CN105765172A - 用于操作具有超载保护的涡轮机的方法以及包括用于执行所述方法的装置的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作具有至少一个涡轮机级的涡轮机的方法，其中，所述方法为旋转轴提供超载保护，并且为了保护旋转轴避免超载在旋转轴的操作期间执行旋转轴的扭转应力的测量。经由旋转轴的扭矩的测量来测量扭转应力。优选地，磁弹性地测量所述扭矩。通过使用测得的旋转轴扭矩来预测扭矩的发展。基于所产生的预测，来调节涡轮机的涡轮机级或者操作参数。本发明还涉及一种包括至少一个涡轮机级的涡轮机，该至少一个涡轮机级具有至少一个旋转轴，其中，涡轮机具有用于实现该方法的装置。所述涡轮机是例如具有多个压缩机级（涡轮机级）的涡轮压缩机。可单独调节每个压缩机级。通过使用本发明，可以对涡轮机进行有效且简单的过载保护。

Description

用于操作具有超载保护的涡轮机的方法以及包括用于执行所述方法的装置的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于操作具有超载保护的涡轮机的方法。该涡轮机具有至少一个涡轮机级。此外，详细说明了一种具有用于执行该方法的装置的涡轮机。

背景技术

在涡轮机中，能量通过流动流体（气体或者液体）来转移。在该情况下能量转移经由具有旋转轴（驱动轴或者输出轴）的转子而发生。旋转轴上布置的是转子叶片、翼或叶片，其形成为使得在转子的前侧和后侧之间流体流动（容积流率）中的压力差（Δp）上升。

通常，当前涡轮机（例如涡轮压缩机）中的超压保护一般经由驱动涡轮机来得到确保。用于驱动涡轮机级的旋转轴的马达的输出经由其启动电流来调控或者限制。这种方法是静态的并且不是非常灵活。

发明内容

本发明的目的是指出如何能够将有效超载保护灵活地且容易地集成到涡轮机中。

为了实现该目的，详细说明了一种用于操作具有至少一个涡轮机级的涡轮机的方法，该至少一个涡轮机级具有至少一个旋转轴，其中，该方法为旋转轴提供超载保护，并且为了旋转轴的超载保护，在旋转轴的操作期间感测旋转轴中的扭转应力。

为了实现该目的，还详细说明了一种具有至少一个涡轮机级的涡轮机，该至少一个涡轮机级具有至少一个旋转轴，其中，该涡轮机具有用于执行该方法的装置。例如，该涡轮机是具有多个压缩机级（涡轮机级）的涡轮压缩机。

该方法可以用于单级涡轮机。该涡轮机仅具有一个涡轮机级。在优选配置中，将具有至少一个又一涡轮机级的多级涡轮机用作该涡轮机，所述又一涡轮机级具有至少一个又一旋转轴。在该情况下，该方法为又一旋转轴提供超载保护，并且，为了该又一旋转轴提供超载保护，在该又一旋转轴的操作期间感测该又一旋转轴中的又一扭转应力。该涡轮机具有至少一个又一涡轮机级，其具有至少一个又一旋转轴。在该情况下，例如，旋转轴和又一旋转轴是相同的。涡轮机级仅有一个共同的旋转轴。例如，这种多级涡轮机是多级涡轮压缩机。

本发明的基本构思是，在涡轮机的操作期间确定旋转轴处的扭转扭矩和/或又一旋转轴处的又一扭转扭矩。所确定的扭转扭矩用于每个特定旋转轴的超载保护。在该情况下，优选地对每个旋转轴单独地进行处理。用于感测扭转应力的方法和用于感测又一扭转应力的方法彼此独立地执行。

根据一个特定配置，为了感测旋转轴中的扭转应力，测量该旋转轴的扭矩，和/或为了感测又一旋转轴中的扭转应力，测量该又一旋转轴的又一扭矩。

在一个特定配置中，为了涡轮机级中的至少一个的旋转轴的超载保护，执行如下方法步骤：

a）通过使用旋转轴的测量扭矩来预测旋转轴的扭矩的发展，以及

b）通过该预测来改变涡轮机级的至少一个操作参数。

通过使用所测量的扭矩，估计扭矩的暂时发展。因此，例如，针对每个特定旋转轴估计出扭矩是否超过可允许的极限值M_lim。

在该情况下，优选地连续地测量特定扭矩。因此，可感测到扭矩中的暂时变化。基于所感测到的扭矩或者扭矩中的暂时变化，估计出扭矩的发展。建立扭矩的发展的预测（预计）。预测或推断扭矩的发展。通过使用该预测来估计是否超过了扭矩的可允许的极限值M_lim。在该情况下，采取了防范措施。对涡轮机级的至少一个操作参数作出改变，使得不会超过而是符合旋转轴的极限值M_lim。

例如，基于预测来改变流体的容积流率，涡轮机或者涡轮机级通过使用该容积流率进行操作。涡轮机级的操作参数是容积流率。同样可设想的是，基于预测来改变涡轮机级的旋转轴操作的旋转速度。因此，可关闭或者暂停（旋转速度为0）涡轮机或者涡轮机级。操作参数是涡轮机级的旋转轴的旋转速度。其它操作参数是例如流动流体的折流板（baffle）的定向的设置。

在一个特定配置中，用于测量旋转轴扭矩的扭矩传感器布置在旋转轴处，和/或用于测量又一旋转轴的又一扭矩的又一扭矩传感器布置在又一旋转轴处。扭矩和又一扭矩以及可选地其暂时变化可以独立于彼此进行测量。

扭矩传感器中的至少一个优选地直接布置在特定旋转轴上。在扭矩传感器的帮助下，直接测量出旋转轴处的扭矩。例如，压缩机具有多个压缩机级，其在每种情况下具有一个压缩机壳体。对于每个压缩机壳体，扭矩单独地测量为驱动轴与输出轴之间的扭矩差。

优选地，为了测量旋转轴的扭矩和/或为了测量又一旋转轴的又一扭矩，执行非接触式测量方法。扭矩传感器和/或又一扭矩传感器是非接触式扭矩传感器。

例如，执行光学测量方法来作为非接触式测量方法。优选地，非接触式方法在磁致弹性式扭矩传感器的帮助下执行。非接触式扭矩传感器是磁致弹性式扭矩传感器。

磁致弹性是基于作用在铁磁材料上的机械力而导致的铁电性材料的导磁率的变化。由于使用了磁致弹性式扭矩传感器，所以可以在涡轮机的操作期间直接测量扭矩。

到目前为止，只有做出相当大的努力才能在操作期间直接测量出压缩机处的扭矩，例如，通过附接至旋转轴的应变计以及用于传输从旋转的旋转轴接收到的信号的遥测技术。由于使用了精确的磁致弹性式扭矩传感器，其与旋转轴没有任何接触并且也不需要对旋转轴做任何处理（例如，将应变计附接至旋转轴），所以可以简单地直接使用所描述的方法。

关于磁致弹性式测量原理，尤其有利的是使用完全由铁电性材料组成的涡轮机级的旋转轴。然而，还可设想的是，旋转轴仅有一部分由铁电材料组成。例如，旋转轴的铁电性涂层由铁电性材料组成，该铁电涂层牢固地连接至旋转轴。由于铁电性涂层与旋转轴的连接，所以这确保了可将旋转轴的扭矩传输至铁电性涂层。由于扭矩的传输，所以铁电性涂层的铁电性材料的导磁率发生变化。这就产生允许得出关于旋转轴的扭矩的结论的可检测信号。

所描述的方法可用于所有类型的涡轮机。根据一个特定配置，涡轮机选自包括如下部件的组：燃气涡轮、蒸汽涡轮、涡轮增压器、泵、压缩机和水力涡轮。优选地，涡轮机是压缩机，尤其是涡轮压缩机。涡轮压缩机应理解为是油气领域的机械驱动式压缩机以及用于能量转换的组合机，诸如燃气涡轮。

由于扭矩或者多个扭矩的高分辨率测量，所以可提早推测和预测超压。这尤其适用于暂时变化足够小的情况。这种动态过程用于防止超过或者超出超载限制。

附图说明

下文参照多个示例性实施例和相关附图对本发明进行更加详细描述。附图是示意性的并且不表示按照实际比例绘制的图。

图1示出单级单轴压缩机。

图2示出多级单轴压缩机。

图3示出齿轮压缩机。

图4示出使用所测量的扭矩预测扭矩的发展。

具体实施方式

示出的是成具有至少一个压缩机级（涡轮机级）11的涡轮压缩机形式的涡轮机1。压缩机级11具有旋转轴111。

扭矩传感器112布置在旋转轴111处以便测量旋转轴的扭矩。扭矩传感器112是磁致弹性式扭矩传感器。

涡轮压缩机1具有用于执行操作涡轮压缩机1的方法的装置100，其中，

-该方法为旋转轴提供超载保护，并且

-为了旋转轴的超载保护，在该旋转轴的操作期间感测旋转轴中的扭转应力。

为了在磁致弹性式扭矩传感器112的帮助下测量扭矩，旋转轴111由铁电性材料组成。在替换示例性实施例中，旋转轴111具有铁电性涂层，铁电性涂层牢固地连接至旋转轴111。

取决于扭矩的暂时变化，压缩机级11的至少一个操作参数发生变化。为此，使用泵调节装置118。操作参数是旋转轴111的旋转速度115和/或流体的容积流率，旋转轴111的旋转速度115可经由马达13的致动而改变，流体的容积流率可经由容积流率孔板114而改变。

示例1：

涡轮压缩机1是（轴向或者径向地操作的）仅具有一个压缩机级的单轴压缩机（仅具有一个旋转轴的压缩机）（图1）。压缩机级的前侧由参考符号116表示，并且压缩机级的后侧由参考符号117表示。

示例2：

与示例1相反，涡轮压缩机1是多级单轴压缩机（图2）。涡轮压缩机1具有涡轮压缩机级11和至少一个又一涡轮压缩机级12。

压缩机级11的旋转轴111和又一压缩机级12的又一旋转轴121形成共同旋转轴。

又一磁致弹性式扭矩传感器122布置在又一压缩机级12处。在又一扭矩传感器122的帮助下，在又一旋转轴121的区域中取得又一扭矩。

扭矩传感器112和又一扭矩传感器122彼此独立地操作。

示例3：

涡轮压缩机1是齿轮压缩机（图3）。压缩机级11和又一压缩机级12经由齿轮机构14连接在一起。旋转轴111经由马达13驱动。又一旋转轴121经由齿轮机构14联接至旋转轴111。

旋转轴111的扭矩经由扭矩传感器112测量，并且又一旋转轴121的又一扭矩经由又一旋转扭矩传感器122测量。

通过可调节的输入控制设备（ELA）310和可调节的输出控制设备（ALA）320分别将待被压缩的流体引入到齿轮压缩机中和将压缩流体再次从齿轮压缩机移除。

其它组成部件是：容积流率孔板330以及用于测量各个压缩机级11和12处的压力差340和350的装置。

图4图示了如何能够基于所测量的扭矩40来预测扭矩41的持续发展。通过该预测，能够估计是否会达到特定扭矩极限值M_lim（42）以及如果会达到的话是在何时达到。该极限值可以是警戒值并且作为边界信号。基于将达到警戒值41的预测，涡轮压缩机1或者其压缩机级的操作参数将发生变化，使得不会达到警戒值。

在替换性配置中，警戒值41作为关闭信号：警戒值的预测到达导致涡轮压缩机1被关闭。

Claims (14)

1.一种用于操作具有至少一个涡轮机级（11）的涡轮机（1）的方法，所述至少一个涡轮机级（11）具有至少一个旋转轴（111），其中，

-所述方法为所述旋转轴提供超载保护，以及

-为了所述旋转轴的超载保护，在所述旋转轴的操作期间感测所述旋转轴中的扭转应力。

2.如权利要求1所述的方法，其中

-将具有至少一个又一涡轮机级（12）的多级涡轮机用作所述涡轮机（1），所述又一涡轮机级（12）具有至少一个又一旋转轴（121），

所述方法为所述又一旋转轴提供超载保护，以及

为了所述又一旋转轴的超载保护，在所述又一旋转轴的操作期间感测所述又一旋转轴中的又一扭转应力。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，为了感测所述旋转轴（111）中的扭转应力，测量所述旋转轴（111）的扭矩，和/或为了感测所述又一旋转轴（121）中的扭转应力，测量所述又一旋转轴（121）的又一扭矩。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，为了所述涡轮机级（11,12）中的至少一个的旋转轴（111,121）的超载保护，执行如下方法步骤：

a）通过使用所述旋转轴（111,121）的测量扭矩来预测所述旋转轴（111,121）的扭矩的发展，以及

b）通过所述预测来改变所述涡轮机级（11,12）的至少一个操作参数。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中，为了测量所述旋转轴（111）的扭矩和/或为了测量所述又一旋转轴（121）的又一扭矩，执行非接触式测量方法。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述非接触式测量方法在至少一个磁致弹性式扭矩传感器（121）的帮助下执行。

7.如权利要求4至6中的任一项所述的方法，其中，流体在所述涡轮机级处的容积流率和/或扭矩被用作所述操作参数和/或所述又一操作参数，致流机级通过所述容积流率来操作，所述涡轮机级的旋转轴由所述扭矩驱动。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述涡轮机（1）选自包括如下部件的组：燃气涡轮、蒸汽涡轮、涡轮增压器、泵、压缩机和水力涡轮。

9.一种具有至少一个涡轮机级（11）的涡轮机（1），所述至少一个涡轮机级（11）具有至少一个旋转轴（111），其中，所述涡轮机（1）具有用于执行如权利要求1至8中的任一项所述的方法的装置（100）。

10.如权利要求9所述的涡轮机，其中，所述涡轮机（1）具有至少一个又一涡轮机级（12），所述至少一个又一涡轮机级（12）具有至少一个又一旋转轴（121）。

11.如权利要求9或10所述的涡轮机，其中，用于测量所述旋转轴（111）扭矩的扭矩传感器（112）布置在所述旋转轴（111）处，和/或用于测量所述又一旋转轴（121）的又一扭矩的又一扭矩传感器（122）布置在所述又一旋转轴（121）处。

12.如权利要求11所述的涡轮机，其中，所述扭矩传感器（112）和/或所述又一扭矩传感器（122）是非接触式扭矩传感器。

13.如权利要求12所述的涡轮机，其中，所述非接触式扭矩传感器是磁致弹性式扭矩传感器。

14.如权利要求9至13中的任一项所述的涡轮机，其中，所述涡轮机（1）选自包括如下部件的组：燃气涡轮、蒸汽涡轮、涡轮增压器、泵、压缩机和水力涡轮。