多级压缩机-膨胀机涡轮机构型的制作方法

多级压缩机
‑
膨胀机涡轮机构型
技术领域
1.本公开涉及涡轮机。具体地讲，本文所公开的实施方案涉及一体式压缩机
‑
膨胀机布置。


背景技术：

2.在若干工业应用中，需要提高气流的压力。动力式压缩机，诸如尤其是离心式压缩机，常常用于压缩气流。压缩机由机械动力驱动，该机械动力由驱动器诸如电动马达递送。在若干工业设施中，压缩气体流必须膨胀。为了恢复机械动力，在膨胀机中执行膨胀。在一些已知的构型中，膨胀机和压缩机组合在一体式压缩机
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膨胀机布置中，该一体式压缩机
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膨胀机布置也可包括电机。当由膨胀机生成的机械动力由驱动压缩机所需的机械动力平衡时，该构型是所谓的膨胀机
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压缩机。当由膨胀机生成的动力超过驱动压缩机所需的动力时，电机可以发电机模式操作，使得过量的机械动力被转换为电力。当由膨胀机生成的动力小于驱动压缩机所需的动力时，电机在马达模式下被驱动，以提供补充动力来驱动压缩机。
3.这种一体式膨胀机压缩机公开于例如us2013/0091869中。
4.组合的压缩机
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膨胀机构型的设计中的一个重要方面在于压缩机级的有效能量回收和最佳操作。为了改善这些机器的操作效率和可靠性，进行了持续努力。


技术实现要素：

5.在本文公开的实施方案中，提供了涡轮机，该涡轮机包括壳体布置和被支撑用于在壳体布置中旋转的轴。该轴由至少第一轴承单元和第二轴承单元旋转地支撑，至少第一轴承单元和第二轴承单元适于在壳体布置中旋转地支撑轴。第一压缩机区段和第二压缩机区段设置在壳体布置中。第一压缩机区段包括安装在轴上用于与轴一起旋转的第一压缩机叶轮，并且第二压缩机区段包括安装在轴上用于与轴一起旋转的第二压缩机叶轮。该涡轮机还包括第一涡轮膨胀机和第二涡轮膨胀机，该第一涡轮膨胀机和该第二涡轮膨胀机安装在轴上用于与轴一起在壳体布置中旋转，适于通过使气流膨胀穿过其中并且驱动第一压缩机区段和第二压缩机区段来生成机械动力。
6.在特别优选的实施方案中，驱动压缩机区段所需的整个动力由涡轮膨胀机提供，使得不需要外部电机并且轴可被密封地容纳在壳体布置内。在旋转机器组件上不需要垫圈或密封件，以减少朝向环境的泄漏。获得完全密封的壳体。
7.在一些实施方案中，涡轮膨胀机串联布置，使得来自最上游涡轮膨胀机的部分膨胀的气体在最下游涡轮膨胀机中进一步膨胀。因此，涡轮机上的焓降被分为两个部分。这允许以有限的旋转速度操作涡轮机。为了提供更可靠的操作，涡轮膨胀机的叶轮和压缩机区段的叶轮可以堆叠构型而不是收缩配合构型安装，使得即使在高旋转速度下也确保更安全的操作。以这种方式，由于离心力使叶轮
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轴联接件松动的风险，可无限制地实现高额定功率。串联布置的涡轮膨胀机和堆叠轴的组合允许设计高功率额定涡轮机，能够在整个涡轮膨胀机上利用相当大的压降。这可导致有效的能量回收。
附图说明
8.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
9.图1示出了根据本公开的涡轮机的一个实施方案的剖视图；
10.图2示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
11.图3示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
12.图4示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
13.图5示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
14.图6示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
15.图7示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
16.图8示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
17.图9示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
18.图10示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；
19.图11示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图；并且
20.图12示出了根据本公开的涡轮机的另一个实施方案的示意图。
具体实施方式
21.根据本公开的涡轮机包括其上安装有若干叶轮的单轴。叶轮包括两个涡轮膨胀机叶轮和两个压缩机叶轮。涡轮膨胀机提供驱动压缩机叶轮所需的整个动力，使得压缩机区段和涡轮膨胀机的旋转组件可被容纳在密封壳体布置中，其中没有旋转轴延伸到壳体外，使得不需要密封件并且避免了渗漏。在一些实施方案中，轴是堆叠轴，使得由于不存在收缩配合连接，可实现更高的旋转速度。
22.现在转到图1，包括一体式压缩机
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膨胀机构型的涡轮机1的第一实施方案以沿含有涡轮机1的旋转轴线a
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a的剖面截取的剖视图示出。
23.涡轮机1包括壳体布置3。如本文所用，术语“壳体布置”可被理解为容纳旋转轴的单个壳体，或彼此连接的多个隔室，其中旋转轴延伸穿过隔室。在图1的实施方案中，壳体布置3包括第一中心隔室3a和侧隔室3b、3c。中心隔室3a容纳涡轮机1的压缩机区段。累积标记为5的压缩机区段可包括第一压缩机区段5a和第二压缩机区段5b。在图1的实施方案中，第一压缩机区段5a和第二压缩机区段5b各自包括具有单个叶轮的单个压缩机级。其他实施方案可包括更大数量的区段，并且/或者一个、一些或所有压缩机区段可包括超过一个叶轮。
24.在图1的实施方案中，第一压缩机区段5a包括压缩机叶轮7a，并且第二压缩机区段5b包括压缩机叶轮7b。
25.在图1中，压缩机区段5a、5b串联布置，使得单个气流进入最上游的压缩机区段5a，在其中被压缩，并且部分压缩的气流被递送到最下游的第二压缩机区段5b以进一步压缩。因此，壳体布置3包括单个压缩机入口9和单个压缩机出口11。
26.涡轮机1还包括容纳在隔室3b中的第一涡轮膨胀机13和容纳在隔室3c中的第二涡轮膨胀机15。每个涡轮膨胀机13、15分别包括气体入口13.1、15.1和气体出口13.2、15.2。涡轮膨胀机13包括涡轮膨胀机叶轮19，并且涡轮膨胀机15包括涡轮膨胀机叶轮21。
27.在优选的实施方案中，涡轮膨胀机叶轮19、21中的一者或两者以悬垂构型布置，
即，它们被支撑在旋转轴23的相应的第一端部和第二端部处，该第一端部和第二端部自由地突出超过相应的轴承单元25、27。涡轮膨胀机的悬垂构型使膨胀气体流的排放更容易。另外，例如出于维护或修理目的，使接近涡轮膨胀机叶轮19、21更容易。
28.轴承单元25、27可包括主动磁性轴承。一般来讲，轴承单元25、27为轴23提供径向和轴向支撑。例如，每个轴承单元25、27可分别具有径向轴承25.1和27.1。轴承单元25、27中的至少一者还可包括轴向轴承，如以举例的方式在25.2处所示。如果设置单个轴向轴承，则后者具有双向轴向轴承功能。在其他实施方案中，每个轴承单元可包括半轴向轴承，两个半轴向轴承各自仅在一个方向上提供轴向支撑功能。
29.在图1的实施方案中，涡轮膨胀机13、15是向心涡轮膨胀机，即气流在叶轮入口处径向进入相应的叶轮并且在叶轮出口处轴向离开叶轮。涡轮膨胀机叶轮19、21的入口分别在19.1和21.1处示出，并且涡轮膨胀机叶轮出口在19.2和21.2处示出。气体从入口朝向旋转轴线a
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a径向向内流动，并且在涡轮膨胀机出口处通过叶轮朝向基本上轴向方向偏转。在13.5和15.5处示意性地示出的可变入口导向叶片(igv)可设置在相应的入口充气室13.4和15.4与涡轮膨胀机叶轮19、21之间。可变入口导向叶片改善了涡轮机的灵活性，因为进入相应涡轮膨胀机叶轮19、21的气流的偏转角度可适于操作条件，具体地讲适于涡轮机的旋转速度。
30.涡轮机1可具有堆叠构型，其中两个涡轮膨胀机叶轮19、21和两个压缩机叶轮7a、7b与轴23的相应部分一体形成，并且轴部分彼此堆叠以形成轴23。更具体地讲，在图1中，轴23包括被标记为23.1、23.2、23.3、23.4、23.5和23.6的六个轴部分。轴部分23.1与涡轮膨胀机叶轮19一体形成。轴部分23.2延伸穿过第一轴承单元25，并且在一端处与第一轴部分23.1扭转联接，并且在相对端处与第三轴部分23.3的第一端部扭转联接。后者与第一压缩机叶轮7a一体形成。第三轴部分23.3的第二端部与第四轴部分23.4的第一端部扭转联接，该第四轴部分的第一端部继而与第二压缩机叶轮7b一体形成。第四轴部分23.3的第二端部与第五轴部分23.5的第一端部扭转联接，该第五轴部分的第一端部延伸穿过第二轴承单元27。第五轴部分23.5的第二端部扭转联接到第六轴部分23.6，该第六轴部分与涡轮膨胀机叶轮21一体形成。
31.通过一体地(即，与相应的轴部分整体地)形成每个叶轮，获得涡轮机转子，该涡轮机转子可以比通过收缩配合安装叶轮的转子更高的速度旋转。
32.每对扭转联接的轴部分借助于连杆和一对相互接合的前部齿状物(例如借助于hirth联接件)连接，包括在两个相互联接的轴部分中的每一个的端面上啮合在一起的锥形齿状物。连接各个轴部分的连杆示意性地示于31.1、31.2和31.3处。
33.涡轮机1的各种涡轮膨胀机和压缩机区段可根据各种构型流体地联接。继续参考图1，流体联接件的第一构型示意性地示于图2中。在该实施方案中，涡轮膨胀机13、15依次布置，使得压缩气体流在第一涡轮膨胀机13中部分膨胀，并且随后在第二涡轮膨胀机15中进一步膨胀。第一涡轮膨胀机13的气体出口13.2流体地联接到第二涡轮膨胀机15的气体入口15.1。该构型是特别有利的，因为焓降在两个依次布置的涡轮膨胀机13、15中分离，并且轴23的旋转速度可保持在更低的值。
34.压缩机区段5a、5b也串联布置，即依次布置，使得在第一压缩机区段5a中和在第二压缩机区段5b中依次处理相同的气流。
35.在其他实施方案中，涡轮膨胀机13、15可并联而不是串联布置。例如，如果在涡轮膨胀机中膨胀的气体的压降相对小，但气体流量高，则这可为优选的。继续参考图1，在图3的示意图中示出了具有并联涡轮膨胀机13、15的实施方案。图3中使用图1的相同参考标号来表示相同的部件或组件。在图3的构型中，待在涡轮膨胀机13、15中膨胀的压缩气体流分成两个部分流，这两个部分流在并联布置的两个涡轮膨胀机13、15中膨胀。图3的压缩机区段5a、5b如图1和图2中所示串联布置。
36.在一些实施方案中，压缩机区段5a、5b可被中间冷却。继续参考图1，在图4中示意性地示出了具有中间冷却压缩机的涡轮机1。相同的参考标号表示已经结合图1描述的相同元件、部件或组件。在图4的示意性实施方案中，壳体布置3包括流体地联接到第一压缩机区段5a的第一压缩机入口9a。部分压缩气体通过第一压缩机出口11a在第一压缩机区段5a的递送侧处排出，该第一压缩机出口流体地联接到全局标记为12的中间冷却器的热交换器的入口侧。热交换器的出口侧流体地联接到第二气体入口9b，通过该第二气体入口将部分压缩和冷却的气体递送到第二压缩机区段5b。壳体布置还包括第二压缩机出口11b，压缩气体通过该出口递送。
37.图4的涡轮机1的涡轮膨胀机13、15可根据上述布置中的任一种串联或并联布置。
38.虽然在图4的示意图中压缩机区段5a、5b是串联的，但在其他实施方案中，压缩机区段5a、5b可以是并联的。
39.涡轮机1的压缩机区段和涡轮膨胀机区段可根据另外的可能构型布置，其中的一些构型在此描述，参考图5至图12。图5至图12中所示的涡轮机1的主要组件用与图1中所用的相同参考标号标记。除非在以下描述中另有说明，否则各种机器组件可如上文结合图1所述进行构造。
40.在图5中，示出了涡轮机1的另一种构型的示意图，其中两个压缩机区段5a、5b并联布置。待压缩的气体流被分成两个部分料流，这两个部分料流通过第一压缩机入口9a和第二压缩机入口9b被递送到两个压缩机区段5a、5b的吸入侧。每个压缩机区段5a、5b流体地联接到相应的压缩机出口11a、11b。类似于图1至图4，同样在图5的实施方案中，压缩机区段5a、5b以中间轴承构型布置在两个轴承单元25和27之间。涡轮膨胀机被布置在涡轮机的外侧上，其中相应的涡轮膨胀机叶轮处于悬垂构型，如图1中所详细示出，被支撑在轴23的自由端处，该自由端延伸超过轴承单元25、27。在图5的示意图中，压缩机区段5a、5b被布置成背对背布置，即，压缩机区段5a、5b的两个递送侧(压缩机出口11a、11b)彼此面对并且被布置在压缩机区段的吸入侧(压缩机入口9a、9b)之间。
41.图6示出了根据布置在两个压缩机区段5a、5b之间的密封布置40的不同于图5中所示的构型。因此，两个压缩机区段5a、5b可处理彼此保持分离的不同气体流。以举例的方式，压缩机区段5a、5b相对于图5中的压缩机区段布置在相反位置，即吸入侧(压缩机入口9a、9b)彼此面对，而递送侧(压缩机出口11a、11b)彼此背离。压缩机区段5a、5b再次以中间轴承构型布置，而涡轮膨胀机13、15悬垂，其中由轴端部支撑的相关叶轮悬臂延伸超过相应的轴承单元25、27。
42.继续参考附图1至图6，图7中示出了根据本公开的涡轮机1的另一种构型。相同的参考标号表示如上文已经描述的相同部件或等同部件。图7的涡轮机1包括两个压缩机区段5a、5b，这两个压缩机区段可以面对面或背对背地以及在轴承之间布置。图7示出了面对面
构型，但是压缩机区段可如图5中所示背对背布置，具有或不具有中间密封布置40。在图7的构型中，压缩机区段5a、5b串联布置。待由压缩机5处理的气流被第一压缩机区段5a抽吸通过第一压缩机入口9a并通过第一压缩机出口11a递送。在图7的示例性实施方案中，第一压缩机出口11a通过中间冷却器(再次标记为12)流体地联接到第二压缩机入口9b。最终压力下的气体通过第二压缩机出口11b递送。第一涡轮膨胀机13和第二涡轮膨胀机15可以悬垂构型布置，其中相应的涡轮膨胀机叶轮以悬垂方式被支撑在轴23的端部处，该端部从轴承布置25、27悬臂突出。两个涡轮膨胀机13、15可串联布置，由此第一涡轮膨胀机13的排出物流体地联接到第二涡轮膨胀机15的入口，使得压缩气体流在两个步骤中依次膨胀。
43.图8示出了与图7相同的布置，但是其中涡轮膨胀机13、15处于并联构型。
44.在上述实施方案中，涡轮膨胀机布置在涡轮机1的侧面上，并且压缩机区段5a、5b布置在涡轮机的中间部分中的轴承之间。就涡轮膨胀机组件的可接近性以及就流体动态效率两者而言，该构型是特别有益的。事实上，一方面有利于接近涡轮膨胀机叶轮19、21。另外，可变入口导向叶片13.5和15.5以及相关致动器更易于接近。另一方面，由于涡轮膨胀机叶轮19、21通常是向心叶轮，因此如果在叶轮的排放侧轴向可用自由空间，则使排放(膨胀)气体的出口流动更容易。不需要附加的扩散片来使流动方向转向。使流体动态损耗最小化。
45.然而，在当前次优选的实施方案中，不排除涡轮膨胀机和压缩机区段的不同布置。继续参考图1，在图9中示出了一个实施方案，其中压缩机区段5a、5b布置在涡轮机1的末端处，而涡轮膨胀机13、15以中间轴承构型布置在涡轮机1的中心区域中，介于压缩机区段5a、5b之间。由压缩机区段5a、5b处理的气体通过第一压缩机入口9a进入涡轮机1并被第一压缩机区段5a部分压缩，该第一压缩机区段将部分压缩的气体通过第一压缩机出口11a朝向第二压缩机入口9b递送。进入第二压缩机入口9b的气体被第二压缩机区段5b进一步压缩并通过第二压缩机出口11b递送。中间冷却器12可设置在第一压缩机出口11a和第二压缩机入口9b之间，以在部分压缩的气体在第二压缩机区段5b中被进一步压缩之前从该部分压缩的气体中去除热量。
46.压缩机叶轮7a、7b可以悬垂构型被支撑在轴23的端部处，该端部悬臂突出超过第一轴承单元25和第二轴承单元27。
47.涡轮膨胀机叶轮19、21可在轴承单元25、27之间被支撑在轴23的中心部分中的中间轴承布置中。两个涡轮膨胀机13、15可串联或并联布置，如上文结合图1至图8所述。
48.继续参考图1至图9，图10中示出了另一个实施方案。图10的涡轮机1再次包括第一涡轮膨胀机13和第二涡轮膨胀机15、第一压缩机区段5a和第二压缩机区段5b以及旋转地支撑在壳体布置3中的共同轴23(图10中未示出)。轴23可为如上文结合图1所述的堆叠轴。此类堆叠构型也可有利地用于图2至图9的实施方案中。
49.与图1至图9不同，在图10中，压缩机叶轮7a、7b以及涡轮膨胀机叶轮19、21两者均处于轴承间布置，因为压缩机区段5a、5b以及涡轮膨胀机13、15两者均布置在轴承单元25、27之间。
50.压缩机区段5a、5b之间的流体联接可使得压缩机区段5a、5b串联或并联布置。此外，虽然在图10的示意图中，压缩机区段5a、5b以串联构型示出，但在其他实施方案中，压缩机区段5a、5b可背对背或面对面布置，例如如图5或图6中所示。取决于不同因素，各种布置中的任一者或另一者可为优选的。具体地讲，就推力平衡而言，背对背或面对面构型可以是
更有益的，因为在操作期间由两个压缩机叶轮在轴23上生成的轴向力在相反方向上取向，并且因此至少部分地平衡。串联构型在简化的流动通道方面可为更有益的，如由图1可理解的那样。如果不需要中间冷却，则串联构型可避免对穿过壳体的双入口和出口导管的需要。
51.虽然在图10中，压缩机区段5a、5b彼此相邻，并且类似地，涡轮膨胀机13、15彼此相邻地布置成背对背布置，但是不同的布置是可能的，其中压缩机区段和涡轮膨胀机以交错构型定位，即，其中一个压缩机区段布置在两个涡轮膨胀机之间。另外，涡轮膨胀机可以串联而不是背对背构型布置。
52.继续参考附图1至图10，图11示出了涡轮机1的又一个实施方案。在该实施方案中，第二涡轮膨胀机15和第一压缩机区段5a在轴承单元25、27之间布置成中间轴承构型。第一涡轮膨胀机13以悬垂构型布置在悬臂突出超过轴承单元25的轴23的一端上，而第二压缩机区段5b以悬垂构型布置在悬臂突出超过轴承单元27的轴23的另一端上。以举例的方式，两个涡轮膨胀机13、15串联布置。在其他实施方案中，涡轮膨胀机13、15可并联布置。压缩机区段5a、5b可并联或串联，具有或不具有中间冷却。
53.最后，继续参考图1至图11，在图12中示出了根据本公开的涡轮机1的又一个实施方案。图12的实施方案与图11的实施方案的不同之处主要在于涡轮膨胀机13、15并联布置。压缩机区段5a、5b串联布置，其间具有中间冷却器12。
54.在本文公开的所有实施方案中，轴可由两个径向轴承以及一个或两个推力轴承支撑。具体地讲，如果设置了两个推力轴承，则可以使用所谓的半推力轴承，半推力轴承中的每个仅在一个方向上支撑轴向推力。因此，在一些实施方案中，可以设置两个轴承单元：每个轴承单元具有径向轴承功能，并且两者也具有轴向轴承(推力轴承)功能，然而各自仅在一个方向上。在其他实施方案中，每个轴承单元具有径向轴承功能，并且它们中的仅一个在两个方向上具有推力(轴向)轴承功能。
55.在优选的实施方案中，每个轴承单元可包括一个或多个主动磁性轴承。
56.虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。具体地讲，在上述构型中的每个中，除非另外指明，否则两个压缩机区段可以串联或并联布置。另外，除非另外指明，否则两个涡轮膨胀机可另选地串联或并联。