ES2260285T3 - Compresor de tornillo de etapas multiples. - Google Patents
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Abstract
Un compresor de tornillo de etapas múltiples (30) que comprende: dos o más etapas del compresor (10, 11), en las que cada etapa del compresor comprende una pareja de rotores para comprimir un gas; dos o más medios de accionamiento de la velocidad variable (31, 32), donde cada uno de los medios de accionamiento de la velocidad variable (31, 32) es operativo para accionar una etapa del compresor (10, 11) respectiva; y una unidad de control (33) que comprende medios de procesamiento operativos para procesar señales indicativas de parámetros de funcionamiento del compresor de tornillo (30) y para controlar las velocidades de los medios de accionamiento de la velocidad variable (31, 32), caracterizado porque: el compresor de tornillo comprende dispositivos de supervisión operativos para supervisar el par de torsión y la velocidad de cada uno de los medios de accionamiento de la velocidad variable (31, 32), la unidad de control (33) es operativa para controlar las velocidades de los medios de accionamiento de velocidad variable (31, 32), de manera que el compresor de tornillo (30) proporciona gas a un caudal de suministro y presión requeridos, y porque la unidad de control (33) es operativa para procesar señales indicativas del par de torsión y de la velocidad de cada uno de los medios de accionamiento de velocidad variable (31, 32) y para controlar las velocidades de los medios de accionamiento de velocidad variable (31, 32), de manera que se reduce substancialmente al mínimo el consumo de potencia del compresor de tornillo (3).
Description
Compresor de tornillo de etapas múltiples.
La invención se refiere a mejoras en el
accionamiento de un compresor de tornillo de etapas múltiples
utilizando motores eléctricos independientes con control
electrónico de la velocidad.
En un compresor de tornillo de etapas múltiples
se utiliza habitualmente un dispositivo de accionamiento de
velocidad fijo individual para accionar las etapas individuales del
compresor simultáneamente a través de una caja de engranajes.
Normalmente esto requiere un tren de engranajes de incremento de la
velocidad, puesto la velocidad del dispositivo de accionamiento es
considerablemente menor que el accionamiento requerido por las
etapas del compresor. La velocidad de cada etapa debe adaptarse para
conseguir la máxima eficiencia y para compartir el trabajo
realizado por cada etapa. Puesto que la relación de transmisión debe
cambiarse para efectuar un cambio en el volumen de salida, para
permitir proporcionar un rango de diferentes volúmenes de salida a
partir de un conjunto común de etapas, se necesita un conjunto de
engranajes único para cada salida nominal. Cuando se requiere un
rango de presiones finales de suministro diferentes, esto necesita
en muchos casos, una relación de transmisión única para cada presión
de accionamiento.
Se puede utilizar un conjunto de etapas del
compresor, que funcionan a velocidades diferentes, para dar un
rango de flujos de salida de aire. Para obtener un incremento en el
flujo de aire, debe incrementarse la velocidad de todas las etapas.
Debido a la diferencia en las características de rendimiento de cada
etapa, el incremento en la velocidad de cada etapa no será el
mismo. Además de esto, la velocidad relativa de las etapas puede
tener que ser alterada en función de la presión de suministro de la
etapa final deseada o de la relación de la presión general. El
parámetro básico que determina la velocidad relativa de las etapas
es el trabajo realizado en cada etapa. Para obtener la eficiencia
máxima, el trabajo debe ser compensado igualmente en cada etapa.
El resultado de esto es que para un caudal de
aire dado y una presión de suministro dada, debe determinarse un
conjunto específico de velocidades para varias etapas de compresión.
Una vez determinadas las velocidades, deben seleccionarse los
engranajes adecuados. Esto impone una limitación adicional. Debido a
la restricción impuesta por la necesidad de tener números enteros
de dientes de engranaje, puede no ser posible la relación ideal.
Otra consideración es que, para máquinas
producidas en serie, el rendimiento de etapas de compresión
similares no será idéntico debido a las tolerancias de fabricación,
lo que da lugar a variaciones de la holgura. Con relaciones de
transmisión fijas, no existe ningún medio para compensar esta
variación, que puede afectar de una manera adversa al rendimiento
del compresor, puesto que el equilibrio de trabajo entre las etapas
no será óptimo. Además, si un usuario desea utilizar un compresor
en un trabajo a una distancia desde el punto de diseño, se reducirá
la eficiencia de la máquina o, en el caso extremo, se producirá el
recalentamiento de las etapas individuales.
Otra consideración es que para proporcionar un
control de la capacidad de un compresor de etapas múltiples, se
puede utilizar la regulación de la entrada sobre un rango muy
estrecho de las velocidades a medida que se incrementa
efectivamente la relación de la presión a través de la máquina. Esto
conduce de nuevo a recalentamiento. Por esta razón, los compresores
de etapas múltiples son controlados habitualmente por el cierre
total de la entrada por una válvula de control. Esto proporciona un
control muy grosero de la presión o del caudal con eficiencia
escasa. La variación de la velocidad del motor de accionamiento ha
sido utilizada para controlar algunas máquinas para mejorar la
eficiencia con carga parcial. Con una relación fija de las
velocidades entre las etapas, esto conduce a un desequilibrio del
trabajo entre las etapas, que puede limitar el rango de control.
Otro ejemplo de un compresor de tornillo de dos
etapas, en el que el motor eléctrico de cada etapa es accionado por
un accionamiento de velocidad variable, se da por el documento JP
07-158576 A.
Un objeto de la presente invención es solucionar
estos inconvenientes.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
compresor de tornillo de etapas múltiples como se establece en la
reivindicación 1.
A continuación se describirá una forma de
realización preferida de la presente invención, solamente a modo de
ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los
que:
La figura 1 es una representación esquemática
del funcionamiento de una compresor de tornillo típico de la técnica
anterior; y
La figura 2 es una representación esquemática de
un compresor de tornillo de acuerdo con la presente invención.
En la figura 1 se muestra un compresor de dos
etapas 5 de la técnica anterior. Aunque se muestra una máquina de
dos etapas, libre de aceite, para mayor claridad, los principios son
los mismos donde están implicadas más etapas o donde las etapas
tienen inyección de aceite o de agua.
Cada una de las dos etapas del compresor 10, 11
está constituida por una pareja de rotores estriados, cortados
helicoidalmente, a contra-revolución, soportados en
cada extremo en cojinetes de rodillos en una carcasa rígida. Cada
carcasa está fijada a una caja de engranajes sencilla 12. El motor
de accionamiento está acoplado al engranaje de entrada en la caja
de engranajes 12, que transfiere el accionamiento a las etapas 10,
11 a través de un piñón sobre los árboles 12a, 12b de cada etapa 10,
11.
Se aspira aire a través de un filtro de aire 14
y a través de la válvula de control de entrada 15 en el orificio de
entrada de la primera etapa 10, donde se comprime parcialmente. El
aire parcialmente comprimido desde la primera etapa 10 pasa a un
termocambiador intermedio 16, donde se reduce su temperatura antes
de que el aire pase hasta la entrada de la segunda fase 11 para
compresión adicional. Después de abandonar la segunda etapa 11 (o
final), el aire totalmente comprimido pasa a través de una válvula
de control 17 hasta un refrigerador posterior 18 para la
refrigeración posterior, después de lo cual se suministra al usuario
a través de la salida de suministro de aire 19.
En esta forma de realización, el termocambiador
intermedio 16 y el refrigerador posterior 18 son refrigerados cada
uno de ellos por aire ambiente que es impulsado sobre ellos por un
ventilador 20 accionado por motor. Una alternativa consiste en
utilizar intercambiadores de calor refrigerados con agua.
La figura 2 muestra un compresor 30 de acuerdo
con la presente invención. La operación esencial es como se ha
descrito anteriormente, pero difiere del compresor 5 de la técnica
anterior porque motores 31, 32 independientes de velocidad variable
accionan cada una de las etapas 10, 11 del compresor de una manera
independiente, sin ningún enlace mecánico entre las etapas 10, 11
accionadas por motores individuales. Las características de los
motores 31, 32 están adaptadas a las etapas correspondientes de los
compresores 10, 11.
La velocidad de los motores 31, 32 está
controlada por un controlador electrónico 33. El parámetro básico
de control es la presión final de suministro de aire o el caudal de
suministro de aire. La velocidad a la que se acciona cada una de
las etapas 10, 11 se incrementa para proporcionar un caudal mayor o
se reduce para proporcionar menor caudal de aire. Las velocidades
de giro máximas están limitadas a niveles predeterminados basados
en consideraciones mecánicas. Las velocidades mínimas o bien están
pre-determinadas o son determinadas midiendo las
temperaturas de suministro de cada etapa 10, 11. A medida que se
reduce la velocidad de los rotores de cualquier etapa, la etapa se
vuelve menos eficiente, provocando una subida de la temperatura.
Cuando ésta alcanza un valor máximo pre-ajustado,
el compresor 30 se para o se descarga a través de una válvula de
entrada 15.
Para mantener una eficiencia óptima en todas las
condiciones, se varían las velocidades de las etapas individuales
del compresor 10, 11 para compensar una variedad de factores. Estos
factores incluyen altitud, presión barométrica, temperatura
ambiente y temperatura del refrigerante, bloqueo de los filtros y
desgaste. También se compensan las variaciones de fabricación en las
etapas del compresor 10, 11.
Este control se consigue midiendo continuamente
las presiones de suministro de aire y las temperaturas desde cada
etapa 10, 11 así como el par motor de entrada y la velocidad a cada
etapa 10, 11. Se utilizan dispositivos de medición adecuados para
medir estos parámetros y transmitir señales al controlador
electrónico 33. Los motores 31, 32 pueden tener bucles de
realimentación directamente al controlador 33. El controlador 33
procesa las señales y ajusta la velocidad de las etapas 10, 11 para
conseguir el caudal de aire y la presión de suministro deseados.
Luego, utilizando las mediciones descritas anteriormente, el
controlador 33 realiza ajustes pequeños a las velocidades de las
etapas para reducir al mínimo el consumo de potencia, igualar el
trabajo entre las varias etapas y mantener las temperaturas de
servicio de seguridad.
Aunque la descripción anterior se refiere
solamente a compresores de aire, debería entenderse que esta
invención se puede utilizar también para compresores para otros
gases.
Claims (5)
1. Un compresor de tornillo de etapas múltiples
(30) que comprende:
dos o más etapas del compresor (10, 11), en las
que cada etapa del compresor comprende una pareja de rotores para
comprimir un gas;
dos o más medios de accionamiento de la
velocidad variable (31, 32), donde cada uno de los medios de
accionamiento de la velocidad variable (31, 32) es operativo para
accionar una etapa del compresor (10, 11) respectiva; y
una unidad de control (33) que comprende medios
de procesamiento operativos para procesar señales indicativas de
parámetros de funcionamiento del compresor de tornillo (30) y para
controlar las velocidades de los medios de accionamiento de la
velocidad variable (31, 32), caracterizado porque:
el compresor de tornillo comprende dispositivos
de supervisión operativos para supervisar el par de torsión y la
velocidad de cada uno de los medios de accionamiento de la velocidad
variable (31, 32),
la unidad de control (33) es operativa para
controlar las velocidades de los medios de accionamiento de
velocidad variable (31, 32), de manera que el compresor de tornillo
(30) proporciona gas a un caudal de suministro y presión requeridos,
y porque
la unidad de control (33) es operativa para
procesar señales indicativas del par de torsión y de la velocidad
de cada uno de los medios de accionamiento de velocidad variable
(31, 32) y para controlar las velocidades de los medios de
accionamiento de velocidad variable (31, 32), de manera que se
reduce substancialmente al mínimo el consumo de potencia del
compresor de tornillo (3).
2. Un compresor de tornillo (30) de acuerdo con
la reivindicación 1, que comprende, además, dispositivos de
supervisión para supervisar las temperaturas de suministro del gas
en cada etapa del compresor (10, 11).
3. Un compresor de tornillo (30) de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende,
además, al menos un dispositivo de supervisión de la temperatura
ambiente.
4. Un compresor de tornillo (30) de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende,
además, medios de refrigeración (16) previstos entre etapas del
compresor (10, 11) adyacentes y al menos un dispositivo de
supervisión para supervisar la temperatura del gas después de pasar
a través de los medios de refrigeración (16).
5. Un compresor de tornillo (30) de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende,
además, al menos un dispositivo de supervisión para supervisar la
presión de suministro del gas en cada etapa de compresión (10,
11).
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