Двухступенчатый центробежный компрессор
Двухступенчатый центробежный компрессор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, всасывающими и моторной камерами, нагнетательными камерами с диффузорами, опорными перегородками с газодинамическими подшипниками и интегрированным в корпус между опорными перегородками статором электродвигателя, размещенным во втулке корпуса, имеющей периферийные пазы, размещенный в газодинамических подшипниках ротор компрессора с установленными на нем рабочими колесами первой и второй ступеней и ротором электродвигателя, который установлен с зазором относительно статора, при этом опорные перегородки снабжены отверстиями, соединяющими диффузор нагнетательной камеры первой ступени и всасывающую камеру второй ступени с моторной камерой, а отношение площади периферийных пазов втулки корпуса к площади зазора между ротором и статором электродвигателя равно Sв/Sз=5-20, где Sв - площадь периферийных пазов втулки корпуса; Sз - площадь зазора между статором и ротором электродвигателя, при этом ротор компрессора выполнен полым, а периферийные пазы втулки обращены к статору электродвигателя. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области компрессоростроения, в частности к двухступенчатым центробежным компрессорам со встроенным высокооборотным электроприводом без смазки в опорах ротора.
Известен двухступенчатый центробежный компрессор со встроенным между консольно расположенными ступенями электродвигателем, имеющий корпус, состоящий из корпуса электродвигателя и присоединенных к нему с каждой стороны через промежуточные фланцы корпусов одной и другой ступени, и ротор - единый для ступеней и электродвигателя, установленный в расположенных между ступенями и электродвигателем опорных и упорного магнитных подшипников, имеющих статорные и роторные элементы, причем внутри корпуса статорные элементы опорных и упорного магнитных подшипников выполнены в виде блоков, установленных в дополнительных корпусах, каждый из которых закреплен на промежуточном фланце с его внутренней, обращенной к ступени стороне, причем со стороны одной ступени в дополнительном корпусе установлены статорные элементы опорного магнитного подшипника, а со стороны другой ступени - статорные элементы опорного и упорного магнитных подшипников (патент РФ на ПМ 
36709, F04D 25/06, опубл. 20.03.2004).
Недостатком известной конструкции является ее высокая стоимость и необходимость использования специальной системы управления электромагнитными подшипниками, а также специальной системы охлаждения электродвигателя.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является двухступенчатый центробежный компрессор со встроенным между консольно расположенными ступенями асинхронным или синхронным электродвигателем, ротор которого - единый для ступеней и электродвигателя - установлен в расположенных между ступенями и электродвигателем газодинамических подшипниках (И.Я. Сухомлинов и др., Малорасходные холодильные центробежные компрессоры, Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Том III. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке, г. Сумы, 2004, с.19).
Достоинством прототипа, по сравнению с компрессорами других типов, являются малые массогабаритные показатели, отсутствие системы смазки, мультипликатора и вращающихся уплотнений, лучшие виброакустические характеристики, большая эффективность регулирования при работе на нерасчетных режимах и меньшая стоимость.
Недостатком прототипа является необходимость использования водяного охлаждения для отвода теплоты потерь электродвигателя. Кроме того, при создании такой конструкции компрессора на большие производительности возникают проблемы с использованием газодинамических подшипников из-за их несущей способности, ограничивающей допустимую массу ротора.
С учетом изложенного, целью полезной модели является расширение функциональной возможности использования двухступенчатого центробежного компрессора.
Технический результат - возможность эффективной работы компрессора вне холодильного цикла без водяного охлаждения электродвигателя и снижение его массогабаритных характеристик за счет упрощения конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в двухступенчатом центробежном компрессоре, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, всасывающими и моторной камерами, нагнетательными камерами с диффузорами, опорными перегородками с газодинамическими подшипниками и интегрированным в корпус между опорными перегородками статором электродвигателя, размещенным во втулке корпуса, имеющей периферийные пазы, размещенный в газодинамических подшипниках ротор компрессора с установленными на нем рабочими колесами первой и второй ступеней и ротором электродвигателя, который установлен с зазором относительно статора, опорные перегородки снабжены отверстиями, соединяющими диффузор нагнетательной камеры первой ступени и всасывающую камеру второй ступени с моторной камерой, а соотношение площади периферийных пазов втулки корпуса к площади зазора между ротором и статором электродвигателя равно
Sв/Sз=5-20
где:
Sв - площадь периферийных пазов втулки корпуса;
Sз - площадь зазора между статором и ротором электродвигателя, при этом ротор компрессора выполнен полым, периферийные пазы втулки обращены к статору электродвигателя, а электродвигатель выполнен высокочастотным синхронным четырехполюсным на постоянных магнитах.
Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых представлены:
Фиг.1 - принципиальная схемой двухступенчатого центробежного компрессора; Фиг.2 - график зависимости тепловых потерь 
tэд и потерь давления Pэд от соотношения площади периферийных пазов втулки корпуса Sв к площади зазора между ротором и статором электродвигателя Sз.
Согласно представленной схеме двухступенчатый центробежный компрессор включает следующие элементы:
корпус 1;
входной патрубок 2;
выходной патрубок 3;
моторная камера 4;
рабочее колесо первой ступени 5;
всасывающая камера второй ступени 6;
диффузор первой ступени 7;
диффузор второй ступени 8;
опорная перегородка первой ступени 9;
опорная перегородка второй ступени 10;
газодинамические подшипники 11;
втулка корпуса 12;
статор электродвигателя 13;
ротор компрессора 14;
ротор электродвигателя 15;
рабочее колесо второй ступени 16;
нагнетательная камера первой ступени 17;
нагнетательная камера второй ступени 18;
всасывающая камера первой ступени 19.
Ротор электродвигателя 15 установлен с зазором относительно статора электродвигателя 13; опорные перегородки 9 и 10 снабжены отверстиями 20, соединяющими нагнетательную камеру первой ступени 17 и всасывающую камеру второй ступени 6 с моторной камерой 4; втулка корпуса 12 снабжена периферийными пазами 21.
Испытания заявленной полезной модели проводились на опытном образце двухступенчатого центробежного компрессора производительностью 350 кВт в режиме водоохлаждающей машины для систем кондиционирования.
Опытный образец представляет собой компрессор двухступенчатый с оппозитным расположением ступеней с обеих сторон высокочастотного синхронного электродвигателя мощностью 100 кВт. Ротор компрессора 14 вращается в газодинамических подшипниках 11 лепесткового типа, установленных с каждой стороны между ступенями и ротором электродвигателя 15. Для обеспечения работоспособности подшипников 11 электродвигатель выполнен высокочастотным синхронным 4-х полюсным на постоянных магнитах, а ротор компрессора 14 - полым, что позволило снизить общий вес ротора компрессора 14 с учетом веса ротора электродвигателя 15 до 7,5 кг.
Оппозитная схема расположения ступеней с рабочими колесами диаметром D=102 мм сократила осевые усилия, действующие на ротор компрессора 14, что позволило отказаться от установки разгрузочного поршня, а применение газодинамических подшипников 11, стоимость и трудоемкость изготовления которых на порядок ниже стоимости электромагнитного подвеса, и многополюсного, в частности - 4-х полюсного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах, существенно снизило габариты и массу компрессора.
Работа компрессора осуществляется следующим образом.
Агент/рабочее тело поступает по входному патрубку 2 через всасывающую камеру первой ступени 19 в рабочее колесо первой ступени 5 компрессора, после процесса сжатия в котором подается в моторную камеру 4 через диффузор первой ступени 7, нагнетательную камеру первой ступени 17 и отверстия 20 в опорной перегородке первой ступени 9. Далее, большая часть рабочего тела, охлаждая внешние поверхности лобовых частей и статора электродвигателя 13, через периферийные пазы 21 во втулке корпуса 12, а вторая часть, охлаждая внутренние поверхности лобовых частей и ротор электродвигателя 15 через зазор между ротором электродвигателя 15 и статором электродвигателя 13, через отверстия 20 в перегородке 10 подается через всасывающую камеру второй ступени 6 на рабочее колесо второй ступени 16 и далее, через диффузор второй ступени 8 и нагнетательную камеру второй ступени 18, на выходной патрубок 3.
Периферийные пазы 21 втулки корпуса 12 обращены к статору электродвигателя 13. При этом отношение площади периферийных пазов 21, выполненных во втулке корпуса 12, к площади зазора между ротором электродвигателя 15 и статором электродвигателя 13 соответствует отношению потерь в статоре 13 и роторе 15 электродвигателя и находится в диапазоне 5-20. Для подачи рабочего тела во всасывающую камеру второй ступени 6 в опорной перегородке второй ступени 10 также предусмотрены отверстия 20.
Всесторонние испытания компрессора на воздухе (вне холодильного цикла) и холодильном агенте R134a подтвердили работоспособность предложенной конструкции, а использование для охлаждения электродвигателя пара агента/рабочего тела после первой ступени обеспечили возможность эффективной автономной работы компрессора вне холодильного цикла без применения водяного охлаждения.
Диапазон изменения отношения площадей определен по результатам испытаний компрессора (см. Фиг.2), а, именно: нижнее значение Sв/Sз=5 определяется минимальными потерями давления в полости электродвигателя - Pэд=0,5 бар, ниже которого резко возрастают потери давления, то есть снижается эффективность компрессора, а верхнее значение Sв/Sз=20 из условия ограничения допустимой температуры нижней части статора и ротора электродвигателя tэд=80 град. C°, выше которого в соответствии с приведенным графиком, температура резко возрастает, что так же означает снижение эффективности компрессора.
С учетом изложенного можно сделать вывод, что поставленная цель полезной модели - повышение функциональной возможности двухступенчатого центробежного компрессора - решена, и заявленный технический результат - возможность эффективной работы компрессора вне холодильного цикла без водяного охлаждения электродвигателя и снижение его массогабаритных характеристик за счет упрощения конструкции - достигнут.
1. Двухступенчатый центробежный компрессор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, всасывающими и моторной камерами, нагнетательными камерами с диффузорами, опорными перегородками с газодинамическими подшипниками и интегрированным в корпус между опорными перегородками статором электродвигателя, размещенным во втулке корпуса, имеющей периферийные пазы, размещенный в газодинамических подшипниках ротор компрессора с установленными на нем рабочими колесами первой и второй ступеней и ротором электродвигателя, который установлен с зазором относительно статора, отличающийся тем, что опорные перегородки снабжены отверстиями, соединяющими диффузор нагнетательной камеры первой ступени и всасывающую камеру второй ступени с моторной камерой, а отношение площади периферийных пазов втулки корпуса к площади зазора между ротором и статором электродвигателя равно
Sв/Sз=5-20,
где Sв - площадь периферийных пазов втулки корпуса;
Sз - площадь зазора между статором и ротором электродвигателя.
2. Двухступенчатый центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что ротор компрессора выполнен полым.
3. Двухступенчатый центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что периферийные пазы втулки обращены к статору электродвигателя.
4. Двухступенчатый центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен высокочастотным синхронным на постоянных магнитах.
5. Двухступенчатый центробежный компрессор по п.4, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен четырехполюсным.
