高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法與流程
2023-06-24 13:28:41
本發明涉及高速電機直驅透平機械（包括離心壓縮機、製冷壓縮機、MVR蒸汽壓縮機、餘熱回收膨脹機、化工介質壓縮機等）的轉子自循環冷卻方式，特別涉及一種高轉速的高速電機直驅透平機械例如離心壓縮機的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法。
背景技術：
高速電機直驅透平機械將電機功能與齒輪增速傳動在結構上融為一體，由高速電機主軸直接帶動透平葉輪，並用電磁懸浮軸承或者空氣懸浮軸承支撐轉子。高速電機的發熱主要分為定子線圈發熱和轉子發熱，對於電機定子線圈的發熱問題，基本上可以通過定子水冷解決，而對於高速轉子的熱量、轉子及表面的散熱冷卻則成為核心技術。
電機轉子及表面的熱量主要來源於電機轉子的渦流損失產生的熱量、轉子外表面與空氣摩擦產生的熱量，以及定子線圈輻射到轉子的熱量。高速電機直驅離心壓縮機結構緊湊，散熱空間小，同時轉子高轉速導致轉子表面與空氣的摩擦損失產生大量熱量，因此機組的電機轉子冷卻問題成為高速電機直驅離心壓縮機產品性能及壽命的關鍵技術。
目前常用的高速電機直驅離心壓縮機的轉子冷卻結構參見圖1，圖中由一側的外置氣源或者風扇將冷卻氣通入電機內腔，冷卻氣體流經轉子表面，帶走熱量，然後從電機殼體的另一側流出。
目前這種轉子冷卻方式存在下述三個問題：
一、外置氣源或者風扇需要耗功，對應的機組整體效率下降。
二、冷卻風扇等結構的存在，導致高速電機直驅離心壓縮機整體結構設計的複雜性，特別是大功率高轉速的高速電機直驅離心壓縮機，轉子產生的熱量大，對應的冷卻風量大，風扇結構龐大，會破壞機組的協調性。
三、由於高速電機轉子與定子之間的間隙非常小，流通的冷卻氣的氣量有限，冷卻效果不明顯，而且電機定子和轉子間小間隙導致流通阻力很大，整體冷卻效果不好。
有鑑於此，該領域技術人員致力於研發一種高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統，以解決高速電機直驅的透平機械的電機轉子及內腔的散熱冷卻問題。
技術實現要素：
本發明的任務是提供一種高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法，能夠解決高速電機直驅的透平機械的電機轉子及內腔的散熱冷卻問題，完成透平機械的電機轉子自循環換熱過程，提高了換熱效率。
本發明的技術解決方案如下：
一種高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統，它包括電機封閉殼體、高速電機內腔、高速電機轉子、電機定子線圈，它還包括一級壓縮、二級壓縮、轉子內腔冷卻進氣管、轉子內腔冷卻出氣管、壓縮機一級冷卻器以及壓縮機二級冷卻器；
所述高速電機轉子設置在電機封閉殼體內部中間，在電機轉子兩側與電機封閉殼體內壁之間裝有軸承座和軸承，在電機轉子的外圍裝有電機定子線圈，電機封閉殼體內部空間形成高速電機內腔；
所述電機封閉殼體的一端設為一級壓縮，電機封閉殼體的另一端設為二級壓縮，在電機封閉殼體上分別設置轉子內腔冷卻進氣管和轉子內腔冷卻出氣管，轉子內腔冷卻進氣管連接壓縮機二級冷卻器，轉子內腔冷卻出氣管連接壓縮機一級冷卻器；
壓縮機進氣從一級壓縮到壓縮機一級冷卻器，經過二級壓縮再到壓縮機二級冷卻器，壓縮機排氣，完成氣體壓縮過程；
小量的冷卻氣體從壓縮機二級冷卻器進入高速電機內腔，帶走高速電機轉子的熱量，進入壓縮機一級冷卻器進行冷卻，再通過二級壓縮進行壓縮，進入壓縮機二級冷卻器冷卻後又進入高速電機內腔，完成小量的電機轉子冷卻氣體自循環過程。
所述壓縮機一級冷卻器設有一級壓縮進氣口和一級壓縮出氣口。
所述壓縮機二級冷卻器設有二級壓縮進氣口和二級壓縮出氣口。
一種實施上述高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統的冷卻方法，將高速電機內腔設計成封閉空間，經過壓縮機二級冷卻器後的高壓低溫壓縮氣體分流出一小部分流量，通過轉子內腔冷卻進氣管進入高速電機內腔，流經高速電機轉子的表面並帶走相應熱量，之後通過轉子內腔冷卻出氣管將溫度升高、壓力降低後的冷卻氣體引入壓縮機一級冷卻器進行冷卻，然後通過二級壓縮再次進行壓縮並再次通過壓縮機二級冷卻器冷卻後，再次進入高速電機內腔，依次循環，整個冷卻過程無須外界氣體，形成內部自循環。
採用本發明的高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法，能夠解決高速電機直驅的離心壓縮機的電機轉子及內腔的散熱冷卻問題。
本發明的基本思想是將高速電機直驅離心壓縮機的兩個壓縮級、高速電機內腔、兩級冷卻器作為一個系統，使電機轉子內腔的冷卻氣體在這三個部件間自循環冷卻，無須外部冷卻氣源。
本發明的基本方法是將高速電機內腔設計成封閉空間，將二級冷卻器的少量冷卻氣體引入內腔進行電機轉子冷卻，之後將高溫的冷卻氣體引出電機內腔並進入一級冷卻器冷卻，之後再次進行二級壓縮。
本發明的冷卻過程是流出二級冷卻器的小部分高壓低溫氣體進入電機內腔，流經電機轉子表面並帶走內部熱量，之後將冷卻完成後的低壓高溫氣體引出電機內腔並進入一級冷卻器進行換熱後再次進入二級壓縮，依次完成自循環換熱過程。
本發明所需的冷卻氣體是經過離心壓縮機壓縮後的高壓氣體，密度較大且換熱效果好，因而只需非常少的量就能實現電機內腔的轉子冷卻，所需的冷卻流量佔整個離心壓縮機排氣流量的比例非常小，而且冷卻後的氣體壓力降低不大且能循環利用，因此對應的冷卻耗能很小。
本發明與外置風扇引入冷卻氣體相比，綜合能耗更低。
本發明的冷卻過程無須外部氣源、冷卻風扇等部件，自循環冷卻過程只需在電機內腔與一、二級冷卻器間聯通兩個小管路即可，結構簡單，機組整體美觀協調。
附圖說明
圖1為本發明的一種高速電機直驅離心壓縮機的電機轉子自循環冷卻系統的結構示意圖。
圖2為本發明的一種高速電機直驅離心壓縮機的電機轉子冷卻流程示意圖。
圖3為本發明的一種高速電機直驅離心壓縮機的結構簡圖。
附圖標記：
1為高速電機內腔，2為高速電機轉子，3為電機定子線圈，4為電機封閉殼體，5為一級壓縮，6為二級壓縮，7為轉子內腔冷卻進氣管，8為轉子內腔冷卻出氣管，9為壓縮機二級冷卻器，10為壓縮機一級冷卻器。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法作詳細描述。
參看圖1，本發明提供一種高速電機直驅離心壓縮機的電機轉子自循環冷卻系統，它主要由電機封閉殼體4、高速電機內腔1、高速電機轉子2、電機定子線圈3、一級壓縮5、二級壓縮6、轉子內腔冷卻進氣管7、轉子內腔冷卻出氣管8、壓縮機一級冷卻器10以及壓縮機二級冷卻器9組成。
高速電機轉子2設置在電機封閉殼體4內部中間，在電機轉子2兩側與電機封閉殼體4內壁之間安裝軸承座和軸承。在電機轉子2的外圍安裝有電機定子線圈3。電機封閉殼體4內部空間形成高速電機內腔1。
電機封閉殼體4的一端設為一級壓縮5，電機封閉殼體4的另一端設為二級壓縮6。在電機封閉殼體4上分別設置轉子內腔冷卻進氣管7和轉子內腔冷卻出氣管8，轉子內腔冷卻進氣管7連接壓縮機二級冷卻器9，轉子內腔冷卻出氣管8連接壓縮機一級冷卻器10。
壓縮機一級冷卻器10設有一級壓縮進氣口和一級壓縮出氣口。壓縮機二級冷卻器9設有二級壓縮進氣口和二級壓縮出氣口。
參看圖2，圖中實線箭頭表示：壓縮機進氣從一級壓縮5到壓縮機一級冷卻器10，經過二級壓縮6再到壓縮機二級冷卻器9，壓縮機排氣，完成氣體壓縮過程。
圖中虛線箭頭表示：小量的冷卻氣體從壓縮機二級冷卻器9進入高速電機內腔1，帶走高速電機轉子2的熱量，進入壓縮機一級冷卻器10進行冷卻，再通過二級壓縮6進行壓縮，進入壓縮機二級冷卻器9冷卻後又進入高速電機內腔1，完成小量的電機轉子冷卻氣體自循環過程。
參看圖3，圖中顯示了一種高速電機直驅離心壓縮機的外形。
如圖1和圖2所示，本發明還提供一種高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻方法，冷卻過程如下：
將高速電機內腔1設計成封閉空間，經過壓縮機二級冷卻器9後的高壓低溫壓縮氣體分流出一小部分流量，通過轉子內腔冷卻進氣管7進入高速電機內腔1，流經高速電機轉子2的表面並帶走相應熱量，之後通過轉子內腔冷卻出氣管8將溫度升高、壓力降低後的冷卻氣體引入壓縮機一級冷卻器10進行冷卻，然後通過二級壓縮6再次進行壓縮並再次通過壓縮機二級冷卻器9冷卻後，再次進入高速電機內腔1，依次循環，整個冷卻過程無須外界氣體，形成內部自循環。
本發明所需的冷卻氣體是經過離心壓縮機壓縮後的高壓氣體，密度較大且換熱效果好，因而只需非常少的量就能實現電機內腔的轉子冷卻，所需的冷卻流量佔整個離心壓縮機排氣流量的比例非常小，而且冷卻後的氣體壓力降低不大且能循環利用，因此對應的冷卻耗能很小。
綜上所述，採用本發明的高速電機直驅透平機械的轉子自循環冷卻系統及冷卻方法，能夠解決高速電機直驅的透平機械的電機轉子及內腔的散熱冷卻問題，完成透平機械的電機轉子自循環換熱過程，提高換熱效率。本發明與外置風扇引入冷卻氣體相比，綜合能耗更低。本發明的冷卻過程無須外部氣源、冷卻風扇等部件，自循環冷卻過程只需在電機內腔與一、二級冷卻器間聯通兩個小管路即可，結構簡單，機組整體美觀協調。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的範圍內。本發明要求的保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。