоне малых расходов.