CN102187099B - 流体能量机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体能量机械（1），尤其是压缩机（3）或泵，其具有壳体（7）、马达（4）、至少一个工作轮（11）、至少两个径向的轴承（17、18）、至少一个沿着轴的纵向轴线（6）延伸的轴（5），该轴（5）承载着所述至少一个工作轮（11）以及马达（4）的转子（15），其中所述轴（5）支承在径向的轴承（17、18）中，其中所述马达（4）具有在马达（4）的区域内至少部分地包围转子（15）的定子（16），并且在转子（15）和定子（16）之间以及在转子（16）和径向的轴承（17、18）之间形成沿着圆周方向并且沿着轴的纵向轴线（6）延伸的缝隙（22），该缝隙至少部分地用流体进行填充。常规的流体能量机械（1）由于不稳定的空气动力学或者说流体动力学的力而在定子（16）和转子（15）之间的缝隙（22）中具有受限制的工作区域。在此，本发明提出了这样的补救措施，即所述马达（4）也构造成轴承并且与调节装置（2）处于连接之中，该调节装置如此触发所述马达（4），从而除了用于驱动流体能量机械（1）的扭矩（30）之外也可以施加径向于轴的纵向轴线（6）的力（60）。

Description

流体能量机械
技术领域
本发明涉及一种流体能量机械，尤其是压缩机或泵，其具有壳体、马达、至少一个工作轮、至少两个径向的轴承、至少一个沿着轴的纵向轴线延伸的轴，该轴承载着所述至少一个工作轮以及马达的转子，其中，所述轴支承在所述径向的轴承中，其中，所述马达具有在马达的区域内至少部分地包围所述转子的定子并且在所述转子和所述定子之间以及在所述转子和所述径向的轴承之间形成沿着圆周方向并且沿着轴的纵向轴线延伸的缝隙，该缝隙至少部分地用流体进行填充。
背景技术
这种流体能量机械是当前特别密集的研究努力的目标，因为其提供了无密封件的实施方式的可能性。通常构造成电驱动装置的马达以及流体能量机械的工作轮例如压缩机工作轮能够与周围环境气密封闭地共同布置在一个唯一的壳体中，使得轴不需要通向外面。无密封件在上下文中意味着没有轴密封件必须相对于周围环境密封位于运动的部件和静止的部件之间的缝隙。然而，例如在工作轮的范围内需要可能的密封件，并且所述密封件通常构造成迷宫式密封件。所述马达的转子和定子由过程流体包围，因为在壳体中优选在压缩机和马达之间也没有设置轴密封件。相应地，过程流体位于转子和静止的部件之间的-也就是在马达的定子和转子之间的，在轴承和捕获轴承中的-缝隙中。如果转子或缝隙管遭受振动激励，该振动激励在圆周位置上改变了环绕的缝隙之一中的缝隙高度并且在转子和缝隙管之间的缝隙中的流体具有显著的圆周速度，那么缝隙高度在所形成的库艾特流中的局部降低引起了加速，该加速根据伯努利流动定律引起局部的压力降低，从而除了受激励地降低缝隙高度之外，还出现了降低缝隙高度的力的增强。所述空气动力学的或者说流体动力学的力随着流体密度的增加而增加，并且会在足够的值时引起旋转的和静止的部件之间的接触并且甚至会引起损坏。一定要阻止所述流体能量机械的可支配性的这种降低。
由WO 97/08808已经公开了一种缝隙管马达，该缝隙管马达具有至少一个无轴承的马达并且驱动泵的布置在侧面的叶轮。在那里介绍的装置仅仅适合于运行较小的流体能量机械，因为相应布置在自由的轴端部上的工作轮在转子动力学方面在尺寸和重量方面受到限制。以所描述的方式不能考虑多级的构造。缝隙流中的流体动力学的不稳定性没有作为问题提出。
发明内容
从前面所描述的问题出发，本发明的任务是提供开头所述类型的流体能量机械，该流体能量机械具有特别高的可支配性，其中在大型流体能量机械中尤其应该改善运行可靠性。
本发明借助于权利要求1中额外提出的特征来解决所述任务。引用的从属权利要求包含本发明的有利的改进方案。
工作轮根据本发明理解为旋转的部件，该部件根据机器的使用目的输送过程流体或者由该过程流体驱动。这例如是压缩机的叶轮。在离心式压缩机中，例如能够相应地成一直线地或者背对背地布置多个离心工作轮。借助于特别的受调节装置控制地由定子产生的磁场将力额外地施加到马达的转子上，这种做法负责转子的更可靠的位置以及轴的纵向轴线与缝隙管的同心度的提高的尺度。相应地，不会那么早产生流体动力学的不稳定性的上面所描述的在转子动力学和流体技术方面的现象，或者说能够没有危险地使用其它工作区域。
特别有利地将壳体构造成气密的，其中为由流体能量机械输送的或者驱动流体能量机械的过程流体设置至少一个入口和出口。在这个意义上，本发明将气密的壳体理解为不必设置轴密封件用于将轴从壳体中导出。
按本发明，设置至少一个轴向轴承用于将轴确定地支承在轴向位置中。该轴向轴承优选构造成磁性轴承，就如所述至少两个分开的径向轴承一样。
当然，节省了复杂的轴密封件也带来了这样的缺点，即所述用于布局的马达必须对经常化学侵蚀性的过程流体不敏感。在此，所述过程流体例如可以是天然气，该天然气在海下压缩并且除了化学的侵蚀性外，也还带来强烈波动的压力以及恶劣的污染的困境。
在此，至少有利地保护马达的定子的内部防止过程流体，从而能够在转子和定子之间的缝隙中设置所谓的缝隙管，该缝隙管将由过程流体在周围冲刷转子的空间与布置了定子内部的空间分开。
在此，有利地由单独的冷却系统借助于冷却流体将定子保持在合适的工作温度，其中优选借助于过程流体冷却机械的其余组件。尤其能够借助于过程流体冷却优选构造成磁性轴承的轴承。
在此，对缝隙管提出特别的要求。为了不太强烈地由于定子的交变磁场中感应的涡流加热所述缝隙管，该缝隙管应该是不导电的。此外，该缝隙管必须具有足够的机械稳定性，因为会产生过程流体与定子的借助于缝隙管通常与过程流体分开的冷却流体之间较高的压差。为了可接受的效率，缝隙管的壁厚不得构造得过分厚。此外，所述缝隙管必须相对于过程流体是化学稳定的。
在本发明的另一优选的改进方案中，借助于有待输送的流体或者说过程流体来冷却流体能量机械的组件，尤其冷却构造成磁性轴承的轴承。此外，优选如此构造所述流体能量机械，使得过程流体至少部分地在周围冲刷所述转子。
为了所述马达能够施加用于稳定转子相对于缝隙管的同心度的侧向力，该马达有利地具有至少两个具有不同极对数的绕组系统。
此外有利的是，所述调节装置与位置和/或振动传感器处于连接之中，并且其信号用作用于触发马达的输入信号。所述传感器同样能够用于调节径向的磁性轴承，从而不需要额外的部件。作为补充或者替代方案，所述调节装置能够与流过马达绕组的电流的测量值或者与马达上的磁通量的测量值处于连接之中，并且将所述测量值用作用于触发马达从而将侧向力施加到转子上的输入信号。
当涉及具有相应于级数的数量的工作轮的多级的压缩机或者多级的泵时特别实现了本发明的优点。
对于优选较短构造的装置来说，所述轴的支承能够借助于两个分开的径向轴承实现，所述径向轴承布置在轴端部上并且马达和压缩机的组合被包围在所述径向轴承之间。
在转子动力学方面特别有利的是，沿着轴的纵向轴线布置所述马达和/或工作轮，并且沿着该轴的纵向轴线在马达的两侧分别设置径向轴承，并且在工作轮的背对马达的侧面上设置其它径向轴承。包括三个分开的径向轴承的装置在多级的压缩机中突出地适合于良好的转子动力学。
与按本发明的调节装置相联系，这种装置在极端的工作区域内也具有较高的可支配性，其中所述调节装置如此触发所述马达，从而除了用于驱动流体能量机械的扭矩之外也还施加径向于轴的纵向轴线的力。
此外，本发明涉及一种用于运行前面所述类型的流体能量机械的方法，其中借助于调节装置将额外的用于产生径向于轴的纵向轴线的力的触发叠加于为控制驱动扭矩而对马达进行的触发，其中在马达旁边还设置了至少两个另外的径向轴承。
附图说明
下面根据对特殊的实施例所作的描述参照附图对本发明进行详细解释。对于本领域技术人员来说，从公开内容中获得其它列入本发明的并且与所描述的实施例不同的构造方案。附图示出：
图1是按本发明的流体能量机械的示意性的纵剖图，该流体能量机械具有按本发明的调节装置的组成部分，借助于方框标记简化地示出所述调节装置。
具体实施方式
附图分别以简化的视图示出了流体能量机械1的纵剖图以及作为框图的调节装置2。所述流体能量机械1具有压缩机3以及马达4，所述压缩机和马达借助于共同的轴5连接地沿着轴的纵向轴线6布置在对外气体封闭的壳体7中。所述气密的壳体7由于没有为轴5设置必须借助于轴密封件密封的通道是气密的。就此而言所述流体能量机械1可以描述为无密封件的，虽然在压缩机3的各个级之间存在用于降低在所述级中产生的压力差的轴密封件。
所述壳体7具有用于过程流体10的入口8和出口9，该过程流体借助于压缩机3进行压缩。除了通过入口8和出口9或者说压缩机3的多个工作轮11的主流13之外，较小部分的过程流体10从最后的工作轮11沿着次级流动路径12一直流向第一工作轮11。
所述马达4具有转子15和定子16，其中转子15由轴5承载。轴5支承在第一径向轴承17和第二径向轴承18以及轴向轴承19中。在附图中用虚线示出了可以选择设置的第三径向轴承20。在该部分中所述轴5能够在压缩机3和马达4之间的区域内也借助于套筒轴21（虚线示出）构造成柔韧的。
所述压缩机3以三个工作轮11相应地构造成三级，然而也可以具有更少的或者其它的级。
所述轴承17、18、19和20构造成磁性轴承，并且为了冷却所述轴承，次级流动路径12沿着所述轴承延伸。沿着次级流动路径12的过程流体10不仅冷却磁性轴承17-20，而且也冷却马达4的转子15。所述定子16通过缝隙22与转子15隔开，其中所述次级流动路径12延伸通过所述缝隙22。为了使定子16的内部不暴露于过程流体10之下，将该定子封装并且朝缝隙22用所谓的缝隙管24划分界限。
所述定子16借助于单独的定子冷却装置25进行冷却。在定子冷却装置中循环的冷却流体26能够处于不同于在缝隙中的过程流体10的压力之下，所述缝隙管24承受该压力差。
所述马达4将用于驱动压缩装置的扭矩30传递到压缩机3上。在此，调节装置2调节流体能量机械1的转速，其中转速传感器31测量轴5上的转速并且将测量值传递到调节装置2的换流器40上。所述换流器40向定子16提供相应于转速额定值的触发或者说具有所需的电压和频率的电流。所述调节装置2的组合的调节器与放大器41向换流器40预先给出了用于转速的相应的额定值。此外，所述组合的调节器与放大器41与两个位置传感器即一个径向的第一位置传感器50以及一个径向的第二位置传感器51处于连接之中，所述组合的调节器与放大器41使用位置传感器的测量值，用于相应地触发所述第一径向轴承17以及第二径向轴承18，使得所述轴5保持在其空间上的额定位置中。此外，组合的调节器与放大器41利用径向的位置传感器50、51的信号，从而使换流器40对马达4的定子16进行叠加于用于驱动压缩机的触发的触发，所述触发引起了轴5与缝隙管24的同心位置的偏差，所述触发引起了作用到轴5上的额外的径向力60。
为了所述马达4能够产生额外的径向力60，在定子16中设置第一绕组系统71和第二绕组系统72，所述绕组系统71、72具有不同的极对数。

Claims (14)

1.流体能量机械（1），具有壳体（7）、马达（4）、至少一个工作轮（11）、至少两个径向的轴承（17、18）、至少一个沿着轴的纵向轴线（6）延伸的轴（5），该轴（5）承载着所述至少一个工作轮（11）以及所述马达（4）的转子（15），其中，所述轴（5）支承在所述径向的轴承（17、18）中，其中，所述马达（4）具有在所述马达（4）的区域内至少部分地包围所述转子（15）的定子（16），并且在所述转子（15）和所述定子（16）之间以及在所述转子（16）和所述径向的轴承（17、18）之间形成沿着圆周方向并且沿着轴的纵向轴线（6）延伸的缝隙（22），该缝隙至少部分地用流体进行填充，
其特征在于，
所述马达（4）也构造成轴承并且与调节装置（2）处于连接之中，该调节装置触发所述马达（4），从而除了用于驱动流体能量机械（1）的扭矩（30）之外也能够施加径向于轴的纵向轴线（6）的力（60）。
2.按权利要求1所述的流体能量机械（1），
其中，所述壳体（7）构造成气密的。
3.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，设置至少一个轴向轴承（19）用于支承所述轴（5）。
4.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，构造所述流体能量机械（1），使得由所述流体能量机械（1）输送的过程流体（10）至少部分地在周围冲洗所述转子（15）。
5.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，在所述转子（15）和所述定子（16）之间的缝隙（22）中设置缝隙管（24），使得在周围冲洗所述转子（15）的流体不会到达所述缝隙管（24）的定子（16）所处的侧面。
6.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，所述径向轴承（17、18、20）构造成磁性轴承。
7.按权利要求3所述的流体能量机械（1），
其中，所述轴向轴承（19）构造成磁性轴承。
8.按权利要求4所述的流体能量机械（1），
其中，构造所述流体能量机械（1），从而借助于所述过程流体（10）冷却至少一个磁性轴承。
9.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，所述马达（4）装备有至少两个具有不同极对数的绕组系统（71、72）。
10.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，所述调节装置（2）与位置传感器（50、51）和/或振动传感器处于连接之中，并且其信号用作用于触发所述马达（4）的输入信号。
11.按权利要求1或2所述的流体能量机械（1），
其中，所述调节装置与流过至少一个马达绕组的电流的测量值或者与所述马达（4）上的磁通量的测量值处于连接之中并且如此进行构造，从而将所述测量值用作用于触发所述马达（4）的输入信号。
12.按权利要求1所述的流体能量机械（1），
其中，所述流体能量机械（1）是压缩机（3）或泵。
13.用于运行按上述权利要求1到12中一项所述的流体能量机械（1）的方法，
其中，所述调节装置（2）与用于轴（5）的两个位置传感器（50、51）和/或振动传感器处于连接之中，并且其信号用作用于触发所述马达（4）从而产生径向于轴的轴线的力的输入信号，并且所述调节装置与两个构造成磁性轴承的径向轴承（17、18、20）处于连接之中，并且将信号用作用于触发所述径向轴承的输入信号。
14.按权利要求13所述的方法，
其中，所述调节装置与流过马达绕组的电流的测量值或者与所述马达（4）上的磁通量的测量值处于连接之中，并且将所述测量值用作用于触发所述马达（4）的输入信号。
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