DE60123642T2

DE60123642T2 - Mehrstufiger hochdruckkreiselverdichter

Info

Publication number: DE60123642T2
Application number: DE60123642T
Authority: DE
Inventors: Paul Erik FABRY
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: WO2002025117A1; US7044716B2; CN1253662C; AU2001291523B2; EP1319132A1; KR20030038745A; CA2422443C; AU9152301A; KR100730970B1; US20030175128A1; ATE341713T1; JP4355491B2; CN1461387A; DK1319132T3; JP2004508500A; DE60123642D1; BE1013692A3; EP1319132B1; CA2422443A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Hochdruckkreiselverdichter, welcher wenigstens zwei Verdichterelemente, die in Reihe als Verdichterstufen angeordnet sind, und wenigstens zwei Elektromotoren zum Antreiben dieser Verdichterelemente enthält.
DE 199 32 433 offenbart eine mehrstufige Verdichtungsanordnung, umfassend einen Kreiselverdichter, der von einem Elektromotor angetrieben wird, in Reihe mit drei Kolbenverdichtern, die von einem getrennten einzigen Elektromotor angetrieben werden.
Ein Kreiselverdichterelement hat eine hohe Effizienz, wenn seine spezifische Drehzahl dicht beim optimalen Wert gelegen ist. Die spezifische Drehzahl Ns ist definiert als:
wobei:

N: = die Rotationsgeschwindigkeit des Laufrads ist,
Q_vol: = der Volumenstrom am Einlass ist,
C': = eine Konstante ist, die unter anderem in Funktion der verwendeten Einheiten unterschiedlich ist,
DH: = der adiabatische Kopf des Verdichters ist:

π: = das Druckverhältnis,
T: = die Einlasstemperatur,
cp: = die spezifische Wärme des Gases auf einem konstanten Druck,
k: = das Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases auf dem konstanten Druck und die spezifische Wärme des Gases bei einem konstanten Volumen ist.

Um eine gute Effizienz und somit einen niedrigen spezifischen Verbrauch oder Stromverbrauch per Druckluftmenge zu erhalten, ist es notwendig, die Parameter in der Gestaltung eines Verdichterelements so auszuwählen, dass Ns sich dicht am Optimum befindet.
In der Tat deutet die Gleichung für Ns an, dass für Gestaltungen mit demselben Durchfluss die Drehgeschwindigkeit für ein höheres Druckverhältnis ansteigen muss, und dass für Gestaltungen mit einem konstanten Druckverhältnis die Drehgeschwindigkeit für einen kleineren Durchfluss ansteigen muss.
Es sind Kreiselverdichter bekannt, wobei die Wellen der Verdichterelemente direkt von Elektromotoren auf einer hohen Rotationsgeschwindigkeit angetrieben werden.
Solche Kreiselverdichter erfordern weniger Stufen, um ein hohes Druckverhältnis zu erhalten, als die herkömmlichen Kreiselverdichter, die direkt von Hochgeschwindigkeitsmotoren auf einer niedrigen Geschwindigkeit angetrieben werden.
Hochgeschwindigkeitsmotoren sind durch einen Kennwert M = P·N² gekennzeichnet, der größer oder gleich 0,1·10¹² ist, wobei P die Motorkraft, ausgedrückt in kW, ist und N die Drehgeschwindigkeit, ausgedrückt in Umdrehungen pro Minute, ist.
Der schnelle Antrieb gestattet ein höheres Druckverhältnis pro Stufe. Weniger Stufen bedeuten geringeren Verlust.
Solche Kreiselverdichter vermeiden die Verwendung eines Getriebes, wie etwa bei herkömmlichen Kreiselverdichtern mit einem Antrieb über das Getriebe, was einen hohen Anteil von Verlusten impliziert, Ölschmierung erfordert und viel Raum einnimmt.
Außerdem ist ein Hochgeschwindigkeitsmotor viel kleiner als ein herkömmlicher langsamer Elektromotor.
Der Hochgeschwindigkeitsmotor ist mit für diese hohen Drehgeschwindigkeiten eingerichteten Lagern ausgestattet. Wenn Luftlager oder Magnetlager verwendet werden, ist kein Öl erforderlich und ist der Verdichter vollständig ölfrei, was einen zusätzlichen Vorteil in Beziehung zu Verdichtern mit Lagern, die Ölschmierung erfordern, bietet.
Das Problem liegt in der Begrenzung der Kraft und der Drehgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitsmotors und dem Bedarf eines Kreiselverdichters an hohem Druck.
Elektrische Hochgeschwindigkeitsmotoren sind durch ein geringes Volumen und folglich eine hohe Energiedichte gekennzeichnet. In Anbetracht der geringen Abmessungen verursacht die Kühlung ein spezifisches Problem.
Das Verhältnis der angelegten Kraft P und der abführbaren Kraft (h·A) ist der abmessungslose Wert M' = P/(h·A). Hierbei ist A die Referenz-Wärmetauschoberfläche und ist h der effektive Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem heißen Motor und der kälteren Umgebung, eventuell mittels eines Kühlsystems mit Wärmetauscher.
Die Oberfläche ist proportional zum Quadrat der spezifischen Länge des Motors, nämlich dem Radius des Rotors R. Der Kennwert M' kann auch dargestellt werden als:
Der Radius des Rotors ist auch das Verhältnis von V zu N, wobei N die Drehgeschwindigkeit des Motors ist und V die Spitzengeschwindigkeit des Motors ist. Somit kann M' dargestellt werden als:
Für einen gegebenen Typ von Wärmeaustausch ist h eine Konstante, und für ein gegebenes Material ist V aufgrund zentrifugaler Spannungen eingeschränkt.
Folglich ist der Kennwert M = P·N² ein Wert, der den Schwierigkeitsgrad der Gestaltung und der Konstruktion des Elektromotors andeutet. Je höher der Wert M, desto schwieriger ist es, den Motor zu kühlen. Ein hoher Wert M erfordert mehr Effizienz (sodass weniger Verluste abgeführt werden müssen), einen besseren Wärmeübertragungskoeffizienten und eine höhere Materialstärke.
In der Praxis impliziert das, dass ein Motor mit einem höheren Kennwert M eine teurere Gestaltung erfordert und dass die Entwicklung länger dauern wird als für einen Motor mit einem niedrigeren Kennwert M.
Für einen Turboverdichter ist die erforderliche Kraft gleich:
wobei:

η: = die adiabatische Effizienz des Verdichters,
ρ: = die Dichte des Gases,
Q: = der Mengendurchfluss ist.

Die Umdrehungszahl N ist als eine Funktion einer guten spezifischen Drehgeschwindigkeit Ns
gewählt, woraus sich das folgende ergibt:
C ist hierbei eine Konstante. Diese Gleichung deutet an, dass ein Elektromotor für einen Kreiselverdichter, der direkt angetrieben wird, für ein höheres Druckverhältnis (π) und für eine Hochdruckstufe, das heißt, mit einer höheren Dichte am Einlass, schwieriger zu verwirklichen ist.
Aus dieser Argumentation wird deutlich, dass eine Verdichtung auf hohe Drücke in einer einzigen Stufe mit einem einzigen Antrieb extrem schwierig zu verwirklichen ist.
Deswegen muss eine Lösung gefunden werden, um den Kennwert M trotzdem niedrig zu halten.
Eine auf der Hand liegende Lösung ist, die Verdichtung in mehr als einer Stufe auszuführen, wobei mehr als ein Motor verwendet wird, beispielsweise ein Motor für die Niederdruckstufe und ein Motor für die Hochdruckstufe.
Aus der letzten Gleichung wird jedoch deutlich, dass der höhere Druck für die Hochdruckstufe mit einem viel höheren Kennwert M einhergeht. Dies ist schwierig zu verwirklichen.
Folglich muss der Konstrukteur sich mit einem niedrigeren Ns und folglich geringerer Effizienz zufriedengeben.
Eine begrenzte Verbesserung kann erhalten werden, indem für eine optimale Verteilung der Druckverhältnisse der Nieder- und Hochdruckstufen gesorgt wird, nämlich durch höheres Einstellen des Druckverhältnisses in den ersten Stufen als der Druckverhältnisse der letzten Stufen.
Besagte Verbesserung ist jedoch begrenzt, da für Druckverhältnisse, die größer als drei sind, die Mach-Wert-Verluste (Stoßverluste) stark zunehmen.
Die Erfindung bezweckt eine Lösung für die oben erwähnten Nachteile, und sie gestattet das Begrenzen des Kennwerts M des Elektromotors für die Hochdruckstufe in einem mehrstufigen Verdichter, ohne dass die spezifische Drehgeschwindigkeit der Kreiselverdichterelemente viel von der optimalen spezifischen Geschwindigkeit abweichen muss.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Kreiselverdichter, außer wenigstens einem Verdichterelement, das eine Niederdruckstufe bildet und das von einem Elektromotor angetrieben wird, wenigstens zwei Verdichterelemente enthält, die Hochdruckstufen bilden und die in Reihe angeordnet sind und von ein und demselben zweiten Elektromotor angetrieben werden.
In der Tat läuft es darauf hinaus, dass die Hochdruckstufe von einem bekannten mehrstufigen Kreiselverdichter durch wenigstens zwei Hochdruckstufen ersetzt wird, die jedoch von ein und demselben Hochgeschwindigkeitsmotor angetrieben werden. Dies verringert das Druckverhältnis für die Hochdruckstufen stark, wodurch die Drehgeschwindigkeit relativ niedrig sein kann.
Die Verdichterelemente, welche die Hochdruckstufen bilden, können zusammen montiert werden, mit ihren Rotoren auf ein und derselben Welle, die von den zweiten Motor angetrieben wird.
Außerdem können die Druckverhältnisse für diese Hochdruckstufen so gewählt werden, dass die spezifischen Geschwindigkeiten dieser Hochdruckstufen nicht viel von der optimalen spezifischen Geschwindigkeit abweichen.
Vorzugsweise sind die Motoren identisch zueinander, was impliziert, dass sie dasselbe elektromagnetische Statorteil und/oder dasselbe elektromagnetische Rotorteil und/oder dieselben Lager und/oder dasselbe Kühlteil haben.
Die Motoren sind vorzugsweise Hochgeschwindigkeitsmotoren.
Der Kreiselverdichter kann einen Zwischenkühler für das verdichtete Gas zwischen den Verdichterelementen der in Reihe angeordneten oben erwähnten Hochdruckstufen enthalten.
Zur besseren Erläuterung der Merkmale der Erfindung sind die nachfolgenden bevorzugten Ausführungen eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Hochdruckkreiselverdichters als Beispiel, ohne in irgendeiner Weise einschränkend zu sein, beschrieben, unter Verweis auf die begleitende Zeichnung, worin ein solcher erfindungsgemäßer Kreiselverdichter dargestellt ist.
Der in der Figur dargestellte Hochdruckkreiselverdichter besteht im Wesentlichen aus einer von einem ersten Verdichterelement 1 geformten Niederdruckstufe, dessen Rotor mittels der Welle 2 von einem ersten Hochgeschwindigkeits-Elektromotor 3 angetrieben wird, und zwei Hochdruckstufen, welche von zwei in Reihe angeordneten Verdichterelementen 4 und 5 gebildet werden, die jedoch mit ihren Rotoren an ein und derselben Welle 6 befestigt sind und die somit mittels ein und derselben Welle 6 von einem einzigen zweiten Hochgeschwindigkeitsmotor 7 angetrieben werden.
Das Verdichterelement 1, woran das Einlassrohr 8 angeschlossen ist, ist mit seiner Druckluftleitung 9 mit dem Verdichterelement 4 verbunden. In dieser Druckluftleitung ist ein mit Umgebungsluft oder Kühlwasser gekühlter Zwischenkühler 10 montiert.
Die Druckluftleitung 11 des Verdichterelements 4 ist an das Verdichterelement 5 angeschlossen, das an seinem Auslass mit einer Druckluftleitung 12 versehen ist. In der ersterwähnten Druckluftleitung 11 ist zwischen den Verdichterelementen 4 und 5 ein mit Umgebungsluft oder Kühlwasser gekühlter zusätzlicher Zwischenkühler 13 angeordnet.
Die Zwischenkühler 10 und 13 können aus einem Radiator 14 bestehen, durch den das verdichtete Gas strömt und gegenüber welchem ein Ventilator 15 aufgestellt ist.
Die Druckverhältnisse der zwei Hochdruckstufen und somit der zwei Verdichterelemente sind so gewählt, dass ihre spezifische Drehgeschwindigkeit Ns nicht viel von der optimalen abweicht.
Außerdem sind in der dargestellten Ausführung diese Druckverhältnisse auch so gewählt, dass die gleichen Motoren verwendet werden können. Die Hochgeschwindigkeitsmotoren 3 und 7 sind somit gleich zueinander, was impliziert, dass sie dasselbe elektromagnetische Statorteil und/oder dasselbe elektromagnetische Rotorteil und/oder dieselben Lager und/oder dasselbe Kühlteil haben.
Gas, das von dem Einlassrohr 8 angesaugt wird, beispielsweise Luft, wird zuerst auf einem niedrigen Druck von dem Niederdruckverdichterelement 1 verdichtet und anschließend in zwei Stufen, aufeinanderfolgend durch die Verdichterelemente 4 und 5, auf den Enddruck gebracht.
Durch Aufteilen der Hochdruckstufe in zwei Stufen nimmt das Druckverhältnis π per Stufe oder Verdichterelement stark ab, sodass die erforderliche Drehgeschwindigkeit N des Hochgeschwindigkeitsmotors 7 stark abnimmt.
Die drei kombinierten Stufen ermöglichen es, von atmosphärischen Bedingungen zu einem effektiven Druck von 7 bis 8, 6 bar zu gehen, ohne das Druckverhältnis von drei pro Stufe zu überschreiten. Folglich ist die Anzahl von Teilen begrenzt und werden auch die Stoßverluste begrenzt.
Die zusätzliche Zwischenkühlung der Luft zwischen den in Reihe angeordneten Ersatzstufen bietet dadurch einen zusätzlichen Vorteil, dass weniger Verbrauch an elektrischer Energie auftritt.
Obwohl die Verwendung identischer Motoren einen Vorteil in wirtschaftlichem Maßstab impliziert und den Vorteil der Modularität mit einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Teile bietet, können die Hochgeschwindigkeitsmotoren 3 und 7 trotzdem in anderen Ausführungen verschieden voneinander sein.
Es ist auch nicht absolut notwendig, dass die Anzahl der von demselben Hochgeschwindigkeitsmotor 7 angetriebenen Hochdruckstufen exakt zwei ist. Es können drei oder mehr Hochdruckstufen vorhanden sein.
Auch kann der Kreiselverdichter mehrere Niederdruckstufen in Reihe enthalten, die jede ein von ihrem eigenen Hochgeschwindigkeitsmotor angetriebenes Verdichterelement enthalten.
Die Erfindung ist keineswegs auf die in der begleitenden Zeichnung dargestellten, oben beschriebenen Ausführungen begrenzt, vielmehr kann ein solcher mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter in allen Arten von Varianten hergestellt werden, ohne die Reichweite der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter, welcher wenigstens zwei Verdichterelemente (1, 4, 5), die in Reihe als Verdichterstufen angeordnet sind, und wenigstens zwei Elektromotoren (3, 7) zum Antreiben dieser Verdichterelemente (1, 4, 5) enthält, wobei er, außer wenigstens einem Verdichterelement (1), das eine Niederdruckstufe bildet und das von einem Elektromotor (3) angetrieben wird, wenigstens zwei Verdichterelemente (4, 5) enthält, die Hochdruckstufen bilden und die in Reihe geschaltet sind und von ein und demselben Elektromotor (7) angetrieben werden.
Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hochdruckstufen bildenden Verdichterelemente (4, 5) mit ihren Rotoren an ein und derselben Welle (2) montiert sind, die von dem zweiten Elektromotor (7) angetrieben wird.
Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverhältnisse für die Hochdruckstufen, deren Verdichterelemente (4, 5) von ein und demselben Motor (7) angetrieben werden, so ausgewählt worden sind, dass die spezifischen Geschwindigkeiten dieser Hochdruckstufen nicht viel von der optimalen spezifischen Geschwindigkeit abweichen.
Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren (3, 7) identisch zueinander sind und somit dasselbe elektromagnetische Statorteil und/oder dasselbe elektromagnetische Rotorteil und/oder dieselben Lager und/oder dasselbe Kühlteil haben.
Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren (3, 7) Hochgeschwindigkeitsmotoren sind.
Mehrstufiger Hochdruckkreiselverdichter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zwischenkühler (13) für das komprimierte Gas enthält, der zwischen den Verdichterelementen (4, 5) der vorangehend erwähnten, in Reihe angeordneten Hochdruckstufen angeordnet ist.