專利名稱：中跨氣體軸承的制作方法
技術領域：
示例性實施例大體而言涉及壓縮機，且更具體而言涉及多級壓縮機中的中跨(mid-span)氣體軸承。
背景技術：
壓縮機是一種通過使用機械能而增加可壓縮流體(例如氣體)的壓力的機器。壓縮機用于多種不同的應用中和大量工業(yè)過程中，包括發(fā)電、天然氣液化和其它過程。在用于這些過程和加工設備中的各種類型的壓縮機中，存在著所謂的離心壓縮機，其中，機械能借助于離心加速例如通過使離心葉輪旋轉而對輸入到壓縮機的氣體起作用。
離心壓縮機可裝有單個葉輪，即單級離心，或者裝有串聯(lián)的多個離心級，在該情況下它們通常被稱作多級壓縮機。離心壓縮機的級中的每一個通常包括用于待壓縮的氣體的入口蝸殼；能夠向輸入氣體提供動能的轉子；以及擴散器，其將離開葉輪的氣體的動能轉換成壓力能。在圖I中示出多級壓縮機100。壓縮機100包括軸120和多個葉輪130-136(僅標注了七個葉輪中的三個)。軸120和葉輪130-136包括于轉子組件中，轉子組件通過軸承150和155被支承。順序布置的葉輪130-136中的每一個增加了工藝氣體(process gas)的壓力。即，葉輪130可增加來自入口管160中的氣體的壓力，葉輪131可增加來自葉輪130的氣體的壓力，葉輪132可增加來自葉輪131的氣體的壓力，等等。這些葉輪130-136中的每一個可被認為是多級壓縮機100的一級。多級離心壓縮機100運轉而從入口管160取得處于輸入壓力(Pin)的輸入工藝氣體，通過轉子組件的運轉而增加了工藝氣體壓力，并且隨后以高于其輸入壓力的輸出壓力(P0Uti)排出工藝氣體通過出口管170。工藝氣體例如可為下列中的任一種二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣或者它們的組合。在機器內(在葉輪130與136之間)的加壓工作流體使用密封件180和185密封隔開軸承150和155。干氣體密封可為能使用的密封的一個示例。密封件180和185防止工藝氣體通過該組件流到軸承150和155且泄漏出到大氣中。壓縮機的殼體110被配置成以便覆蓋軸承和密封件，且防止氣體從壓縮機100逸出。雖然額外級能提供輸出壓力與輸入壓力(S卩，入口 160與出口 170之間)的比值的增加，但不能簡單地增加級數(shù)以獲得更高比值。離心壓縮機中級數(shù)的增加導致了許多問題。支承軸的軸承在包括葉輪的密封區(qū)域的外部。級數(shù)的增加需要更長的軸。更長的軸不能由用于相同運轉速度的軸承安全地支承，當軸長增加時，軸承變得進一步分開，從而使軸更有撓性。當轉子組件變得更長時，軸變得具有撓性，因此降低了轉子的固有頻率。當以更高速度運轉時，轉子組件的基本固有頻率的減小傾向于使該系統(tǒng)更易于出現(xiàn)轉子動態(tài)不穩(wěn)定性，這會限制該機器的運轉速度和輸出。
另一問題為歸因于同步轉子不平衡的強制響應。當運轉速度與轉子固有頻率一致時，該機器被限定為以臨界速度運轉，這是轉子不平衡的結果。壓縮機在達到設計運轉速度之前必須經歷這些固有頻率或臨界速度中的若干。在壓縮機經歷臨界速度時，轉子的振動振幅必須由來自軸承的阻尼限界。然而，利用長軸，大部分轉子動能被轉移而使轉子彎曲，而不是軸承處的能量耗散。這在轉子諧振時導致了低阻尼轉子模式和高放大系數(shù)，其能導致 殼體與葉輪摩擦乃至機器的災難性故障。在經過轉子臨界速度后的更高速度，流體引起的力在轉子組件與殼體之間產生(即，流體引起的轉子動態(tài)不穩(wěn)定性)。源自流體力的這些脈動如果未被充分抑制則能激起破壞性或甚至災難性的振動。轉子動態(tài)不穩(wěn)定性為與臨界速度或不平衡響應不同的機制，并且常常更加難以解決。將期望設計并提供一種多級離心壓縮機，其包括額外的級而不增加軸的直徑和會顯著地改變機器大小和成本的其它設計參數(shù)。

發(fā)明內容
根據(jù)這些示例性實施例的系統(tǒng)和方法提供了離心壓縮機中的級數(shù)的增加，同時克服了通常與這種增加相關聯(lián)的問題。根據(jù)一示例性實施例，一種離心壓縮機包括轉子組件，其具有軸和多個葉輪；軸承對，其位于軸的端部且被配置成支承轉子組件；密封機構，其安置于轉子組件與軸承之間；以及第一氣體軸承，其安置于多個葉輪之間且被配置成支承該軸。第一氣體軸承從位于第一氣體軸承的位置下游的葉輪接收工作氣體。根據(jù)另一示例性實施例，一種在離心壓縮機中處理工作氣體的方法包括向壓縮機的入口管提供工作氣體；通過多個壓縮級來處理氣體，每一級增加了氣體速度；在壓縮級的中途點下游的級后方，排出加速氣體的一部分；將排出的氣體提供給軸承；將氣體從軸承再引入到在壓縮機中流動的工作氣體；以及從壓縮機的出口管排出工作氣體。根據(jù)另一實施例，一種離心壓縮機包括轉子組件，其具有軸和多個葉輪；軸承對，其位于軸的端部且被配置成支承轉子組件；密封機構，其安置于轉子組件與軸承之間；以及多個氣體軸承，其安置于多個葉輪之間且被配置成支承軸。氣體軸承從位于氣體軸承的位置下游的相應葉輪接收工作氣體。


附圖示出了示例性實施例，其中
圖I示出了多級離心壓縮機；
圖2示出了根據(jù)示例性實施例的多級離心壓縮機；以及 圖3示出了根據(jù)示例性實施例的方法。
具體實施例方式下文的示例性實施例的詳細描述參照了附圖。在不同附圖中相同的標號表示相同或相似的元件。而且，下文的詳細描述并不限制本發(fā)明。而是，本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。
在示例性實施例中，中跨軸承可用于向帶有更長軸的轉子組件提供額外剛度，以克服上文強調的臨界速度問題。這樣的軸承使得轉子組件撓性更小且因此允許轉子動能(歸因于同步轉子不平衡力)傳輸?shù)捷S承。這種“三軸承”配置增加了轉子模式中的阻尼且在轉子經歷臨界速度時降低了放大系數(shù)，從而允許轉子組件的安全運轉。中跨軸承因此可設于殼體內，以便于增加的級數(shù)(即，更長的軸)且克服轉子動態(tài)不穩(wěn)定性。軸(諸如軸120)的表面速度是其直徑的函數(shù)。軸的中部的直徑大于端部處的直徑。在這些部分之間(即，在中部與端部之間)的速度差異可為大約2至3倍。因此，軸的表面速度在軸的中部比其在端部更大(以2至3的系數(shù))。軸承，諸如圖I的軸承150和155，通常為含油軸承。然而,含油軸承限于用在表面速度通常更接近軸端部處的表面速度的地方。根據(jù)示例性實施的中跨軸承可為氣體軸承。氣體軸承可用于表面速度更接近軸中部處的表面速度的地方。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，諸如二硫化二氫的高腐蝕性工作流體可損壞常規(guī)的油潤滑的軸頸軸承。這種損壞大大地限制了機器的壽命，因為油潤滑軸承不耐抗腐蝕性氣體。然而，工藝氣體潤滑的軸承并不需要這樣的密封，并且甚至能在該腐蝕性環(huán)境下運轉同時維持機器的壽命。除了具有超高表面速度的粘性流體能力之外，相對于含油軸承而言，利用氣體軸承，存在著可忽略的功率損失。含油軸承還需要密封系統(tǒng)以防止油泄漏到正由壓縮機處理的氣體內。氣體軸承避免了這種對密封系統(tǒng)的需要。圖2不出了根據(jù)不例性實施例的壓縮機。壓縮機200包括軸220 ;多個葉輪230-239(僅標注了這些葉輪中的一些)；軸承250和255 ;密封件280和285 ;入口管260，用于取得處于輸入壓力(Pin)的輸入工藝氣體；以及出口管(270)，用于排出處于輸出壓力(Pout2)的工藝氣體。壓縮機200的殼體210覆蓋軸承和密封件兩者，并且防止氣體從壓縮機200逸出。壓縮機200還包括軸承290。在示例性實施例中，軸承290可位于在第一葉輪230與最后葉輪239之間的中部附近。根據(jù)示例性實施例，由于在下文中進一步描述的額外原因，利用中跨軸承，葉輪230至239的數(shù)量可增加超過目前可能的數(shù)量。目前，在壓縮機中可包括的級數(shù)的限制因素為軸的長度與直徑之間的比值。該比值被稱作撓度比(flexibility ratio)。為了有效地運轉，壓縮機可具有最大撓度比。根據(jù)示例性實施例，利用更長的軸和中跨氣體軸承，該比值可增加。在氣體軸承290中使用的氣體可為正由壓縮機200處理的氣體。氣 體軸承290的放置可在最接近固有頻率的轉子位移可能最顯著的位置。該位置從轉子動態(tài)觀點來看可具有最佳效果。被處理的氣體可使用已知的元件/構件和方法從葉輪的輸出“排出”，該葉輪在氣體軸承290的下游。在該情況下使用術語下游，它涉及氣流方向和在壓縮機情況下更高的壓力。即，相對于特定位置，壓力在下游更高且在上游更低。例如，如在圖2中示出的，氣體軸承290相對于葉輪235在“上游”但相對于葉輪234在“下游”。進入到軸承290中的工作氣體的壓力必須處于比該氣體軸承“接界”或“相鄰”的級中的工作氣體壓力更高的壓力，使得氣流從軸承墊出來且不進入軸承墊中。因此，工作氣體必須從超過氣體軸承290的位置的級排出。如果軸承290放置在五級(即，葉輪234)后方，那么工作氣體必須從第六級(S卩，葉輪235)之后的級排出。在優(yōu)選實施例中，工作氣體可從中跨氣體軸承位置下游的至少兩級(即，在葉輪236之后)排出。軸承290需要高壓來以穩(wěn)定方式工作。在一些實施例中，從下游壓縮級排出的工作氣體可通過過濾器240處理且提供給氣體軸承290。過濾器240可移除在被處理的氣體中的任何雜質和微粒。轉子組件可經由氣體軸承290利用氣體沖洗，以從該組件除去熱。流到軸承290的工作氣體質量流的百分比可小于核心流的0. 1%。
小孔通道可設于軸承290與工作流動路徑之間。來自軸承290的氣體可由孔通道引導至流動路徑中到適當壓力。軸長度的增加導致了壓縮機組/殼體的長度與直徑的比值的增加。這便于在相同殼體內添加壓縮級。因此，根據(jù)示例性實施例，通過具有中跨氣體軸承的多級壓縮機來處理氣體300的方法包括圖3的流程圖中的方法步驟。在310，工作氣體可供應到壓縮機的入口管。在320，工作氣體可由多個壓縮級處理以增加壓力(和速度)。在330，工作氣體的一部分可在其已由一定數(shù)量壓縮級處理之后通過其穿過壓縮級的流動而排出。這種級數(shù)可大于壓縮機中壓縮級的一半。在340，氣體可供應到氣體軸承，以沖洗該轉子組件并從轉子組件除去熱，氣體軸承位于過濾器的上游。在350，供應到氣體軸承的氣體可被再引入到工作氣體的流中。在360，來自最后壓縮級的氣體可經由出口管排出。在一些實施例中，已排出的氣體可由過濾器處理，以在提供給氣體軸承之前移除任何雜質。中跨氣體軸承的數(shù)量可大于一個。在一些實施例中，利用上文所述的原理，可包括額外的(或多個)中跨氣體軸承。而且，中跨軸承可并不恰好處于中心一它可偏移，取決于特定設計和規(guī)格，諸如具有奇數(shù)個級。多個氣體軸承中的每一個可從下游單獨葉輪接收工作氣體。如果在一個壓縮機內實施多個氣體軸承，那么在輸入與氣體軸承中第一個之間的(壓縮)級數(shù)可與在氣體軸承中最后一個與輸出之間的級數(shù)相同。多個氣體軸承也可由相同數(shù)量的級間隔開。因此，在輸入與第一氣體軸承之間的級數(shù)可與在第一氣體軸承與第二氣體軸承之間(以及在隨后的氣體軸承中每一個之間)的級數(shù)相同，其也可與在最后氣體軸承與輸出之間的級數(shù)相同，等等。氣體軸承中的第一個可從在第一氣體軸承下游且在氣體軸承中第二個上游的級接收壓縮氣體。即，第一氣體軸承可從位于第一氣體軸承與第二氣體軸承之間的級接收壓縮氣體。本領域技術人員將會意識到，在上文中描述且在圖2中示出的葉輪的具體數(shù)量只是示例性的，并且可使用其它數(shù)量的葉輪?？纱嬖诟蠡蚋贁?shù)量的葉輪，這取決于應用。軸可為單軸。本文所述的示例性實施例提供了優(yōu)于目前使用的壓縮機的多個優(yōu)點。額外葉輪(和更長的轉子組件)可放置在一個殼體內，而不是具有一系列殼體用于增加壓力。每個殼體(例如具有更長的轉子組件)內的效率也增加了。對于用于實現(xiàn)輸出壓力與輸入壓力的特定比值的壓縮機的空間要求降低了。撓度比增加，從而便于額外的葉輪。根據(jù)示例性實施例的壓縮機200中的軸220的長度(L2)(圖2)大于壓縮機100中的軸120的長度(LI)(圖I)。此外，氣體軸承的使用也避免了對于在殼體內精制密封系統(tǒng)的需要，因為油并不進入殼體。作為如所描述的設計的結果，成本也顯著地降低了。上述示例性實施例在所有方面意圖是說明性的，而不是限制性的。因此，本發(fā)明能具有具體實施方式
的許多變型，這些變型能由本領域技術人員從本文包含的描述導出。認 為所有這些變型和修改均在如由權利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神內。在本申請的描述中所用的元件、行動或指令全都不應認為對于本發(fā)明是關鍵的或至關重要的，除非清楚地 描述如此。而且，如本文所用的，冠詞“一”意圖包括一項或多項。
權利要求
1.一種離心壓縮機，包括 轉子組件，其包括軸和多個葉輪； 軸承對，其位于所述軸的端部且被配置成支承所述轉子組件； 密封機構，其安置于所述轉子組件與所述軸承之間；以及第一氣體軸承，其安置于所述多個葉輪之間且被配置成支承所述軸，所述氣體軸承從位于所述第一氣體軸承的位置下游的葉輪接收工作氣體。
2.根據(jù)權利要求I所述的離心壓縮機，其特征在于，所述第一氣體軸承位于在所述壓縮機中所述多個葉輪之間半途的點。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的離心壓縮機，其特征在于，所述第一氣體軸承位于在所述壓縮機中所述多個葉輪之間超過半途的點。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述工作氣體為下列之一 二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣或者它們的組合。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述軸承對為含油軸承。
6.根據(jù)權利要求5所述的離心壓縮機，其特征在于，所述氣體軸承的運轉表面速度高于所述含油軸承的運轉表面速度。
7.根據(jù)權利要求6所述的離心壓縮機，其特征在于，所述氣體軸承的運轉表面速度為所述含油軸承的運轉表面速度的至少兩倍。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，還包括 過濾器，用于在所述工作氣體被所述氣體軸承接收之前凈化所述工作氣體。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，還包括 第二氣體軸承，其安置于所述多個葉輪之間，所述第二軸承位于所述第一氣體軸承的下游。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述工作氣體由所述第一氣體軸承從葉輪接收，所述葉輪為超過所述第一氣體軸承一個壓縮級。
11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述工作氣體由所述第一氣體軸承從葉輪接收，所述葉輪為超過所述第一氣體軸承至少兩個壓縮級。
12.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，由所述第一氣體軸承接收的所述工作氣體小于流動通過所述壓縮機的工作氣體的0. 1%。
13.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述軸為單軸。
14.一種在離心壓縮機中處理工作氣體的方法，所述方法包括以下步驟 向所述壓縮機的入口管提供所述工作氣體； 通過多個壓縮級處理所述氣體，每個級增加所述氣體的速度； 在位于所述壓縮級的中途點下游的級后方，排出加速氣體的一部分； 將排出氣體提供給位于所述多個壓縮級之間的氣體軸承； 將所述氣體從所述氣體軸承再引入到在所述壓縮機中流動的所述工作氣體；以及 從所述壓縮機的出口管排出所述工作氣體。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，還包括在將所述氣體提供給所述氣體軸承之前，過濾已排出的所述氣體，以移除雜質。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其特征在于，還包括 利用來自所述氣體軸承的氣體沖洗所述壓縮機的轉子組件，以從所述轉子組件除去熱。
17.—種尚心壓縮機,包括 轉子組件，其包括軸和多個葉輪； 軸承對，其位于所述軸的端部且被配置成支承所述轉子組件； 密封機構，其安置于所述轉子組件與所述軸承之間；以及多個氣體軸承，其安置于所述多個葉輪之間且被配置成支承所述軸，所述氣體軸承中的每一個從位于所述氣體軸承的位置下游的相應葉輪接收工作氣體。
18.根據(jù)權利要求17所述的離心壓縮機，其特征在于，在所述壓縮機的輸入與所述多個氣體軸承中第一個之間的壓縮級的數(shù)量等于在所述多個氣體軸承中最后一個與所述壓縮機的輸出之間的壓縮級的數(shù)量。
19.根據(jù)權利要求18所述的離心壓縮機，其特征在于，在所述多個氣體軸承中每一個之間的壓縮級的數(shù)量等于在所述輸入與所述多個氣體軸承中第一個之間的壓縮級的數(shù)量。
20.根據(jù)權利要求17至19中的任一項所述的離心壓縮機，其特征在于，所述多個氣體軸承中的第一個從葉輪接收工作氣體，所述葉輪在所述第一氣體軸承的下游且在所述多個氣體軸承中第二個的上游。
全文摘要
一種離心壓縮機(200)包括轉子組件(220，230，239)，其帶有軸(220)和多個葉輪(230，239)；軸承(250，255)，其位于軸(220)的端部且被配置成支承轉子組件(220，230，239)；密封機構(280，285)，其安置于轉子組件(220，230，239)與軸承(250，255)之間；以及氣體軸承(290)，其安置于多個葉輪(230，239)之間，用于支承軸(220)且從氣體軸承(290)的位置下游的葉輪(230)接收工作氣體。
文檔編號F04D29/057GK102753834SQ201080064076
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權日2009年12月17日
發(fā)明者B.H.埃爾塔斯, G.馬里奧蒂, M.卡馬蒂, S.帕隆巴 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司