CN106536936A - 液环压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液环压缩机，其包括第一单动压缩级(17)和第二单动压缩级(18)，所述第一单动压缩级(17)具有偏心安装在外壳(14)中的第一叶轮(23)，所述第二单动压缩级(18)具有偏心安装在外壳中的第二叶轮(24)。第一压缩级(17)和第二压缩级(18)通过密封间隙(28)彼此分离。根据本发明，密封间隙(28)布置在所述第一压缩级(17)的吸气段(271)和所述第二压缩级(18)的吸气段(272)之间。

Description

液环压缩机

技术领域

本发明涉及液环压缩机，包括第一压缩级和第二压缩级，该第一压缩级具有偏心安装在外壳中的第一叶轮，该第二压缩级具有偏心安装在外壳中的第二叶轮。两个压缩级均为单动式。密封间隙分离第一压缩级和第二压缩级。

背景技术

在液环压缩机中，叶轮使液环保持运动，导致叶轮的叶片间的腔室由液环关闭。由于叶轮偏心安装在外壳中，基于叶轮的角位置，不同量的液环进入腔内并由此充当改变腔的容积的活塞。在腔容积小的角度范围中，气体压缩进入腔内。当叶轮旋转，腔容积减小，压缩气体在压缩过程最后又出现在叶轮的不同角位置。

通过在压缩机内串联连接多个压缩级，可以在压缩机的入口侧和出口侧之间产生增大的压力差。吸气入口侧的气体通过第一压缩级压缩。该气体通过第一压缩级的出口侧到第二压缩级的入口侧以在此处进一步压缩。

如果第一压缩级和第一压缩级仅通过密封间隙彼此分离，液环压缩机的结构可以非常紧凑。

然而，由于第一压缩级和第二压缩级之间的压力差，可能出现通过密封间隙漏流。该泄漏损耗对压缩机的效率有负面影响。

发明内容

本发明的根本目的在于提出一种提高效率的液环压缩机。从引用的现有技术出发，该目的由权利要求1中的特征实现。有利实施例由从属权利要求指示。

根据本发明，密封间隙布置在第一压缩级的吸气段和第二压缩级的吸气段之间。

首先将解释若干术语。术语“密封间隙”用于指代相对彼此运动的两个压缩部件之间的过渡区域。该密封间隙设计为介质通过该密封间隙的传输被严格限制。

术语“吸气段”指代压缩机的周向段。当叶轮的腔经过该吸气段，叶片和液环之间封闭的腔容积的大小增加。在吸气段，待压缩的气体被送进腔。

在单动压缩级的情况下，叶轮的腔的一个完整循环(360°)过程中仅存在一个压缩过程。因此，该腔仅经过一个吸气段和一个压力段。压缩过程通常持续大于180°的圆周角。在双动压缩级的情况下，相较而言，在一个完整循环中，首先穿过第一吸气段和第一压力段，接着是第二吸气段和第二压力段。单个压缩过程持续小于180°。

由于压缩机设计为两个压缩级的吸气段彼此邻接，通过密封间隙的压力差被最小化。该压力差仅同于第一压缩级的吸气段和压力段之间的压力差。由于该较小压力差，通过密封间隙的泄漏损耗保持较小，对压缩级的效率具有积极影响。

基于本发明，可认为强大力作用于压缩机的轴上。在两个压缩级的情况下，由于吸气段布置在压缩级的相同角度段，两个压缩级沿相同方向向轴施加力。因此，本发明不同于机器设计为内力尽可能相互中和的通常过程。根据该方法，两个压缩级的吸气段将布置为呈180°偏移，使得力相反。然而，本发明认识到可以通过设计方法吸收出现的力，且由此与获得的效率方面的优势相比需要的额外费用较小。如果两个压缩级相对彼此转180°，实质上，两个压力级之间的全部压力差将施加在第一压缩级的吸气段和第二压缩级的压力段之间的密封间隙上。该效率的减小将是很明显的。

优选地，该两个压缩级由共同轴驱动，因此两个压缩级的叶片以相同角速度运动。压缩机可包括与第一压缩级关联的第一控制盘和与第二压缩级关联的第二控制盘。控制盘具有吸气缝，待压缩的气体通过该吸气缝进入叶轮的腔。控制盘还具有压力缝，来自叶轮的腔的压缩气体通过该压力缝再度出现。吸气缝布置在压缩机的吸气段，压力缝布置在压缩机的压力段。

优选地，两个压缩级布置在第一控制盘和第二控制盘之间。第一压缩级的叶轮可设有位于第一控制盘的另一端的壁，该壁沿轴向封闭腔并随着叶轮转动。第二压缩级的叶轮可设有位于第二控制盘的另一端的壁，该壁沿轴向封闭腔。在每种情况下，优选地，该壁至少延伸至叶片的外端。

第一压缩级的叶轮和第一压缩级的叶轮可彼此分离，因而两个叶轮中的每个皆具有这种壁。在一个优选实施例中，两个压缩级的叶轮为整体部件的元件。整体部件可设有中间隔断壁，其同时封闭两个压缩级的腔。第一压缩级的腔可布置为相对于第二压缩级的腔沿周向偏移。两个压缩级可具有相同数量的腔。

密封间隙可在壁的圆周表面和外壳的与之相邻的端部表面之间形成。优选地室温下，壁的圆周表面和外壳的端部表面之间的径向余隙小于1mm，优选地小于0.5mm。由柔性材料制得的两表面密封的密封元件可布置在密封间隙。

第一压缩级的叶轮可与第二压缩级的叶轮具有向相同直径。因此，本发明不同于传统压缩机之处在于，传统压缩机中串联连接的两个压缩级通常设有不同直径以匹配不同压力级和压缩级。根据本发明，涉及的第一压缩级超尺寸，进而即使对于减小的吸气压力，也能够保持出口压力恒定。

第一压缩级的叶轮和第二压缩级的叶轮在外壳的内部空间旋转。偏心布置与该内部空间有关。第一压缩级的内部空间可与第二压缩级的内部空间直径相同。第一压缩级和第二压缩级的内部空间可具有均匀轮廓。对于每个角位置，情况是第一压缩级和第二压缩级的内部空间的壁和轴中心的距离相同。

压缩机的外壳可具有导管，其从第一压缩级的出口侧延伸至第二压缩级的入口侧。优选地，导管沿轴向从第一控制盘经由两个压缩级的叶轮延伸直至第二控制盘。导管还可包括遍及至少90°的压缩机的周向段的段，优选地至少120°。这使得气体途径自第一压缩级的压力缝直至第二压缩级的吸气缝，其中该吸气缝布置在不同的角位置。

压缩机可设计为压缩机的入口孔邻接第一压缩级的入口侧。入口孔在短线柱中成形，该短线柱设有连接管道的法兰。第二压缩级的出口侧可通过压缩机的出口孔邻接，该出口孔同样可在该类型的短线柱中成形。

在一个优选实施例中，第三压缩级邻接第二压缩级的出口侧。优选地，同样，第三压缩级包括布置在外壳内的叶轮。第三压缩级的叶轮可通过与第一压缩级的叶轮和第二压缩级的叶轮相同的轴驱动。第三压缩级可为双动设计，意味着在一个完整循环过程中，各个腔经过两个压缩过程。因此，优选地，第三压缩级包括两个吸气段和两个压力段，在各情况下相对彼此180°偏移。导管能够形成在压缩机的外壳中，该导管从第二压缩级的压力缝延伸直至第一压缩级的吸气缝。

第三压缩级的叶轮可由两控制盘包围。在这种情况下，吸气缝可在一个控制盘形成，压力缝可在另一控制盘形成。压缩机的出口孔可邻接第三压缩级的出口侧。

第一压缩级和第二压缩级之间的压力差导致沿轴向相当大的力。压缩机可配置足够稳定的主轴承以吸收这些轴向力。在一个优选实施例中，第三压缩级的叶轮包括平衡活塞，其封闭轴向的压力平衡腔。特别地，叶轮的轮毂可设计为平衡活塞。压力平衡腔的压力可低于第三压缩级的出口侧的压力，优选地，低于第三压缩级的入口侧的压力。特别地，压力平衡腔可通过导管连接至第一压缩级的入口侧。轴上的轴向压力通过该方法可显著降低。

优选地，根据本发明的压缩机包括连续轴，该连续轴在所有压缩级延伸。该轴可通过第一主轴承和第二主轴承支撑。这两个主轴承可布置为在其间包围所有压缩级。该轴在这两个主轴承之间可没有其他轴承。

上述主轴承中的一个可设计为圆锥滚柱轴承，其中优选地，该主轴承具有两个相对定向的圆锥滚柱轴承。这种类型的主轴承精心设计用于吸收轴向力。优选地，压缩机的出口侧的主轴承设计为这种类型的圆锥滚柱轴承。压缩机的入口侧能够使用低载荷的主轴承以吸收轴向力。优选地，轴由主轴承支持，使其不会轴向运转。优选地，轴的压力-侧端布置在外壳内。轴的吸气-侧端可从外壳突出，使得驱动电机连接于此。

由于叶轮运行时相对于控制盘有小余隙，叶轮应在轴的精确确定位置上。优选地设有定距套，并布置在轴和叶轮之间而确定叶轮的径向位置。定距套可由不同于轴的材料制得。例如，轴可由普通钢制得，定距套由优质钢制得。

优选地，定距套设计为其匹配轴，即沿径向自由运转并可相对于轴沿轴向运动。同样的，定距套沿径向自由运转并能够在叶轮间沿轴向运动。每个叶轮部件可由两定距套包围。对于每个定距套，叶轮部件可具有偏出部分，定距套沿轴向抵靠该偏出部分并为定距套确定精确轴向位置。至于轴向力，其使得叶轮和定距套构成其中每个元件具有确定位置的固体单元。例如，该单元相对于轴的位置可由之间夹紧单元的两个轴螺帽确定。优选地，该单元包括两个外定距套和一个中间定距套，其中两个叶轮各布置在外定距套和中间定距套之间。定距套可设计为轴突起套，其通过相配密封避免传送的介质和轴之间的接触。

如果定距套由不同于轴的材料制得，由于不同热膨胀系数会产生应力。为了以可控方式吸收这些应力，定距套中的一个可设有弱化，导致应力在弱化区域造成定距套的变形。其他定距套则不变形，因此叶轮继续被支撑在限定位置。例如，该弱化可设计为一个或多个槽，其沿着定距套的周向延伸。在其上两个定距套之间夹紧叶轮且在其上定距套中的一个具有弱化的轴单独构成一个发明。

优选地，所有布置在叶轮和压缩机的入口侧之间的定距套没有弱化。优选地，弱化应用于布置在叶轮和轴的压力侧端之间的定距套。

本发明的一个实施例中，第一压缩级和第二压缩级之间的密封间隙专用于提供形成液环的工作液。为此，第二压缩级设有工作液的进给。一些工作液经过密封间隙进入第一压缩级以在那里形成液环。若无密封间隙，第一压缩级可没有工作液的进给管道。当工作液的流量过低时，第一压缩级的压力下降，因而经过密封间隙的工作液的流量是自动调节的。在该实施例中，无需保持密封间隙尽可能小，相反，密封间隙可设为与所需工作液的流量相匹配。根据本发明，工作液以相对高压力进给来获得效率提高而非从第一压缩级释放至第二压缩级。所需压力的工作液通常可从布置在压缩机的压力侧的液体分离器获得。

第三压缩级也可设有工作液体的进给。

根据本发明的压缩机可设计为液环压缩机，其设计为在出口侧输出远远高于大气压的输出气体。优选地，大于1bar的大气压，出口压力高于8bar，例如介于10bar和15bar之间。例如，在具有三个压缩级的实施例中，第一压缩级的出口侧的压力可介于2bar和3bar之间，第二压缩级的出口侧的压力可介于4bar和6bar之间。根据本发明的压缩机具有高吸气容积。基于该原因，其也可以由少量节流操作而不造成出口侧压力的明显下降。例如，入口侧的压力介于200mbar和500mbar之间，而出口侧的压力不降至低于10bar。本发明还涉及一种方法，其中根据本发明的压缩机应用于这些压力范围。作为替代，根据本发明的压缩机还可设计为液环真空泵，其设计为以大致大气压输出气体。

根据本发明的压缩机可意用于大型工业设备，诸如需要处理高容积流量的精炼厂。例如，压缩机可设计为介于500kW和2MW的驱动功率。压缩机还可设计为在大气压下吸气介于800m³/h和3000m³/h的容积流量。例如，轴的直径可介于15cm和30cm之间。

根据本发明的压缩机，气体的压缩实质上等温发生，这是因为气体在压缩过程中与液环紧密接触。出来的气体的温度可通过液环的温度调节。等温系数定义为当出口侧和入口侧的气流温度一致时，另外包含在压缩机的出口侧的气流的热力学功和轴功的商数。根据本发明的压缩机，该等温系数介于30％和50％之间，优选地介于35％和50％之间。相较而言，先前的液环压缩机的等温系数的量级为25％至30％。

附图说明

下面将通过有利实施例结合附图来描述本发明，其中：

图1：示出根据本发明的压缩机的透视图；

图2：示出图1的压缩机的部分剖开的示意图；

图3：示出图1的压缩机的截面；

图4：示出图1的压缩机的部件；

图5：示出根据本发明的压缩机的替换示例的截面；

图6：示出图5的放大细节。

具体实施例

图1和图2示出的液环压缩机包括外壳14，其通过四条腿15站立在地面上并且其中轴16旋转安装。轴16沿压缩机的整个长度延伸。全部三个压缩级17、18、19共同通过轴16驱动。

从外壳14突出的轴颈20用于连接驱动电机(未示出)。例如，驱动电机的功率可为1MW。轴16的另一端布置在外壳14中。

压缩机包括进口孔21，其通过设有法兰的短线柱延伸。气体通过进口孔21吸入压缩机。压缩机还包括对应设计的出口孔22，通过该出口孔22压缩的气体被再排出。气体依次流入三个压缩级17、18、19，并通过该三个压缩级进行压缩。

图4中固定在轴16上的是整体部件，其中形成有第一压缩级17的叶轮23和第二压缩级18的叶轮24。这两个叶轮23、24通过中间壁26彼此分离。此外，第三压缩级19的叶轮25连接至轴16。叶轮23、24、25在外壳14内随轴16旋转。

图3的截面图示出叶轮23、24在外壳14内偏心安装。轴16和包围叶轮23、24的内部空间的上端之间的余隙小于轴16和内部空间的下端之间的余隙。内部空间具有均匀轮廓，因而对于第一压缩级17和第二压缩级18，轴16和内部空间的壁之间的余隙在各个角位置均相同。因此，第一叶轮23的腔在与第二叶轮24的腔相同角位置具有最小容积。类似的叙述适用于最大容积和中间位置。

其中腔的容量增加的角度段称为吸气段。其中腔的容量减少的角度段称为压力段。图3的截面图中，位于轴16下方的区域属于吸气段271、272，位于轴上方的区域属于压力段281、282。在一个完整循环中，叶轮23、24精确经过一个吸气段271、272和一个压力段281、282。因此，第一压缩级17和第二压缩级18为单动式。压缩过程持续超过180°。

叶轮23、24的各个腔轴向由控制盘29、30界定。各个控制盘29、30具有吸气段271、272中的吸气缝和压力段281、282中的压力缝。控制盘29的吸气缝与压缩机的入口孔21连接。通过入口孔21吸入的气体经过吸气缝进入叶轮23的腔。当叶轮23旋转时，腔的容量减小，压缩的气体通过控制盘29的压力缝从叶轮23的腔再度出现。第一压缩级17的压缩过程由此完成。例如，如果气体已以1bar的大气压吸入，第一压缩级的出口处的压力可介于2bar和3bar之间。

压缩的气体通过外壳内14成形的导管31经由控制盘29的压力缝至控制盘30的吸气缝。气体经过吸气缝进入叶轮24的腔。当叶轮24旋转时，气体进一步压缩。例如，气体经过控制盘30的压力缝以介于4bar和6bar之间的压力从第二压力级18再度出现。

形成第三压力级19的第三叶轮25由第三控制盘32和第四控制盘33包围。控制盘32包括两个彼此呈180°偏移的压力缝。包围第三叶轮25的外壳内部空间设计为形成两个吸气段和两个压力段。因而在一个完整循环中，叶轮经过两个吸气段和两个压力段并进而进行两次压缩过程，每次压缩过程持续小于180°，因此第三压缩级为双动式。控制盘32的吸气缝定位为提供吸气段的进口。相应地，控制盘33的压力段定位为提供压力段的进口。

气体经过第二压缩级18的出口至控制盘32的吸气缝，进而使其进入叶轮25的腔。压缩过程后，气体以例如介于10bar和15bar之间的气压通过控制盘33的压力缝再度从第三压缩级出现。从这里，气体通过出口孔22从压缩机出去。

由于第一压缩级17和第二压缩级18之间的压力差，泄漏流可在第二叶轮24的腔和第三叶轮23的腔之间形成。泄漏流经过存在于叶轮23、24的间隔壁26和外围外壳之间的密封间隙28。为了控制泄漏流，间隔壁26和外壳之间的径向余隙保持尽可能小，且密封间隙28进一步布置有密封环。然而，通过这些方法还无法完全避免泄漏流。

根据本发明，进一步促成泄漏流的降低是基于第一压缩级17和第二压缩级18的吸气段271、272和压力段281、282各个布置在相同的角位置。因此，第一压缩级17和第二压缩18的压力差在所有角位置近似相同，且仅为2bar至3bar的量级。该小压力差也阻碍了高泄漏流的形成。

然而，最先两个压缩级17、19中的吸气段271、272和压力段281、282的对应角位置还导致沿径向作用在轴16上的较大力。通过制备非常重的轴16吸收这些力。例如，轴可由钢制得且直径为20cm。该标示尺寸经证明足以防止轴16在由叶轮23、24施加的力下过度弯曲。

由于叶轮24的腔和叶轮23的腔之间的压力差，还存在沿轴向作用在轴16的较大力，图3中该力指向左侧。这些力由大尺寸的主轴承35吸收。主轴承35设计为圆锥滚柱轴承，其可以不但吸收径向力，而且吸收较大轴向力。第二主轴承34主要吸收径向力。两主轴承34、35之间的轴16没有额外支撑。

为了控制各个压缩级17、18、19内的泄漏流，还希望叶轮23、24、25的叶片应相对于控制盘29、30、32、33尽可能最小余隙运动。为此的前提条件是叶轮23、24、25在轴16的特定位置保持高精度固定。根据本发明的压缩机通过在叶轮和轴16之间布置定距套36、37、38完成，其中间隔器限定径向的精确位置。

由于定距套36、37、38沿轴向抵靠叶轮23、24、25上的相配突起，其因此还限定轴向的精确位置。包括定距套36、37、38和叶轮23、24、25的单元通过两个轴螺帽沿轴向共同夹紧，使得所有元件都具有精确的限定位置。

定距套36、37、38由优质钢制得，因而具有与轴16不同的材料。当压缩机变热时，由于不同热膨胀系数将产生应力。为了以可控方式吸收这些，布置在第三叶轮25和压力侧主轴承35之间的定距套38设有内槽41，其在图6的放大图中示出。内槽41构成定距套38的弱化，导致源于该区域内热膨胀而产生的变形。该针对性变形确保当压缩机变热时叶轮23、24、25的轴向位置仅非常细微的偏移。

图5示出的替代实施例中，叶轮25的轮毂42设计为平衡活塞，以减小轴16上的轴向压力。沿着压力侧的方向，轮毂42与筒型腔43邻接，其中筒型腔相对于轮毂42由密封间隙44密封。腔43由线45连接至压缩机的进口侧，其压力大致为大气压。由于大气压通入第三压缩级19的出口侧，轴向压力降低，轴16解除负载。

第二压缩级18和第三压缩级19各自连接至工作液的给水管道(未示出)，这些由布置在压缩机的压力侧上的液体分离器提供。第一压缩级17没有工作液的直接供水。相反，第一压缩级通过密封间隙28提供工作液。选择密封间隙的直径以建立所需的工作液的流量。

Claims (14)

1.一种液环压缩机，具有第一单动压缩级(17)和第二单动压缩级(18)，所述第一单动压缩级(17)具有偏心安装在外壳(14)中的第一叶轮(23)，所述第二单动压缩级(18)具有偏心安装在外壳中的第二叶轮(24)，其中第一压缩级(17)和第二压缩级(18)通过密封间隙(28)彼此分离，其特征在于，密封间隙(28)布置在所述第一压缩级(17)的吸气段(271)和所述第二压缩级(18)的吸气段(272)之间。

2.根据权利要求1所述的液环压缩机，其特征在于，所述第一压缩级(17)具有第一控制盘(29)，所述第二压缩级(18)具有第二控制盘(30)，其中所述第一叶轮(23)和所述第二叶轮(24)布置在所述第一控制盘(29)和所述第二控制盘(30)之间。

3.根据权利要求1或2所述的液环压缩机，其特征在于，所述第一叶轮(23)的腔和所述第二叶轮(24)的腔之间形成有随所述叶轮(23、24)旋转的壁(26)。

4.根据权利要求3所述的液环压缩机，其特征在于，所述密封间隙(28)布置在所述壁(26)的周向表面和所述外壳(14)的端表面之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，所述外壳(14)具有从所述第一压缩级(17)的出口侧延伸至所述第二压缩级(18)的入口侧的导管(31)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，第三压缩级(19)邻接所述第二压缩级(18)的出口侧，其中所述第三压缩级(19)的叶轮(25)通过与所述第一叶轮(23)和所述第二叶轮(24)相同的轴(16)驱动。

7.根据权利要求6所述的液环压缩机，其特征在于，所述第三压缩级(19)为双动设计。

8.根据权利要求6或7所述的液环压缩机，其特征在于，所述第三压缩级(19)的叶轮(25)布置在第一控制盘(32)和第二控制盘(33)之间，所述第一控制盘(32)形成有吸气缝，所述第二控制盘(33)形成有压力缝。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，所述第三压缩级(19)的所述叶轮(25)具有平衡活塞(42)，其沿轴向封闭压力平衡腔(43)，其中所述压力平衡腔(43)的压力低于所述第三压缩级(19)的出口侧的压力。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，各叶轮部件(23、24、25)由沿轴向的两个定距套(36、37、38)包围。

11.根据权利要求10所述的液环压缩机，其特征在于，定距套(38)中的一个设有弱化(41)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，所述第二压缩级(18)装配有工作液的进给，所述第一压缩级(17)没有工作液的进给管道。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，所述第三压缩级(19)装配有工作液的进给。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的液环压缩机，其特征在于，所述液环压缩机设计为介于500kW和2MW之间的驱动功率。