CN102472287A - 具有冷却系统的涡轮压缩机组件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮压缩机组件(10)，其沿转子(11)的轴线(12)分成至少三个区段(13，18，22)：轴承区段(13)，其具有至少一个主动磁轴承(14)；马达区段(18)，其包括马达(19)，马达(19)具有沿转子的轴线(12)设置的定子(20)，该定子包围形成在定子与转子之间的周向马达间隙(21)；压缩机区段(22)，其具有用于压缩冷却流体(30)的压缩机(23)，气密壳体(26)包围转子、轴承区段、马达区段和压缩机区段并且冷却系统(27)具有入口(28)用以将加压的冷却流体(30)经定位在轴承区段与马达区段之间的流体通道(29)供应至轴承区段和马达区段，其特征在于，冷却系统还包括节流装置(31)，该节流装置(31)邻近马达间隙定位用以限制从流体通道至马达间隙的冷却流体的流量。

Description

具有冷却系统的涡轮压缩机组件
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的涡轮压缩机组件。
背景技术
已知涡轮压缩机组件，其通常包括：转子；轴承区段，该轴承区段包括轴承和轴承间隙；马达区段，该马达区段具有马达，马达具有定子和马达间隙；以及冷却系统，该冷却系统用于冷却轴承区段和马达区段或者该组件的其它相关部件。这种冷却系统通常包括至少一个入口阀，用以通过在每个区段中的不同的流体通道将加压的冷却流体供应至轴承区段和马达区段。
从美国专利No.6,464,469已知这种已知的涡轮压缩机组件。在该文献中公开的涡轮压缩机包括起到冷却系统的作用的离心式涡轮压缩机、转子、电动马达以及包括多个电磁径向轴承的轴承区段。涡轮压缩机包括一个入口及出口流体通道，用于以流体传导的方式连接涡轮压缩机。涡轮压缩机还包括入口阀，用于将冷却流体供应至径向轴承和轴向轴承并且然后供应至电动马达区段。该实施方式具有如下的缺点，即：其需要冷却流体的大的循环流量以便获得期望的冷却效果。
通常，通过马达间隙的冷却流体的流量是由通过轴承间隙的需要的冷却流量来确定。然而，在这种涡轮压缩机组件中，在轴承区段中的冷却间隙处的诸如压力、温度等参数可能与马达间隙的相应的参数不同。这样使得与期望相比更大地增加了通过马达区段的冷却流体的流量，由此增加了循环流量。这些较高的循环流量进而降低了涡轮压缩机组件的压缩机的性能。
发明内容
本发明的目的是通过降低循环流量来改善涡轮压缩机组件的效率。
该技术问题由根据权利要求1所述的涡轮压缩机组件来解决。
通过将节流装置置于涡轮压缩机组件中来调节从轴承区段至马达间隙的冷却流体的流量，允许了在轴承区段处保持较高的流量，由此消除了使通过压缩机区段的流体循环增加的需要。这样进而改善了涡轮压缩机组件的效率。
根据优选实施方式，节流装置邻近用作至马达间隙的冷却流体流的进口定位。这样限制了从流体通道到达马达间隙的流量，从而确保了到达轴承区段的流量增加。
根据另一优选实施方式，涡轮压缩机组件包括：附加入口，该附加入口将加压的冷却流体经定位在轴承区段与马达区段之间的附加流体通道供应至马达间隙；以及流体连接部，该流体连接部位于流体通道与马达间隙之间，其中，节流装置定位成使其限制通过流体连接部的流量。这样有助于实现用于冷却马达区段所需要的期望的流量。
根据另一优选实施方式，附加流体通道邻近马达区段定位。这样如通过冷却流体的压力条件来确定，使得马达区段的冷却与冷却需求直接成比例。
根据另一优选实施方式，冷却系统还包括在与来自所述流体入口的冷却流体的供应方向相反的方向上将加压的冷却流体供应至轴承区段中的轴承间隙的流入口。这样使得能够将大量的冷却流体直接供应至轴承区段，以确保改善轴承区段中的所有部分的冷却。
根据另一优选实施方式，围绕推力盘的冷却流体通过轴承区段中的通路向外流动至附加流体通道，其中，该通路形成在轴承区段的径向延伸部分中并且通向附加流体通道。这样使得可以利用顶部轴承区段的直径来允许对整个轴承装置进行必需的冷却。
根据另一优选实施方式，压缩机区段邻近马达区段设置，其中，压缩机区段接收来自马达间隙的冷却流体并且将压缩的冷却流体经至少一个入口供应至轴承区段和马达区段。这样使得能够形成与压缩机的连续流体连接，以便将冷却流体压缩至高压。
根据另一优选实施方式，入口阀调节冷却流体的流量，从而使得将所需量的冷却流体提供至轴承间隙和马达间隙。这样有助于确保轴承和马达的期望的冷却并且使得通过压缩机的冷却流体的循环流量最小化。
根据另一优选实施方式，所述至少一个入口设置在气密壳体的外部。这样为了常规维修或其它目的，有助于容易地接近阀以便监控阀的操作。
根据另一优选实施方式，节流装置是迷宫式密封件。该结构设计使得可以将用于冷却流体流的自由空间保持最小化。
附图说明
下文中，参照附图中示出的图示实施方式进一步描述本发明，在附图中：
图1图示了现有技术的涡轮压缩机组件沿其纵向截面截取的横截面图；
图2图示了根据此处实施方式的具有冷却系统的涡轮压缩机组件的横截面图；以及
图3图示了根据本发明的涡轮压缩机组件的另一实施方式的横截面图。
具体实施方式
参照附图对各个实施方式进行描述，其中，相同的附图标记始终用于指示相同的元件。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了多个特定细节以便提供对于一个或者多个实施方式的全面理解。显而易见，这些实施方式可以在没有这些特定细节的情况下进行实施。
图1图示了现有技术的涡轮压缩机组件10。该涡轮压缩机组件10包括转子11、轴承区段13、马达区段18、压缩机区段22和冷却系统27。冷却系统27包括流体入口28，该流体入口28用于将加压的冷却流体30经定位在轴承区段13与马达区段18之间的流体通道29供应至轴承区段13和马达间隙21。此处，轴承区段13包括用于支承转子11的至少一个轴承14，其中，该至少一个轴承14是主动磁轴承。冷却系统27用来供应冷却流体30，以便冷却轴承区段13的冷却轴承14和推力盘16以及马达区段18的马达19。流体30从轴承区段13带走热并且引导流体通过通路17，通路17形成在轴承区段13的径向延伸部分中并且通向流体通道29。来自马达间隙21的流体30也被引导至压缩机区段22，马达间隙21在压缩机区段22处终止。
冷却系统27通常设计成使冷却流体30适于流动至组件10的不同区段，以便满足不同的冷却需求。轴承区段13与马达区段18相比需要更多的冷却流体30。轴承区段13与马达区段18相比具有高的压力。相应地，例如，到达轴承区段13的冷却流量可以是由冷却系统27供应的总冷却流量的仅10％，而到达马达区段18的冷却流体30流量可以是90％。到达轴承区段13和到达马达区段18的冷却流体30流的压力也可以显著不同。这样需要更高的循环流量以便促进轴承14的适当冷却。
图2图示了包括根据本发明的冷却系统19的涡轮压缩机组件10。如图2中图示，涡轮压缩机组件10包括具有旋转轴线12的转子11、轴承区段13、附加轴承区段37、马达区段18、压缩机区段22和冷却系统27。
轴承区段13、37包括至少一个轴承14，其中，所述至少一个轴承14是用于支承转子11的主动磁轴承。轴承区段13还包括用于支承转子11的推力盘16。马达区段18包括具有定子20的马达19，其中马达19优选地是能够驱动转子11的小型高速无刷电动马达。定子20包围形成在定子20与转子11之间的周向马达间隙21。压缩机区段22包括用于压缩冷却流体30的压缩机23。压缩机区段22和马达区段18沿单个共用转子轴并且沿转子11的轴线12设置。在实施方式中，在单个气密壳体26中包围转子11、轴承区段13、马达区段18以及压缩机区段22。
涡轮压缩机组件10还包括冷却系统27，以提供用于冷却轴承区段13和马达区段18的冷却流体30。冷却系统27包括流体入口28，用以将加压的冷却流体30经定位在轴承区段13与马达区段18之间的流体通道29供应至轴承15和马达间隙21。
在此处的实施方式中，冷却系统27还包括节流装置31，该节流装置31邻近位于轴承区段13与马达区段18之间的流体通道29中的马达间隙21定位。这样限制了从入口28到达马达间隙21的冷却流体30的流量，这样进而增加了到达轴承区段30用以冷却轴承14的流量。优选地，节流装置31设置在用于冷却流体30流到达马达间隙21的进口处。
定位在流体通道29与马达间隙21之间的节流装置31限制了冷却流体30从轴承区段13向马达区段18的外流。这样降低了马达间隙21中的冷却流体30的压力，由此降低了通过压缩机区段22的较高的循环流量。节流装置31可以是迷宫式密封件或任何其它适合的装置。节流装置31有助于将冷却流体30的压力减小至用于冷却轴承区段13中的至少一个轴承14所需的目标压力。
在图2的实施方式中，压缩机区段22布置在邻近马达区段18的区域上，马达间隙21在该处终止。这样使得压缩机区段22能够与来自马达间隙21的流体30连续连接。压缩机区段22包括至少一个入口24以及出25。压缩机入口24将流体30从马达间隙21引导至压缩机区段22，在压缩机区段22，压缩机23将冷却流体20压缩至高压。通过压缩机出25引出的压缩的冷却流体30然后被循环用以冷却涡轮压缩机组件10的热的部分。将加压的冷却流体30通过流体入口28提供至轴承14和马达区段18。此处流体入口28包括阀，该阀能够响应于冷却流体30的压力进行操作，以便选择性地改变到达轴承区段13和马达区段18的加压的冷却流体30的量。
图3图示了根据本发明的涡轮压缩机组件10的另一实施方式的横截面图。该实施方式与图2中图示的实施方式的不同之处在于，根据图3的冷却系统27包括：附加入口32，该附加入口32用于将加压的冷却流体30经定位在轴承区段13与马达区段18之间的附加流体通道33向马达间隙21供应；以及流体连接部35，该流体连接部35位于流体通道29与马达间隙21之间。在该实施方式中，节流装置31定位成使其限制通过流体连接部35的流量。
涡轮压缩机组件10还包括流入口34，其作为向轴承区段13中的轴承14和推力盘16供应加压的冷却流体30的装置。涡轮压缩机组件10包括通路17，该通路17用于将冷却流体30从围绕轴承区段13中的推力盘16的轴承间隙15引导至流体通道29。此处，通路17形成在轴承区段13的径向延伸部分并且通向位于轴承区段13与马达区段18之间的流体通道29。用于涡轮压缩机组件10的冷却流体30流路径包括入口28和附加入口32，入口28和附加入口32以相互平行的关系定位以便共同地提供冷却流体30流的调节。
流体通道29定位成更靠近轴承区段13并且附加流体通道33设置成更靠近马达区段18，以便确保改善这些区段的冷却。通过入口28供应至轴承区段13的冷却流体30从一侧冷却轴承14和推力盘17，而通过流体流入口34供应至轴承15的冷却流体30从另一侧冷却推力盘15和轴承14。
通过压缩机出口25引出的压缩的冷却流体30被循环用以冷却涡轮压缩机组件10的热的部分。将从压缩机区段22引出的冷却流体30的一部分传递至在轴承区段13与马达区段18之间位于轴承区段13中的流体通道29。将冷却流体30的其它部分传递至位于马达区段18与轴承区段14之间的附加流体通道33用以冷却马达19、定子20和马达区段18的其它相关部分。此外，将一部分冷却流体30通过流入口34传递至轴承区段13用以确保改善轴承区段13的冷却。
供应至流体通道22的冷却流体30通过轴承区段13进行循环以便从轴承14带走热，并且然后将加热的流体通过通路17引导至马达区段18中的附加流体通道33。将加压的冷却流体30供应至马达区段18的附加入口32起到控制装置的作用，该控制装置用于调节通过位于马达区段18与轴承区段13之间的附加流体通道33的冷却流体20的流量。这样有助于将与马达区段18相比的更多的冷却流体30供应至轴承区段13，因为由于轴承区段13的更复杂的结构而使其需要更多的冷却。将冷却流体30的流量调节成使得在轴承区段13与马达区段18之间的压力差减小。这样有助于避免由于对不同区段的不平衡流量所导致的涡轮压缩机组件10内的流体动力学不稳定性。
定位在流体通道29与马达间隙21之间的节流装置31限制从轴承区段13向马达区段18的冷却流体30的外流。这样减小了马达间隙18中的冷却流体30的压力，由此减小了通过压缩机区段22的较高的循环流量。
通过调节与组件10的至少一个入口28、32和34相关联的至少一个阀36，能够实现冷却流体30流量的改善的控制。用以改变冷却流体30流量比的该入口阀36可以在结构上独立于涡轮压缩机组件10并且能够根据例如温度、压力等的一些特性进行手动地或自动地控制。因为入口28、32和34能够进行调节以用于流体控制，所以入口28、32和34的故障并不会明显地降低总的冷却功能。相应地，由于较少的冷却流循环，导致涡轮压缩机10的效率增加。
入口能够用来调节冷却流体流量以便适应冷却流体流量，尽可能节省成本以便增加发动机的效率。例如，这样能够在如下情况下建立更广泛的应用：在高温操作条件期间或在其它一些操作时段期间需要大量冷却流体用于冷却过程、仅需要较少量的冷却流体、以及某些部分不需要冷却流体等。
在本申请中使用的术语冷却流体意在涵盖可以用于冷却的任何气体，例如空气或诸如氢气、氮气、氦气等的气体。
此处的实施方式可以应用于高压系统，因为这些类型的系统产生需要冷却的非常高的温度。可以使阀在需要时自动地响应于操作条件，例如，借助于受到排放温度等影响的限定流体的压力、响应于压缩机排放中的温度变化来操作阀。例如，如在阀故障的情况下不易于执行维修的海底压缩系统的应用中，该阀能够由固定节流孔来代替以增加坚固性。

Claims (13)

1.一种涡轮压缩机组件(10)，所述涡轮压缩机组件(10)沿转子(11)的轴线(12)分成至少三个区段(13，18，22)：
轴承区段(13)，所述轴承区段(13)具有至少一个主动磁轴承(14)以便支承所述转子(11)；
马达区段(18)，所述马达区段(18)包括马达(19)，所述马达(19)具有沿所述转子(11)的轴线(12)设置的定子(20)，其中，所述定子(20)包围形成在所述定子(20)与所述转子(11)之间的周向马达间隙(21)；
压缩机区段(22)，所述压缩机区段(22)具有用于压缩冷却流体(30)的压缩机(23)；
其中，所述涡轮压缩机组件(10)还包括：
共用的气密壳体(26)，所述共用的气密壳体(26)包围所述转子(11)、所述轴承区段(13)、所述马达区段(16)和所述压缩机区段(22)；以及
具有入口(28)的冷却系统(27)，所述冷却系统(27)用于将加压的冷却流体(30)经定位在所述轴承区段(13)与所述马达区段(18)之间的流体通道(29)供应至所述轴承区段(13)和所述马达区段(18)；
其特征在于，所述冷却系统(27)还包括节流装置(31)，所述节流装置(31)邻近所述马达间隙(21)定位，用以限制从所述流体通道(27)至所述马达间隙(21)的冷却流体(30)的流量。
2.根据权利要求1所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述节流装置(31)邻近用作至所述马达间隙(21)的冷却流体(30)流的进口定位。
3.根据权利要求1所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述冷却系统(27)还包括：
附加入口(32)，所述附加入口(32)用于将加压的冷却流体(30)经定位在所述轴承区段(13)与所述马达区段(18)之间的附加流体通道(33)供应至所述马达间隙(21)；以及
流体连接部(35)，所述流体连接部(35)位于所述流体通道(29)与所述马达间隙(18)之间；其中，所述节流装置(31)定位成使其限制通过所述流体连接部(35)的流量。
4.根据权利要求3所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述附加流体通道(33)邻近所述马达区段(18)定位。
5.根据权利要求3或4所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述流体通道(29)和所述附加流体通道(33)设置成定位在所述轴承区段(13)与所述马达区段(18)之间的平行的管道。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，围绕推力盘(16)的冷却流体(30)经所述轴承区段(13)中的通路(17)向外流动至所述附加流体通道(33)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述冷却系统(27)还包括流入口(34)，所述流入口(34)用于在与来自所述流体入口(28)的冷却流体(30)的供应方向相反的方向上将加压的冷却流体(30)供应至所述轴承区段(13)中的轴承间隙(15)。
8.根据权利要求7所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述通路(17)形成在所述轴承区段(13)的径向延伸部分中并且通向所述附加流体通道(33)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述压缩机区段(22)邻近所述马达区段(18)设置，其中，所述压缩机区段(22)接收来自所述马达间隙(21)的冷却流体(30)并且将压缩的冷却流体(30)经所述至少一个入口(28，32，34)供应至所述轴承区段(13)和所述马达区段(18)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述至少一个入口(28)包括阀(36)，所述阀(36)能够响应于冷却流体(30)的压力进行操作，以便选择性地改变到达所述轴承区段(13)和所述马达区段(18)的加压的冷却流体(30)的量。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述至少一个入口(28)设置在所述气密壳体(26)的外部。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述涡轮压缩机组件(10)包括附加轴承区段(37)，所述附加轴承区段(37)包括至少一个主动磁轴承(14)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮压缩机组件(10)，其特征在于，所述节流装置(31)是迷宫式密封件。
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