Способ управления компрессорным элементом в винтовом компрессоре
Изобретение относится к способу управления компрессорным элементом для винтового компрессора. Способ управления компрессорным элементом винтового компрессора, в котором компрессорный элемент (1) имеет корпус (2) с двумя взаимозацепленными спиральными роторами (3) внутри него, каждый из роторов удерживается в корпусе (2) в осевом направлении (Х-Х′) посредством по меньшей мере одного осевого подшипника (13). Корпус (2) имеет сторону (10) впускного отверстия и сторону (11) выпускного отверстия. Способ содержит процесс А и/или процесс В. Процесс А содержит первый этап, на котором включают первый магнит (17) во время запуска компрессорного элемента (1), так что магнит (17) прикладывает к ротору (3) силу, которая направлена от стороны (11) выпускного отверстия к стороне (10) впускного отверстия, и выключают первый магнит (17) во время номинальной работы компрессорного элемента (1). Процесс В содержит первый этап, на котором поддерживают второй магнит выключенным во время запуска компрессорного элемента (1) и включают второй магнит во время номинальной работы компрессорного элемента (1), так что второй магнит создает силу, которая направлена от стороны (10) впускного отверстия к стороне (11) выпускного отверстия. Изобретение направлено на оптимизацию нагрузки осевых подшипников. 25 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к способу управления компрессорным элементом для винтового компрессора.
Как известно, компрессорный элемент для винтового компрессора содержит корпус с двумя зацепленными роторами, спиральная часть которых называется роторными частями.
Как известно, один из роторов выполнен в форме охватываемого ротора с выступами, в то время как другой ротор выполнен в форме охватывающего ротора с канавками, в которых зацеплены выступы охватываемого ротора известным способом.
Каждый ротор имеет вал, на котором ротор установлен в корпусе с использованием осевых и радиальных подшипников.
Обычно один из этих роторов приводится в движение от двигателя через приводное зубчатое колесо на валу ротора, и, в свою очередь, этот ротор приводит в движение другой ротор, через передачу из зубчатых колес, сформированную зубчатыми колесами на валах обоих роторов, или наоборот.
Корпус винтового компрессора имеет впускное отверстие, расположенное близко к одному концу из роторов, через которое происходит отбор газа, предназначенного для сжатия (то есть сторона впускного отверстия компрессора) во время работы винтового компрессора, и этот элемент винтового компрессора имеет выпускное отверстие, расположенное близко к другому концу роторов, через которое выталкивают сжатый газ (то есть, "сторона выпускного отверстия" компрессора).
Как известно, при приводе роторов с использованием упомянутого выше двигателя, газ или смесь газов, предназначенная для сжатия, такой как воздух, отбирают в упомянутом выше впускном отверстии, благодаря зацеплению роторов, и затем сжимают между этими двумя роторами и, в конечном итоге, выталкивают на стороне выпускного отверстия компрессорного элемента с определенным давлением в выпускном отверстии.
Таким образом, на роторы воздействует осевая сила газа, которая при номинальных условиях работы направлена со стороны выпускного отверстия в сторону впускного отверстия, поскольку давление газа на стороне выпускного отверстия выше, чем давление газа на стороне впускного отверстия. Во время запуска эта сила газа отсутствует, поскольку в это время не происходит сжатие газа, и давление газа на стороне впускного отверстия на стороне выпускного отверстия практически одинаково.
Во время работы винтового компрессора на роторы также действуют осевые усилия, которые прикладываются упомянутым выше двигателем к приводному зубчатому колесу одного из этих двух роторов, так же, как и в случае, например, с косыми или винтовыми зубчатыми колесами приводного зубчатого колеса, и/или когда присутствует передача с использованием зубчатых колес между роторами, вследствие осевых усилий, связанных с крутящим моментом между зубчатыми колесами такой зубчатой передачи.
Возникающие в результате осевые усилия, которые действуют на роторы, могут изменять направление во время работы винтового компрессора, таким образом, что во время запуска установки силы, вызываемые зубчатыми колесами, или в более общем смысле приводом, могут преобладать, тогда как во время нормальной работы винтового компрессора, силы со стороны газа обычно являются более выраженными, и они определяют направление результирующих осевых сил.
В силу такого изменения на противоположные направления результирующих осевых сил, необходимо, чтобы осевые силы могли восприниматься в каждом направлении, чтобы в максимально возможной степени обездвиживать роторы в корпусе, с одной стороны, для того, чтобы исключить нежелательные потери, из-за утечек, возникающих через зазор осевой головки между поверхностью головки роторов и соответствующей поверхностью головки выпускной стороны корпуса, который является слишком большим, и, с другой стороны, для исключения контакта одной из поверхностей головки роторов с корпусом, что может привести к нежелательному трению и износу.
Из заявок EP 0.867.628 также известно поддержание зазора с поверхностью головки постоянным, таким образом, что этот зазор измеряется с помощью датчика, и ротор может перемещаться в осевом направлении с использованием магнитного активатора двойного действия, который перемещает ротор в одном или в другом направлениях, когда зазор отклоняется от установленного заданного значения.
Такие варианты применения являются довольно сложными и дорогостоящими.
Другие варианты применения также известны, в которых ротор удерживается на месте в осевом направлении, благодаря использованию осевых подшипников двойного действия, например подшипников с четырьмя точками контакта, которые позволяют воспринимать силы, действующие на ротор в обоих направлениях.
Однако такие осевые подшипники двойного действия имеют неизбежно присущий осевой люфт. В результате, когда результирующие силы, действующие на ротор, меняют свое направление, ротор может перемещаться на определенное расстояние, которое, без учета деформации подшипников, равно этому люфту.
При разработке компрессорного элемента требуется обеспечивать большой зазор головки, для исключения нежелательного контакта ротора с корпусом, который мог бы затем привести к потере эффективности и, в результате, к потере, из-за утечки.
Подшипники двойного действия также генерируют относительно большие механические потери и потери в приводе, в результате чего происходит перемешивание масла в подшипниках.
С другой стороны, определенный, неизбежно присутствующий зазор в таких подшипниках двойного действия необходим, поскольку, если такой зазор будет слишком малым, повышается риск контакта в трех точках, который является нежелательным, поскольку в этом случае существенно повышается риск проскальзывания в подшипниках и, следовательно, требуется добавлять избыточную смазку, или рабочий диапазон компрессора потребуется ограничить таким образом, чтобы, в частности, были исключены низкие нагрузки при высоких скоростях.
Такие меры по компенсации уже известны в форме "балансирующего поршня", как описано, например, в BE 1013221, в результате чего гидравлический или пневматический поршень используют для приложения осевого усилия на ротор, соединенный с ним, для противодействия силам газа, действующим на ротор и, таким образом, для ослабления нагрузки на действующий основной подшипник таким образом, что можно выбрать подшипник меньших размеров. Балансирующий поршень соединен с выходным отверстием компрессорного элемента, так, что сила, прикладываемая балансирующим поршнем, пропорциональна выпускному давлению.
Недостаток представляет собой стоимость такого балансирующего поршня. Другой недостаток состоит в том, что на основной подшипник всегда воздействует полная нагрузка, возникающая из-за результирующих сил газа и сил, создаваемых на приводном зубчатом колесе и/или передаче зубчатых колес между роторами, так что основной подшипник должен быть рассчитан на это.
Один из способов исключения нагрузки на основной подшипник при смене направления состоит в использовании пружины, которая оказывает упругую силу на ротор в осевом направлении, в направлении, противоположном результирующим силам, действующим на зубчатые колеса соответствующего ротора, а в том же направлении, что и силы, действующие на ротор со стороны газа.
Если такая осевая упругая сила достаточно велика, для полного смещения получаемых в результате усилий, возникающих на зубчатых колесах ротора, при запуске компрессорного элемента, будет отсутствовать изменение направления результирующих сил, действующих на ротор, так что в этом случае достаточно использовать осевой подшипник одного действия в качестве основного подшипника.
Упомянутую выше пружину закрепляют между корпусом и соответствующим ротором, вследствие этого требуется введение дополнительного осевого подшипника для передачи осевой упругой силы между неподвижным корпусом и вращающимся ротором.
Вспомогательный подшипник имеет недостаток, состоящий в том, что он повышает стоимость и также приводит к дополнительным потерям.
Хотя пружина предотвращает изменение на обратное направления нагрузки, воздействующей на основной подшипник во время запуска компрессорного элемента, та же пружина будет увеличивать нагрузку на основной подшипник во время номинальной работы, поскольку результирующие силы, действующие на зубчатые колеса ротора, по меньшей мере, частично будут компенсированы пружиной, что является недостатком, и эти результирующие силы, вследствие этого, больше не могут противодействовать силам со стороны газа во время номинальной работы в той же степени, как и в ситуации без пружины.
Назначение настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить решение по меньшей мере одного из упомянутых выше и/или других недостатков.
Изобретение касается способа управления компрессорным элементом винтового компрессора, компрессорный элемент имеет корпус с двумя взаимозацепленными спиральными роторами, так что каждый из них содержит вал со спиральной частью ротора на нем, в результате чего вал каждого ротора поддерживается в корпусе в осевом направлении посредством по меньшей мере одного осевого подшипника; корпус имеет впускное отверстие для газа с одного торца роторов и выпускное отверстие для газа с другого торца роторов, называемых стороной впускного отверстия и стороной выпускного отверстия, соответственно. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают компрессорный элемент дополнительными средствами, которые позволяют прикладывать дополнительную силу по меньшей мере к одному из осевых подшипников через ротор; эти средства формируются по меньшей мере из одного магнита, сила магнитного поля которого может действовать в осевом направлении по меньшей мере на один ротор компрессорного элемента и/или на внешнее кольцо второго подшипника, который установлен вокруг этого ротора; и действие упомянутого магнита или магнитов можно переключать, включая и выключая, в зависимости от режима, в котором работает компрессорный элемент; таким образом, способ содержит процесс А и процесс В, при этом:
- процесс А содержит первый этап, на котором включают упомянутый первый магнит во время запуска компрессорного элемента таким образом, что этот первый магнит воздействует на упомянутый ротор с силой, которая направлена со стороны выпускного отверстия к стороне впускного отверстия, и отключают этот первый магнит во время номинальной работы компрессорного элемента;
- процесс В содержит первый этап, на котором поддерживают упомянутый второй магнит выключенным во время запуска компрессорного элемента и включают этот второй магнит во время номинальной работы компрессорного элемента, так что этот второй магнит воздействует с силой, которая направлена со стороны впускного отверстия к стороне выпускного отверстия.
Такой способ, в соответствии с изобретением, представляет преимущество, состоящее в том, что, в зависимости от конфигурации, определенные осевые силы, которые действуют на ротор, и, таким образом, на осевые подшипники, поддерживающие ротор в корпусе, могут быть, по меньшей мере, частично или полностью компенсированы или даже сверхкомпенсированы, и нагрузка осевых подшипников может быть оптимизирована при любых обстоятельствах.
Преимущество компенсации центральных осевых сил состоит в том, что, таким образом, центральные осевые подшипники можно не учитывать, или они могут быть заменены меньшими или менее сложными подшипниками, которые являются менее дорогостоящими и которые также генерируют меньшие потери, чем подшипники, которые используются в современных элементах винтового компрессора.
Также уменьшается потребность в обильной смазке, что, в свою очередь, приводит к меньшему количеству потерь в приводе на перемешивание масла.
Средство компенсации, которое в настоящий момент применяется, такое как пружины компенсации и балансирующие поршни, может быть исключено или упрощено таким образом, что может быть существенно уменьшена стоимость.
Дополнительное преимущество состоит в том, что силы могут быть скомпенсированы с помощью магнита, который не генерирует дополнительных механических потерь или резистивный крутящий момент.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что оно обеспечивает большие силы компенсации, прикладываемые к ротору, чем практически выполнимо в настоящее время, из-за ограничения по току вспомогательных осевых подшипников, механических потерь и ограничений по сроку службы, например, в случае больших сил.
В результате таких больших сил осевой основной подшипник может работать в более благоприятных условиях. Таким образом, изобретение обеспечивает такой основной подшипник, и, вследствие этого, компрессор, которые работают в других условиях, чем практически выполнимо в настоящее время, например более высокая скорость.
Таким образом, изобретение также обеспечивает возможность выбора более приемлемых основных осевых подшипников для определенных вариантов применения, таких, как например, меньшего размера и, таким образом, более дешевых основных подшипников.
Кроме того, изобретение также можно применять в элементах компрессора высокого давления - низкого давления и в винтовых компрессорах со смазкой маслом и с винтами, работающими без масла, и это несмотря на неблагоприятную окружающую среду, высокие уровни сил, ограниченное доступное пространство для установки и сложность, которая могла бы отпугнуть много конструкторов при разработке такого решения, как одно из изобретений, описанных здесь.
Другие преимущества будут понятны из описания различных вариантов элементов винтового компрессора, в соответствии с изобретением на основе чертежей, в результате чего можно использовать магниты в комбинации или не в комбинации с другими компенсирующими средствами.
Предпочтительно используемый магнит или магниты имеет ось NS, ориентированную параллельно осевому направлению роторов для генерирования любого резистивного крутящего момента или только очень ограниченного резистивного крутящего момента.
Действие магнита или магнитов можно включать и выключать, например, в зависимости от рабочего режима компрессорного элемента, например, во время запуска или во время номинальной работы при полной нагрузке, или при смене режима на более низкую нагрузку таким образом, что эффект компенсации можно было бы принять как режим работы, и более конкретно, для осевых сил, возникающих, как функция режима работы.
Таким образом, способ также может включать в себя второй этап в процессе А, который, в то время как компрессорный элемент работает, переключается на упомянутый выше первый магнит, в случае перехода такого компрессорного элемента от частичной нагрузки или полной нагрузки к нулевой нагрузке, или в случае перехода от полной нагрузки к частичной нагрузке.
Кроме того, когда способ содержит процесс А и процесс В, упомянутый выше второй этап процесса А также может состоять из выключения упомянутого выше второго магнита, в случае перехода этого компрессорного элемента от частичной нагрузки или полной нагрузки к нулевой нагрузке, или в случае перехода от полной нагрузки к частичной нагрузке.
Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что силы газа могут быть компенсированы при частичной нагрузке и нулевой нагрузке.
Это может быть реализовано простым способом, например путем построения магнита или магнитов, в виде электромагнитов с постоянным или регулируемым магнитным полем, источник питания которого можно включать и выключать.
В соответствии с конкретным аспектом изобретения осевая сила, прикладываемая к ротору одним или больше магнитами, регулируется, или ею управляют посредством системы управления, которая управляет прикладываемой магнитной силой, как функция системного параметра, такого как нагрузка на подшипник, скорость компрессорного элемента, температура подшипника, давление в выпускном отверстии, отношение давлений на компрессорном элементе и/или впускное давление таким образом, что силы, действующие на подшипник в осевом направлении, могут находиться в пределах рабочей области соответствующего подшипника таким образом, что такая рабочая область представляет собой известный факт, который обозначен изготовителем подшипника в форме графика допустимых усилий, действующих в осевом направлении, как функция скорости.
Таким образом, рабочая область подшипников и, таким образом, также компрессорный элемент, могут быть увеличены без риска нежелательного повреждения подшипников.
В настоящем изобретении, для лучшего представления характеристик изобретения, несколько предпочтительных вариантов применения способа в соответствии с изобретением, для управления винтовым компрессором описаны ниже посредством примера, без какого-либо ограничительного свойства, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 показан вид сбоку винтового компрессорного элемента, который выполнен с возможностью применения способа в соответствии с изобретением;
на фиг.2 показан вид в поперечном сечении по линии П-П на фиг.1;
на фиг.3 схематично показана компоновка части, обозначенной блоком F3 на фиг.2;
на фиг.4-7 на каждой показан вид как на фиг.3, но для нескольких разновидностей компрессорного элемента, выполненного с возможностью применения альтернативного способа в соответствии с изобретением;
на фиг.8 и 9 показаны две разновидности в более крупном масштабе части, обозначенной F8 на фиг.7;
на фиг.10 показан типичный график рабочей области осевого подшипника;
на фиг.11 и на фиг.12 показаны два возможных алгоритма управления в соответствии с изобретением.
Компрессорный элемент 1, в соответствии с изобретением, показанный на фиг.1 и 2, представляет собой компрессорный элемент 1 для винтового компрессора, такой что компрессорный элемент 1 имеет корпус 2 с двумя взаимно зацепленными роторами в нем, соответственно, охватываемый ротор 3 и охватывающий ротор 4, которые содержат вал 5 с соответствующей частью 6 или 7 спирального ротора на нем.
Корпус 2 имеет впускное отверстие 8, через которое можно отбирать газ, предназначенный для сжатия, и выпускное отверстие 9, через которое можно выводить газ после его сжатия между роторами 3 и 4.
Такое впускное и выпускное отверстия, соответственно, 8 и 9, находятся на соответствующих торцах роторов 3 и 4, и каждый торец, соответственно, помечен как входная сторона 10 и выходная сторона 11 компрессорного элемента 1.
Вал 5 каждого ротора 3 и 4 поддерживается в корпусе 2 с помощью осевого подшипника 12 на каждом конце упомянутого выше вала 5 и посредством только одного одиночного осевого подшипника 13 на упомянутой выше выпускной стороне 11, и такой одиночный осевой подшипник 13 часто называется основным подшипником или осевым основным подшипником.
На торце охватываемого ротора 3, на выпускной стороне 11, установлено приводное зубчатое колесо 14, с помощью которого ротор 3 может быть приведен от двигателя или другого привода, который не показан. Конец охватывающего ротора 4 на стороне впускного отверстия 10 имеет первое зубчатое колесо 15 синхронизации, которое может быть зацеплено со вторым зубчатым колесом 16 синхронизации, которое находится на торце стороны 10 впускного отверстия охватываемого ротора 3 и которые вместе формирует передачу 15-16 зубчатых колес для привода охватывающего ротора 4 охватываемым ротором 3, в результате чего такая передача 15-16 зубчатых колес обеспечивает то, что два ротора 3-4 не касаются друг друга.
Однако также известны варианты применения, где такая последняя передача 15-16 зубчатых колес не присутствует и охватываемый ротор 3 выполняет привод охватывающего ротора 4 через непосредственный контакт между частями 6 и 7 ротора.
Компрессорный элемент 1 для применения в данном изобретении имеет дополнительное средство в виде первого магнита 17, который определен тем, что его магнитное поле действует в осевом направлении на ротор 3-4 компрессорного элемента 1 во время работы, для того чтобы обеспечить возможность создавать дополнительное осевое усилие посредством этого магнита 17 через соответствующий ротор 3-4 на основе подшипника 13 такого ротора 3-4.
В примере, показанном на фиг.1 и 2, оба ротора 3-4 имеют такой первый магнит 17, более конкретно электромагнит, ось 18 север и юг которого расположена параллельно осевому направлению Х-Х′ роторов 3-4 и который может зацепляться с диском 19, который надежно установлен на валу 5 поперечно к осевому направлению Х-Х′ роторов 3-4.
Предпочтительно, первый магнит 17 представляет собой кольцеобразный магнит, установленный по центру вокруг вала 5 соответствующего ротора 3-4, и источник питания которого можно включать и выключать, для включения и выключения магнита 17. В этом случае первый магнит 17 представляет собой простой электромагнит 17, который, при его включении, генерирует постоянное магнитное поле.
На фиг.3 часть охватываемого ротора 3, ограниченная рамкой, которая обозначена как F3 на фиг.2, схематично представлена с исключением радиальных подшипников и передачи 15-16 зубчатых колес между двумя роторами 3-4, что выполнено с целью упрощения. Соответствующие детали на фиг.3 пронумерованы таким же образом, как и на фиг.2.
На фиг.3 показано, что осевой основной подшипник 13 представляет собой подшипник одиночного действия, в данном случае, другими словами подшипник 13, который может воспринимать осевые силы только в одном направлении и который в этом случае установлен таким образом, что он может воспринимать осевые силы, действующие на ротор и направленные со стороны 11 выпускного отверстия в сторону 10 впускного отверстия компрессорного элемента 1, более конкретно, слева направо на чертеже, таким образом, этот подшипник 13 не может воспринимать осевые силы, действующие на ротор 3 в противоположном направлении.
Работа компрессорного элемента 1 является простой и состоит в следующем.
При включении компрессорного элемента 1 ротор 3 приводится в движение посредством внешнего привода через упомянутое выше ведущее зубчатое колесо 14.
Как в показанном примере, на ведущем зубчатом колесе 14 предусмотрены наклонные зубья, и в результате внешнего привода осевая сила будет приложена к ведущему зубчатому колесу 14 и, таким образом, к ротору 3, которая в данном примере направлена со стороны 10 впускного отверстия к стороне 11 выпускного отверстия, как показано стрелкой А.
В то же время, при начале работы, на первом этапе процесса А, в соответствии со способом, подают питание в первый магнит 17, в результате чего, как показано на фиг.3, первый магнит 17 ориентирован таким образом, что при его включении он прикладывает силу к ротору 3, которая направлена от стороны 11 выпускного отверстия к стороне 10 впускного отверстия компрессорного элемента, более конкретно слева направо на фиг.3, как показано стрелкой В на данном чертеже, и, таким образом, другими словами, в противоположном направлении силе, прикладываемой к ротору 3 через ведущее зубчатое колесо 14.
При включении никакие другие силы не действуют на ротор 3, и положение ротора 3, таким образом, определяется воздействием результирующей силы на осевой подшипник.
Осевая сила, приложенная первым магнитом 17 к ротору 3, должна быть больше, чем осевая сила, создаваемая на ведущем зубчатом колесе 14, все это должно предотвратить вытягивание ротора 3 ведущим зубчатым колесом 14, в начале работы компрессорного элемента 1, на сторону 11 выпускного отверстия, и нежелательный контакт, таким образом возникающий между поверхностью головки ротора 3 на стороне 11 выпускного отверстия и корпуса 2.
Когда компрессорный элемент 1 приводят далее, газ, отбираемый через впускное отверстие 8, будет сжиматься между роторами 3-4 и будет выталкиваться через выпускное отверстие 9, в результате чего сжатые газы прикладывают силу к ротору 3, которая направлена от стороны 11 выпускного отверстия компрессорного элемента 1 в сторону 10 впускного отверстия, как показано стрелкой С на фиг.3.
Силы газа, таким образом, суммируются с силами, прикладываемыми первым магнитом 17, в результате чего эти силы газа при номинальной работе становятся больше, чем и направлены противоположно силам, действующим на ведущее зубчатое колесо 14,или результирующим силам, действующим на ведущее зубчатое колесо 14 и/или на любое из зубчатых колес 15-16 передачи зубчатых колес между роторами 3-4.
Во время номинальной работы первый магнит 17 может затем быть выключен без опасения смещения поверхности головки ротора 3 в направлении корпуса на стороне 11 выпускного отверстия.
Преимущество этого варианта состоит в том, что для поддержания осевым подшипником ротора 3 требуется лишь относительно малый и дешевый осевой подшипник 13, следовательно, с малыми механическими потерями и потерями на перемешивание смазки, из-за потока смазки через подшипник 13.
Кроме того, зазор головки между концом головки ротора 3 и корпусом 2 остается довольно постоянным, поскольку результирующие силы, действующие на ротор 3, всегда направлены в одном и том же направлении, и на зазор, таким образом, влияют только внутренние упругие деформации в подшипнике 13.
В случае необходимости, в соответствии со вторым этапом процесса данного способа, когда нагрузка на компрессорный элемент 1 уменьшается от ее номинальной рабочей точки, например, от полной нагрузки до частичной нагрузки или нулевой нагрузки, или от частичной нагрузки до нулевой нагрузки, первый магнит 17 может быть включен.
Это позволяет предотвратить преобладание силы привода А, в результате уменьшения сил С газа, из-за уменьшения нагрузки во время запуска, когда возникает риск вытягивания ротора 3 к поверхности головки корпуса 2 на стороне 11 выпускного отверстия.
При нулевой нагрузке преимущество состоит в том, что на подшипники всегда действует достаточная нагрузка, что предотвращает их проскальзывание.
Очевидно, что упомянутый выше первый магнит 17 может представлять собой постоянный магнит, в результате чего становится возможным управлять или регулировать его, чтобы сделать расстояние до ротора 3 или диска 19 переменно регулируемым, для обеспечения возможности регулирования ширины воздушного зазора 20 таким образом, что магнит 17 можно затем перемещать вдоль оси относительно ротора 3.
Также понятно, что не обязательно требуется иметь дополнительный диск 19 на роторе, но что, в соответствии с вариантом осуществления, магнит 17 также может воздействовать непосредственно на ротор 3 или на его часть, такую как вал 5 или часть 6-7 ротора, или зубчатые колеса 14-15-16 ротора 3-4, или фланец, который закреплен на валу и зафиксирован в осевом направлении на этом валу 5 и/или на внешнем кольце подшипника, который установлен вокруг этого ротора.
С другой стороны, не исключается, что магнит 17 может быть встроен в или установлен на роторе 3, например в упомянутом выше диске 19, в результате чего магнит 17 затем размещают внутри или на роторе относительно части корпуса 2.
Практика показывает, что чем ближе диск 19 находится к основному подшипнику 13 в осевом направлении, тем более стабильное управление обеспечивается, тем меньше будут эффекты теплового воздействия.
На фиг.4 показан вариант компрессорного элемента 1, который отличается от варианта осуществления по фиг.3 тем, что в этом случае, так называемый, второй магнит 21, более конкретно электромагнит, добавляют на другой стороне диска 19 ротора 3, и который определен тем фактом, что во время этой операции он может прикладывать противоположную силу относительно магнита 17 по фиг.3, как показано стрелкой D на фиг.4, другими словами, силу D, которая направлена от стороны 10 впускного отверстия к стороне 11 выпускного отверстия.
Использование и работа в этом случае будут идентичны предыдущему варианту осуществления, в результате чего, в данном случае, также в соответствии с первым этапом процесса А, первый магнит 17 включают во время запуска, и когда достигается номинальная работа, его выключают снова, в результате чего, в соответствии с первым этапом процесса В, в соответствии со способом, второй магнит 21 будет включен и выключен в обратном порядке, то есть выключен или будет поддерживаться выключенным при запуске и будет включен при номинальной работе.
В результате, во время номинальной работы осевые силы газа, действующие на ротор 3, будут, по меньшей мере, частично скомпенсированы влиянием второго магнита 21 таким образом, что основной подшипник 13 должен воспринимать более низкие осевые силы и, таким образом, его можно выбрать в качестве осевого основного подшипника 13 с меньшими размерами и, таким образом, с меньшими потерями, в результате.
В таком случае также, в случае необходимости, в соответствии со вторым этапом процесса А, первый магнит 17 может включаться и/или магнит 21 может выключаться в соответствии со вторым этапом процесса В, когда нагрузка на компрессорный элемент 1 уменьшается.
Понятно, что обозначение первого и второго магнитов не предусматривает количество магнитов, установленных на месте, а скорее предусматривает тип магнита в соответствии с направлением магнитной силы, которую он прикладывает.
На фиг.5 показан другой вариант применения в соответствии с изобретением, где в этом случае ведущее зубчатое колесо 14 имеет другие зубья, в результате чего в этом случае осевые силы, передаваемые на ротор 3 через такое ведущее зубчатое колесо 14, или через любой другой привод, в общем, будут направлены в противоположном направлении относительно ситуации, показанной на фиг.3 и 4, и, таким образом, в таком случае, направлены со стороны 11 выпускного отверстия к стороне 10 впускного отверстия, как показано стрелкой А′ на фиг.5.
Кроме того, компрессорный элемент 1 имеет только один одиночный второй магнит 21, который так же, как и в случае, показанном на фиг.3, во время работы, прикладывает силу к ротору 3, которая направлена в противоположном направлении силе, прикладываемой ведущим зубчатым колесом 14 к ротору 3, и которая, таким образом, в данном случае, прикладывает силу, которая направлена от стороны 10 впускного отверстия к стороне 11 выпускного отверстия, как показано стрелкой D на фиг.5.
Во время запуска этот магнит выключают или поддерживают выключенным, в то время как его включают при номинальной работе компрессорного элемента 1 для компенсации силы С газа. В этом случае также можно выбрать основной осевой подшипник 13 с меньшими размерами.
В таком случае способ содержит только процесс В, без применения процесса А.
Если требуется, на втором этапе, магнит можно выключать в случае уменьшения нагрузки на компрессорный элемент 1.
Дополнительный вариант осуществления компрессорного элемента 1, в соответствии с изобретением, показан на фиг.6, где в данном случае используется дополнительный подшипник 22 на стороне 10 впускного отверстия ротора 3, который в данном случае, но не обязательно, представляет собой подшипник двойного действия, с элементами 23 ролика, расположенными между внутренним кольцом 24 и внешним кольцом 25, где внутреннее кольцо 24 установлено на валу 5 ротора 3 и внешнее кольцо 25 может двигаться вдоль оси в корпусе 2 и, таким образом, что между внешним кольцом 25 и корпусом 2 присутствует пружина 26, которая прикладывает осевое усилие к ротору 3 через подшипник 22, направленный со стороны 11 выпускного отверстия к стороне 10 впускного отверстия, как показано стрелкой Е на фиг.6.
В этом случае присутствует также второй магнит 21, который, во время работы, может прикладывать осевую силу к ротору 3 в направлении стрелки D на фиг.6, и которая, таким образом, направлена в противоположном направлении силе, прикладываемой пружиной 26 к ротору 3.
В этом случае, во время запуска, пружина 26 предотвращает вытягивание торца головки ротора 3 на стороне 11 выпускного отверстия 11 в направлении корпуса 2, из-за формирования силы от ведущего зубчатого колеса 14.
Во время номинальной работы, однако, силы газа будут преобладать относительно сил, вырабатываемых ведущим зубчатым колесом 14, и, следовательно, осевая упругая сила будет составлять дополнительную нагрузку для осевого основного подшипника 13, и эта дополнительная нагрузка со стороны пружины 26 может быть компенсирована путем включения второго магнита 21, который затем, по меньшей мере, частично компенсирует или даже чрезмерно компенсирует упругую силу таким образом, что не только устраняется упругая сила, но также и компенсируется часть сил газа.
В случае уменьшения нагрузки компрессорного элемента 1, в способе, в соответствии с изобретением, второй магнит 21 может отключаться.
Подшипник 22, показанный на фиг.6, может, в соответствии с вариантом компрессорного элемента, для применения изобретения, которое не показано на чертежах, одновременно действовать как упомянутый выше второй подшипник, в результате чего второй магнит 21 действует на внешнее кольцо этого подшипника 22, но также возможно использовать два отдельных подшипника, соответственно, подшипник, на который действует магнит 21, и подшипник, на который действует пружина 26.
Другой вариант осуществления показан на фиг.7, где в данном случае упругая сила и сила, вырабатываемая магнитом, ориентированы в противоположные стороны относительно ситуации, показанной на фиг.6.
В этом случае, при запуске, осевая сила пружины 26 будет скомпенсирована или даже чрезмерно скомпенсирована в результате включения первого магнита 17 для выталкивания ротора 3 противоположно силе ведущего зубчатого колеса 14 от поверхности головки корпуса 2 к стороне 11 выпускного отверстия.
Когда компрессорный элемент 1 далее приводят в движение, первый магнит 17 может быть затем отключен, после чего пружина 26 освобождает основной подшипник 13 с постоянным усилием. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что во время номинальной работы отсутствуют магнитные силы, в то время как основной подшипник 13 все еще в значительной степени высвобожден.
В случае уменьшения нагрузки компрессорного элемента 1 первый магнит 17 может быть включен.
На фиг.8 показан вариант магнита 17, более конкретно электромагнита, в котором, в данном случае, воздушный зазор 20 между U-образным ярмом 27 магнита 17 не параллелен поперечно ориентированному диску 19, а скорее продолжается под наклоном относительно осевого направления ротора 3. С этой целью свободные концы 28 плечей ярма 27 выполнены скошенными, и противоположно этим скошенным концам 28 расположены ребра 29 на диске 19, которые скошены таким же образом.
Преимущество состоит в том, что в данном случае вариация ширины воздушного зазора 20 меньше, чем осевое движение ротора 3.
Упомянутые выше скошенные части 28-29 также имеют лабиринтное уплотнение 30 таким образом, что в данном случае магнит 17 также играет роль уплотнителя между ротором 3 и корпусом 2.
На фиг.9 показан вариант магнита 17, где в данном случае воздушный зазор 20 расположен параллельно осевому направлению Х-Х′.
В соответствии с конкретным аспектом изобретения могут использоваться магниты 17, 21, и при этом эффект ротора 3 регулируют, или им управляют посредством системы 31 управления, как показано схематично на фиг.8, как функцией режимов работы, в результате чего магниты 17, 21 прикладывают дополнительное осевое усилие к ротору 3 таким образом, что получаемая в результате нагрузка на подшипник 13 всегда находится в пределах рабочей области подшипника 13, установленной изготовителем осевого подшипника 13.
На фиг.10 показан пример графика, на котором представлена для определенного осевого подшипника 13 рабочая область с разрешенными усилиями, приложенными к подшипнику 13 как функция скорости, в результате чего такая рабочая область ограничена нижней предельной кривой и "Min" и верхней предельной кривой "Мах", в результате чего верхняя предельная кривая зависит от разрешенного ограничительного механического напряжения.
Нижняя предельная кривая "Min" обозначает, когда разность контактного угла превышает максимальное значение, связанное с кинематикой подшипника 13. При более низких нагрузках, таким образом, ниже кривой "Min", в подшипнике 13 возникает проскальзывание таким образом, что может происходить износ и повышаются механические потери.
Пример алгоритма управления для управления силой, прикладываемой к ротору 3 магнитом 17, 21, схематично показан на фиг.11, где на первом этапе (а) осевая сила, приложенная к подшипнику 13 ротором 3, определяется на основе характеристики F=f (n, p) компрессора и, таким образом, на основе измерений давления р в выпускном отверстии и скорости n вращения, и на втором этапе (b) максимально разрешенная осевая сила определяется из графика на фиг.10 на основе измеренной скорости вращения, после которой два значения постоянно сравнивают друг с другом на этапе (с), таким образом, что когда возникает различие, ток I через магнит 17, 21 регулируют на этапе (d) для устранения такого различия.
Таким образом, обеспечивается то, что подшипник 13 всегда может быть нагружен до максимума, без выхода за пределы рабочей области подшипника 13, таким образом, что подшипник 13 всегда нагружен до оптимума и, следовательно, не требуется выбирать подшипник 13 с избыточными размерами, с избыточным запасом безопасности, для того чтобы быть гарантировать, что максимальные пределы осевых усилий никогда не будут превышены.
Очевидно, что график технического управления, показанный на фиг.11, относится к постоянному управлению, при котором цель представляет собой определенное требуемое значение.
Альтернативное управлении, которое может применяться, показано на фиг.12, при котором применяют управление типа включено-выключено, которое отличается от управления, показанного на фиг.11 тем, что, в случае, показанном на фиг.12, максимально разрешенную осевую силу Fmax и минимально разрешенную силу Fmin определяют из графика по фиг.10, и ток I через магнит 17, 21 переключают в состояние включено, когда осевая сила F, определенная в соответствии с характеристикой F=f(n, p) компрессора, будет больше, чем Fmax, и ток I через магнит 17, 21 переключают в состояние выключено, когда осевая сила F, определенная в соответствии с характеристикой F-f (n, p) компрессора меньше, чем Fmin.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничено применением способа, в соответствии с изобретением, описанным в примере, как показано на чертежах, но способ, в соответствии с изобретением, может быть реализован во всех видах вариантов, без выхода за пределы объема изобретения.
1. Способ управления компрессорным элементом винтового компрессора, в котором компрессорный элемент (1) содержит корпус (2) с двумя взаимозацепленными спиральными роторами (3-4), каждый из которых содержит вал (5) со спиральной частью (6, 7) ротора на нем, при этом вал (5) каждого ротора (3-4) поддерживается в корпусе (2) в осевом направлении (Х-Х′) посредством по меньшей мере одного осевого подшипника (13 и/или 22), корпус (2) имеет впускное отверстие (8) для газа на одном торце роторов (3-4) выпускное отверстие (9) для газа на другом торце роторов (3-4), называемых стороной (10) впускного отверстия и стороной (11) выпускного отверстия, соответственно, отличающийся тем, что содержит этапы обеспечения компрессорного элемента (1) дополнительным средством, которое выполнено с возможностью создавать дополнительную силу, действующую по меньшей мере на один осевой подшипник (13 и/или 22) через ротор (3, 4), причем указанное средство формируют с помощью по меньшей мере одного магнита (17, 21), магнитная сила которого может действовать в осевом направлении по меньшей мере на один ротор (3-4) компрессорного элемента (1) и/или на внешнее кольцо второго подшипника, который установлен вокруг этого ротора; при этом в зависимости от режима, в котором работает компрессорный элемент, магнит или магниты можно включать и выключать; способ содержит процесс А и процесс В, причем процесс А содержит первый этап, на котором включают указанный первый магнит (17) во время запуска компрессорного элемента (1), так что первый магнит (17) воздействует на ротор (3) с силой, которая направлена от стороны выпускного отверстия (11) к стороне впускного отверстия (10), и отключают первый магнит (17) во время номинальной работы компрессорного элемента (1); и процесс В содержит первый этап, на котором поддерживают указанный второй магнит (21) выключенным во время запуска компрессорного элемента (1) и включают второй магнит (21) во время номинальной работы компрессорного элемента (1), так что второй магнит (21) создает силу, которая направлена от стороны впускного отверстия (10) к стороне выпускного отверстия (11).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс А также содержит второй этап, на котором во время работы компрессорного элемента (1) включают первый магнит (17), в случае перехода данного компрессорного элемента (1) из состояния частичной нагрузки или полной нагрузки к нулевой нагрузке или в случае перехода от полной нагрузки к частичной нагрузке.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержит процесс А и процесс В, а второй этап процесса А также состоит в том, что включают второй магнит (21) в случае перехода данного компрессорного элемента (1) от частичной нагрузки или полной нагрузки к нулевой нагрузке или в случае перехода от полной нагрузки к частичной нагрузке.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый (17) и/или второй магнит (21) имеет свою ось NS, ориентированную параллельно осевому направлению (Х-Х′) роторов (3-4).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый (17) и/или второй магнит (21) создает постоянное магнитное поле во время работы.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, применяют первый (17) и/или второй магнит (21), осевую силу которого, действующую на ротор (3-4) во время работы, можно регулировать или ею можно управлять.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для первого (17) и/или второго магнита (21) используют электромагнит.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (17) и/или второго магнитов (21) используют магнит, который можно перемещать относительно ротора (3, 4) для включения магнита в состояние включено или выключено или для регулирования или управления осевой силой, действующей на ротор.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что между ротором (3, 4) и первым (17) и/или вторым магнитом (21) имеется воздушный зазор (20), причем воздушный зазор (20) проходит под наклоном относительно осевого направления роторов (3, 4).
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один ротор (3, 4) поддерживают в осевом направлении с помощью только одного одиночного осевого подшипника (13), называемого основным подшипником.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что основной подшипник представляет собой осевой подшипник (13) одиночного действия, другими словами, подшипник (13), который может воспринимать осевые силы только в одном осевом направлении: силы, которые направлены от стороны (11) выпускного отверстия к стороне (10) впускного отверстия, или силы, которые направлены в противоположном направлении.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что используют осевой основной подшипник (13) одиночного действия такого типа, который может воспринимать только силы, действующие на ротор (3, 4), которые ориентированы вдоль оси со стороны выпускного отверстия (11) в направлении стороны (10) впускного отверстия.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один ротор (3-4) имеет ведущее зубчатое колесо (14) для внешнего привода посредством двигателя, при этом оба ротора (3, 4), в случае необходимости, имеют дополнительное зубчатое колесо (15, 16) синхронизации передачи зубчатых колес между двумя роторами (3, 4), при этом магнитное поле одного или больше магнитов (17 и/или 21), воздействующих на ротор (3, 4), ориентировано таким образом, что во время работы магниты (17 и/или 21) создают результирующую силу, которая ориентирована в противоположном направлении к результирующим осевым силам, возникающим на зубчатых колесах (14, 15, 16) соответствующего ротора (3, 4) в результате привода компрессорного элемента (1) через указанное ведущее зубчатое колесо (14).
14. Способ по п.10, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном роторе (3, 4) размещен диск (19), на который могут воздействовать один или более магнитов (17 и/или 21), при этом диск (19) находится как можно ближе к основному подшипнику (13) соответствующего ротора (3, 4) в осевом направлении (Х-Х′).
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в компрессорном элементе (1) отсутствует пружина, создающая осевое усилие на ротор (3).
16. Способ по любому из пп.11-14, отличающийся тем, что помимо одиночного осевого основного подшипника (13) устанавливают второй осевой подшипник (22) с двумя кольцами (24-25), между которыми находятся роликовые элементы (23), при этом одно кольцо (24) закрепляют вдоль оси на роторе (3), а другое кольцо (25) может перемещаться вдоль оси внутри корпуса (2), причем между корпусом (2) и подвижным кольцом (25) размещают пружину (26), которая создает осевое усилие.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что один или более магнитов (17 и/или 21) создают результирующую осевую силу, которая направлена противоположно направлению осевой силы, действующей со стороны пружины (26) на подвижное кольцо (25) второго осевого подшипника (22), при этом результирующая осевая сила одного или более магнитов (17 и/или 21) имеет такой же порядок величины, как осевая упругая сила, действующая на подвижное кольцо (25) второго подшипника (22), или больший порядок величины.
18. Способ по п.16, отличающийся тем, что пружина (26) воздействует с осевой силой на подвижное кольцо (25) второго осевого подшипника (22), которая направлена от стороны (11) выпускного отверстия к стороне (10) впускного отверстия, при этом при запуске компрессорного элемента (1) действие одного или более магнитов (21) отключают и включают во время номинальной работы для компенсации или избыточной компенсации осевой силы пружины (26).
19. Способ по п.17, отличающийся тем, что пружина (26) воздействует с осевой силой на подвижное кольцо (25) второго осевого подшипника (22), которая направлена от стороны (10) впускного отверстия к стороне (11) выпускного отверстия, при этом при запуске компрессорного элемента (1) действие по меньшей мере одного магнита (17) включают для создания избыточной компенсации осевой силы пружины (26) и отключают во время номинальной работы.
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью системы (31) управления регулируют осевую силу, с которой один или более магнит (17 и/или 21) воздействует на ротор (3, 4), система управления управляет создаваемой магнитной силой в зависимости от системного параметра, так чтобы осевая сила, действующая на подшипник (13, 22), находилась в пределах рабочей области соответствующего подшипника (13, 22), при этом такая рабочая область известна исходя из функциональной зависимости допустимой силы (F) от скорости (n).
21. Способ по п.20, отличающийся тем, что системным параметром, в соответствии с которым регулируют осевую силу или ею управляют, является нагрузка на подшипник, скорость вращения (n) компрессорного элемента (1), температура подшипника, выпускное давление, перепад давления на компрессорном элементе (1) и/или давление во впускном отверстии компрессорного элемента (1).
22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что в системе (31) управления используется алгоритм управления силой, с которой магнит (17, 21) воздействует на ротор (3), при этом на первом этапе (а) определяют осевую силу воздействия ротора (3) на подшипник (13) на основе известной характеристики компрессора для компрессорного элемента (1) и это выполняют на основе измерений давления (p) в выпускном отверстии и скорости (n) вращения; на втором этапе (b) определяют максимально допустимую осевую силу рабочей области соответствующего подшипника (13, 22) на основе измеренной скорости вращения; на последующем этапе (с) эти два значения сравнивают друг с другом и определяют разность между этими двумя значениями; и, в конечном итоге, на этапе (d) регулируют ток (I) через магнит (17, 21) до устранения указанной разности.
23. Способ по п.1, отличающийся тем, что его применяют для компрессорного элемента (1) безмасляного винтового компрессора.
24. Способ по п.1, отличающийся тем, что его применяют для компрессорного элемента (1) винтового компрессора низкого давления.
25. Способ по п.1, отличающийся тем, что между ротором (3, 4) и корпусом (2) используют по меньшей мере один магнит (17, 21), который содержит уплотнитель (28), обеспечивающий герметизацию.
26. Способ по п.16, отличающийся тем, что для второго осевого подшипника (22) используют подшипник типа двойного действия.
