CN105452671A - 具有可变空气动力轮廓的压缩机单元 - Google Patents

Abstract

公开了一种压缩机单元(25)，其至少包括驱动压缩级的至少一个叶轮(4)旋转的第一马达，具有叶轮(4)的出口处的扩散器(23)，该扩散器(23)设计成离心地导送来自叶轮(4)的气体，并且具有扩散器(23)下游的向心返回通道(24)。返回通道(24)包括至少一个可移动叶片部分(21)，其在移动时可改变来自返回通道(24)的气体的速度的切向分量。

Description

具有可变空气动力轮廓的压缩机单元

技术领域

本发明涉及离心压缩机单元，并且更具体地涉及嵌入式离心压缩机单元，其中压缩机和压缩机的马达驱动器件在共用的壳体中组装成相对于由压缩机处理的气体密封。

背景技术

常规嵌入式压缩机单元包括马达器件，其大体上包括电驱动马达，以及具有一个或更多个压缩级的离心压缩机。

各个压缩级包括安装在联接于驱动马达的转子的从动轴上的叶轮。

在某些应用中，并且具体对于低压应用，提出了可变节距的叶轮的使用，以根据气体流速来修改由压缩级所做的功。这使得有可能将压缩机的功保持为对于较宽范围的气体流速而言恒定。因此，专利申请FR1061391提出了将可变节距的叶轮置于压缩机叶轮上游和压缩机级的扩散器中两者。

机械装置可用于修改叶片的定向，例如，通过使一组叶片与由蜗轮装置驱动的环形齿轮配合，或通过使各个叶片与专用于该叶片的直接驱动器件配合。

马达接着用于促动机械装置，用于控制叶片的定向。

因此，插入在气流中的可移动叶片经受关于其旋转轴线的相当大偏转应力，并且使各个叶片定向需要显著的转矩。叶片及其驱动系统需要相应地确定尺寸。因此，添加可移动叶片系统代表应当理想地降低的成本，如果压缩机具有若干级，则所述成本甚至更大。

发明内容

本发明的目的在于克服这些缺陷，特别是对于具有若干级的压缩机，通过提出具有可变空气动力轮廓的嵌入式压缩机单元，该嵌入式压缩机单元的实施需要制造较便宜的较小可移动元件，同时提供至少同样大的操作范围。

本发明提出了一种压缩机单元，其至少包括驱动压缩级的至少一个叶轮旋转的第一马达。在叶轮的出口处，压缩机单元包括设计成离心地导送来自叶轮的气体的扩散器部分，以及扩散器下游的向心返回通道。返回通道包括至少一个可移动叶片部分，其在移动时，可改变来自返回通道的气体的速度的切向分量。在该情况中，离心移动或装置意思是趋于使气体移离叶轮的轴线的移动或装置。在该情况中，向心移动或装置意思是趋于使气体朝叶轮的轴线移动的移动或装置。在给定点处的气体的速度的切向分量意思是该速度与以叶轮的轴线为中心且穿过该点的圆相切的分量。压缩机可包括若干压缩级，以及用于各个压缩级的至少一个叶轮。

返回通道为导管部分，其设计成将气体从对应于离心扩散器的出口的返回通道的环形入口朝叶轮的几何轴线传送。返回通道具有通过围绕叶轮的轴线旋转为周期性的几何形状。返回通道的包线可围绕叶轮的轴线由两个回转表面限定。

例如，返回通道可包括两个盘形平行面之间，或一个盘形面与一个截头圆锥面之间，或两个截头圆锥面之间的容积。

根据优选实施例，返回通道具有固定叶片，可移动叶片部分为固定叶片的延伸部。作为优选，可移动叶片部分为位于固定叶片下游的固定叶片的延伸部。

根据另一个备选实施例，返回通道包括一组固定叶片，该组中的各个固定叶片在为固定叶片的上游延伸部的第一可移动叶片部分之后，并且后接为固定叶片的下游延伸部的第二可移动叶片部分。

根据另一个备选实施例，可移动叶片部分可为另一个可移动叶片部分的延伸部。在该情况中，使用了用语叶片部分，因为叶片部分为另一个叶片部分的延伸部，所以两个叶片部分(一个为另一个的延伸部)可认作形成单个可变几何形状的叶片。各个部分还可认作是单独的叶片，而不影响本发明的内容。″延伸部″意思是两个叶片中的一个或两个叶片部分的偏转表面大致为另一个的延伸部，使得在整个气流上，气体由叶片或叶片部分中的一个偏转，接着由另一个叶片或叶片部分偏转。

根据特别有利的实施例，返回通道包括从返回通道中的各个固定叶片延伸的可移动叶片部分。根据特别有利的实施例，各个可移动叶片部分在固定叶片的下游。根据另一个备选实施例，各个可移动叶片部分在固定叶片的上游。根据有利实施例，返回通道包括设定在离叶轮的几何轴线的相同径向距离处的第一组成角等距的固定叶片，以及从第一组的各个固定叶片延伸的可移动叶片部分。根据另一个实施例，返回通道包括设定在离叶轮的轴线的相同径向距离处的第一组成角等距的固定叶片，以及仅从第一组固定叶片中的一些延伸的可移动叶片部分，可移动叶片部分与彼此成角等距。可移动叶片部分的数量优选为偶数，例如，在18到22之间。例如，可存在16、18、20或22个可移动叶片。

作为优选，可移动叶片部分能够移动成关于大致平行于叶轮的几何轴线的轴线旋转。

根据特别有利的实施例，返回通道具有若干可移动叶片部分，其能够同时采用中性角位置，对于该中性角位置，来自返回通道的气体具有大致零的切向速度分量。

各个可移动叶片部分接着可能够在中性角位置的任一侧上的两个极限位置之间转动。根据优选实施例，极限位置与彼此分开10°到60°之间的角间隙，并且优选20°到40°之间。角间隙可例如为大约30°。

作为优选，可移动叶片部分或多个部分的轴向宽度大致等于返回通道的轴向宽度。

返回通道可包括可由单个控制马达移动的若干可移动叶片部分。可移动叶片部分可例如联结于单个促动环形齿轮，其通过控制马达经由蜗轮移动。

根据另一个备选实施例，返回通道包括一组固定叶片、作为固定叶片的延伸部位于上游的第一组可移动叶片部分，以及作为固定叶片的延伸部位于下游的第二组可移动叶片部分。根据另一个变型，固定叶片中的一些可配备有作为其延伸部位于固定叶片下游的可移动叶片部分，并且第一组中的其它固定叶片可配备有作为其延伸部位于固定叶片上游的可移动叶片部分。

成组的第一可移动叶片优选能够在第一中性角位置的任一侧上转动，并且成组的第二可移动叶片部分优选能够在第二中性角位置的任一侧上转动，两组都能够独立于彼此转动。当两组可移动叶片部分置于其相应中性位置时，来自返回通道的气体的切向速度分量大致为零。

根据备选实施例，压缩机单元可包括若干离心压缩级，其中离心压缩级中的至少两个均具有一个叶轮、一个扩散器部分，以及设有可移动叶片部分的一个返回通道。这些可移动叶片部分可自然地与返回通道的固定叶片部分相关联。

根据特别有利的实施例，由第一马达、叶轮、扩散器部分、返回通道和控制马达形成的一套在共用的壳体中组装成相对于由压缩单元处理的气体密封。作为优选，第一马达和叶轮的至少一部分经受大致相同的气体压力，或换言之，第一马达浸没在与叶轮下游的区域相同的气体容积中。该布置消除了容纳第一马达的壳体与容纳压缩级(包括叶轮)的单独壳体之间的密封问题。如果压缩机包括若干压缩级，则第一马达经受与定位成接近马达的压缩机叶轮中的一个大致相同的气体压力。压缩机可包括若干驱动马达来驱动若干压缩级叶轮。所有这些驱动马达接着在共用的壳体中，并且各个在与压缩机的叶轮中的一个的入口或出口大致相同的气体压力下。接着，压缩级中的各个的返回通道中可存在一组可移动叶片。根据备选实施例，位于压缩机下游的压缩级或多个压缩级的返回通道或多个返回通道中可存在一组可移动叶片。

压缩机单元还可包括壳体外的电子控制单元，其使用穿过壳体的电源和控制线缆经由密封的线缆架设(run)连接于控制马达。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优点在以下描述中陈述，该以下描述仅经由非限制性实例并且参照附图给出，在该附图中：

图1为单级压缩机单元的大体构架的示意图；

图2为根据本发明的压缩机单元的细节；

图3a为图2中的压缩机单元的调整元件的局部截面图；

图3b为图3a的元件的隔离视图；

图4为示出对于图3a中的调整元件的不同位置，由压缩机单元根据进入气体流速所做的功率和功的趋势的图表。

具体实施方式

图1中所示的压缩机单元25包括驱动马达1，其例如包括驱动转子2旋转的可变速电动机，转子2自身在相同速度下驱动从动轴3，一个或更多个叶轮4组装在从动轴3上。

在所示实例中，压缩机单元具有仅一个压缩级，其包括离心叶轮4，离心叶轮4吸收从输送导管5输送的气体，以增大其压力并且将其输送至出口5′。根据备选实施例，压缩机单元可包括若干级，叶轮的下游出口与随后的叶轮的输送导管连通。叶轮可由一个或更多个驱动马达驱动。

在所示的示例性实施例中，马达1的转子2由两个端轴承6和7保持。从动轴3也由两个端轴承8和9保持。转子2和从动轴3在这里由柔性联接件10联结。转子和从动轴可由固定联接件联结，而不由此移出本发明的范围。在该情况中，可省略轴承中的一个，例如，轴承7或轴承8。

压缩机单元可具有止挡件11，其用于限制在叶轮4的旋转的作用下的从动轴3的轴向移动。

根据有利实施例，驱动马达1和包括叶轮4的压缩级在共用的壳体12中布置成相对于由压缩机处理的气体密封。取决于其关于叶轮4的位置，驱动马达1在对应于至叶轮4的气体进入压力的压力下，或在从叶轮4的气体输出压力下。在图1中，马达1在轴向侧上位于叶轮4上游，马达1在这里在压缩单元的吸入压力下。在备选实施例中，马达还可在叶轮4的输出压力下，其中马达在轴向侧上在叶轮4下游。上游或下游意思是压缩机单元关于压缩机单元内的总体气流方向的上游或下游。

图2为对应于图1中所示的大体原理的、根据本发明的压缩机单元的部分的纵向截面图。图2包括与图1共有的元件，相同元件使用相同附图标记指示。对应于叶轮4的几何轴线的几何轴线XX′代表压缩机的构件中的若干个的旋转对称轴线，或构件围绕其通过旋转具有周期性的轴线。对于扩散器23和返回通道24，这尤其如此。

图2示出了待压缩的气体通过其沿箭头F的方向吸入的气体进入孔口5，以及在将其向下游输送至扩散器23之前压缩气体的叶轮4，其中气体通过移离叶轮4的几何轴线x而引导到沿径向发散的通道中。因此，气体减速，在其输出之前增大了其压力。扩散器23后接返回通道24，返回通道朝叶轮4的几何轴线XX′沿径向会聚。返回通道可将气体传送至扩散器的出口5′，或者在如图2中所示的多级压缩机的情况下，朝第二叶轮4′的入口，例如，第二叶轮4′与第一叶轮4同轴，并且也位于压缩机单元25的密封封壳12内。第二叶轮为第二压缩级的一部分(附图中未完整示出)，其典型地可包括第二返回通道，其也配备有类似于偏转装置30的偏转装置。

在叶轮4上游，压缩机可设有调整部件，附图标记13，其包括插置在于进入孔口5与叶轮4之间延伸的气体通路14中的一组可移动叶片。该调整部件为空气动力元件，其使得流动角能够受控制，并且对于宽范围的气流保持在最佳值下。调整部件13的叶片可由控制马达16驱动，例如，嵌入压缩机单元中的步进马达，即，置于共用壳体12内。马达16由来自压缩机单元外的电力供能，并且由电子控制单元15控制，电子控制单元15引起马达的旋转和通路14中的部件13的叶片的随后定向，以便移动压缩机单元的操作曲线。

自然地，联结控制马达16和中央单元的电源和控制线缆经由相对于由压缩机单元处理的气体密封的架设(未示出)穿过壳体12，以便保持密封，该密封好于马达置于壳体内时通过现有技术中的机械装置所需的密封。

压缩机单元25还包括置于返回通道24中的气体偏转部件30。根据备选实施例，气体偏转装置30可替换调整部件13，或对于调整部件13替代其自身。偏转装置30包括一组固定叶片22，以及均能够围绕专用轴线20移动并且由单个第二驱动马达17驱动的一组叶片21。各个可移动叶片21大致为固定叶片22下游的固定叶片22的延伸部，并且能够移动成围绕轴线20旋转，轴线20大致平行于轴线XX′，并且定位成紧邻固定叶片22，使得由固定叶片22的第一面和第二面导送的气流继续分别由可移动叶片21的第一面和第二面导送，限制了一个固定叶片与其相邻可移动叶片之间的垂直于叶片的面的气流。根据备选实施例，固定叶片和相邻可移动叶片可在轴线20处部分地重叠，以便改进从固定叶片到可移动叶片的气流的连续性。第二驱动马达17也从共用壳体12的外侧供电，并且由电子控制单元15借助于经由相对于由压缩机单元处理的气体密封的线缆架设穿过壳体12的电源线和接线控制。固定叶片有时已经存在于压缩机单元的返回通道中。在气流已经部分地由固定叶片导送时，施加在置于这些固定叶片下游的可移动叶片上的应力关于将施加在以它们自身导送气流的固定或可移动叶片上的应力减小。可移动叶片因此可小于存在的任何固定叶片。可移动叶片优选短于它们之前的叶片：因此，更大部分的应力由固定叶片吸收，该固定叶片在材料成本方面对大小而言较便宜，并且可减少制造可移动叶片的成本。叶片的长度是指在气体沿叶片流动的方向上的其大小。

图3a为偏转装置30的截面AA。图3a包括与前述附图共用的附图标记，相同元件使用相同附图标记指示。轴线x具体是指叶轮4的几何轴线，轴线y和z与轴线x一起形成正交参考点，使得轴线x，y对应于图2中的截面。

偏转装置30包括围绕轴线X成角等距的一组成对固定/可移动叶片20-21。根据备选实施例，叶片对可形成成角等距的组，而并未总体上等距布置。如图3b中的详图中以较大比例所示，各对的几何形状相同，并且各对位于离叶轮4的几何轴线x的相同距离r处。根据备选实施例，返回通道24可包括成组的叶片对，其具有不同几何形状，并且/或者包括固定叶片，其与可移动叶片和/或位于离轴线x的不同距离处的叶片不相关，然而，返回通道的叶片图案借助于围绕轴线x的一组基准叶片的周期性旋转获得。

如图3a中所示，各个可移动叶片21可围绕其轴线20在第一位置″S″与第二位置″C″之间转动，在第一位置″S″，其加强由其上游固定叶片22确定的气体偏转，在第二位置″C″，其部分地补偿由其上游固定叶片22确定的气体偏转。在第一位置与第二位置之间，可移动叶片21穿过中性位置″N″，在该中性位置″N″，其面大致与其上游叶片的面连续。上游叶片和下游叶片的轮廓可计算成使得当成套可移动叶片在接近中性位置″N″的位置时，来自返回通道的气体的速度的切向分量大致为零。可移动叶片21在沿可移动叶片的气流方向上的长度″b″大体上小于固定叶片在沿固定叶片的气流方向上的长度″a″。例如，可移动叶片的长度b可为固定叶片的长度的0.2到1倍，并且优选在固定叶片的长度的0.3到0.6倍之间。作为优选，可移动叶片的长度可为固定叶片的长度的大致一半。

图4首先示出了由压缩机25所做的功的趋势(曲线a，b，c)，并且其次示出了根据压缩机单元的入口处进入的流速的效率趋势(曲线a′，b′，c′)。例如，当针对给定工作范围[w₁，w₂]时，将在返回通道仅容纳具有与叶片对21-22相同的总体几何形状的固定叶片的情况下获得的、由曲线a确定的流速范围[d₁，d₂]通过对于可移动叶片21的不同位置获得的、由极端操作曲线b和c覆盖的新操作曲线延伸至流速范围[D₃，D₄]。

此外，由于马达1和并入叶轮4，4′的一个或多个压缩级在相同壳体12中相对于处理的气体密封，使得整个内部浸没在处理的气体中，故压缩机单元的内部没有驱动马达的转子2与从动轴3之间的轴输出密封，并且仅具有经历低压差的旋转接头，例如，迷宫式密封件。这消除了过程气体泄漏到大气中的风险。作为优选，为了防止通风泄漏，马达1经受压缩机叶轮中的一个的吸入压力。循环气体还可提供用于冷却目的。

本发明可特别用于气体转移站，为此，待提供的吸气与排气之间的压力比为相对低的，具体小于2，并且为此，压缩机单元优选为单级的，或通常具有小于三级。实际上，对于该类型的应用，通常合乎需要的是具有相对大范围的流速，以便能够提供低流速或高流速。

然而，自然地，其中相对大范围的流速为期望的任何其它应用也可构想出。

本发明不限于描述的示例性实施例，并且可采用许多备选实施例的形式。固定叶片可由第二可移动叶片部分替换，即，由与第一可移动叶片部分21相同的马达移动，或由单独的马达移动。在该备选实施例中，具体取决于上游叶片的位置，两个叶片不必总是为彼此的延伸部。两个旋转叶片或铰接在两个可移动部分中的单个叶片也是可能的。

固定叶片中的至少一些可同时由位于固定叶片上游的可移动叶片部分包绕，以及由位于固定叶片下游的可移动叶片部分包绕，而不由此移出到本发明的范围外。

根据本发明的压缩机单元使得离心压缩机单元的操作范围能够便宜地加宽。如果压缩机单元基于已经具有向心气体返回通道中的固定叶片的现有压缩机单元设计，则设计和制造根据本发明的改进压缩机单元的成本甚至更低。

Claims (11)

1.压缩机单元(25)，其至少包括驱动压缩级的至少一个叶轮(4)旋转的第一马达(1)，具有所述叶轮(4)的出口处的设计成离心地导送来自所述叶轮(4)的气体的扩散器(23)，并且具有所述扩散器(23)下游的向心返回通道(24)，其特征在于，所述返回通道(24)包括至少一个可移动叶片部分(21)，其在移动时可改变来自所述返回通道(24)的气体的速度的切向分量。

2.根据权利要求1所述的压缩机单元，其特征在于，所述返回通道(24)具有固定叶片(22)，所述可移动叶片部分(21)为固定叶片(22)的延伸部。

3.根据权利要求2所述的压缩机单元，其特征在于，各个可移动叶片部分为固定叶片在所述固定叶片下游的延伸部。

4.根据权利要求2所述的压缩机单元，其特征在于，所述返回通道包括一组固定叶片，所述组中的各个固定叶片在为所述固定叶片的上游延伸部的第一可移动叶片部分之后，并且后接为所述固定叶片的下游延伸部的第二可移动叶片部分。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述可移动叶片部分(21)能够移动成关于大致平行于所述叶轮(4)的几何轴线(XX′)的轴线(20)旋转。

6.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述返回通道(24)具有若干可移动叶片部分(21)，其能够同时采用中性角位置(N)，对于所述中性角位置(N)，来自所述返回通道(24)的气体具有大致零的切向速度分量。

7.根据权利要求6所述的压缩机单元，其特征在于，各个可移动叶片部分(21)可在所述中性角位置(N)的任一侧上的两个极限位置(S，C)之间转动。

8.根据权利要求4至权利要求7中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，成组的第一可移动叶片部分能够在第一中性角位置的任一侧上转动，并且成组的第二可移动叶片部分能够在第二中性角位置的任一侧上转动，所述两组能够独立于彼此并且关于中性位置独立地转动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述可移动叶片部分或多个可移动叶片部分(21)的轴向宽度大致等于所述返回通道(24)的轴向宽度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述返回通道(24)包括若干可移动叶片部分(21)，其可由单个控制马达(17)移动。

11.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机单元，其特征在于，所述压缩机单元包括若干离心压缩级，其中所述离心压缩级中的至少两个均具有一个叶轮(4，4′)、一个扩散器(23)，以及设有可移动叶片部分(21)的一个返回通道(24)。