Многоступенчатый центробежный компрессор

Изобретение относится к усовершенствованному многоступенчатому центробежному компрессору(10), содержащему по меньшей мере четыре центробежных ступени сжатия (11, 12, 13, 14), каждая из которых содержит рабочее колесо. Рабочие колеса одной пары ступеней (12, 13) установлены на первом валу (23), соединенном с первым высокооборотным двигателем с прямым приводом (16),а рабочие колеса другой пары ступеней (11, 14) установлены на втором валу (24), соединенном со вторым высокооборотным двигателем (15) с прямым приводом. Скоростями первого и второго двигателя управляет по меньшей мере один привод (25) с обеспечением приведения в движение всех рабочих колес с одной скоростью. Пеусса Йоуко Тапани (DE) Нилова М.И. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГАРДНЕР ДЕНВЕР ДОЙЧЛАНД ГМБХ (DE) Изобретение относится к усовершенствованиям в многоступенчатых центробежных компрессорах и, в частности, к усовершенствованному многоступенчатому центробежному компрессору. Динамические компрессоры с регулируемой скоростью, такие как центробежные компрессоры, использовались для сжатия воздуха или других газов начиная с 1960 г. Центробежные компрессоры, которые содержат цилиндрическую сборку лопаток компрессора, установленных на оси с формированием рабочего колеса, используют в самых разных областях для различных целей. У компрессоров, как правило, низкое энергопотребление и низкие эксплуатационные расходы, так как они содержат небольшое количество движущихся частей и обычно дают воздушный поток более высокой скорости, чем поршневой компрессор аналогичного размера. Основной недостаток центробежных компрессоров состоит в том,что обычно они не могут достичь высокой степени сжатия, обеспечиваемой поршневыми компрессорами, без множества ступеней, хотя многоступенчатые центробежные компрессоры могут достичь значительных величин давления нагнетания. Производительность центробежного компрессора выражается в параметрах скорости вращения рабочего колеса, общего напора и необходимого объемного расхода. В центробежных компрессорах коэффициент давления, представляющий собой отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе в компрессор, пропорционален скорости вращения рабочего колеса. КПД ступени компрессора коррелирует с коэффициентом быстроходности, который определяется как скорость идеального компрессора, геометрически подобного фактическому компрессору, который при работе на такой скорости поднимет единицу объема за единицу времени на единицу напора. Коэффициент быстроходности (Ns) можно рассчитать по следующей формуле: где N - число оборотов рабочего колеса (об/мин);Q - объемный расход (1/м); Н - суммарный динамический напор (м). На фиг. 1 показана зависимость КПД от коэффициента быстроходности для ряда центробежных компрессоров, указывающая на то, что существует оптимальный коэффициент быстроходности с КПД,снижающимся при большем и меньшем коэффициенте быстроходности. Известные центробежные компрессоры, используемые в промышленности в области пневматики,как правило, представляют собой двухступенчатые или трехступенчатые компрессоры. Для достижения требуемого коэффициента давления общий КПД можно повысить посредством промежуточного охлаждения между ступенями, поскольку удельную работу (w), т.е. работу на единицу массы потока на ступень, можно рассчитать по следующей формуле: где R1 - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении (Дж/кгК);T1 - температура на входе (К);n - отношение удельной теплоемкости газа при постоянном давлении и удельной теплоемкости газа при постоянном объеме;Pr - коэффициент давления. Пренебрегая небольшими изменениями в удельной теплоемкости (R1), можно показать, что общая удельная работа (w) меньше для сжатия на двух ступенях с охлаждением снова почти до температуры(T1) на входе второй ступени, чем для сжатия на одной ступени. Аналогичным образом, удельная работа(w) для трехступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением меньше, чем для двухступенчатого сжатия. Поскольку воздух или газ сжимается на каждой ступени, объемный расход (Q) будет уменьшаться пропорционально коэффициенту давления ступени (Pr). Если подъем напора равномерно распределен по всем ступеням, то коэффициент быстроходности (Ns2) второй ступени будет меньше коэффициента быстроходности (Ns1) первой ступени. Аналогично, коэффициент быстроходности третьей ступени (Ns3) будет меньше коэффициента быстроходности (Ns2) второй ступени. Как правило, коэффициент быстроходности второй ступени (Ns2) находится в диапазоне КПД высоких ступеней, поскольку диапазон коэффициентов быстроходности с хорошим КПД достаточно широк в этом диапазоне компрессоров. Возможно, что КПД третьей ступени находится ниже оптимального уровня, если коэффициент быстроходности достаточно мал (см. фиг. 1). В известных трехступенчатых центробежных компрессорах зачастую рабочие колеса первой и второй ступени расположены на одном валу, а рабочее колесо третьей ступени расположено на другом валу. Коробка передач выполнена с обеспечением приведения в движение каждого вала с оптимальной скоростью или почти с оптимальной скоростью. Описание примера такой конструкции дано в документе US 6488467 В. В последнее время, однако, в центробежных компрессорах используют прямые приводы, например,-1 022178 как описано в документах ЕР 1319132 А и ЕР 1217219 А. Коробки передач не используют в компрессорах с прямым приводом, поэтому скорость каждой ступени можно оптимизировать посредством отдельных двигателей и приводов, как показано, например, в заявке US 20070189905A, Недостаток таких систем состоит в том, что отдельные двигатели и приводы дорого стоят и требуют сложных систем управления для управления многочисленными двигателями и/или приводами. Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованного многоступенчатого компрессора, имеющего повышенный КПД. Таким образом, изобретение включает многоступенчатую систему сжатия, содержащую по меньшей мере четыре центробежные ступени сжатия, каждая из которых содержит рабочее колесо, причем в указанной системе рабочие колеса одной пары ступеней установлены на первом валу, соединенном с первым высокооборотным двигателем с прямым приводом, а рабочие колеса другой пары ступеней установлены на втором валу, соединенном со вторым высокооборотным двигателем с прямым приводом, и обеспечено такое управление скоростями первого и второго двигателя посредством по меньшей мере одного привода, что все рабочие колеса приводятся в движение с одной скоростью. Преимуществом такой конструкции является то, что систему сжатия можно упростить в части, касающейся количества приводов, без ущерба для КПД ступени. Далее изобретение описано только на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 показан график, иллюстрирующий КПД центробежного компрессора в зависимости от коэффициента быстроходности; на фиг. 2 - схематическое изображение одного варианта реализации изобретения; на фиг. 3 - схематическое изображение другого варианта реализации изобретения. Как показано на фиг. 2, трехступенчатый центробежный компрессор 10 содержит две первые ступени 11 и 12, установленные параллельно друг другу, вторую ступень 13 и третью ступень 14, каждая из которых соединена последовательно. Таким образом, текучая среда для сжатия делится поровну между входными отверстиями для текучей среды двух первых ступеней 11, 12 и сжимается одновременно. Текучая среда, выпускаемая из выходных отверстий для текучей среды первых двух ступеней 11, 12, затем соединяется перед переходом во входное отверстие для текучей среды второй ступени, а затем третьей ступени. Ступени 11/12, 13, 14 приводит в движение пара высокооборотных двигателей 15/16 с прямым приводом. Четыре рабочих колеса установлены на двух валах 23, 24, которые приводят в движение два высокооборотных двигателя 15, 16 с прямым приводом. Рабочее колесо второй ступени 13 установлено на том же валу 23 привода, что и рабочее колесо одной из первых ступеней 12. Рабочее колесо третьей ступени 14 установлено на том же валу 24, что и рабочее колесо другой из первых ступеней 11. Скоростью двигателей 15, 16 управляет одиночный частотно-регулируемый привод, другой привод или контроллер 25, а следовательно все четыре рабочих колеса приводятся в движение с одной скоростью. Можно использовать более одного привода 25 или контроллера, и в этом случае все четыре рабочих колеса попрежнему будут приводиться в движение с одной скоростью. Текучая среда для сжатия всасывается в рабочие колеса двух параллельных первых ступеней 11, 12. Потоки сжатой текучей среды, выпускаемые из двух первых ступеней 11, 12, проходят через промежуточный охладитель 21 и смешиваются перед всасыванием в рабочее колесо второй ступени 13. Текучая среда, выпускаемая из второй ступени 13, проходит через второй промежуточный охладитель 22 перед всасыванием в рабочее колесо третьей ступени 14. Текучая среда, выпускаемая из третьей ступени 14,наконец, проходит через добавочный охладитель 26 перед выпуском для использования. Два потока текучей среды первой ступени сжатия можно смешать до или после прохождения первого промежуточного охладителя (21). Преимущество данной конструкции с разделением первой ступени 11/12 состоит в том, что стоимость, сложность и вероятность неисправности, связанные с дополнительными приводами и двигателями, значительно снижаются. КПД каждой ступени 11/12, 13, 14 можно приблизить к оптимальному значению, так как диапазон коэффициента быстроходности по трем ступеням 11/12, 13, 14 относительно мал. Например, если общее отношение давлений (Pr) равно 8, то с одинаковым повышением давления на каждой ступени 11/12, 13, 14 коэффициент быстроходности (Ns1) каждой из первых ступеней 11, 12 будет пропорционален (Q/2), где Q - общий объемный расход через компрессор на входе, и каждая первая ступень 11, 12 сжимает 50% потока. Коэффициент быстроходности (Ns2) второй ступени 13 будет пропорционален (Q/2), а коэффициент быстроходности (Ns3) третьей ступени 14 будет пропорционален(Q/4)0,5. В другом варианте реализации настоящего изобретения добавлена четвертая ступень, что дает возможность компрессору 10 достигать более высоких значений давления, чем в ранее описанном варианте. Как показано на фиг. 3, имеется только одна первая ступень 12, а третий промежуточный охладитель 27 расположен между третьей ступенью 14 и четвертой ступенью 28. Дополнительный промежуточный охладитель 27 способствует оптимизации КПД термодинамического сжатия, поддерживая низкие температуры на входе в четвертую ступень 28. При такой конструкции рабочие колеса первой и второй ступеней 12, 13 устанавливают на первом валу 23, а рабочие колеса третьей и четвертой ступеней 14, 28 устанавливают на втором валу 24. Так же,как описано выше, каждый вал 23, 24 приводит в движение высокооборотный двигатель 15, 16 с прямым приводом, причем двигателями 15, 16 управляет по меньшей мере один привод 25. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Многоступенчатая система сжатия, содержащая три центробежные ступени сжатия, причем первая ступень (11, 12) содержит два рабочих колеса, а вторая (13) и третья (14) ступени содержат по одному рабочему колесу, причем одно рабочее колесо первой ступени (11, 12) сжатия установлено на первом валу (24), соединенном с первым высокооборотным двигателем (15) с прямым приводом, а другое колесо первой ступени (11, 12) сжатия установлено на втором валу (23), соединенном со вторым высокооборотным двигателем (16) с прямым приводом, рабочее колесо второй ступени (13) установлено на одном из первого и второго валов (23, 24), а рабочее колесо третьей ступени (14) установлено на другом валу из первого и второго валов (23, 24), при этом обеспечено управление скоростями первого (15) и второго двигателей (16) посредством по меньшей мере одного привода с обеспечением приведения в движение всех рабочих колес с одной скоростью, при этом рабочие колеса первой ступени (11, 12) сжатия установлены параллельно друг другу, а вторая (13) и третья (14) ступени сжатия установлены последовательно с первой ступенью (11, 12) сжатия и последовательно друг другу, причем вторая ступень (13) находится ниже по потоку от обоих рабочих колес первой ступени (11, 12) и принимает текучую среду от первой ступени (11, 12) без прохождения указанной текучей среды через третью ступень (14). 2. Система по п.1, в которой с выходным отверстием для текучей среды первой ступени (11, 12) сжатия и входным отверстием для текучей среды второй ступени (13) сжатия соединен первый промежуточный охладитель (21). 3. Система по п.2, в которой первый промежуточный охладитель (21) соединен со всеми выходными отверстиями для текучей среды первой ступени (11, 12) сжатия, так что обеспечено объединение потоков текучей среды, получаемых от первой ступени (11, 12) сжатия, с направлением единого охлажденного потока текучей среды на вторую ступень (13) сжатия. 4. Система по п.3, в которой с выходным отверстием для текучей среды второй ступени (13) сжатия и входным отверстием для текучей среды третьей ступени (14) сжатия соединен второй промежуточный охладитель (22). 5. Система по любому из пп.1-4, в которой с выходным отверстием для текучей среды третьей ступени (14) сжатия соединен добавочный охладитель (26). 6. Система по любому из пп.1-5, в которой двигатели (15, 16) выполнены с возможностью управления ими, по меньшей мере, посредством одного частотно-регулируемого привода.