CN103443466B - 结合螺旋膨胀机的包括齿轮的压缩机系统 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机系统，该压缩机系统包括齿轮箱，该齿轮箱具有第一主动齿轮、第二主动齿轮和第一从动齿轮。原动机联接至第一主动齿轮，并且可操作以将旋转功率输入到齿轮箱，且压缩机联接至第一从动齿轮，并且响应于第一从动齿轮的旋转而可操作以产生压缩气流。热交换器定位成接收压缩气流和流体流，并且可操作以将压缩气流冷却并加热流体流，从而产生加热气流。螺旋膨胀机，该螺旋膨胀机联接至第二主动齿轮，并且是响应于加热气流而可操作以将旋转功率输入到齿轮箱。

Description

结合螺旋膨胀机的包括齿轮的压缩机系统
技术领域
本发明涉及齿轮驱动压缩机系统。更特别地，本发明涉及一种包括螺旋膨胀机的齿轮驱动多级压缩机系统。
背景技术
多级压缩机可以通过单个原动机驱动，例如通过使用包括多驱动输出的齿轮箱的电机驱动。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种压缩机系统，该压缩机系统包括齿轮箱，该齿轮箱具有第一主动齿轮、第二主动齿轮和第一从动齿轮。原动机联接至第一主动齿轮，并且可操作以将旋转功率输入到齿轮箱，且压缩机联接至第一从动齿轮，并且响应于第一从动齿轮的旋转而可操作以产生压缩气流。热交换器定位成接收压缩气流和流体流，并且可操作以将压缩气流冷却并加热流体流，从而产生加热气流。该螺旋膨胀机联接至第二主动齿轮，并且响应于加热气流而可操作以将旋转功率输入到齿轮箱。
在另一个结构中，本发明提供一种压缩机系统，该压缩机系统包括原动机和螺旋膨胀机，该原动机直接与第一主动齿轮连接，并且响应于原动机的操作而可操作以产生第一扭矩，该螺旋膨胀机直接与第二主动齿轮连接，并且响应于加热气流而可操作以产生第二扭矩。第一压缩机直接与第一从动齿轮连接，并且响应于第一从动齿轮的旋转而可操作以产生第一压缩气流，且第二压缩机直接与第二从动齿轮连接，并且响应于第二从动齿轮的旋转而可操作以接收第一压缩气流并产生第二压缩气流，其中第一主动齿轮和第二主动齿轮配合以直接旋转第一从动齿轮和第二从动齿轮。
在另一个结构中，本发明提供一种压缩机系统，该压缩机系统包括第一压缩机、第二压缩机和第一热交换器，该第一压缩机可旋转以产生第一压缩气流，该第二压缩机可旋转以接收第一压缩气流并产生第二压缩气流，该第一热交换器定位成在将第一压缩气流引导到第二压缩机之前接收并冷却第一压缩气流。第二热交换器定位成接收并冷却第二压缩气流，且泵可操作以将流体流引导到第一热交换器和第二热交换器以产生加热流体流。原动机可操作以产生第一扭矩且膨胀机响应于加热流体流而可操作以产生第二扭矩。第一扭矩和第二扭矩配合以旋转第一压缩机和第二压缩机。
通过参考详细的说明和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是包括螺旋膨胀机的压缩机系统的后部透视图；
图2是包括螺旋膨胀机的图1的压缩机系统的正面透视图；
图3是图1的压缩机系统的部分削去侧视图；
图4是图1的压缩机系统的示意图；
图5是适合于在图1的压缩机系统中使用的现有技术的螺旋膨胀机的顶部削去视图；和
图6是图5的现有技术螺旋膨胀机的侧面的削去视图。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任意实施例之前，应当理解的是，本发明并不限制于其在下面的描述中阐述的或者在附图中图示的结构的细节和部件的布置的应用。本发明能够应用于其他的实施例，并且以多种方式实践或实施。此外，应当理解的是，在本文中使用的用语和术语是出于描述的目的，并且不应当认为是限制。在本文中使用的″包括″、"包含″或″具有″及其变体意味着涵盖其后列出的项目及其等价物以及额外项目。除非特别指定和限制，术语″安装″、″连接″、″支撑″和″联接″及其变体是广义地应用的，并且涵盖直接和间接两种情况的安装、连接、支撑和联接。此外，″连接″和″联接″并不限制于物理或机械的连接或联接。
图1-3图示了结合到一个紧凑组件中的压缩机系统10的一部分。压缩机系统10包括储罐15、齿轮箱20、第一级压缩机25、第二级压缩机30和膨胀机35。储罐15容纳大量润滑剂，并且也起基座的作用以支撑其余部件。润滑剂在操作中润滑并冷却多个部件。在一些结构中，过滤器、水分分离器、润滑剂分离器等支撑在储罐15上或者储罐15内，以使使用中的润滑剂保持良好。
齿轮箱20包括壳体40，壳体40附连至储罐15，并且容纳以啮合关系布置的多个齿轮，以将期望的转动扭矩提供到第一级压缩机25和第二级压缩机30。齿轮布置成围绕大体上水平的多个平行轴线旋转。当然，其他的布置也是可行的，包括竖直轴布置或螺旋齿轮布置，其中旋转轴线中的一些是不平行的。
传动轴45从齿轮箱壳体40延伸并且支撑齿轮50(图4中所示)，该齿轮与在齿轮箱20内的一个或多个齿轮处于啮合关系。传动轴45在齿轮箱20的具有第一级压缩机25、第二级压缩机30和膨胀机35的相对侧从齿轮箱20延伸。该布置为原动机55提供了空间，以附连到齿轮箱20，并且接合传动轴45，以将扭矩输入到齿轮箱。在优选的结构中，电动机附连到传动轴并且提供期望的扭矩。当然，其他的原动机55例如内燃机、柴油发动机、燃气轮机等可以用于代替电动机或者与电动机结合。
润滑剂泵(未显示)将润滑剂从储罐15引导到齿轮箱20内的多个齿轮以提供润滑和冷却。润滑剂由壳体40容纳，并且排出到壳体40的底部，在此润滑剂被收集并返回到储罐15。
第一级压缩机25包括第一外壳60，该第一外壳支撑旋转元件。第一外壳60附连到齿轮箱壳体40以在操作位置支撑第一级压缩机25。在图示的结构中，第一级压缩机25是旋转螺旋压缩机，其包括具有传动轴65的传动螺杆，传动轴从第一外壳60伸出。第一从动齿轮70(图4中所示)附连到传动轴65，并且与齿轮箱20中的一个或多个齿轮啮合，以促进第一级压缩机25的旋转操作。
第一外壳60包括入口75，该入口为大气185进入压缩机25中提供了流动路径。在一些结构中，提供了过滤器以在空气185进入第一外壳60之前对其过滤。在其它的结构中，气体源连接到入口75以提供除了空气之外的气流到压缩机25。第一外壳60还限定出口80，该出口为压缩气体190离开第一级压缩机25提供了流动路径。
第二级压缩机30包括第二外壳85，该外壳容纳并支撑用于旋转的旋转元件。第二外壳85附连到齿轮箱壳体40以在操作位置支撑第二级压缩机30。在图示的结构中，第二级压缩机30是旋转螺旋压缩机，其包括具有传动轴90的传动螺杆，传动轴从第二外壳85伸出。第二从动齿轮95(如图4中所示)附连到传动轴90，并且与齿轮箱20中的一个或多个齿轮啮合，以促进第二级压缩机30的旋转操作。
第二外壳85包括入口100，该入口为气体190进入第二级压缩机30中提供了流动路径。作为第二级压缩机30，直接或间接地从第一级压缩机25接收气体190。在优选的结构中，压缩气体190在它进入第二级压缩机30之前被处理。处理可以包括干燥工艺、中间冷却工艺、油分离工艺等。第二外壳85还限定出口105，该出口为压缩气体195离开第二级压缩机30提供了流动路径。
在一些结构中，应用油浸螺杆式压缩机作为第一级压缩机25或第二级压缩机30。在这些结构中，润滑剂从储罐15中抽出并且引导到第一级压缩机25或第二级压缩机30中，以润滑并冷却旋转元件。在优选的结构中，无油螺杆式压缩机(有时也称为干式压缩机)或其他的旋转压缩机也可以用作第一级压缩机25和第二级压缩机30。
膨胀机35包括膨胀机外壳110，该外壳容纳并支撑一个或多个旋转元件115。膨胀机外壳110附连到齿轮箱壳体40以在期望的操作位置支撑膨胀机35。如图3所示，旋转元件115之一包括传动轴120，该传动轴延伸穿过外壳110并支撑主动齿轮125。主动齿轮125与齿轮箱20中的一个或多个齿轮啮合，以促进通过膨胀机35将扭矩输入到齿轮箱20中。
膨胀机外壳110包括入口孔130和出口孔135。在优选的结构中，蒸汽175通过入口130进入膨胀机外壳110，经过旋转元件115，其中蒸汽175膨胀并且将旋转能量传递给旋转元件115，然后经由出口孔135离开外壳110。在一些结构中，其他气体代替蒸汽175用作工作流体。
在图示的结构中，膨胀机35是旋转螺旋膨胀机35，例如在图5和6中图示的那个。旋转螺旋膨胀机35包括传动螺杆115a和空转螺杆115b，该空转螺杆115b与传动螺杆115a啮合并与之旋转。蒸汽175进入到啮合的螺杆115a、115b之间的小空间，并且促使螺杆115a、115b旋转。当螺杆115a、115b旋转时，空间膨胀直到蒸汽175从旋转螺旋膨胀机35排出。当然，可使用其他的结构代替旋转螺旋膨胀机35。例如，一些结构可以使用径流或轴流式涡轮代替旋转螺旋膨胀机35或与之结合。
图4示意性地显示了并入整个压缩机系统140的图1-3的压缩机系统10的一部分，该压缩机系统包括第一级中间冷却器145、第二级中间冷却器150和蒸汽循环155，其向膨胀机35提供蒸汽175。第一级中间冷却器145包括第一热交换器160，该第一热交换器定位成接收来自第一级压缩机25的压缩气流190，将压缩气流190冷却，并且将压缩气流190引导到第二级压缩机30。
第二级中间冷却器150包括第二热交换器165，该第二热交换器定位成接收来自第二级压缩机30的压缩气流195，将压缩气流195冷却，将压缩气流195引导到使用的位置或者其他的下游工艺。应当注意到的是，其他的部件，例如水分分离器、过滤器、油分离器等也可以放置在第一级热交换器160或第二级热交换器165的任意一者的上游或下游。
蒸汽循环155包括泵170，该泵定位成将水200泵送到第二级中间冷却器150。水200在压缩气流195经过第二级中间冷却器150时将其冷却，并继而加热。水200离开第二级中间冷却器150并流向第一级中间冷却器145。水200流过第一级中间冷却器145并且在气体140流过第一级中间冷却器145时将压缩气体190冷却。再一次地，水200在其冷却第一级中间冷却器145中的压缩气体190时被加热。在水200进入第二级中间冷却器150并离开第一级中间冷却器145之间的一些位置，水200沸腾并且转变为蒸汽流175。
蒸汽流175被引导到膨胀机35，并且如所述地流过膨胀机35。在经过膨胀机35之后，蒸汽175流向冷凝器180，被冷却并且冷凝成水200，水在冷凝器180的底部收集。然后水200从冷凝器180通过泵170抽出，以完成蒸汽循环155。
继续参考图4，电机或原动机55驱动第一主动齿轮50以将扭矩功率输入到齿轮箱20中。膨胀机35驱动第二主动齿轮125，因此膨胀机35也提供扭矩功率到齿轮箱20。在一些结构中，离合器机构放置在膨胀机35和齿轮箱20之间以在膨胀机35未向给齿轮箱20提供功率时制止膨胀机35的旋转。在优选的结构中，电机、或者其他原动机55，提供大部分的扭矩功率。然而，其他的结构也可以应用更大的膨胀机35，该膨胀机提供更大百分比的功率到齿轮箱20。
第一级压缩机25的传动轴65联接至第一从动齿轮70，因此扭矩功率通过齿轮箱20应用到第一级压缩机25。类似地，第二级压缩机30的传动轴90联接至第二从动齿轮95，因此扭矩功率通过齿轮箱20应用到第二级压缩机30。
应当注意的是，选择图4中图示的齿轮50、70、95、125的尺寸是为了图示的方便起见，并不是必须代表在多个元件之间的实际的齿轮比。本领域普通技术人员应当理解的是，为压缩机系统140选择的齿轮比应当是根据多个部件的期望的操作速度而选择的。还应当注意的是，可如期望地需要附加的齿轮例如空转齿轮以与齿轮50、70、95、125互连并提供期望的齿轮比。还应当注意的是，在一些结构中，如果期望，可应用带传动或链传动来代替齿轮50、70、95、125中的一些。
在此图示的压缩机系统140应用压缩的热量以产生蒸汽175，该蒸汽在膨胀机35中使用，以减少需要驱动压缩级25、30的能量。因此图示的系统减少了用于压缩气体的能量，并且改善了压缩机系统140的效率。在一些结构中，可以使用外部热源300。外部热源300可以与热交换器305一起使用以代替压缩热量或作为压缩热量的补充以产生蒸汽175。例如，来自外部工业过程的热量或来自内燃机的热量是可获取的以产生额外的蒸汽175，从而有利于使用更大的膨胀机35、或者使用将更大百分比的总扭矩输入到齿轮箱20的膨胀机35。应当注意的是，可以应用相似的系统以驱动单级压缩系统或带有三级或更多级的压缩机系统。
因此，本发明尤其提供了一种压缩机系统140，该压缩机系统使用压缩热量以驱动膨胀机35，从而改善压缩机系统140的效率。

Claims (23)

1.一种压缩机系统，该压缩机系统包括：
齿轮箱，该齿轮箱包括第一主动齿轮、第二主动齿轮和第一从动齿轮；
原动机，该原动机联接至所述第一主动齿轮，并且能够操作以将旋转功率输入到所述齿轮箱；
压缩机，该压缩机联接至所述第一从动齿轮，并且响应于所述第一从动齿轮的旋转而能够操作以产生压缩气流；
热交换器，该热交换器定位成接收所述压缩气流和流体流，并且能够操作以将所述压缩气流冷却并加热所述流体流，从而产生加热气流；以及
螺旋膨胀机，该螺旋膨胀机联接至所述第二主动齿轮，并且响应于所述加热气流而能够操作以将旋转功率输入到所述齿轮箱。
2.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，所述原动机包括电动机。
3.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，还包括泵，该泵能够操作以产生所述流体流。
4.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，还包括第二从动齿轮和第二压缩机，该第二压缩机联接至所述第二从动齿轮，所述第二压缩机响应于所述第二从动齿轮的旋转而能够操作以接收所述压缩气流并产生第二压缩气流。
5.根据权利要求4所述的压缩机系统，其特征在于，还包括第二热交换器，该第二热交换器定位成接收所述第二压缩气流和所述流体流，并且能够操作以冷却所述第二压缩气流并加热所述流体流。
6.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，所述流体流包括水，且所述加热气流包括蒸汽。
7.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，还包括冷凝器，该冷凝器定位成从所述螺旋膨胀机接收所述加热气流，并且能够操作以冷却所述加热气流。
8.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，还包括外部热源，该外部热源定位成接收所述流体流，并且能够操作以加热所述流体流。
9.一种压缩机系统，该压缩机系统包括：
原动机，该原动机直接连接到第一主动齿轮，并且响应于所述原动机的操作而能够操作以产生第一扭矩；
螺旋膨胀机，该螺旋膨胀机直接连接到第二主动齿轮，并且响应于加热气流而能够操作以产生第二扭矩；
第一压缩机，该第一压缩机直接连接到第一从动齿轮，并且响应于所述第一从动齿轮的旋转而能够操作以产生第一压缩气流；以及
第二压缩机，该第二压缩机直接连接到第二从动齿轮，并且响应于所述第二从动齿轮的旋转而能够操作以接收所述第一压缩气流并产生第二压缩气流，其中所述第一主动齿轮和所述第二主动齿轮配合以直接旋转所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮。
10.根据权利要求9所述的压缩机系统，其特征在于，所述原动机包括电动机。
11.根据权利要求9所述的压缩机系统，其特征在于，还包括第一热交换器和第二热交换器，该第一热交换器定位成接收所述第一压缩气流，该第二热交换器定位成接收所述第二压缩气流。
12.根据权利要求11所述的压缩机系统，其特征在于，流体流经过所述第二热交换器以冷却所述第二压缩气流的温度，所述流体流从所述第二热交换器流至所述第一热交换器以冷却所述第一压缩气流并且产生所述加热气流。
13.根据权利要求12所述的压缩机系统，其特征在于，还包括泵，该泵能够操作以将所述流体流引导到所述第一热交换器和所述第二热交换器。
14.根据权利要求12所述的压缩机系统，其特征在于，所述流体流包括水，且所述加热气流包括蒸汽。
15.根据权利要求12所述的压缩机系统，其特征在于，还包括冷凝器，该冷凝器定位成从所述螺旋膨胀机接收所述加热气流，并且能够操作以冷却所述加热气流。
16.根据权利要求9所述的压缩机系统，其特征在于，还包括外部热源，该外部热源定位成接收流体流，并且能够操作以加热所述流体流，从而至少部分地产生所述加热气流。
17.一种压缩机系统，该压缩机系统包括：
第一压缩机，该第一压缩机能够旋转以产生第一压缩气流；
第二压缩机，该第二压缩机能够旋转以接收所述第一压缩气流并产生第二压缩气流；
第一热交换器，该第一热交换器定位成在将所述第一压缩气流引导到所述第二压缩机之前接收并冷却所述第一压缩气流；
第二热交换器，该第二热交换器定位成接收并冷却所述第二压缩气流；
泵，该泵能够操作以将流体流从所述第二热交换器引导到所述第一热交换器，从而产生加热流体流；
原动机，该原动机能够操作以产生第一扭矩；以及
膨胀机，该膨胀机响应于所述加热流体流而能够操作以产生第二扭矩，其中所述第一扭矩和所述第二扭矩配合以间接旋转所述第一压缩机和所述第二压缩机。
18.根据权利要求17所述的压缩机系统，其特征在于，所述原动机包括电动机。
19.根据权利要求17所述的压缩机系统，其特征在于，所述膨胀机包括螺旋膨胀机。
20.根据权利要求17所述的压缩机系统，其特征在于，还包括联接至所述第一压缩机的第一从动齿轮、联接至所述原动机的第一主动齿轮以及联接至所述膨胀机的第二主动齿轮，所述第一从动齿轮、所述第一主动齿轮和所述第二主动齿轮以能够旋转的方式彼此连接。
21.根据权利要求20所述的压缩机系统，其特征在于，还包括第二从动齿轮，该第二从动齿轮联接至所述第二压缩机，所述第二从动齿轮以能够旋转的方式连接到所述第一从动齿轮、所述第一主动齿轮和所述第二主动齿轮。
22.根据权利要求17所述的压缩机系统，其特征在于，还包括冷凝器，该冷凝器定位成从所述膨胀机接收所述加热流体流，并且能够操作以冷却所述加热流体流。
23.根据权利要求17所述的压缩机系统，其特征在于，还包括外部热源，该外部热源与所述第一热交换器和所述第二热交换器配合以加热所述流体流并产生所述加热流体流。
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