CN101379298B - 压缩机单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一套压缩机单元(1)，特别是用于水中作业的压缩机，其中包括一台压缩机(3)，带有一个单级或多个压缩级(11)的压缩机转子(9)，还包括一个带有定子(16)和电动机转子(15)的电动机(2)，以及包括设有一个进气口(6)和出气口(7)的气密壳体(4)。这样一个具体配置比较大的压缩机对振动是很敏感的。本发明通过如下措施提供了一种完善手段，即电动机转子(15)设有两个径向轴承(21，22)，亦即第一径向轴承(21)和第二径向轴承(22)，各设在一端；压缩机转子有两个径向轴承(23，24)，亦即第三径向轴承(23)和第四径向轴承(24)，各设在一端。在两个转子(15，9)之间设有一个传输转矩的联结器(39)。

Description

压缩机单元

技术领域

本发明涉及的是一套压缩机单元，特别是用于水下作业的压缩机单元，其包括一台压缩机，该压缩机带有压缩机转子并具有一个或多个压缩级；还包括一个带有定子和转子的电动机；以及包括设有一个进气口和出气口的气密壳体，在电动机转子各端设有径向轴承，即一个第一径向轴承和一个第二径向轴承；在压缩机转子的两端各设有径向轴承，即一个第三径向轴承和一个第四径向轴承；在两个转子之间设有一个用于传输转矩的联结器。

背景技术

在水下安装用于输送天然气的大型压缩机也是最近在压缩机制造方面的研究开发的重要内容。由于水下特殊的作业条件，特别是非常难以靠近的环境(不管是出于维护目的还是管路使用方面)，使压缩机行业的专家们面临着巨大的挑战。有关环境法规严格禁止以各种方式安装设备与周围的海水进行物料交换。此外，海水还是一种侵蚀性介质，而且在不同的海洋深度下会有各种苛刻的压力和温度环境。还有一方面要求是，机组设备不仅要有非常高的耐用度，而且也要求必须几乎是免维护的。此外，还难免出现由于输送介质的部分化学侵蚀而造成的并非少量的污染。

通过国际专利申请WO 02/099286 A1可以了解到上述型式的压缩机单元。由于确定了尽量简化结构以达到降低维护成本、同时实现经久耐用的目标，于是提出一个设计方案，即压缩机转子与电动机转子为整体结构并且用两个径向轴承分别支撑各端，另外还设有一个独立的轴向轴承。不过随着结构尺寸大型化，其本身自重也增大，在动力学上占主导地位的电动机转子的作用下，会产生很强的振动，特别是在不同操作温度下和相应的转速下产生的热力学不平衡，更容易造成强振动，这样就降低了使用寿命，同时缩短了维护间隔时间也让人难以承受。

除此之外，从欧洲专利申请EP 1074746 B1可以了解到，一个设有三个径向轴承的透平压缩机，电动机转子是用一个联结器与压缩机转子相连接的。对此，动力学上占有主导地位的电动机转子借助于三个径向轴承其中的两个来支承，在组成的总转子端部上的压缩机端子只用一个径向轴承。另外由此还可以看出，振动很大程度上与一个确定的容量级是成比例的。

通过US 2002/0037772 A1、德国专利DE37 29 486 C1、US 2004/0179961 A1和WO 2004/094833 A1可以了解到，压缩机与电动机直接连在一起，装在一个壳体之中。在这种情况下，电动机和压缩机的转子是以不同方式径向和轴向支承的。例如，从这些文献可知，该备设有四个轴承，在压缩机与电动机转子轴之间设有一个弹性联结器。

发明内容

现有技术的问题和缺点出发，本发明的目标是，提出一个按如前所述型式的改进压缩机单元，该压缩机单元只需少量维护花费而具有更长的使用寿命，最为突出的特征是只产生轻微的振动。

为了实现这个目标，本发明提出了一种压缩机单元，该压缩机单元包括压缩机，该压缩机设有一个或多个压缩级并具有压缩机转子；还包括带有定子和电动机转子的电动机；以及包括设有进口和出口的气密的壳体，电动机转子具有两个分别在端侧设置的径向轴承，亦即第一径向轴承和第二径向轴承，压缩机转子具有两个分别在端侧设置的径向轴承，亦即第三径向轴承和第四径向轴承，在两个转子之间设有传递转矩的联结器。其中压缩机转子和电动机转子借助于联结器连接地形成了公共的沿竖直方向延伸的转子，设计压缩机，使得由于在标称工作状态下在不同的级上形成的压力差产生推力，该推力与转子的重力相对应并且选择推力的方向，从而用重力对推力进行补偿。

本发明突出的优点在于对转子振动进行最有效的控制，特别是控制热力学不平衡而引起的振动。首先是电动机转子两侧的轴承结构导致有效地缓冲了电动机转子，该电动机转子由于其自重动态上很明显。本身仍然产生振动，但是由于两侧同样有轴承结构，使压缩机转子不产生不容许的振动，这是因为在两个轴承点上其有良好的缓冲。通过这种方法就可以对高转速条件下的大尺寸结构本身进行动态控制。

在两个转子之间布置联结器所带来的好处不仅仅是安装方向。在所提出的设计中，特别是压缩机转子可以按任意结构形式制造，例如一个整体的，或是将单压缩级安装到一个轴上，根据需要还可做成按圆周方向分体或整体型式的。不会存在由于压缩机是分开的、在端部支承而引起对接问题。特别是常常出于维护目的，可以把压缩机转子从径向轴承上卸下来并输送到单独的加工过程，例如可以方便地对轴进行单独精车削或进行平衡。在安装方面更有意义，因为在特殊使用领域中优先使用的是封闭式径向轴承，该轴承可以进行360°旋转和拆卸，这样，转子在轴承部位两侧可以不需要比径向轴承的内径更大的直径。径向轴承的这种封闭的、整体环绕的设计结构是特别有利的，因为这种径向轴承不会受侵蚀性介质的损害，而且根本用不着额外供应密封蒸汽和采取类似的密封措施。在本来常见情况下用的一种蒸汽密封是处于特殊的工作条件下，尤其是由于不好的可触及性或由此引起的清洁密封气体供量不足，在经济上是根本不合算的。

除此之外，联结器的设计和布置提供了附加的结构上的潜能，即按照本发明在动力学上对两个转子都有积极作用。只传输转矩的弹性联结器构成联结器，这将压缩机转子与电动机转子的弯曲振动解耦。对此，一个本发明的有利的选择是应用一个细长的、可扭的、并且根据其细长度有挠性的、基本上是弯曲松弛的轴作两个转子之间的联结器。这种类型的轴(英语也称之为Quill-Shaft(挠性短轴或空心轴))基本上是免维护的，并且是弹性联结器的一种结构非常简单的选择方案。除此之外，其还有一个优点是它能够传递轴向力，通过这种方式，两个转子只需要一个轴向轴承。

特别实用的是压缩机单元采用竖直布置，亦即电动机转子和压缩机转子以竖直的方式布置，这样有一个共同的旋转轴线沿竖直方向延伸。是有目的地把压缩机设计成这种形式的，使由于在标称工作状态下，在不同的级上所产生的压力差，产生一个基本上与转子重力相对应的推力，而且该推力的方向被选择，从而就可以用重力来补偿该推力。通过这种方式装置轴向轴承结构可以按比例较小地进行设计，因为在按标称转速操作期间所产生的轴承力会少量减小。

有利的是将压缩机单元的壳体设计分为两体，在压缩机和电动机之间，主要是在联结器部位设有一个接合部。特别是在大模块的情况下，可以采用这种方式拆卸进行运输，这种分体结构形式还有可能提供一个积木式的产品系列方案。在此应当提出的是，压缩机由于强烈变化的工作压力，特别是不同的抽吸和排出压力而在结构尺寸方面强烈变化，而必须容易保证电动机单元稳定。对于这种结构形式，本发明提出的设计还展现了其优点，因为在联结器区域内压缩机单元分体时，两个转子都可以分别在分壳体中径向地保持在固定位置上。

附图说明

下面借助于一个专用的实施范例并参照示意图对本发明进行详细说明。所表达的结构形式只用于举例说明本发明，分别表达的是：

图1示意表达的是根据本发明压缩机单元的断面；

图2是对图1中的AA断面的表示。

具体实施方式

图1表示的是沿着根据本发明的压缩机单元1的截面图，其最作为主要部件包括设在气密的壳体4内的一台电动机2和一台压缩机3。壳体4设有一个轴向接合部5，从而可以使壳体拆卸分成两分壳体。第一分壳体61容纳电动机2，第二分壳体62容纳压缩机3。在第二分壳体62范围内，壳体4设有一个入口6和一个出口7，借助于一个抽吸接口8通过入口6抽待吸压缩流体，并通过出口7排放压缩流体。

压缩机单元1在工作时是竖向布置的，位于压缩机3的压缩机转子9之上的电动机2的电动机转子15在中间设有一个联结器18情况下连接成一共用的轴19上，该轴围绕着一个共同的竖转动轴线60进行转动。

电动机转子15由两个径向轴承支撑，第一径向轴承21位于电动机转子15的上端，第二径向轴承22位于下端。

压缩机转子9同样也用径向轴承在两端支承，第三径向轴承23位于上部，第四径向轴承24位于下部。

在共用轴19的上端，亦即在电动机转子15的上端上，设有一个轴向轴承25。径向轴承和轴向轴承是电磁方式工作的，各自都是封闭的。对此，径向轴承围绕轴19的各自轴承点以圆周方向延伸，其在此围绕360°并且是整体的。

在两个转子9，15之间的联结器18借助于螺栓71固定在两个转子的端部。联结器18是细长的、弯曲松弛的、并且是可扭曲的轴，该轴由于是经过特殊加工的，因而与能够承受较高的转矩，对此，与扭簧类似其在纵向是可以扭曲的。这样的轴也称之为挠性短轴(Quill-Shft)。这种弹性联结器由于其特殊的设计结构18，而传递电动机2与压缩机3之间的扭矩，并且可以最大程度地使两者与其它部件的振动隔离。尤其是不会传递变曲振动。除此之外，联结器18能传输轴向力，从而对电动机2和压缩机3来说只需要一个共用的轴承25。

由离心式压缩机构成的压缩机3设有三个压缩级11，压缩级分别用一个溢流口33进行连接。在压缩级11上产生的压力差对压缩机9提供一个推力，该推力经过联结器18传递到电动机转子15上，并逆着由压缩机转子9、联结器18和电动机转子15构成的整个转子上的重力定向，这样可以在标称工作状态下最大程度地进行推力平衡。通过这种方式，可以把轴向轴承25设计得比水平布置结构的小一些。

借助于冷却系统31将电磁轴承21-24、25冷却到工作温度上，该冷却系统31在压缩机3的一个溢流口上设有一个分接头32。借助于一个管路从分接头32，一部分输送介质(最好是天然气)被导引经过过滤器35，然后经过两个分别的管路分别引入到外轴承点(第径向轴承21、第四径向轴承24及轴向轴承25)。通过这种冷态的输送介质的冷却，还节省了附加的供应管路。

电动机转子15由一个定子16包围着，该定子设有封装39，这样有侵蚀性的输送介质不会损害定子16的绕组。该封装的设计结构最好能够经受住满负荷工作压力。由于定子设有独立的冷却系统40，其还要用一个泵42将本身的冷却介质41经过换热器43输送。封装39至少应有这样的结构：在定子16与电动机转子15之间延伸的区段尽管有一个比较薄的壁厚，但是在借助冷却介质41对定子冷却系统40完全充填时，能够经受住设计压力。通过这种方式来避免该部位中更大的涡流损失并改善整个装置的效率。

压缩机9优选地设有一个压缩机轴10，在该轴上装有各个压缩级11。这可以优先采用热收缩配合法来进行。同样，也可以用形状配合连接，例如借助多边形。其它的结构形式规定将不同的压缩级11相互焊接，从而形成一个整体的压缩机转子9。

图2表示电动机2区域内电动机转子15的断面(A-A)。电动机转子2设有安装导体元件50的凹进槽。

Claims (12)

1.压缩机单元(1)，该压缩机单元包括压缩机(3)，该压缩机设有一个或多个压缩级(11)并具有压缩机转子(9)；

还包括带有定子(16)和电动机转子(15)的电动机(2)；

以及包括设有进口(6)和出口(7)的气密的壳体(4)，

电动机转子(15)具有两个分别在端侧设置的径向轴承(21，22)，亦即第一径向轴承(21)和第二径向轴承(22)，

压缩机转子具有两个分别在端侧设置的径向轴承(23，24)，亦即第三径向轴承(23)和第四径向轴承(24)，

在两个转子(15，9)之间设有传递转矩的联结器，

其特征是：

压缩机转子(9)和电动机转子(15)借助于联结器连接地形成了公共的沿竖直方向延伸的转子，设计压缩机，使得由于在标称工作状态下在不同的级上形成的压力差产生推力，该推力与转子的重力相对应并且选择推力的方向，从而用重力对推力进行补偿。

2.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，联结器是弹性联结器。

3.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，所述第一、第二、第三和第四径向轴承是电磁轴承。

4.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，在压缩机转子(9)和电动机转子(15)之一上设有至少一个轴向轴承。

5.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，联结器是设在两个转子(15，9)之间的细长、可扭的轴。

6.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，只设有一个轴向轴承。

7.根据权利要求1的压缩机单元(1)，其特征是，在竖直布置中在压缩机转子(9)之上设置电动机转子(15)。

8.根据权利要求6所述的压缩机单元(1)，其特征是，轴向轴承(25)设在电动机转子(15)的上部位置。

9.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，电动机转子(15)是堆叠多层结构。

10.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，电动机转子是连续结构并带有嵌入纵向延伸的凹槽中的导体元件(50)。

11.根据权利要求1所述压缩机单元(1)，其特征是，所述第一、第二、第三、第四径向轴承和轴向轴承被封装地构造。

12.根据权利要求1所述的压缩机单元(1)，其特征是，所述压缩机单元(1)是用于水中作业的压缩机单元。

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