用於壓縮機轉子的平衡鼓配置的製作方法

2023-04-27 06:23:01

專利名稱：用於壓縮機轉子的平衡鼓配置的製作方法
技術領域：
本文所公開的主題的實施例大體而言涉及用於平衡壓縮機轉子的方法和系統，且更特定而言涉及用於平衡壓縮機轉子的機構和技術。
背景技術：
壓縮機是一種通過使用機械能而增加例如氣體的可壓縮流體的壓力的機器。壓縮機用於多種不同應用，包括作為燃氣渦輪發動機的最初級來操作。而燃氣渦輪本身用於大量工業過程中，包括發電、天然氣液化和其它過程。在用於這些過程和過程設施中的各種類型的壓縮機中存在所謂的離心壓縮機，其中，機械能利用離心加速對輸入到壓縮機內的氣體進行操作，離心加速例如通過旋轉氣體所經過的離心葉輪或轉子而使氣體粒子加速。離心壓縮機可裝有單個葉輪或級(即，單級離心配置)或者裝有串聯的多個級，在此情況下，它們通常被稱作多級壓縮機。而多級壓縮機的具體子系列包括多部段的多級壓縮機(multi-section multistage compressor)，其被配置成使得全部壓縮機流量從壓縮機提取，冷卻且然後重新注入到壓縮機內。在很多時候，在多級壓縮機的此子系列中的部段數量限於兩個，這些部段可排列成一排或對置式配置(back-to-back configuration)，取決於第二部段的葉輪相對於第一部段中的葉輪的相對方位。離心壓縮機的級中的每一個通常包括用於待壓縮氣體的入口管道；葉輪或輪， 其能向輸入氣體提供動能；以及，引出系統，其被稱作定子，其將離開轉子的氣體動能轉換成壓力能。可使用多定子構件配置，最常用的是無靜葉擴散器、帶靜葉的擴散器返回通道、 排放渦殼或充壓室或這些配置的組合。個別葉輪和其相關聯定子構件的組合通常被稱作級。多級離心壓縮機在轉子上經受軸向推力，其由級上的壓差和從水平方向轉到豎直方向的氣體動量變化造成。此軸向推力通常由平衡活塞和軸向推力軸承補償。由於軸向推力軸承不能承載整個轉子推力，因此平衡活塞被設計成補償大部分推力，使軸承處置任何其餘殘留推力。平衡活塞通常被實施為旋轉盤或鼓，其裝到壓縮機軸杆上，使得平衡盤或鼓的每一側在操作期間經受不同壓力。選擇平衡活塞的直徑具有所需軸向荷載以避免其殘留荷載使軸向軸承過載。常規油潤滑的軸承通常被設計成耐受在異常(例如，衝擊)條件下發生的最大殘餘軸向推力大約四倍的軸向推力。但是，當在壓縮機操作期間氣體條件改變或者當壓縮機不操作但被加壓時，由單個平衡活塞提供的補償可能不足以避免軸承過載。所有多級壓縮機通常裝有與壓縮部段一樣多的平衡鼓以便能在暫態條件(有時被稱作「暫態停留壓力(transient settle out pressure) 」)下平衡，在暫態條件下，壓力在壓縮機的一個部段上恆定和/或均勻但在部段之間可不同。因此，例如在對置式離心壓縮機中，第二平衡活塞通常設於壓縮機的對置式部段之間用於額外地補償沿著兩個壓縮機部段共用的轉子的軸向推力。但是，提供第二平衡活塞具有以下缺點其總體上增加了壓縮機的軸向長度，這是不利的，因為壓縮機總體更大的軸向長度可使得裝置不太安全和/或減少可集合為單個裝置的壓縮機級的數量。因此，需要設計和提供用於這種壓縮機中動態推力平衡的方法和系統，其克服了現有平衡系統的前述缺陷。

發明內容
根據示範性實施例，一種對置式壓縮機包括外殼；轉子；第一壓縮機部段，其具有第一入口管(first inlet duct)、第一出口管(first outlet duct)、至少一個第一葉輪以及第一平衡鼓(balance drum)，第一入口管被配置成將過程氣體(process gas)引導至第一壓縮機部段內，第一出口管被配置成將加壓的過程氣體從第一壓縮機部段引導出來， 至少一個第一葉輪在第一入口管與第一出口管之間連接到轉子，第一平衡鼓連接到轉子且至少部分地安置在第一入口管和轉子之間；以及，第二壓縮機部段，其具有第二入口管、第二出口管、至少一個第二葉輪以及第二平衡鼓，第二入口管被配置成將過程氣體引導至第二壓縮機部段內，第二出口管被配置成將加壓的過程氣體從第二壓縮機部段引導出來，至少一個第二葉輪在第二入口管與第二出口管之間連接到轉子，第二平衡鼓連接到轉子且至少部分地安置在第一壓縮機部段與第二壓縮機部段之間，其中，所述第一入口管的第一容積(volume)大於所述第二入口管的第二容積。根據另一示範性實施例，一種製造對置式壓縮機的方法包括以下步驟製造第一壓縮機部段，其具有第一入口管和第一出口管，其中第一入口管被配置成將過程氣體引導至第一壓縮機部段內，第一出口管被配置成將加壓的過程氣體從第一壓縮機部段引導出來；在第一入口管與第一出口管之間將至少一個第一葉輪連接到轉子；將第一平衡鼓連接到轉子，至少部分地安置在第一入口管與轉子之間；製作第二壓縮機部段，其具有第二入口管和第二出口管，第二入口管被配置成將過程氣體引導至第二壓縮機部段內，第二出口管被配置成將加壓的過程氣體從第二壓縮機部段引導出來，其中，所述第一入口管的第一容積大於所述第二入口管的第二容積；在第二入口管與第二出口管之間將至少一個第二葉輪連接到轉子；以及，在第一壓縮機部段與第二壓縮機部段之間將第二平衡鼓連接到轉子。根據又一示範性實施例，一種旋轉機器包括外殼，其被配置成包含旋轉機器的元件；轉子，其被配置成使旋轉機器的元件中的至少一些元件旋轉；入口管，其被配置成引導過程氣體到旋轉機器內；出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從第一部段引導出來；至少一個葉輪，其在入口管與出口管之間連接到轉子且被配置成使過程氣體加壓；以及，平衡鼓，其連接到轉子，至少部分地安置在入口管與轉子之間且被配置成平衡軸向推力。


附圖合併於本說明書中並構成說明書的部分，附圖示出一個或多個實施例且與描述一起解釋這些實施例。在附圖中圖1是壓縮機的示意圖；圖2描繪了與壓縮機相關聯的軸向推力；圖3是常規對置式壓縮機的局部剖視圖；圖4是根據示範性實施例具有重新安置的平衡鼓的對置式壓縮機的局部剖視圖；圖5示出根據示範性實施例的平衡鼓的重新安置和第一入口管的調適，平衡鼓安置在第一入口管下方；圖6示出根據示範性實施例可使用的栓接轉子配置；圖7描繪了根據示範性實施例在使用栓接轉子配置的壓縮機中的重新安置的平衡鼓；圖8是示出根據示範性實施例用於製造壓縮機的流程圖；圖9(a)描繪了常規聯機壓縮機(inline compressor)的級；以及圖9 (b)描繪了根據示範性實施例的聯機壓縮機的級。
具體實施例方式下文的示範性實施例的描述參考了附圖。在不同附圖中相同的附圖標記表示相同或相似元件。下文的詳細描述並不限制本發明。而是，本發明的範圍由權利要求限定。為了簡單起見，關於多級離心壓縮機的術語和結構討論了下面的實施例。但是，接著要討論的實施例並不限於這種壓縮機，而是可應用於其它類型的壓縮機、渦輪、泵等。在整個說明書中對「一個實施例」或「一實施例」的提及表示結合一實施例所描述的特定特點、結構，或特徵包括於所公開的本主題的至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個位置「在一個實施例中」或「在一實施例中」的出現未必都指同一實施例。另外， 特定特點、結構或特徵可在一個或多個實施例中以任何方式組合。為了提供關於根據這些示範性實施例的推力平衡系統的隨後討論的一些情形，圖 1示意性地示出多級離心壓縮機10。其中，壓縮機10包括盒或外殼(定子)12，其內安裝旋轉壓縮機軸杆14，旋轉壓縮機軸杆14具備多個離心葉輪16。轉子組件18包括軸杆14和葉輪16且通過軸承20在徑向和軸向支承，軸承20安置在轉子組件18的任一側上。多級離心壓縮機操作以便從入口管22取得輸入過程氣體，通過轉子組件18的操作增加過程氣體的壓力，且隨後以高於其輸入壓力的輸出壓力通過出口管M排出過程氣體。過程氣體可(例如)為下列中任一種二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣或其組合。在轉子16與軸承20之間設有密封系統沈以防止過程氣體流到軸承20。 外殼12被配置成覆蓋軸承20和密封系統26，以防止氣體從離心壓縮機10逸出。軸承20 可實施為油潤滑軸承或主動磁性軸承。如果主動磁軸承用作軸承20，那麼可省略密封機構 26。離心壓縮機10還包括前述平衡活塞(鼓)28以及其相對應的迷宮密封30。平衡管路32維持平衡鼓外側上的平衡腔室34中的壓力在與經由入口管22進入的過程氣體相同的壓力(或基本上相同)。描述圖1所示的各種元件的相互作用也是適用的，因為它們涉及通過討論圖2中一般在離心壓縮機中的軸向荷載。其中，在概念上示出與離心壓縮機10的操作相關聯的各種軸向荷載力。如圖2所示，葉輪16將軸向荷載(力)在壓縮機10的內側(低壓)方向上置於軸承20上，這歸因於(例如)在級之間的差異、氣體動量中的變化等。儘管在圖 2中未示出，但使壓縮機軸杆18旋轉的馬達將(基本上恆定的)軸向荷載置於相反方向， 即朝向離心壓縮機10的外側(高壓)。為了抵消葉輪16的其餘軸向荷載，平衡鼓觀被設計為在外側方向上施加軸向力，其量值是基於葉輪的預期軸向載荷減去馬達的預期軸向載荷。這(例如)通過以下方法來實現設計該系統使得在平衡鼓觀內側上的過程氣體的壓力PU大於在平衡鼓觀外側上的壓力Pe，且選擇適當大小(直徑)的平衡鼓以生成所需平衡力。通過在平衡腔室34和與入口管22相關聯的主要吸入管路之間提供平衡管路32使得平衡腔室中的壓力與葉輪16內側上的壓力基本上相同而發展並維持壓力不平衡。上文所示和討論的配置涉及所謂的「直通」壓縮機配置，其中過程氣體或工作氣體經由在外殼12 —端的入口管22進入且經由在外殼12的另一端的出口管M出來。但是，如在背景部分中所提及的那樣，有時採用的另一壓縮機配置是所謂的「對置式」壓縮機配置， 其中，兩個基本上獨立的壓縮機共用單個轉子18，其實例在圖3中示出。其中，外殼34的上半部被剖視以展現對置式壓縮機33的內部工件，包括具有入口管38和靠近壓縮機中部的出口管40的第一壓縮機部段36。在第一部段中在入口管38與出口管40之間是三個葉輪級42、44和46，其如上文所述操作以使工作氣體加壓。同樣，第二壓縮機部段48具有入口管50和出口管52和與之相關聯的三個葉輪級M、46和58，出口管52也靠近壓縮機33的中部。通常，入口管50連接到第一部段36的出口管40，在流動被冷卻後，氣體的壓縮過程然後繼續直到第二部段的出口管52。與直通的單部段壓縮機10不同，對置式壓縮機33具有兩個相同(或基本上相同) 直徑的平衡活塞或鼓以提供平衡的轉子62。這至少部分地是因為以下現實兩個壓縮機部段36和48將具有與它們相關聯的不同壓力，特別是當壓縮機33在停止或備用模式時。第一平衡活塞或鼓64安置在第二壓縮機部段的入口管50下方，而第二平衡活塞或鼓66放置於壓縮機33中部在第一壓縮機部段36與第二壓縮機部段48之間。在操作中，平衡鼓64 將在其面之一上經歷第二部段48的吸入壓力，而平衡鼓64的另一面將經歷第一部段36的吸入壓力，這歸因於此面通過被稱作平衡管路的外部導管到第一部段入口 38的連接。第一平衡鼓64和第二平衡鼓66都隨轉子62旋轉。如在背景部分中所提及的那樣，這樣在對置式配置中添加第二平衡活塞或鼓增加了壓縮機33的軸向長度，這通常是不合需要的。第一平衡活塞64也有助於增加壓縮機33的軸向長度。舉例而言，如果指定與葉輪58與60之間的距離相關聯的跨距的軸向長度為Li，那麼在葉輪60與第一平衡活塞64 之間的典型距離L2通常為Ll的大約1. 5倍至2倍。因此，將需要考慮一種新配置，其中減小了與平衡活塞或平衡鼓64相關聯的軸向長度量。根據示範性實施例，這可(例如)通過移動第一平衡活塞或鼓64從其靠近第二入口管50的典型位置(如在圖3中所示)到靠近第一入口管38的新位置(如圖4所示)來實現。在圖4中，示出根據示範性實施例的對置式壓縮機80，其中相同的附圖標記用於描述如上文關於圖3所述的相同或相似元件。但是，將看出第一平衡鼓82現存在於第一入口管 38下方(且從第二入口管50下方移除)，使得第一平衡鼓82現安置在第一入口管38與轉子62之間。第一入口管38與第二入口管50的區別在於第一入口管38具有比第二入口管 50更大的容積。此外，使轉子62旋轉的馬達(未圖示)通常位於旋轉機器80的第二部段 48的側部上。第二平衡鼓66仍安置在第一壓縮機部段與第二壓縮機部段之間。第二平衡鼓的這種重新定位減小了轉子62的總軸向長度。舉例而言，通過將第二平衡鼓從圖3所示的位置移動到圖4所示的位置，估計可節省第二平衡鼓的軸向長度的大約2/3。作為單純說明性實例，此相當於具有1515mm軸向長度的轉子62上大約40mm(對於採用60mm軸向長度的平衡鼓而言)，這改進了壓縮機的安全性，且減小了壓縮機的總軸向大小或者使得其它元件能使用軸向空間。
如在圖5中看出的那樣，在圖4的示範性實施例與圖3的平衡鼓配置之間的另一差別在於平衡鼓82的外側將經由平衡管路90連接到第二入口管50的吸入(壓力) (suction (pressure))，而平衡鼓64的外側連接到第一入口管38的吸入(壓力)。這意味著，根據示範性實施例，安置在轉子62的相對端上的幹氣密封(dry gas sealsUe將以第二入口管50的吸入壓力操作，而不是如常規布置中以第一入口管38的吸入壓力操作。由於幹氣密封以第二入口管50的更高的壓力操作，此特點可為有利的(例如在具有以大氣或更低壓力(即，在第一入口 38)操作的第一壓縮機部段)，或者可為不利的(在以第二部段 48的吸入口 50的很高壓力操作的情況下)。在圖5中還示出從靠近第二入口管的空間移除第一平衡鼓(如由圖中的「X」所示)和軸向空間利用中相對應的減小(如由圖中的箭頭所示)，且還可進一步看出壓縮機的第一部段的入口管92被成形或配置成允許平衡鼓82置於壓縮機的此側上。如在上文中關於圖4和圖5的示範性實施例所示的那樣，一些對置式離心壓縮機採用整體式(即，單件)轉子(unitary rotors) 0但是，根據另一示範性實施例，如壓縮機這樣的機器的轉子可包括多個部分，其實例在圖6中示出。其中，實心的第一轉子部分160 被配置成附連到第一葉輪144上。在實心第一轉子部分160與第一葉輪144之間的界面 162可包括用於實現實心第一轉子部分160與葉輪144之間連接的各種元件。舉例而言， 如圖6所示，界面162可包括附連到實心第一轉子部分160的凸緣164和附連到第一葉輪 144的凸緣166。凸緣164和166被配置成彼此附連。根據示範性實施例，凸緣164和166 具有一個或多個孔168和170，其中設有一個或多個螺栓172。螺栓172可具有螺紋區域， 其螺紋接合到凸緣166的孔170內的相對應的螺紋區域。可(例如)通過鑽出具有較大直徑的孔168的第一部分而由孔168容納螺栓172的端部174。或者，螺栓172的端部174可留在凸緣164外部。當採用這種帶栓接凸緣配置的所謂堆疊轉子時，平衡鼓200之一也可安裝於第一入口管202附近，以關於圖4和圖5所述和圖7所示的方式。其中，可看出連接凸緣204安置在平衡鼓200與第一入口管202之間。根據示範性實施例，凸緣164、166、202之一可被配置(例如，直徑的尺寸與平衡鼓66的直徑相同或基本上相同)成作為安置在第一入口管 38、92下方的平衡鼓操作。此外，示範性實施例還包括製造對置式壓縮機的方法，如在圖8中的流程圖中所示。其中，製造這種對置式壓縮機的方法包括以下步驟製作(步驟800)第一壓縮機部段， 其具有被配置成引導過程氣體到第一壓縮機部段內的第一入口管和被配置成引導加壓的過程氣體從第一壓縮機部段出來的第一出口管；在第一入口管與第一出口管之間將至少一個第一葉輪連接(步驟80 到轉子；將第一平衡鼓連接到(步驟804)轉子，至少部分地安置在第一入口管與所述轉子之間。製作(步驟806)第二壓縮機部段，其包括被配置成引導過程氣體到所述第二壓縮機部段內的第二入口管和被配置成將加壓的過程氣體從第二壓縮機部段引導出來的第二出口管，其中，第一入口管的第一吸入壓力高於第二入口管的第二吸入壓力。在第二入口管與第二出口管之間將至少一個第二葉輪連接(步驟808)到轉子。將第二平衡鼓連接(步驟810)到轉子且安置在第一壓縮機部段與第二壓縮機部段之間。本領域技術人員應了解圖8所示的步驟無需以它們所列出或描述的次序來執行。所公開的示範性實施例提供用於平衡與(例如)對置式壓縮機相關聯的轉子的系統和方法。應了解此描述預期並不限制本發明。相反，示範性實施例預期涵蓋包括於所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的替代、修改和等效物。舉例而言，聯機配置也可結合本文所述的相反的平衡鼓方位使用。圖9(a)描繪了常規聯機壓縮機的級，其中，平衡鼓900安置在葉輪904的排放側上的轉子902上。此處，幹氣密封906具有吸入壓力Ps。 對比而言，根據圖9(b)所描繪的聯機壓縮機的示範性實施例，平衡鼓910移動到葉輪904 的入口側或吸入側(例如，作為栓接的凸緣布置912的部分)，而不是葉輪的排放側。在圖 9(b)的示範性實施例中，幹氣密封具有排放壓力Pd。特別地，根據圖9(b)的示範性實施例的此布置可合乎低壓/低溫壓縮機中的需要。儘管圖9(b)示出了僅一個壓縮機，但應了解可提供1級至η級，其中η為任何整數。另外，在示範性實施例的詳細描述中，陳述了許多具體細節以便提供對要求保護的本發明的綜合理解。但是，本領域技術人員將了解可在無這些具體細節的情況下來實踐各種實施例。儘管在實施例中以特定組合描述了本發明示範性實施例的特徵和元件，但每個特徵或元件可在無實施例的其它特徵和元件的情況下單獨使用，或者以與本文所公開的其它特徵和元件的各種組合或沒有本文所公開的其它特徵和元件的各種組合的情況下使用。本書面描述使用所公開的主題的實例來使得本領域技術人員能實踐本發明，包括做出和使用任何裝置或系統和執行任何合併的方法。本主題的專利保護範圍由權利要求限定，且可包括本領域技術人員想到的其它實例。這些其它實例預期在權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種多級壓縮機，包括 夕卜殼；轉子；第一壓縮機部段，其包括第一入口管，其被配置成將過程氣體弓I導至所述第一壓縮機部段內； 第一出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從所述第一壓縮機部段引導出來； 至少一個第一葉輪，其在所述第一入口管與所述第一出口管之間連接到所述轉子；和第一平衡鼓，其連接到所述轉子且至少部分地安置在所述第一入口管與所述轉子之間；以及第二壓縮機部段，其包括第二入口管，其被配置成將過程氣體弓I導至所述第二壓縮機部段內； 第二出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從所述第二壓縮機部段引導出來； 至少一個第二葉輪，其在所述第二入口管與所述第二出口管之間連接到所述轉子；和第二平衡鼓，其連接到所述轉子且安置在所述第一壓縮機部段與所述第二壓縮機部段之間；其中，所述第一入口管的第一容積大於所述第二入口管的第二容積。
2.根據權利要求1所述的壓縮機，其特徵在於，所述轉子是整體式轉子。
3.根據權利要求1所述的壓縮機，其特徵在於，所述轉子是包括多個區段的堆疊轉子。
4.根據權利要求3所述的壓縮機，其特徵在於，所述多個區段包括栓接在一起的凸緣。
5.根據權利要求4所述的壓縮機，其特徵在於，所述凸緣之一被配置成作為所述第一平衡鼓操作。
6.根據權利要求1所述的壓縮機，其特徵在於還包括至少一個軸承，其在所述轉子的每一端處用於可旋轉地支承所述轉子；以及至少一個幹氣密封，其安置在所述至少一個軸承與所述至少一個第一葉輪和所述至少一個第二葉輪中的相應一個之間。
7.根據權利要求5所述的壓縮機，其特徵在於，所述至少一個氣體密封中的每一個以所述第二吸入壓力操作。
8.根據權利要求1所述的壓縮機，其特徵在於，所述第一入口管適於允許所述第一平衡鼓安置在所述第一入口管與所述轉子之間。
9.一種製造壓縮機的方法，包括 製作第一壓縮機部段，其包括第一入口管，其被配置成將過程氣體弓I導至所述第一壓縮機部段內； 第一出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從所述第一壓縮機部段引導出來； 在所述第一入口管與所述第一出口管之間將至少一個第一葉輪連接到轉子；和將第一平衡鼓連接到所述轉子，至少部分地安置在所述第一入口管與所述轉子之間；以及製作第二壓縮機部段，其包括第二入口管，其被配置成將過程氣體弓I導至所述第二壓縮機部段內；和第二出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從所述第二壓縮機部段引導出來，其中，所述第一入口管的第一容積大於所述第二入口管的第二容積；在所述第二入口管與所述第二出口管之間將至少一個第二葉輪連接到所述轉子；以及在所述第一壓縮機部段與所述第二壓縮機部段之間將第二平衡鼓連接到所述轉子。
10. 一種旋轉機器，包括 外殼，其被配置成包含所述旋轉機器的元件； 轉子，其被配置成使所述旋轉機器的所述元件中的至少一些旋轉； 入口管，其被配置成將過程氣體引導到所述旋轉機器內； 出口管，其被配置成將加壓的過程氣體從所述第一部段弓丨導出來； 至少一個葉輪，其在所述入口管與所述出口管之間連接到所述轉子且被配置成使所述過程氣體加壓；以及平衡鼓，其連接到所述轉子、至少部分地安置在所述入口管與所述轉子之間且被配置成平衡軸向推力。
全文摘要
本申請涉及用於壓縮機轉子的平衡鼓配置。其中，提供用於例如對置式壓縮機的旋轉機器的方法和系統。第一部段包括第一入口管、至少一個第一葉輪和第一出口管。第二部段包括第二入口管、至少一個第二葉輪和第二出口管。第一部段和第二部段共用共同轉子。第一平衡鼓安置在兩個部段之間，而第二部段安置在第一入口管與轉子之間。在單部段壓縮機中，平衡鼓可安置在葉輪的入口側上，而不是排放側上。
文檔編號F04D29/66GK102242736SQ20111013409
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者D·G·J·蓋納爾 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司