CN102326001B - 多级离心式压缩机的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的多级离心式压缩机(10)，其包括至少四个离心式压缩级(11，12，13，14)，每个离心式压缩级均包括叶轮。一对级(12，13)中的叶轮均安装在联接至第一高速直接驱动马达(16)的第一轴(23)上，并且另一对级(11，14)中的叶轮均安装在联接至第二高速直接驱动马达(15)的第二轴(24)上。第一高速直接驱动马达与第二高速直接驱动马达的速度由至少一个驱动器(25)控制以使得叶轮均在相同速度下被驱动。

Description

多级离心式压缩机的改进

本发明涉及多级离心式压缩机的改进，具体涉及一种改进的多级离心式压缩机。

自20世纪60年代以来，变速动力压缩机如离心式压缩机就被用于压缩空气或其它气体。离心式压缩机包括安装至轴线以形成叶轮的压缩机叶片的圆筒形组件，并且基于多种原因可用在多个领域中。这些离心式压缩机通常是节能的，并且由于其具有很少的移动件可较少地进行维护。与类似尺寸的往复式压缩机相比，离心式压缩机通常可提供更高的气流。离心式压缩机的主要缺点是尽管多级离心式压缩机可以获得显著的排放压力，但其通常不能获得非多级往复式压缩机的高压缩比。

离心式压缩机的性能由叶轮速度、总压头(total head)以及所需的体积流量来表示。在离心式压缩机中，压力比即从压缩机排出的气压与进入该压缩机的气压的比率与叶轮速度成比例。级效率(stageefficiency)与比速(specific speed)相关联，比速被限定为与实际压缩机几何上相似的理想压缩机的速度，即，当在该速度下运行时，实际压缩机将通过一单位压头在一单位时间内增加一单位体积。比速(N_s)可以通过以下公式来计算：

$N_s=\frac{N*\sqrt{Q}}{H^{0.75}}$

其中：

N＝叶轮的转速(rpm)

Q＝体积流量(l/m)

H＝总动压头(m)

图1示出了一类离心式压缩机的效率随比速的变化图，该图表明了存在最优的比速，在高比速和低比速下效率降低。

在工业气体应用中利用的、现有技术的离心式压缩机通常为双极或三级压缩机。为了获得期望的压力比，可以用级之间的中间冷却来改进总效率，每级的比功(specific work)(w)即每单位质量流做的功可以通过以下公式来计算：

$w=R_1*T_1*\frac{\left(n\right)}{(n-1)}*({\mathrm{Pr}}^{(n-1)/n}-1)$

其中：

R₁＝在恒定压力下的气体的比热(J/kg·K)

T₁＝入口温度(K)

n＝在恒定压力下气体的比热与在恒定体积下气体的比热之间的比率

Pr＝压力比

忽略比热(R₁)中的微小变化，可以看出，冷却回到接近第二级入口处的入口温度(T₁)的双极压缩的总比功(w)小于单级压缩的总比功。类似地，具有中间冷却的三级压缩的比功(w)小于双极压缩的比功。

由于空气或气体在每级中被压缩，体积流量(Q)将与级压力比(Pr)成比例地下降。如果越过这些级的压头增加被均匀分割，那么第二级的比速(N_s2)将小于第一级的比速(N_s1)。类似地，第三级的比速(N_s3)将小于第二级的比速(N_s2)。通常，第二级比速(N_s2)将处于高的级效率范围中，这是因为具有良好效率的比速范围在这类压缩机中足够广。如果比速足够低，第三级的效率有可能不够最优(见图1)。

现有技术下的三级离心式压缩机常具有位于第一轴上的第一级和第二级叶轮、以及位于第二轴上的第三级叶轮。齿轮箱被设置成在最优速度下或接近最优速度下驱动每个轴。在US-B-6488467中描述了这种设置的一个示例。

但是近来，直接驱动器被应用于离心式压缩机，例如在EP-A-1319132和EP-A-1217219中所描述的那样。在直接驱动压缩机中不使用齿轮箱，因此每级的速度可通过使用单个马达以及驱动器来优化，例如在US-A-20070189905中所示出的那样。上述系统的缺点是单个马达和驱动器均很昂贵并且需要复杂的控制系统来控制多个马达/驱动器。

因此，本发明的目的是提供一种改进的多级压缩机，其具有改进的效率。

因此，本发明包括一种多级压缩系统，该多级压缩系统包括至少四个离心式压缩级，每个离心式压缩级均包括叶轮，在该多级压缩系统中，一对级的叶轮均安装在联接至第一高速直接驱动马达的第一轴上，另一对级的叶轮均安装在联接至第二高速直接驱动马达的第二轴上，第一马达与第二马达的速度由至少一个驱动器来控制以使得叶轮均在相同速度下被驱动。

这种设置的优势为压缩系统能够根据驱动器的数量来简化，而不需对级效率妥协。

现在将参照附图仅通过实施例对本发明进行描述，在附图中：

图1是示出离心式压缩机的效率随比速变化的曲线图；

图2是本发明的一个实施方式的示意图；以及

图3是本发明的另一实施方式的示意图。

如图2所示，三级离心式压缩机10包括彼此并联安装的两个第一级11、12，以及串联连接的第二级13和第三级14。因此，待压缩的流体被均匀地分割越过流体入口到达两个第一级11、12，并且被同时压缩。然后，从两个第一级11、12的流体出口处排放的流体在被传送到第二级的流体入口之前重新组合，接着被传送到第三级的流体入口。由一对直接驱动高速马达15/16来驱动这些级11/12、13、14。

四个叶轮均被安装在由两个高速直接驱动马达15、16驱动的两个轴23、24上。第二级13的叶轮被安装在与第一级12的叶轮相同的驱动轴23上。第三级14的叶轮被安装在与另一个第一级11的叶轮相同的驱动轴24上。马达15、16的速度通过单个变频驱动器或其它驱动器或控制器25控制，并由此将所有四个叶轮在相同的速度下驱动。可以使用不只一个驱动器25或者控制器，在这种情况下仍将所有四个叶轮在相同的速度下驱动。

待压缩的流体被吸入两个并联的第一级11、12的叶轮。从两个第一级11、12排放的经压缩的流体流经过中间冷却器21，并在被吸入第二级13的叶轮之前组合在一起。从第二级13排放的流体在被吸入第三级14的叶轮之前经过第二中间冷却器22。从第三级14排放的流体在被排放以供使用之前最后经过后冷却器26。两个第一压缩级流体流可以在经过第一中间冷却器(21)之前或之后进行组合。

具有第一级11/12的分割的这种配置的优势为，成本、复杂性以及与附加的驱动器和马达相关的错误操作的概率均显著减少了。由于覆盖三个级11/12、13、14的比速范围相对较小，所以级11/12、13、14中的每级的效率能够近似最优。

例如，如果总压力比(Pr)为8，并且越过级11/12、13、14中的每级均具有相等的压力增加，那么第一级11、12中的每个的比速(N_s1)均与成比例，这里Q为在入口处通过压缩机的总体积流量，每个第一级11、12均压缩了该流的50％。第二级13的比速(N_s2)将与成比例，并且第三级14的比速(N_s3)将与(Q/4)^0.5成比例。

在本发明的可选的实施方式中增加了第四级，第四级使压缩机10能够实现比之前描述的实施方式更高的压力。如图3所示，仅有单个的第一级12并且第三中间冷却器27位于第三级14与第四级28之间。该附加的中间冷却器27通过将入口处的低温维持到第四级28来帮助优化热动力的压缩效率。

在这样的设置中，第一级12和第二级13的叶轮均被安装在第一轴23上，第三级14和第四级28的叶轮均被安装在第二轴24上。如前所述，每个轴23、24均由高速直接驱动马达15、16来驱动，马达15、16均由一个或多个驱动器25控制。

Claims (6)

1.一种多级压缩系统，包括至少四个离心式压缩级，每个所述离心式压缩级均包括叶轮，在所述多级压缩系统中，一对所述离心式压缩级的叶轮均安装在联接至第一高速直接驱动马达的第一轴上，另一对所述离心式压缩级的叶轮均安装在联接至第二高速直接驱动马达的第二轴上，所述第一高速直接驱动马达和第二高速直接驱动马达的速度由至少一个驱动器来控制以使得所述叶轮均在相同的速度下被驱动，

其中，每对所述压缩级的一个叶轮形成一对第一压缩级中的一个压缩级，所述一对第一压缩级彼此并联安装，所述至少四个压缩级中的另两个压缩级为第二压缩级和第三压缩级，所述第二压缩级和所述第三压缩级与所述一对第一压缩级串联安装，其中所述一对第一压缩级的压缩流体进行组合并流入所述第二压缩级的叶轮，从所述第二压缩级排放的流体流入所述第三压缩级的叶轮。

2.如权利要求1所述的多级压缩系统，其中，所述一对第一压缩级中的一个压缩级的叶轮和所述第二压缩级的叶轮均被安装在所述第一轴上，所述一对第一压缩级中的另一压缩级的叶轮和所述第三压缩级的叶轮均被安装在所述第二轴上。

3.如权利要求1所述的多级压缩系统，其中，第一中间冷却器连接到所述一对第一压缩级中的每个压缩级的流体出口，以使得组合后的流体向所述第二压缩级提供单一的冷却器流体流。

4.如权利要求3所述的多级压缩系统，其中，第二中间冷却器连接到所述第二压缩级的流体出口和所述第三压缩级的流体入口。

5.如权利要求1所述的多级压缩系统，其中，后冷却器连接到所述四个离心式压缩级中的最后一个压缩级的流体出口。

6.如权利要求1所述的多级压缩系统，其中，所述马达由至少一个变频驱动器来控制。