CN102753834A - 中跨气体轴承 - Google Patents

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Abstract

一种离心压缩机(200)包括：转子组件(220，230，239)，其带有轴(220)和多个叶轮(230，239)；轴承(250，255)，其位于轴(220)的端部且被配置成支承转子组件(220，230，239)；密封机构(280，285)，其安置于转子组件(220，230，239)与轴承(250，255)之间；以及气体轴承(290)，其安置于多个叶轮(230，239)之间，用于支承轴(220)且从气体轴承(290)的位置下游的叶轮(230)接收工作气体。

Description

中跨气体轴承
技术领域
示例性实施例大体而言涉及压缩机，且更具体而言涉及多级压缩机中的中跨(mid-span)气体轴承。
背景技术
压缩机是一种通过使用机械能而增加可压缩流体(例如气体)的压力的机器。压缩机用于多种不同的应用中和大量工业过程中，包括发电、天然气液化和其它过程。在用于这些过程和加工设备中的各种类型的压缩机中，存在着所谓的离心压缩机，其中，机械能借助于离心加速例如通过使离心叶轮旋转而对输入到压缩机的气体起作用。
离心压缩机可装有单个叶轮，即单级离心，或者装有串联的多个离心级，在该情况下它们通常被称作多级压缩机。离心压缩机的级中的每一个通常包括：用于待压缩的气体的入口蜗壳；能够向输入气体提供动能的转子；以及扩散器，其将离开叶轮的气体的动能转换成压力能。
在图1中示出多级压缩机100。压缩机100包括轴120和多个叶轮130-136(仅标注了七个叶轮中的三个)。轴120和叶轮130-136包括于转子组件中，转子组件通过轴承150和155被支承。
顺序布置的叶轮130-136中的每一个增加了工艺气体(process gas)的压力。即，叶轮130可增加来自入口管160中的气体的压力，叶轮131可增加来自叶轮130的气体的压力，叶轮132可增加来自叶轮131的气体的压力，等等。这些叶轮130-136中的每一个可被认为是多级压缩机100的一级。
多级离心压缩机100运转而从入口管160取得处于输入压力(Pin)的输入工艺气体，通过转子组件的运转而增加了工艺气体压力，并且随后以高于其输入压力的输出压力 (Pout1)排出工艺气体通过出口管170。 工艺气体例如可为下列中的任一种：二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气或者它们的组合。
在机器内(在叶轮130与136之间)的加压工作流体使用密封件180和185密封隔开轴承150和155。干气体密封可为能使用的密封的一个示例。密封件180和185防止工艺气体通过该组件流到轴承150和155且泄漏出到大气中。压缩机的壳体110被配置成以便覆盖轴承和密封件，且防止气体从压缩机100逸出。
虽然额外级能提供输出压力与输入压力(即，入口160与出口170之间)的比值的增加，但不能简单地增加级数以获得更高比值。
离心压缩机中级数的增加导致了许多问题。支承轴的轴承在包括叶轮的密封区域的外部。级数的增加需要更长的轴。更长的轴不能由用于相同运转速度的轴承安全地支承，当轴长增加时，轴承变得进一步分开，从而使轴更有挠性。
当转子组件变得更长时，轴变得具有挠性，因此降低了转子的固有频率。当以更高速度运转时，转子组件的基本固有频率的减小倾向于使该系统更易于出现转子动态不稳定性，这会限制该机器的运转速度和输出。
另一问题为归因于同步转子不平衡的强制响应。当运转速度与转子固有频率一致时，该机器被限定为以临界速度运转，这是转子不平衡的结果。压缩机在达到设计运转速度之前必须经历这些固有频率或临界速度中的若干。
在压缩机经历临界速度时，转子的振动振幅必须由来自轴承的阻尼限界。然而，利用长轴，大部分转子动能被转移而使转子弯曲，而不是轴承处的能量耗散。这在转子谐振时导致了低阻尼转子模式和高放大系数，其能导致壳体与叶轮摩擦乃至机器的灾难性故障。
在经过转子临界速度后的更高速度，流体引起的力在转子组件与壳体之间产生(即，流体引起的转子动态不稳定性)。源自流体力的这些脉动如果未被充分抑制则能激起破坏性或甚至灾难性的振动。转子动态不稳定性为与临界速度或不平衡响应不同的机制，并且常常更加难以解决。
将期望设计并提供一种多级离心压缩机，其包括额外的级而不增加轴的直径和会显著地改变机器大小和成本的其它设计参数。
发明内容
根据这些示例性实施例的系统和方法提供了离心压缩机中的级数的增加，同时克服了通常与这种增加相关联的问题。
根据一示例性实施例，一种离心压缩机包括：转子组件，其具有轴和多个叶轮；轴承对，其位于轴的端部且被配置成支承转子组件；密封机构，其安置于转子组件与轴承之间；以及第一气体轴承，其安置于多个叶轮之间且被配置成支承该轴。第一气体轴承从位于第一气体轴承的位置下游的叶轮接收工作气体。
根据另一示例性实施例，一种在离心压缩机中处理工作气体的方法包括：向压缩机的入口管提供工作气体；通过多个压缩级来处理气体，每一级增加了气体速度；在压缩级的中途点下游的级后方，排出加速气体的一部分；将排出的气体提供给轴承；将气体从轴承再引入到在压缩机中流动的工作气体；以及从压缩机的出口管排出工作气体。
根据另一实施例，一种离心压缩机包括：转子组件，其具有轴和多个叶轮；轴承对，其位于轴的端部且被配置成支承转子组件；密封机构，其安置于转子组件与轴承之间；以及多个气体轴承，其安置于多个叶轮之间且被配置成支承轴。气体轴承从位于气体轴承的位置下游的相应叶轮接收工作气体。
附图说明
附图示出了示例性实施例，其中：
图1示出了多级离心压缩机；
图2示出了根据示例性实施例的多级离心压缩机；以及
图3示出了根据示例性实施例的方法。
具体实施方式
下文的示例性实施例的详细描述参照了附图。在不同附图中相同的标号表示相同或相似的元件。而且，下文的详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。
在示例性实施例中，中跨轴承可用于向带有更长轴的转子组件提供额外刚度，以克服上文强调的临界速度问题。这样的轴承使得转子组件挠性更小且因此允许转子动能(归因于同步转子不平衡力)传输到轴承。
这种“三轴承”配置增加了转子模式中的阻尼且在转子经历临界速度时降低了放大系数，从而允许转子组件的安全运转。中跨轴承因此可设于壳体内，以便于增加的级数(即，更长的轴)且克服转子动态不稳定性。
轴(诸如轴120)的表面速度是其直径的函数。轴的中部的直径大于端部处的直径。在这些部分之间(即，在中部与端部之间)的速度差异可为大约2至3倍。因此，轴的表面速度在轴的中部比其在端部更大(以2至3的系数)。
轴承，诸如图1的轴承150和155，通常为含油轴承。然而，含油轴承限于用在表面速度通常更接近轴端部处的表面速度的地方。
根据示例性实施的中跨轴承可为气体轴承。气体轴承可用于表面速度更接近轴中部处的表面速度的地方。
在现有系统中，诸如二硫化二氢的高腐蚀性工作流体可损坏常规的油润滑的轴颈轴承。这种损坏大大地限制了机器的寿命，因为油润滑轴承不耐抗腐蚀性气体。然而，工艺气体润滑的轴承并不需要这样的密封，并且甚至能在该腐蚀性环境下运转同时维持机器的寿命。
除了具有超高表面速度的粘性流体能力之外，相对于含油轴承而言，利用气体轴承，存在着可忽略的功率损失。含油轴承还需要密封系统以防止油泄漏到正由压缩机处理的气体内。气体轴承避免了这种对密封系统的需要。
图2示出了根据示例性实施例的压缩机。压缩机200包括：轴220；多个叶轮230-239(仅标注了这些叶轮中的一些)；轴承250和255；密封件280和285；入口管260，用于取得处于输入压力(Pin) 的输入工艺气体；以及出口管(270)，用于排出处于输出压力(Pout2)的工艺气体。压缩机200的壳体210覆盖轴承和密封件两者，并且防止气体从压缩机200逸出。
压缩机200还包括轴承290。在示例性实施例中，轴承290可位于在第一叶轮230与最后叶轮239之间的中部附近。根据示例性实施例，由于在下文中进一步描述的额外原因，利用中跨轴承，叶轮230至239的数量可增加超过目前可能的数量。
目前，在压缩机中可包括的级数的限制因素为轴的长度与直径之间的比值。该比值被称作挠度比(flexibility ratio)。为了有效地运转，压缩机可具有最大挠度比。根据示例性实施例，利用更长的轴和中跨气体轴承，该比值可增加。
在气体轴承290中使用的气体可为正由压缩机200处理的气体。气体轴承290的放置可在最接近固有频率的转子位移可能最显著的位置。该位置从转子动态观点来看可具有最佳效果。
被处理的气体可使用已知的元件/构件和方法从叶轮的输出“排出”，该叶轮在气体轴承290的下游。在该情况下使用术语下游，它涉及气流方向和在压缩机情况下更高的压力。即，相对于特定位置，压力在下游更高且在上游更低。例如，如在图2中示出的，气体轴承290相对于叶轮235在“上游”但相对于叶轮234在“下游”。
进入到轴承290中的工作气体的压力必须处于比该气体轴承“接界”或“相邻”的级中的工作气体压力更高的压力，使得气流从轴承垫出来且不进入轴承垫中。
因此，工作气体必须从超过气体轴承290的位置的级排出。如果轴承290放置在五级(即，叶轮234)后方，那么工作气体必须从第六级(即，叶轮235)之后的级排出。在优选实施例中，工作气体可从中跨气体轴承位置下游的至少两级(即，在叶轮236之后)排出。轴承290需要高压来以稳定方式工作。
在一些实施例中，从下游压缩级排出的工作气体可通过过滤器240处理且提供给气体轴承290。过滤器240可移除在被处理的气体中的任何杂质和微粒。转子组件可经由气体轴承290利用气体冲洗，以从该组件除去热。流到轴承290的工作气体质量流的百分比可小于核心流的0.1%。
小孔通道可设于轴承290与工作流动路径之间。来自轴承290的气体可由孔通道引导至流动路径中到适当压力。
轴长度的增加导致了压缩机组/壳体的长度与直径的比值的增加。这便于在相同壳体内添加压缩级。
因此，根据示例性实施例，通过具有中跨气体轴承的多级压缩机来处理气体300的方法包括图3的流程图中的方法步骤。在310，工作气体可供应到压缩机的入口管。在320，工作气体可由多个压缩级处理以增加压力(和速度)。在330，工作气体的一部分可在其已由一定数量压缩级处理之后通过其穿过压缩级的流动而排出。这种级数可大于压缩机中压缩级的一半。
在340，气体可供应到气体轴承，以冲洗该转子组件并从转子组件除去热，气体轴承位于过滤器的上游。在350，供应到气体轴承的气体可被再引入到工作气体的流中。在360，来自最后压缩级的气体可经由出口管排出。在一些实施例中，已排出的气体可由过滤器处理，以在提供给气体轴承之前移除任何杂质。
中跨气体轴承的数量可大于一个。在一些实施例中，利用上文所述的原理，可包括额外的(或多个)中跨气体轴承。而且，中跨轴承可并不恰好处于中心—它可偏移，取决于特定设计和规格，诸如具有奇数个级。多个气体轴承中的每一个可从下游单独叶轮接收工作气体。
如果在一个压缩机内实施多个气体轴承，那么在输入与气体轴承中第一个之间的(压缩)级数可与在气体轴承中最后一个与输出之间的级数相同。多个气体轴承也可由相同数量的级间隔开。因此，在输入与第一气体轴承之间的级数可与在第一气体轴承与第二气体轴承之间(以及在随后的气体轴承中每一个之间)的级数相同，其也可与在最后气体轴承与输出之间的级数相同，等等。
气体轴承中的第一个可从在第一气体轴承下游且在气体轴承中第二个上游的级接收压缩气体。即，第一气体轴承可从位于第一气体轴承与第二气体轴承之间的级接收压缩气体。
本领域技术人员将会意识到，在上文中描述且在图2中示出的叶轮的具体数量只是示例性的，并且可使用其它数量的叶轮。可存在更大或更少数量的叶轮，这取决于应用。轴可为单轴。
本文所述的示例性实施例提供了优于目前使用的压缩机的多个优点。额外叶轮(和更长的转子组件)可放置在一个壳体内，而不是具有一系列壳体用于增加压力。每个壳体(例如具有更长的转子组件)内的效率也增加了。对于用于实现输出压力与输入压力的特定比值的压缩机的空间要求降低了。挠度比增加，从而便于额外的叶轮。
根据示例性实施例的压缩机200中的轴220的长度(L2)(图2)大于压缩机100中的轴120的长度(L1)(图1)。
此外，气体轴承的使用也避免了对于在壳体内精制密封系统的需要，因为油并不进入壳体。作为如所描述的设计的结果，成本也显著地降低了。
上述示例性实施例在所有方面意图是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明能具有具体实施方式的许多变型，这些变型能由本领域技术人员从本文包含的描述导出。认为所有这些变型和修改均在如由权利要求限定的本发明的范围和精神内。在本申请的描述中所用的元件、行动或指令全都不应认为对于本发明是关键的或至关重要的，除非清楚地描述如此。而且，如本文所用的，冠词“一”意图包括一项或多项。

Claims (20)

1.一种离心压缩机，包括：
      转子组件，其包括轴和多个叶轮；
      轴承对，其位于所述轴的端部且被配置成支承所述转子组件；
      密封机构，其安置于所述转子组件与所述轴承之间；以及
      第一气体轴承，其安置于所述多个叶轮之间且被配置成支承所述轴，所述气体轴承从位于所述第一气体轴承的位置下游的叶轮接收工作气体。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述第一气体轴承位于在所述压缩机中所述多个叶轮之间半途的点。
3.根据权利要求1或2所述的离心压缩机，其特征在于，所述第一气体轴承位于在所述压缩机中所述多个叶轮之间超过半途的点。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述工作气体为下列之一：二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气或者它们的组合。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述轴承对为含油轴承。
6.根据权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，所述气体轴承的运转表面速度高于所述含油轴承的运转表面速度。
7.根据权利要求6所述的离心压缩机，其特征在于，所述气体轴承的运转表面速度为所述含油轴承的运转表面速度的至少两倍。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
      过滤器，用于在所述工作气体被所述气体轴承接收之前净化所述工作气体。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
      第二气体轴承，其安置于所述多个叶轮之间，所述第二轴承位于所述第一气体轴承的下游。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述工作气体由所述第一气体轴承从叶轮接收，所述叶轮为超过所述第一气体轴承一个压缩级。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述工作气体由所述第一气体轴承从叶轮接收，所述叶轮为超过所述第一气体轴承至少两个压缩级。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，由所述第一气体轴承接收的所述工作气体小于流动通过所述压缩机的工作气体的0.1%。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述轴为单轴。
14.一种在离心压缩机中处理工作气体的方法，所述方法包括以下步骤：
      向所述压缩机的入口管提供所述工作气体；
      通过多个压缩级处理所述气体，每个级增加所述气体的速度；
      在位于所述压缩级的中途点下游的级后方，排出加速气体的一部分；
      将排出气体提供给位于所述多个压缩级之间的气体轴承；
      将所述气体从所述气体轴承再引入到在所述压缩机中流动的所述工作气体；以及
      从所述压缩机的出口管排出所述工作气体。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
      在将所述气体提供给所述气体轴承之前，过滤已排出的所述气体，以移除杂质。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，还包括：
      利用来自所述气体轴承的气体冲洗所述压缩机的转子组件，以从所述转子组件除去热。
17.一种离心压缩机，包括：
      转子组件，其包括轴和多个叶轮；
      轴承对，其位于所述轴的端部且被配置成支承所述转子组件；
      密封机构，其安置于所述转子组件与所述轴承之间；以及
      多个气体轴承，其安置于所述多个叶轮之间且被配置成支承所述轴，所述气体轴承中的每一个从位于所述气体轴承的位置下游的相应叶轮接收工作气体。
18.根据权利要求17所述的离心压缩机，其特征在于，在所述压缩机的输入与所述多个气体轴承中第一个之间的压缩级的数量等于在所述多个气体轴承中最后一个与所述压缩机的输出之间的压缩级的数量。
19.根据权利要求18所述的离心压缩机，其特征在于，在所述多个气体轴承中每一个之间的压缩级的数量等于在所述输入与所述多个气体轴承中第一个之间的压缩级的数量。
20.根据权利要求17至19中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述多个气体轴承中的第一个从叶轮接收工作气体，所述叶轮在所述第一气体轴承的下游且在所述多个气体轴承中第二个的上游。
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