壓縮機止推軸承喘振保護的製作方法

2023-06-01 16:35:31 4

壓縮機止推軸承喘振保護的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種在喘振現象期間阻止超過壓縮系統的止推軸承能力的方法和設備，其中止推軸承利用偏壓力偏壓，以增大止推軸承吸收軸向力的能力與喘振現象期間產生的最大力之間的止推軸承過載裕度。該偏壓力可通過適當確定與壓縮系統的壓縮機的入口相對的葉輪的一側上的高壓密封件的大小來產生，以便在高壓密封件的高壓區和位於高壓區內側的低壓區中產生的後盤力產生期望的偏壓力值和方向。
【專利說明】壓縮機止推軸承喘振保護

【技術領域】
[0001] 本發明涉及喘振保護方法及設備，其中在喘振現象（surge event)期間，防止超過 壓縮機的止推軸承的能力。更具體而言，本發明涉及此類方法及設備，其中在壓縮機的正常 操作期間，通過在葉輪眼側（eye side)力與經由後盤密封件施加到葉輪上的後盤力之間產 生力差，偏壓力施加到壓縮機的葉輪上，且通過壓縮機軸施加到止推軸承上，這增大了止推 軸承能力與喘振現象期間發生的喘振力之間的過載裕度。

【背景技術】
[0002] 離心壓縮機是本領域中公知的，且用於許多應用，以將氣體從較低壓力壓縮至較 高壓力。較低壓力下的氣體進入離心壓縮機的入口，且通過旋轉葉輪加速來壓縮至較高壓 力，且然後發送至包繞葉輪的擴散器中，其中附加壓力通過使氣體減速來恢復。氣體以較高 壓力從擴散器排出至蝸殼，且從蝸殼排出至其出口。
[0003] 在離心壓縮機中，高壓密封件設在葉輪的後部上，或換言之在與入口相對的葉輪 的一側上。該密封件通常為迷宮型密封件，其具有小於由葉輪外沿限定的葉輪的外徑的較 小直徑。高壓氣體在壓縮機操作期間滲透穿過外沿，且此密封件防止該高壓氣體使葉輪的 整個後部加壓。來自諸如壓縮機入口的位置的低壓氣體或甚至更低壓的源（如果可用）被 引入形成在壓縮機後部處的腔中，驅動葉輪的電機軸與高壓密封件之間。通過驅動葉輪的 電機軸上的軸密封件，防止了來自該腔的洩漏。該腔內的壓力作用於葉輪後方的所得的內 環形區域，連同作用於葉輪的外沿與高壓密封件之間的外環形區域中的高壓。這兩個力的 總和產生了稱為葉輪上的後盤力的力。在葉輪內側作用的是眼側力，該力由氣體進入葉輪 的衝擊產生，且作用於面對入口的葉輪的表面上。在現有技術中，高壓密封件尺寸確定成使 得在設計狀態期間，眼側力與後盤力平衡。
[0004] 壓縮機設計成在操作範圍（envelope)內操作，該操作範圍可在稱為壓縮機圖的 圖表中繪出，壓縮機圖是出口壓力與入口壓力的壓力比關於穿過壓縮機的流速的圖。在此 圖上，繪出了峰值或最佳效率操作線，其中對於給定的流速和壓力比，壓縮機的能量消耗最 低。該圖還具有特定速度的另一個維度（dimension)，其穿過峰值效率操作線。如果對於 給定速度，壓縮機內的壓力比下降，最終達到一點，則此時壓縮機進入稱為喘振的狀態。因 此，喘振現象由穿過壓縮機的流速下降到保持穩定操作所需的壓縮機葉輪的給定速度下所 需的最小流動以下而產生。從葉輪的角度來看，喘振現象具有兩個階段（phase)。在第一階 段中，存在由葉輪中的空氣動力不穩定性引起的葉輪流動通路內的排放壓力的突然損失。 這導致眼側壓力的下降。然而，後盤力由於流體系統慣性效應而保持很高。這導致朝入口 驅動葉輪的葉輪上的很大的軸向力。喘振現象的第二階段通過洩放至較低眼側壓力的高壓 後盤壓力產生，導致眼側力超過削弱的後盤力。這產生將葉輪驅動遠離入口的較大軸向力。 形成這些力的頻率相當高，導致源於止推軸承過載的壓縮機損壞。
[0005] 在喘振現象期間形成的力可計算和測量，且壓縮機中的止推軸承可設計有過載裕 度，以吸收這些力且防止對壓縮機的破壞。然而，被稱為無油軸承的零件在離心壓縮機中被 更多地使用。這些無油軸承為電磁軸承或空氣動力軸承。在電磁軸承中，電機軸藉助於磁 力在徑向方向和軸向方向懸置。然而，此無油軸承在應用於止推軸承上時比由油潤滑的常 規軸承吸收喘振現象期間發生的較大軸向力的能力低。因此，可由無油軸承提供的過載裕 度小於由常規軸承可提供的過載裕度。因此，在喘振現象期間，止推軸承將不能吸收力，且 備用軸承或套管將接觸來吸收力。其問題在於備用軸承或套管僅可經歷這些喘振現象期間 的預定的較少數目的使用。在該預定數目之後，壓縮機必須下線維護來替換備用軸承或套 管。
[0006] 因此，上文關於無油軸承提到的問題限制了其在大型壓縮機應用中的使用，如，空 氣分離設備，否則此類軸承將具有如下優點：進料不會受油汙染、具有低得多的摩擦損失以 及比常規油潤滑軸承需要較少維護。在如空氣分離設備的應用中，如果壓縮機下線，則設備 將不工作。在任何大型裝備中的非計劃停機在任何情況下都將導致設備經營者的財政困 難。
[0007] 如將論述的那樣，不同於現有技術，本發明提供了一種方法及設備，其中葉輪以偏 壓力預載，偏壓力大於在壓縮機的正常操作期間僅僅平衡葉輪眼側與後盤力所需的力。該 預載力用於增大軸承在喘振現象期間可超過的過載裕度，且因此，特別適用於使用無油軸 承的離心壓縮機。


【發明內容】

[0008] 本發明提供了一種在喘振現象期間阻止超過壓縮系統的止推軸承能力的方法。根 據此方法，止推軸承利用作用於壓縮機軸的兩個相對軸向方向中的一個上的偏壓力被偏 壓。在此壓縮機中，壓縮機軸連接到止推軸承和至少一個壓縮機的葉輪上，葉輪繼而又設有 後盤密封件。壓縮軸由驅動件驅動，以通過壓縮機軸的旋轉來驅動葉輪，且壓縮系統具有由 至少一個壓縮機提供的至少一個壓縮級。止推軸承具有第一止推軸承能力和第二止推軸承 能力，以分別吸收沿壓縮機軸的兩個相對軸向方向作用於止推軸承上的軸向負載。此止推 軸承構造成使得第一過載裕度存在於第一止推軸承能力與第一喘振力之間，且第二過載裕 度存在於第二止推軸承能力與第二喘振力之間。第一喘振力和第二喘振力作用於兩個相對 的軸向方向，且在喘振現象期間產生。在壓縮系統的正常操作期間，通過產生葉輪眼側力與 施加到葉輪上與眼側力相對的後盤力之間的力差，偏壓力施加到葉輪上，且通過壓縮機軸 施加到止推軸承。後盤力通過由後盤密封件分開的葉輪的高壓外環形區與低壓內環形區施 力口。偏壓力增大第一過載裕度和第二過載裕度中的一者，使得第一過載裕度和第二過載裕 度分別不小於第一止推軸承能力和第二止推軸承能力的大約百分之二十五。
[0009] 儘管過載裕度中的一者的增大將以另一個止推軸承的過載裕度為代價，但最大的 喘振力因此可被抵消（compensate)來提高止推軸承吸收喘振力的能力。在此方面，過載裕 度至少為止推軸承的能力的百分之二十五。如可認識到的那樣，甚至較大的裕度是期望的 (如果可能），例如，百分之五十。儘管本發明不限於使用於無油軸承，因為本發明實際上在 使用於無油軸承的情況下甚至更有利，其特別適用於具有有限過載裕度的磁性和空氣動力 軸承。止推軸承吸收此喘振力的能力的這樣增大允許在大規模壓縮機應用中和在壓縮機的 連續操作特別關鍵的應用中使用此無油軸承。
[0010] 驅動件可為電機，且壓縮機軸可為從電機突出的電機軸。在此情況下，止推軸承為 電機的一部分。此外，止推軸承可為磁性軸承。
[0011] 至少一個壓縮機可包括第一壓縮機和第二壓縮機，它們連接在電機軸的相對端 處，且與彼此流動連通，使得至少兩個相繼的壓縮級設在壓縮系統中。在此情況下，力差由 第一壓縮機和第二壓縮機中的至少一者的眼側力與後盤力之間的差產生。至少一個壓縮機 可為壓縮系統的多個壓縮級的上遊壓縮級。在此情況下，低壓區與多個壓縮級的上遊壓縮 級的另一個壓縮機的出口或入口流動連通，且由來自另一個壓縮機的釋放流加壓。
[0012] 本發明還提供了一種在喘振現象期間阻止超過壓縮系統的止推軸承能力的設備。 在此設備中，止推軸承利用偏壓力被偏壓，偏壓力沿壓縮機軸的兩個相對軸向方向中的一 個作用，壓縮機軸連接到止推軸承和具有後盤密封件的至少一個壓縮機的葉輪上。壓縮機 軸由驅動件驅動，以通過壓縮機軸的旋轉來驅動葉輪，且壓縮系統具有由至少一個壓縮機 提供的至少一個壓縮級。止推軸承具有第一止推軸承能力和第二止推軸承能力，以分別吸 收沿壓縮機軸的兩個相對軸向方向作用於止推軸承上的軸向負載。止推軸承構造成使得第 一過載裕度存在於第一止推軸承能力與第一喘振力之間，且第二過載裕度存在於第二止推 軸承能力與第二喘振力之間。第一喘振力和第二喘振力作用於兩個相對的軸向方向上，且 在喘振現象期間產生。後盤密封件在壓縮機軸的徑向方向上尺寸確定為使得在壓縮系統的 正常操作期間偏壓力由力差生成。偏壓力由葉輪眼側力與施加到葉輪上的與眼側力相對的 後盤力之間的力差產生，後盤力施加在由葉輪的後盤密封件分開的高壓外環形區與低壓內 環形區上。力差從葉輪傳遞且通過壓縮機軸至止推軸承，且增大第一過載裕度與第二過載 裕度中的一者，使得第一過載裕度和第二過載裕度分別不小於第一止推軸承能力和第二止 推軸承能力的大約百分之二十五。
[0013] 驅動件可為電機，壓縮機軸可為從電機突出的電機軸，且止推軸承可為電機的一 部分。此外，止推軸承可為一個磁性軸承。
[0014] 至少一個壓縮機可包括第一壓縮機和第二壓縮機，它們連接在電機軸的相對端 處，且與彼此流動連通，使得至少兩個相繼的壓縮級設在壓縮系統中。力差由第一壓縮機和 第二壓縮機中的至少一者的眼側力與後盤力之間的差產生。至少一個壓縮機可為壓縮系統 的多個壓縮級的下遊壓縮級。低壓區與多個壓縮級的上遊壓縮級的另一個壓縮機的出口或 入口流動連通，且由來自另一個壓縮機的釋放流加壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 儘管由權利要求書總結的說明書具體地指出 申請人:看作是其發明的主題內容，但 相信本發明在結合附圖時將更好理解，在附圖中： 圖1為併入兩個壓縮級的根據本發明的壓縮系統的示意性截面圖； 圖2為圖1的示意性片段視圖，其示出了各個壓縮級中形成的眼側力和後盤力； 圖3為圖1的示意性片段視圖，其示出了眼側力和後盤力在第一壓縮級中的葉輪上形 成所在的區域； 圖4為過載裕度和葉輪在現有技術的壓縮機中經歷的力的示意圖； 圖5為過載裕度和葉輪在本發明的壓縮機中經歷的力的示意圖；以及 圖6為本發明的壓縮系統的示意圖，其中上遊壓縮級用於協助提供根據本發明的葉輪 上的偏壓力。

【具體實施方式】
[0016] 參看圖1，示出了壓縮系統1，其具有兩個相繼的壓縮級，壓縮級分別設有由電機4 驅動的兩個壓縮機2和3。壓縮機2和3為尚心壓縮機。壓縮機2將氣體（例如，空氣）從 低壓壓縮至中壓，且壓縮機3將氣體進一步從中壓壓縮至還更高的壓力。因此，壓縮機3具 有高於壓縮機2的出口壓力。儘管未示出，但壓縮機2將通過適合的導管連接到壓縮機3 上，並且取決於壓縮系統1的應用，可併入級間冷卻。然而，如將論述的那樣，本發明同樣適 用於具有單個壓縮機的壓縮系統。
[0017] 壓縮機2包括護罩10,其具有入口 12和葉輪14,葉輪14由電機4的電機軸16驅 動。氣體由葉輪14驅動到蝸殼18中，氣體以高於從入口 12進入壓縮機2的壓力從蝸殼18 排出。後面密封件20提供成防止高壓氣體從葉輪14的後面散逸。如上文指出那樣，後面 密封件20為迷宮型密封件，且環繞葉輪14的後部。密封件支座22將葉輪後盤密封件20 保持就位。腔24形成在葉輪14的後方，位於後盤密封件20與電機軸16之間。提供圍繞 電機軸16的密封的軸密封件26從而也密封腔24。軸密封件26也由密封件支座22保持就 位。
[0018] 壓縮機3設有護罩28,其具有入口 30,入口 30與壓縮機2的蝸殼18的出口（未 示出）流動連通，在中壓下的氣體從該出口排出。如上文指出那樣，級間冷卻器可設在蝸殼 18的出口與入口 30之間。葉輪32在電機軸16的與驅動葉輪14的那一端相對的相對端處 由電機4的電機軸16驅動。氣體由葉輪32驅動到蝸殼34中，氣體以高於從入口 30進入 壓縮機3的氣體的壓力從蝸殼34排出。儘管未示出，但蝸殼34中提供了常規出口以用於 排出此高壓下的氣體。後盤密封件36提供成防止高壓氣體從葉輪32的後面散逸。後盤密 封件36由密封件支座38支承。腔42形成在葉輪32的後方，位於後盤密封件36與電機軸 16之間。軸密封件43提供圍繞電機軸16的密封，且因此還密封腔42。軸密封件43由密 封件支座38保持就位。
[0019] 護罩12連接到蝸殼18上，蝸殼18繼而又連接到圓柱形電機外殼44的一端上。 護罩28連接到蝸殼34上，渦輪34繼而又連接到電機罩45上。電機罩45連接到圓柱形外 殼44的相對端上。電機4具有附接到電機軸16上的轉子46和附接到圓柱形電機外殼44 的內側上的定子48。電機軸16在相對端處由軸頸軸承50和52支承。軸頸軸承50和52 為主動磁性軸承，其具有附接到電機軸16上的導體54和56,以及分別連接到圓柱形電機 外殼44和電機罩45上的電磁體58和60。軸頸軸承50和52使電機軸16電磁懸置，以用 於旋轉運動。還提供了電磁止推軸承62。止推軸承62具有為導體的盤狀推力轉輪64,其 為導體，分別在為電磁體的內側構件66與外側構件68之間旋轉，這使盤狀推力轉輪64懸 置在內側構件與外側構件之間。未示出，但如本領域中公知的那樣，間隙傳感器設有相關聯 的電子裝置，以區別地向電磁體供能來保持導體54和56與電磁體58和60之間的間隙，並 且保持盤狀推力轉輪64在其相關聯的電磁體外側構件66和內側構件68之間。通過主動 磁性軸承保持間隙的能力並非沒有力極限。在喘振現象期間，可超過該力極限。因此，作為 後備，提供了兩組套管70和72,其通過板74和76連接到圓柱形電機外殼44和電機罩45 上。在功率損失期間或在啟動時或在停機之後，套管70和72將沿徑向支承電機軸16。如 果電機軸16上的軸向力超過止推軸承62的能力，則為環狀構造連接到電機軸16的端元件 78和80接觸套管70和72。這可在喘振現象期間發生，且經由套管70和72施加到電機軸 16上的此軸向力可特別劇烈。因此，電機套管70和72可經歷的這類喘振現象的數目應限 制在較少數目的現象。
[0020] 在壓縮系統1的操作期間，由於各個葉輪14和32上的軸向力相平衡，給予了作用 於電機軸16且因此作用於止推軸承62上的軸向力。還參看圖2,葉輪經歷分別示為〃Fl"和 "F2"的方向向內的眼側力，其由於穿過入口 12和30的氣體而引起。後盤力"F3"和"F4" 與這些力相對。這些後盤力由由各個葉輪14和32產生的散逸到高壓外環形的外環區82 和84中的高壓氣體引起，外環區分別位於葉輪14和32的外沿86和88與其相關聯的後盤 密封件20和36之間。此外，腔24和42也由穿過後盤管90和92(圖1中所示）的低壓氣 體加壓，且因此力施加到葉輪12和32的所得的低壓內環形區94和96中，其分別位於後盤 密封件20和36與電機軸16之間。該低壓氣體可分別使用連接件98和100從入口 12和 30獲得。作為備選，低壓氣體可從另一個來源如任何上級壓縮機的入口或在空氣壓縮的情 況下可能是環境獲得。
[0021] 前文可參照圖3來較好理解，其中關於後盤力〃F3〃的高壓外環形區82和低壓內 環形區94被示出。如可認識到的那樣，後盤力〃F3〃由以下等式給出：

【權利要求】
1. 一種在喘振現象期間阻止超過壓縮系統的止推軸承能力的方法，所述方法包括： 利用偏壓力來偏壓止推軸承，所述偏壓力作用於壓縮機軸的兩個相對的軸向方向中 的一個上，所述壓縮機軸連接到所述止推軸承和具有後盤密封件的至少一個壓縮機的葉輪 上，所述壓縮機軸由驅動件驅動，以通過所述壓縮機軸的旋轉來驅動所述葉輪，所述壓縮系 統具有由所述至少一個壓縮機提供的至少一個壓縮級； 所述止推軸承具有分別用於吸收沿所述壓縮機軸的兩個相對軸向方向作用於所述止 推軸承上的軸向負載的第一止推軸承能力和第二止推軸承能力，所述止推軸承構造成使得 第一過載裕度存在於所述第一止推軸承能力與第一喘振力之間，且第二過載裕度存在於所 述第二止推軸承能力與第二喘振力之間，所述第一喘振力和所述第二喘振力作用於所述兩 個相對的軸向方向，且在所述喘振現象期間產生； 在所述壓縮系統的正常操作期間，通過產生葉輪眼側力與施加到所述葉輪上與所述眼 側力相對的後盤力之間的力差，將所述偏壓力施加到所述葉輪上，且通過所述壓縮機軸施 加到所述止推軸承上，所述後盤力通過由所述葉輪的後盤密封件分開的高壓外環形區和低 壓內環形區施加；以及 所述偏壓力增大所述第一過載裕度和所述第二過載裕度中的一者，使得所述第一過載 裕度和所述第二過載裕度分別不小於所述第一止推軸承能力和所述第二止推軸承能力的 大約百分之二十五。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於： 所述驅動件為電機，所述壓縮機軸為從所述電機突出的電機軸，所述止推軸承為所述 電機的一部分，且所述止推軸承為磁性軸承。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於： 所述至少一個壓縮機包括第一壓縮機和第二壓縮機，所述第一壓縮機和所述第二壓縮 機在所述電機軸的相對端處連接且與彼此流動連通，使得至少兩個相繼的壓縮機設在所述 壓縮系統中；以及 所述力差由所述第一壓縮機和所述第二壓縮機中的至少一者的所述眼側力與後盤力 之間的差產生。
4. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其特徵在於： 所述至少一個壓縮機為所述壓縮系統的多個壓縮級的下遊壓縮級；以及 所述低壓區與所述多個壓縮級的上遊壓縮級的另一個壓縮機的出口或入口流動連通， 且由來自所述另一個壓縮機的釋放流加壓。
5. -種用於在喘振現象期間阻止超過壓縮系統的止推軸承能力的設備，所述設備包 括： 利用偏壓力來偏壓的止推軸承，所述偏壓力作用於壓縮機軸的兩個相對的軸向方向中 的一個上，所述壓縮機軸連接到所述止推軸承和具有後盤密封件的至少一個壓縮機的葉輪 上，所述壓縮軸由驅動件驅動，以通過所述壓縮機軸的旋轉來驅動所述葉輪，所述壓縮系統 具有由所述至少一個壓縮機提供的至少一個壓縮級； 所述止推軸承具有分別用於吸收沿所述壓縮機軸的兩個相對軸向方向作用於所述止 推軸承上的軸向負載的第一止推軸承能力和第二止推軸承能力，所述止推軸承構造成使得 第一過載裕度存在於所述第一止推軸承能力與第一喘振力之間，且第二過載裕度存在於所 述第二止推軸承能力與第二喘振力之間，所述第一喘振力和所述第二喘振力作用於所述兩 個相對的軸向方向，且在所述喘振現象期間產生； 所述後盤密封件在所述壓縮機軸的徑向方向上尺寸確定為使得所述偏壓力由所述壓 縮系統的正常操作期間的力差生成，所述偏壓力由葉輪眼側力與施加在所述葉輪上與所述 眼側力相對的後盤力之間的力差產生，所述後盤力通過由所述葉輪的後盤密封件分開的高 壓外環形區和低壓內環形區施加；以及 所述偏壓力差從所述葉輪傳遞且通過所述壓縮機軸傳遞至所述止推軸承，且增大所述 第一過載裕度和所述第二過載裕度中的一者，使得所述第一過載裕度和所述第二過載裕度 分別不小於所述第一止推軸承能力和所述第二止推軸承能力的大約百分之二十五。
6. 根據權利要求5所述的設備，其特徵在於，所述驅動件為電機，所述壓縮機軸為從 所述電機突出的電機軸，且所述止推軸承為所述電機的一部分，且所述止推軸承為磁性軸 承。
7. 根據權利要求6所述的設備，其特徵在於： 所述至少一個壓縮機包括第一壓縮機和第二壓縮機，所述第一壓縮機和所述第二壓縮 機在所述電機軸的相對端處連接且與彼此流動連通，使得至少兩個相繼的壓縮級設在所述 壓縮系統中；以及 所述力差由所述第一壓縮機和所述第二壓縮機中的至少一者的所述眼側力與後盤力 之間的差產生。
8. 根據權利要求5或權利要求6所述的設備，其特徵在於： 所述至少一個壓縮機為所述壓縮系統的多個壓縮級的下遊壓縮級；以及 所述低壓區與所述多個壓縮級的上遊壓縮級的另一個壓縮機的出口或入口流動連通， 且由來自所述另一個壓縮機的釋放流加壓。
【文檔編號】F04D27/02GK104334887SQ201380027684
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年4月5日 優先權日:2012年5月29日
【發明者】J.H.羅亞爾, M.J.斯坦科 申請人:普萊克斯技術有限公司