Многоступенчатый компрессор для сжатия газов

Устройство предназначено для использования в области компрессоростроения. Многоступенчатый компрессор (1) для сжатия газов содержит зону (7) низкого давления и зону (4) высокого давления. Зона (4) высокого давления имеет, по меньшей мере, один приводимый в действие через коленчатый вал (5) поршневой компрессор (3). Зона (7) низкого давления имеет в качестве компрессора (6) низкого давления, по меньшей мере, один винтовой компрессор (20) с вращающимся вытеснителем (8), который соединен с коленчатым валом (5) поршневого компрессора (3). Между поршневым компрессором и винтовым компрессором предусмотрены охлаждающее устройство и отделитель конденсата. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к многоступенчатому компрессору для сжатия газов, содержащему зону низкого давления и зону высокого давления, при этом зона высокого давления имеет по меньшей мере один приводимый в движение через коленчатый вал поршневой компрессор, а зона низкого давления имеет по меньшей мере один компрессор низкого давления с вращающимся вытеснителем. Для привода коленчатого вала может быть предусмотрен, например, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина или т.п.

В поршневых компрессорах сжатие является недостаточным вследствие сжимаемости подлежащей компрессии среды в зоне низкого давления, которая может содержать несколько ступеней сжатия, поскольку как раз при всасывании в области атмосферного давления необходимы очень большие объемы поршней, соответственно цилиндров. Такие большие цилиндры являются, с одной стороны, технически проблематичными из-за неблагоприятного соотношения хода к внутреннему диаметру (поскольку ход поршней всех компрессорных ступеней обычно одинаков, а диаметр цилиндра в различных ступенях сжатия изменяется), и с другой стороны, это приводит к очень высокой стоимости вследствие величины клапанов, поршневых колец и т.д.

Уже известно применение для сжатия в зоне низкого давления компрессоров, приводимых в действие независимо от последующего поршневого компрессора (например, винтового компрессора, ротационного компрессора и т.д.), которые в зоне низкого давления работают более эффективно по сравнению с поршневыми компрессорами. Предварительно сжатая среда затем подается в первую ступень сжатия в последующий поршневой компрессор, в которой она сжимается далее. При этом, однако, недостатком является то, что за счет отдельного блока привода для компрессора низкого давления образуются относительно большие многоступенчатые компрессоры.

Дополнительно к этому известен прототип многоступенчатого поршневого компрессора фирмы Bauer Kompressoren GmbH, который был выставлен в Вене на Gastec-Messe 1995. В этом многоступенчатом компрессоре отдельный поршневой компрессор соединен непосредственно с коленчатым валом последующего многоступенчатого поршневого компрессора. При этом соединенный непосредственно с коленчатым валом последующего многоступенчатого поршневого компрессора поршневой компрессор служит лишь для исчерпания последующего многоступенчатого поршневого компрессора. Однако за счет этого не устраняются указанные выше недостатки поршневого компрессора в зоне низкого давления.

Кроме того, из GB 597437 А известен воздушный компрессор для авиационных двигателей, в котором в зоне низкого давления предусмотрен ротационный компрессор, и предварительно сжатый ротационным компрессором воздух затем подается в многоступенчатый поршневой компрессор. Ротационный компрессор и поршневой компрессор приводятся в действие оба через общий коленчатый вал. Однако при этом недостатком является то, что с помощью ротационного компрессора с сухими пластинами можно обеспечивать предварительное сжатие максимально в 2,5 бар.

В GB 540580 А также показан воздушный компрессор, в котором предусмотрена воздуходувка Рута для предварительного сжатия воздуха, который после этого направляется в поршневой компрессор для дальнейшего сжатия. В этом многоступенчатом компрессоре коленчатые валы поршневых компрессоров не соединены непосредственно с приводным валом воздуходувки Рута, а с помощью ремня. Однако и в этом случае предварительное сжатие с помощью воздуходувки Рута (максимально 2 бара) является очень небольшим.

Поэтому задачей данного изобретения является создание многоступенчатого компрессора, в частности стационарного компрессора, который имеет компактную конструкцию и одновременно пригоден для относительно высокого сжатия, при этом уже при сжатии низкого давления должен обеспечиваться более высокий уровень сжатия, чем известно до настоящего времени. Кроме того, на основе своей компактной конструкции, многоступенчатый компрессор должен быть относительно недорогим в изготовлении.

Многоступенчатый компрессор согласно изобретению указанного выше типа характеризуется тем, что в качестве компрессора низкого давления предусмотрен по меньшей мере один винтовой компрессор. За счет соединения винтового компрессора с коленчатым валом последующего поршневого компрессора создается в данном случае многоступенчатый компрессор, в котором нет необходимости в собственном приводном блоке для компрессора низкого давления, и одновременно обеспечивается относительно высокое предварительное сжатие до максимально около 40 бар.

Для особенно компактного, конструктивно простого выполнения компрессора согласно изобретению является предпочтительным, если вытеснитель винтового компрессора непосредственно соединен с коленчатым валом поршневого компрессора. За счет непосредственного соединения винтового компрессора с поршневым компрессором отпадает не только необходимость в отдельном приводном блоке для винтового компрессора, а можно винтовой компрессор - при соответствующей скорости вращения коленчатого вала - соединять непосредственно с коленчатым валом поршневого компрессора без промежуточного включения передачи.

В особых случаях применения многоступенчатого компрессора является предпочтительным с точки зрения гибкого расположения винтового компрессора относительно коленчатого вала поршневого компрессора, если вытеснитель винтового компрессора соединен с коленчатым валом поршневого компрессора с помощью устройства сцепления, передающего крутящий момент коленчатого вала. При этом в большинстве случаев предпочтительно, если для простоты предусмотрено устройство сцепления, передающее крутящий момент коленчатого вала в отношении 1:1. Простое конструктивное выполнение сцепления между вытеснителем ступени низкого давления и коленчатым валом ступени высокого давления обеспечивается тогда, когда в качестве устройства сцепления предусмотрена цепная передача или ременная передача.

Для увеличения или уменьшения скорости вращения коленчатого вала до скорости вращения вытеснителя винтового компрессора предпочтительно предусматривать в качестве устройства сцепления зубчатую передачу. Кроме того, с точки зрения модульного применения различных предварительных винтовых компрессоров предпочтительно предусматривать устройство сцепления с возможностью рассоединения.

С точки зрения особенно компактного выполнения многоступенчатого компрессора, надежного всасывания при окружающем давлении и, в частности, с точки зрения благоприятных условий опоры приводного, соответственно коленчатого вала, предпочтительно, если винтовой компрессор расположен на стороне поршневого компрессора, противоположной приводному блоку многоступенчатого компрессора.

Поскольку в винтовых компрессорах происходит внутреннее сжатие всасываемого газа, за счет чего повышаются давление и температура газа, целесообразно, если на пути газа между поршневым компрессором и винтовым компрессором предусмотрено устройство охлаждения, поскольку тем самым ограничивается подъем температуры и уменьшается необходимая работа сжатия.

При сжатии увлажненных газов, в частности при сжатии воздуха, при промежуточном охлаждении конденсируется определенное количество конденсируемой части газа. Поэтому является предпочтительным, если на пути газа между поршневым компрессором и винтовым компрессором предусмотрен водоотделитель.

Для ограничения конечной температуры сжатия в ступени компрессора до допустимого значения предпочтительно, если компрессор низкого давления имеет несколько ступеней сжатия, поскольку тем самым обеспечивается экономия энергии по сравнению с одноступенчатым сжатием, улучшается коэффициент подачи и уменьшаются передаточные усилия. Если поршневой компрессор имеет несколько ступеней сжатия, то также обеспечиваются указанные выше преимущества.

Для эффективного сжатия относительно большого количества газа целесообразно, если в ступени сжатия компрессора низкого давления, соответственно поршневого компрессора предусмотрено несколько параллельных камер сжатия.

Для эффективного регулирования всего многоступенчатого компрессора целесообразно, если между отдельными ступенями сжатия предусмотрено по меньшей мере одно устройство регулирования, при этом в качестве устройства регулирования могут быть предусмотрены, например, выпускные клапаны, перепускные клапаны, регулируемые аварийные пространства, регуляторы скорости вращения и другие различные приборы. В частности, для управления, соответственно регулирования многоступенчатого компрессора можно использовать различные механические, пневматические, гидравлические, электрические или электронные компоненты, за счет которых обеспечивается управление, соответственно регулирование на месте, а также в дистанционном режиме.

Ниже приводится подробное описание изобретения на примере показанных на чертежах вариантов выполнения, которыми оно, однако, не должно ограничиваться, при этом на чертежах изображено:

фиг.1 - схема многоступенчатого компрессора с одним поршневым компрессором в зоне высокого давления и одним винтовым компрессором;

фиг.2 - схема многоступенчатого компрессора согласно фиг.1, однако с устройством сцепления между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления;

фиг.3 - разрез винтового компрессора;

фиг.4 - разрез по линии VI-VI на фиг.1.

На фиг.1 показана схема многоступенчатого компрессора 1, в котором с помощью двигателя 2 приводится в действие поршневой компрессор 3 зоны 4 высокого давления. С приводом поршневого компрессора 3 соединен в качестве компрессора 6 низкого давления винтовой компрессор 20 (см. фиг.3) в зоне 7 низкого давления, при этом вращающийся вытеснитель 8 поршневого компрессора 20 соединен непосредственно с коленчатым валом 5 поршневого компрессора 3. За счет непосредственного соединения коленчатого вала 5 поршневого компрессора 3 с вытеснителем 8 винтового компрессора 20 обеспечивается чрезвычайно компактная конструкция многоступенчатого компрессора 1, и дополнительно к этому может быть простым образом создан отдельный приводной блок для предварительного сжатия сильно сжимаемого в последующем поршневом компрессоре 3 газа с помощью винтового компрессора 20 с вращающимся вытеснителем 8. Винтовые компрессоры имеют, в частности, при всасывании газа 9 при низком давлении по сравнению с поршневыми компрессорами компактную небольшую и тем самым недорогую конструкцию, и несмотря на это, с помощью винтового компрессора 20 можно достигать предварительного сжатия вплоть до 40 бар.

Сжатый в винтовом компрессоре 20 газ затем по газовой магистрали 10 направляется в первую ступень 11 сжатия (см. фиг.4) поршневого компрессора 3, при этом между последней ступенью сжатия в зоне низкого давления и первой ступенью сжатия в зоне высокого давления поршневого компрессора, а также между отдельными ступенями сжатия, например, 11, 12, 13 (см. фиг.4), могут быть предусмотрены различные устройства регулирования.

В частности, на фиг.1 между выполненным в виде винтового компрессора 20 (см. фиг.3) компрессором 6 низкого давления и поршневым компрессором 3 показано охлаждающее устройство 14, за счет чего конденсируется определенная часть сжатого в компрессоре низкого давления газа, при этом конденсат отделяется от газа с помощью отделителя 15. Дополнительно к этому предусмотрен клапан 16, через который можно подводить, соответственно отводить потоки между отдельными ступенями сжатия.

На фиг.2 показан многоступенчатый компрессор 1, аналогичный показанному на фиг.1, однако между коленчатым валом 5 поршневого компрессора 3 и приводным валом 5′ вытеснителя 8 (см. фиг.3) винтового компрессора 20 предусмотрена зубчатая передача 17 в качестве устройства 18 сцепления между обоими валами 5, 5′. Тем самым можно с помощью передачи 17 выполнять увеличение или уменьшение скорости вращения коленчатого вала 5 до скорости вращения вала 5', приводящего в действие вытеснитель 8 винтового компрессора 20.

На фиг.3 схематично показан в разрезе винтовой компрессор 20, который может обеспечивать с помощью вытеснителя 8, соединенного непосредственно с коленчатым валом 5 поршневого компрессора 3, предварительное сжатие вплоть до 40 бар.

Как показано в разрезе на фиг.4, поршневой компрессор 3 имеет несколько ступеней 11, 12, 13 сжатия, при этом объем цилиндра первой ступени 11 сжатия, в которую подается газ, предварительно сжатый предусмотренным в качестве компрессора 6 низкого давления винтовым компрессором 20, является наибольшим, а объем последующих цилиндров ступеней 12, 13 сжатия уменьшается с увеличением сжатия. Между отдельными ступенями 11, 12, 13 сжатия могут быть предусмотрены различные устройства (не изображены) для управления выпуском и т.д., а также для регулирования скорости вращения. При этом существенным является то, что коленчатый вал 5 поршневого компрессора 3 соединен непосредственно или через устройство сцепления с ротором 8 компрессора 6 низкого давления.

1. Многоступенчатый компрессор (1) для сжатия газов, содержащий соединенные через газовую магистраль (10) зону (7) низкого давления и зону (4) высокого давления, при этом зона (4) высокого давления имеет, по меньшей мере, один приводимый в действие через коленчатый вал (5) поршневой компрессор (3), а зона (7) низкого давления имеет, по меньшей мере, один компрессор (б) низкого давления с вращающимся вытеснителем (8), который соединен с коленчатым валом (5) поршневого компрессора (3), при этом в качестве компрессора (6) низкого давления предусмотрен, по меньшей мере, один винтовой компрессор (20), в газовой магистрали (10) между поршневым компрессором (3) и винтовым компрессором (20) предусмотрены охлаждающее устройство (14) и отделитель (15) конденсата.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что вытеснитель (8) винтового компрессора (20) соединен непосредственно с коленчатым валом (5) поршневого компрессора (3).

3. Компрессор по п.2, отличающийся тем, что вытеснитель (8) винтового компрессора (20) соединен с коленчатым валом (5) поршневого компрессора (3) с помощью устройства (18) сцепления, передающего крутящий момент коленчатого вала (5).

4. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что устройство (18) сцепления выполнено с возможностью передавать скорость вращения коленчатого вала (5) в отношении 1:1.

5. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что в качестве устройства (18) сцепления предусмотрена цепная передача или ременная передача.

6. Компрессор по п.5, отличающийся тем, что в качестве устройства (18) сцепления предусмотрена зубчатая передача.

7. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что устройство (18) сцепления является разъемным устройством.

8. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что винтовой компрессор (20) расположен на стороне поршневого компрессора (3), противоположной блоку (2) привода многоступенчатого компрессора (1).

9. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что компрессор (6) низкого давления имеет несколько ступеней сжатия.

10. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что поршневой компрессор (3) имеет несколько ступеней (11, 12, 13) сжатия.

11. Компрессор по п.9, отличающийся тем, что в одной ступени сжатия компрессора (6) низкого давления предусмотрено несколько параллельных камер сжатия.

12. Компрессор по п.10, отличающийся тем, что в одной ступени сжатия компрессора (3) предусмотрено несколько параллельных камер сжатия.

13. Компрессор по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что между отдельными ступенями сжатия предусмотрено, по меньшей мере, одно устройство (16) регулирования.