CN102893032B - 多级齿轮式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明基于一种多级齿轮式压缩机，其具有第一过程级（4）、第二过程级（8）和传动机构（12），具有不同转速的两个过程级（4，8）经由所述传动机构彼此耦联。当传动机构（12）将具有第三转速的压缩机驱动轴（40，66）与两个过程级（4，8）耦联时，能够实现齿轮式压缩机（2）的高效率，所述第三转速不同于过程级（4，8）的转速。

Description

多级齿轮式压缩机

技术领域

本发明涉及一种多级齿轮式压缩机，其具有第一过程级、第二过程级和传动机构，具有不同转速的两个过程级经由所述传动机构彼此耦联，其中所述传动机构将具有第三转速的压缩机驱动轴与两个所述过程级耦联，所述第三转速不同于所述过程级的转速。

背景技术

齿轮式压缩机在冶金学中并且在其他工艺中用于对空气或者化学气体进行压缩、进行气体分离。空气和在下面简化地同样称作为空气的其他气体在第一过程级中被压缩到第一压力，然后被输送给第二过程级，所述空气在所述第二过程级处被压缩到更高的第二压力。

例如用于每天生产几千吨氧气的现代化空气分离设备的大型齿轮式压缩机必须以高的效率压缩高的体积流。为了达到高的效率而以不同的转速运行起到空气压缩作用的过程级，其中第二过程级与第一过程级相比通常以更高的转速运行。

为了借助单个压缩机驱动器产生不同的转速，齿轮式压缩机配备有将具有不同的转速的两个过程级彼此耦联的传动机构。驱动器不仅能够是电机，而且能够是涡轮机，例如蒸汽轮机或者燃气轮机。

此类设备由下列文献已知：US2007/134111A1、US4105372A、EP0653566A1、US4047848A。

发明内容

本发明的目的是，提供一种多级齿轮式压缩机，其能够以低的耗费和高的效率运行。

所述目的通过开始所述类型的多级齿轮式压缩机来实现，其中多级齿轮式压缩机具有第一过程级、第二过程级和传动机构，具有不同转速的两个所述过程级经由所述传动机构彼此耦联，其中所述传动机构将具有第三转速的压缩机驱动轴与两个所述过程级耦联，所述第三转速不同于所述过程级的转速，所述第一过程级是轴流式压缩机级，并且所述第二过程级是径流式压缩机级。

本发明基于下述考虑，需要大至1000U/min以上的过程级转速以进行空气压缩，以便能够以高的效率压缩非常大的空气体积。如果将电机用作为压缩机驱动器，那么所述电机为了能够直接地与两个动叶轮中的一个刚性地耦联必须是极其快速运转的电机，所述电机例如具有变频器。这种电机是昂贵的。

因此为了能够应用标准电机，有利的是，传动机构将压缩机驱动器的转速、即压缩机驱动轴的转速转换到适合于过程级的转速，尤其转换到适合于第一过程级的转速。由此，压缩机传动机构的相对低的转速能够被转换到第一过程级的更高的第二转速和第二过程级的还要更高的第三转速。压缩机传动机构和两个过程级能够以分别对于其而言最佳的转速运行，使得能够借助简单的驱动器，例如简单的电机，以高的效率运行齿轮式压缩机。

齿轮式压缩机能够是空气压缩机或者过程气体压缩机，其中每种类型的气体在下面也简单地称作空气。适宜的是，齿轮式压缩机是涡轮压缩机。也称作连接轴的压缩机驱动轴用于与压缩机驱动器连接、即用于传递从压缩机驱动器完全地进入到齿轮式压缩机中的驱动功率。

过程级能够是如下径流式压缩机级，所述径流式压缩机级具有例如以如在齿轮式压缩机中常见的悬伸级的结构形式的一个动叶轮或者在两个轴承之间的、相继设置在轴承上的多个动叶轮。过程级也能够是包括一个或多个在轴上旋转的轴流式叶片排的轴流式压缩机级。

为了简化术语，在下面径流式压缩机级的动叶轮和轴流式压缩机级的旋转的叶片排也称作叶轮。两个过程级中的每一个配备有至少一个叶轮。过程级的转速是所述过程级的至少一个叶轮的转速。具有不同的转速的两个过程级的叶轮通过传动机构彼此耦联。

过程级的特征在于例如进口接管的进口和例如出口接管的出口。所述过程级能够包括一个或多个叶轮，其中当两个径向动叶轮分别具有自身的进口和出口时，两个所述径向动叶轮也能够在共同的轴上形成两个过程级。过程级能够实现在工作过程中的一个工作阶段或者一个工作步骤，例如空气压缩。两个过程级能够在单独的工作过程中相继地实施两个工作步骤或者在两个分开的工作过程中实施两个工作步骤。两个过程级能够将相同的空气相继地压缩到不同的压力。为此，两个过程级能够适宜地以不同的形状和/或尺寸构成。有利地，过程级和传动机构设置在唯一的压缩机壳体中并且由其包围。

压缩机壳体适宜地包括多个彼此封闭的压力腔，其中第一过程级、第二过程级和传动机构能够压密地彼此分界。

在本发明的一个有利的实施形式中，传动机构包括行星齿轮传动机构。借助于行星齿轮传动机构能够稳定地并且长时间可靠地传递高的力和高的转速。

当将太阳轮设置在传动机构中央时，即尤其与两个过程级的驱动轴中心对称地设置时，能够实现将行星齿轮传动机构尤其有效地设置在整个传动机构中。尤其有利的是，将太阳轮轴与第一过程级的轴对准地设置。

此外提出，压缩机驱动轴经由行星齿轮传动机构与两个过程级耦联。两个过程级的驱动能量能够经由唯一的行星齿轮传动机构引导，由此有效地利用所述行星齿轮传动机构。适宜的是，压缩机驱动轴同心于行星齿轮传动机构地引导，其中压缩机驱动轴与太阳轮的轴对准地设置是有利的。

有利地，太阳轮相对于壳体固定地被保持，即相对于传动机构壳体、相对于齿轮式压缩机壳体、相对于驱动器壳体即例如马达壳体固定地被保持，或者相对于不同于齿轮式压缩机壳体的静止元件固定地被保持。

如果压缩机驱动轴与行星齿轮传动机构的行星轮保持架刚性地连接，那么能够实现从驱动器经由行星齿轮传动机构到过程级的有效的传动。

本发明的另一有利的实施形式提出，第一过程级与行星齿轮传动机构的齿圈刚性地连接。通过从第一过程级到行星齿轮传动机构的所述对称的设置能够实现将高的力稳定地传递到过程级上，即传递到所述过程级的一个或多个叶轮上。

适宜的是，通过行星齿轮传动机构将压缩机驱动轴的转速转换到第一过程级的不同于所述转速的、尤其更高的转速。在此适宜的是，所述两个转速施加在行星架处和行星齿轮传动机构的齿圈处。

为了产生用于第二过程级的第三转速，有利的是，传动机构除行星齿轮传动机构之外还包括正齿轮传动机构。一个有利的实施形式提出，第二过程级的轴适宜地是正齿轮传动机构的小齿轮的小齿轮轴。通过小齿轮轴或者小齿轮在行星齿轮传动机构的齿圈上的滚动能够实现简单且有效地力传递。

当行星齿轮传动机构的齿圈与正齿轮传动机构的正齿轮齿部刚性地连接时，能够实现在行星齿轮传动机构和正齿轮传动机构之间的有效的连接。适宜的是，在此，通过行星齿轮传动机构或者说通过行星齿轮传动机构的齿圈形成正齿轮传动机构的大齿轮。

此外，在结构和力传递方面有利的是，传动机构包含具有大齿轮的正齿轮传动机构，其中第一过程级与大齿轮对称地设置。由此，还存在将第一过程级构成为中央的轴流式压缩机级的可能性。

为了压缩尤其在500000m³/h之上的范围内的特别高的空气流，将轴流式压缩机级用作为第一过程级是有利的。空气能够通过大容积的轴向进口被吸入并且以大容积有效压缩。当第一过程级、即例如构成为轴流式压缩机级的第一过程级的叶片组与大齿轮刚性地耦联时，能够实现齿轮式压缩机的尤其能承受机械负载的并且紧凑的布置方式。

如果第二过程级是径流式压缩机级，那么能够实现有效地压缩到高的最终压力。

为了将高的体积流在第二过程级中压缩到高的压力，中间冷却装置是有利的。为此，将从第一过程级中流出的体积流输送给中间冷却器，所述中间冷却器设置在两个过程级之间的空气流路径中。那么，为了有效地压缩空气，在空气进入到第二过程级中并且压缩到其最终压力之前，在第一过程级中压缩的空气能够经受中间冷却。为此，齿轮式压缩机适宜地包括来自齿轮式压缩机的、从第一过程级开始的空气出口和进入到齿轮式压缩机中的、至第二过程级的空气入口，使得能够将冷却器连接到空气入口和空气出口处。在第一过程级中压缩的空气被引到穿过冷却器以用于进行中间冷却，并且在完成中间冷却之后到达第二过程级中。也可能的是，在压缩机壳体之内设置冷却器。

尤其当第一过程级是轴流式压缩机级时，有利的是，能够将通过所述第一过程级压缩的体积流分配到多个第二过程级上，所述第二过程级的处理容积更小。在所述布置方式中，能够将多个径流式压缩机级并行地用作为第二过程级。为此有利的是，将从第一过程级中流出的并且已经预压缩的体积流划分成多个体积流以用于在多个第二过程级中进行再压缩。

因此，齿轮式压缩机有利地包括分别具有分离的驱动轴的多个并行安装的第二过程级。适宜地，第二过程级中的每个分别是具有呈悬伸构造方式的动叶轮的径流式压缩机级。第二过程级能够围绕传动机构中心对称地分布，使得在传动机构中实现对称的、进而稳定的力分布。

两个过程级能够构成为，使得第二过程级的吸入侧与第一过程级的压力侧连接。由此，空气能够在第一过程步骤中被预压缩并且在后续的过程步骤中被再压缩。替选地能够考虑，两个过程级在不同的工作过程中工作，使得将与第二过程级相比不同的空气输送给第一过程级。以该方式能够借助齿轮式压缩机在两个过程级中处理不同的气体和/或不同的体积。

附图说明

根据在附图中示出的实施例详细阐明本发明。

其示出：

图1示出具有轴流式压缩机部件和径流式压缩机部件以及冷却器的齿轮式压缩机的示意图，

图2示出从轴流式压缩机部件到径流式压缩机部件的空气输送部的示意图，并且

图3示出6具有压缩机驱动轴的同轴引导部和太阳轮支架的替选的齿轮式压缩机的示意图。

具体实施方式

图1示出齿轮式压缩机2的示意剖面图。齿轮式压缩机2包括具有仅示意表明的轴向叶片组6的轴流式压缩机级或者轴流式压缩机形式的第一过程级4，所述轴向叶片组能够是单排的或者多排的，即能够包括一个或多个在共同的轴上并且彼此刚性连接的叶轮。齿轮式压缩机2还具有两个第二过程级8，这两个第二过程级分别呈各具有仅示意表明的径向动叶轮10的径流式压缩机级或者径流式压缩机的形式。

三个过程级4、8经由包括行星齿轮传动机构14和正齿轮传动机构16的传动机构12彼此连接。两个过程级4、8和传动机构12设置在包围这些元件的压缩机壳体18中。传动机构12设置在压缩机壳体18之内且设置在传动机构壳体20中。压缩机壳体18被分成多个压密地彼此分界的腔室，其中第一过程级4和两个第二过程级8压密地彼此分离。传动机构12在其传动机构壳体20中同样压密地与过程级4、8分离，使得压缩的或者未压缩的过程气体不到达传动机构壳体20中。同样可能的是，传动机构壳体20至少一段置于外部并且因此形成压缩机壳体18的一部分。

冷却器22定位在压缩机壳体之外，其中同样良好可行的是，将冷却器22安装在压缩机壳体18之内。同样地，将用于驱动齿轮式压缩机2的驱动器24设置在压缩机壳体18之外，所述驱动器能够是电机、蒸汽轮机、燃气轮机或者其他适宜的驱动器24。

齿轮式压缩机用于压缩空气，所述空气通过第一过程级4的进口26吸入、通过轴向叶片组6压缩到例如为3.96bar的第一压力并且输送给冷却器22。压缩的体积流在该实施例中例如为800000m³/h。通过压缩而加热的空气在冷却器22中冷却并且以例如3.87bar的压力离开冷却器22并且被输送给第二过程级8的两个径向动叶轮10，如通过箭头28表明。通过第二过程级8，两个空气流分别被再压缩到8.67bar并且通过相应的出口30离开齿轮式压缩机2。体积和压力能够通过相应结构上的尺寸和转速在大范围内匹配于不同的要求。

在图2中示意地示出，将在第一过程级4中预压缩的空气划分成到两个第二过程级8中的两个空气流。通过轴向叶片组6压缩的空气径向向外压入到空气分配系统32中，如通过箭头34表明。在此，预压缩的空气被等量地分配到两个流动通道36上，所述流动通道将空气分别输送给冷却器22的冷却元件38。由此将预压缩的空气由单级的轴流式压缩机等量地分配到两个第二过程级的两个径流式压缩机上。

为了驱动两个过程级4、8，将压缩机驱动器24经由压缩机驱动轴40间接地(图1)或者直接地(图3)与行星齿轮传动机构14连接。在两个视图中，从上方示出齿轮式压缩机2、42，两个冷却元件38分别位于传动机构12的侧向或者下方。

在图1中示出的实施例中，太阳轮44相对于壳体固定地被保持。所述太阳轮经由太阳轮轴46与传动机构壳体18固定地连接。传动机构12的驱动经由压缩机驱动轴40来进行，所述压缩机驱动轴在图1中以虚线示出，并且所述压缩机驱动轴在太阳轮轴46之下与同样以虚线示出的齿轮48刚性地连接。齿轮48与位于其上的、与行星齿轮传动机构14的行星架52刚性连接的齿轮50啮合。两个齿轮48、50形成另一正齿轮传动机构，所述正齿轮传动机构的传动比能够相应地适应于关于传动机构压缩机2的所给出的要求。

驱动器24以例如1000U/min的转速驱动压缩机驱动轴40。所述转速被转换到齿轮50的、进而行星架52的1500U/min。行星架52借助其行星轮54通过相对于壳体固定地保持的太阳轮44驱动齿圈56，所述齿圈以3400U/min的速度旋转。齿圈56经由轴向齿轮轴58与轴向叶片组6连接，并且以3400U/min的转速将其驱动。

齿圈56取代或者形成正齿轮传动机构16的大齿轮60，其中齿圈56能够设有用于行星轮54的内齿部和用于正齿轮传动机构16的正齿轮62的外齿部。在另一实施形式中，齿圈56置放在法兰上，所述法兰形成用于正齿轮传动机构16的大齿轮60。大齿轮60或者法兰以与齿圈56相同的速度旋转。两个正齿轮62通过正齿轮传动机构16以9400U/min的转速被驱动。通过将正齿轮62与径向动叶轮10的小齿轮轴64刚性地耦联，将9400U/min的转速传递到径向动叶轮10上，其中所述径向动叶轮与所述小齿轮轴刚性地连接。通过所述高的转速，空气以功率优化的方式被压缩到最终压力。

在另一实施形式中，除两个第二过程级8之外，能够考虑一个或多个第三过程级。每个第三过程级经由小齿轮或者正齿轮驱动，所述小齿轮或者正齿轮类似于正齿轮62与大齿轮60啮合。与正齿轮62相比，其他的正齿轮能够具有不同的齿数，使得能够以不同于一个或多个第二过程级的转速驱动一个或多个第三过程级。以该方式能够实现分别以特定转速驱动的三个过程级，其中三个转速的每一个均不同于另外两个。

在图3中示出的实施例中，太阳轮轴46被向外引导穿过传动机构壳体18。所述太阳轮轴能够被引导穿过驱动器24并且与静止元件连接，使得所述静止元件相对于壳体固定地被保持。压缩机驱动轴66在此构成为空心轴并且同轴地围绕太阳轮轴46延伸。所述压缩机驱动轴传递驱动器的驱动转速并且将其直接地传递到行星架52上。

另一实施形式提出，太阳轮轴46用作为与驱动器24连接的太阳轮轴。当应实现将转速传动到齿圈56上时，除了行星架52之外还能够驱动所述太阳轮轴，其中所述太阳轮轴46的转速不同于压缩机驱动轴66的转速。在转速相同的情况下，齿圈56也以所述转速运行。通过太阳轮轴46和压缩机驱动轴66的相反的转动方向能够进一步扩大到齿圈56上的传动。附加地，在驱动器24和齿轮式压缩机42之间施加的转矩能够减小，在极端情况下甚至能够降低至将近零。

还能够考虑并且有利的是，将驱动器24划分成两个例如相继设置的驱动器部件，如通过附加地并且以虚线示出的驱动器部件68表明。一个驱动器部件68设置用于使太阳轮轴46旋转并且另一驱动器部件——在该情况下，以实线示出的驱动器24形成所述另一驱动器部件——设置用于使压缩机驱动轴66旋转，进而使行星架52旋转。两个驱动器部件68适宜地预备进行相反的旋转，使得与单个的驱动器24相比，借助所述驱动器部件能够实现具有两倍于一半驱动功率的高的转速比。

通过行星齿轮传动机构14与正齿轮传动机构16连接的结构，相互对准的压缩机驱动轴66和轴向齿轮轴58的对于齿轮式压缩机2而言有利的布置是可能的，即借以形成紧凑的并且有效率的机构的同轴的布置。此外，两个轴58、66中心对称地设置在齿轮式离心压缩机2中。此外，两个径向动叶轮10围绕两个轴58、66中心对称地设置。多于两个的径向动叶轮10同样是可能的，所述径向动叶轮同样围绕两个轴58、66中心对称地设置。

在另一实施例中，齿轮式压缩机2、42的两个正齿轮62能够具有不同的齿数，使得两个径向动叶轮10能够以不同的转速运行。由此，两个空气部分流能够被压缩到不同的最终压力。通过非对称地构成两个流动通道36能够将空气流不等量地分配到径向动叶轮10上，使得例如将更小的流提供到快速转动的径向动叶轮10上以进行更高的压缩。

Claims (11)

1.一种多级齿轮式压缩机(2)，具有第一过程级(4)、第二过程级(8)和传动机构(12)，具有不同转速的两个所述过程级(4，8)经由所述传动机构彼此耦联，其中所述传动机构(12)将具有第三转速的压缩机驱动轴(40，66)与两个所述过程级(4，8)耦联，所述第三转速不同于所述过程级(4，8)的转速，

其特征在于，所述第一过程级(4)是轴流式压缩机级，并且所述第二过程级(8)是径流式压缩机级。

2.根据权利要求1所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述压缩机驱动轴(40，66)经由行星齿轮传动机构(14)与所述过程级(4，8)耦联。

3.根据权利要求2所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述压缩机驱动轴(60)以相对于所述行星齿轮传动机构(14)居中的方式被引导。

4.根据权利要求2或3所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述压缩机驱动轴(40，66)与所述行星齿轮传动机构(14)的行星架(52)刚性地连接。

5.根据权利要求2或3所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述第一过程级(4)与所述行星齿轮传动机构(14)的齿圈(56)刚性地连接。

6.根据权利要求2或3所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述行星齿轮传动机构(14)的齿圈(56)与所述传动机构(12)的正齿轮传动机构(16)的正齿轮齿部刚性地连接。

7.根据权利要求6所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述第二过程级(8)与所述正齿轮传动机构(16)的小齿轮轴(64)刚性地连接。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述传动机构(12)包含具有大齿轮(60)的正齿轮传动机构，其中所述第一过程级(4)与所述大齿轮(60)对称地设置。

9.根据权利要求8所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述第一过程级(4)与所述大齿轮(60)刚性地耦联。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，存在彼此并行使用的多个第二过程级(8)，所述第二过程级分别具有分离的驱动轴。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮式压缩机(2)，其特征在于，所述第二过程级(8)的吸入侧与所述第一过程级(4)的压力侧连接。