CN109424375A - 具有磁轴承冷却的涡轮机系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机系统(1)包括设有涡轮机转子(7)的涡轮机(3)。涡轮机转子包括涡轮机轴(9)，涡轮机轴(9)具有第一轴端部(9.1)和第二轴端部(9.2)。涡轮机轴(9)由主动磁轴承(13,15,17)支承，用于在涡轮机壳体(11)中旋转。涡轮机系统还包括旋转式机器(5)和第一闭合的冷却回路(56)，旋转式机器(5)传动地联接于第一轴端部(9.1)，第一闭合的冷却回路(56)适用于使冷却流体在其中循环并且流体地联接于主动磁轴承(13,15,17)，以从其中去除热。闭合的冷却回路(56)包括冷却流体叶轮(57)，冷却流体叶轮(57)安装在涡轮机轴(9)上，以随涡轮机轴(9)旋转，并且适用于使冷却流体在闭合的冷却回路(56)中循环。闭合的冷却回路(56)还包括热交换器(59)，其适用于从冷却流体中去除热。还公开了一种运行涡轮机系统的方法。

Description

具有磁轴承冷却的涡轮机系统和方法
技术领域
本公开涉及涡轮机系统。本文中公开的实施例具体地涉及包括具有相应转子的一个或更多个涡轮机的系统，其中所述相应转子由主动磁轴承支承并且传动地联接于另一旋转式机器。
背景技术
涡轮机包括壳体和具有轴的转子，该轴支承在壳体中，以在其中旋转。在一些涡轮机中，转子由滚动轴承支承。一些已知的涡轮机设有流体动压或流体静压轴承，而不是滚动轴承。所有这些种类的轴承必须进行润滑，并且因此需要润滑回路、其具有润滑油泵和冷却器。
在最近的涡轮机中，使用主动磁轴承来代替滚动轴承、或流体动压和流体静压轴承。主动磁轴承不需要润滑，使得涡轮机的结构可简化。然而，主动磁轴承需要冷却。
集成的马达-压缩机在本领域(US8430653)中已知，其中电动马达和离心式压缩机集成在单个壳体中。壳体包括包含电动马达的马达隔室和安置压缩机的压缩机隔室。两个隔室由围绕轴的密封布置分离。共用轴支承电动马达的转子和压缩机转子。共用轴通过主动磁轴承被支承，以在壳体中旋转。过程气体由使用通过电动马达产生的机械功率的压缩机压缩。过程气体的一部分从由压缩机处理的主气体流中去除，并用于冷却压缩机隔室中的主动磁轴承。马达隔室中的电动马达和主动磁轴承由冷却介质冷却，通过叶轮使该冷却介质在壳体的马达隔室中循环，该叶轮安装在电动马达的转子的与压缩机隔室相反的侧部上。过程气体进一步输送至密封件，该密封件将压缩机隔室与马达隔室分离，因而在壳体的马达隔室和压缩机隔室之间提供屏障。
然而，在包括至少一个压缩机和电动马达的一些涡轮机系统中，需要在压缩机外壳的内部与马达外壳的内部之间的完全分离，例如，以便防止电动马达受压缩机中处理的气体的污染。例如在过程气体为含有液体成分的湿气体或含有化学侵蚀性污染物的气体(如H2S、氯化物、Hg或其它腐蚀性组分)时，这一点可为需要的。
因此，存在对用于包括至少一个独立的蜗轮机(即，例如需要单独壳体的涡轮机)的涡轮机系统的高效冷却布置的需要。
发明内容
根据一个方面，在本文中公开了一种涡轮机系统，其包括至少一个涡轮机，该至少一个涡轮机包括具有涡轮机轴的涡轮机转子，该涡轮机轴具有第一轴端部和第二轴端部。涡轮机轴由主动磁轴承支承，以在涡轮机壳体中旋转。涡轮机系统还包括附加的旋转式机器，其传动地联接于涡轮机轴的第一轴端部。提供了第一闭合的冷却回路，其适用于使冷却流体在其中循环并且流体地联接于支承涡轮机轴的主动磁轴承中的至少一个(且优选连接于全部的主动磁轴承)。第一闭合的冷却回路适用于从支承涡轮机轴的一个、一些或全部主动磁轴承去除热。在本文中公开的实施例中，第一闭合的冷却回路包括冷却流体叶轮，其安装在涡轮机轴上，以随涡轮机轴旋转，并且适用于使冷却流体在第一闭合的冷却回路中循环。第一闭合的冷却回路还包括至少一个热交换器，其适用于从冷却流体去除热。
特别是在涡轮机处理与主动磁轴承不相容的流体的情况下，例如，由于其中所含的污染物质，或者由于流体的物理或化学性质，在第一闭合的冷却流体回路中循环的冷却流体为与由涡轮机处理的过程流体不同的流体。
例如，涡轮机可为泵或压缩机。涡轮机可处理不可与主动磁轴承的构件接触的化学侵蚀性气体或气体混合物，或含有污染物和/或污染物质、颗粒或水分的流体。单独的洁净冷却流体在第一闭合的冷却回路中的使用防止对主动磁轴承的损坏，并确保其的安全运行和高效冷却。
例如，冷却流体可为空气、氮气或任何其它惰性流体或与主动磁轴承相容(即，适用于与主动磁轴承的构件接触)的任何流体。
在一些实施例中，可提供密封布置，其适用于将第一闭合的冷却回路与包含由涡轮机处理的过程流体的涡轮机的内部容积在流体方面分离。密封布置减少或防止过程流体(例如，来自压缩机的过程气体)朝向主动磁轴承的泄漏。
在一些实施例中，密封布置可包括一个或更多个干气密封件。这些干气密封件可供有干密封气体(诸如氮气或洁净的空气)。
干气密封件中的干气的压力和第一闭合的冷却回路中的冷却流体的压力选择成使得过程流体不可渗透到主动磁轴承中，并且仅惰性或无污染的流体从干气密封件排到环境中。
在一些实施例中，冷却流体叶轮安装在涡轮机转子的与第一轴端部相反的侧部上，即，在与旋转式机器相反的侧部上，该旋转式机器传动地联接于涡轮机。冷却流体叶轮可有利地以悬臂(cantilever)方式安装，即，悬垂在涡轮机轴端部上。该布置便于冷却流体叶轮的组装和对其的接近，例如，用于维护或修理目的。
传动地联接于涡轮机的旋转式机器可包括与涡轮机壳体分离的第二壳体。可提供轴系，其在涡轮机壳体与第二壳体之间延伸，以传动地连接涡轮机和旋转式机器。
涡轮机可为从动涡轮机，并且联接于其的旋转式机器可因而为机械式发电机。在其它实施例中，涡轮机可为机械式发电机，并且旋转式机器可为负载，其通过由涡轮机产生的功率驱动旋转。
在一些实施例中，旋转式机器为电机，例如，传动地联接于从动涡轮机的电动马达，或者旋转式机器为发电机，其传动地联接于机械式发电涡轮机，例如，涡轮或涡轮膨胀机。
根据又一方面，在本文中公开了一种运行涡轮机系统的方法。该方法包括以下步骤：
使涡轮机轴和安装在涡轮机轴上以随其共同旋转的冷却流体叶轮旋转，涡轮机轴由主动磁轴承支承；
通过冷却流体叶轮使冷却流体在第一闭合的冷却回路中循环；
从支承涡轮机轴的主动磁轴承去除热。
特征和实施例在下面被公开，并且在形成本描述的组成部分的所附权利要求中进一步得到阐述。上面的简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便接下来的详细描述可更好地被理解，并且以便可更好地认识对本领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，其将在下文中描述并且将在所附权利要求中得到阐述。在该方面中，在详细阐释本发明的若干实施例之前，要理解，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和在下列描述中阐述或在附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例并且以各种方式被实践和实现。而且，要理解的是，在本文中采用的措词和术语用于描述目的，并且不应被认为是限制。
就此而言，本领域技术人员将认识到，本公开所基于的构思可易于用作用于设计用来实现本发明的若干目的其它结构、方法、和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括此类等同构造，只要它们不背离本发明的精神和范围。
技术方案1. 一种涡轮机系统(1；101)，包括：
至少一个涡轮机(3；103)，其包括具有涡轮机轴(9；115)的涡轮机转子(7；113)，所述涡轮机轴(9；115)具有第一轴端部(9.1；115.1)和第二轴端部(9.2；115.2)，所述涡轮机轴(9；115)由主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)支承，以在涡轮机壳体(11；112)中旋转，
至少一个旋转式机器(5；105)，其传动地联接于所述第一轴端部(9.1；115.1)；
第一闭合的冷却回路(56；133)，其适用于使冷却流体在其中循环并且流体地联接于所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)中的至少一个以从其中去除热；
其中，所述第一闭合的冷却回路(56；133)包括冷却流体叶轮(57；131)，所述冷却流体叶轮(57；131)安装在所述涡轮机轴(9；115)上，以随涡轮机轴(9；115)旋转，并且适用于使所述冷却流体在所述第一闭合的冷却回路(56；133)中循环；并且其中，所述第一闭合的冷却回路(56；133)还包括至少一个热交换器(59；135)，所述热交换器(59；135)适用于从所述冷却流体去除热。
技术方案2. 根据技术方案1所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机(3；103)适用于对穿过其中的过程流体进行处理，所述过程流体不同于所述闭合的冷却回路(56；133)中循环的所述冷却流体。
技术方案3. 根据技术方案1或技术方案2所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体为惰性流体或与所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)相容的流体。
技术方案4. 根据技术方案1、技术方案2或技术方案3所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机系统(1；101)包括密封布置(25,27；122,124)，所述密封布置(25,27；122,124)适用于将所述第一闭合的冷却回路(56；133)与包含涡轮机过程气体的所述涡轮机(3；103)的内部容积在流体方面分离。
技术方案5. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述第一闭合的冷却回路(56；133)与支承所述涡轮机轴(9；115)的所有主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)流体地联接。
技术方案6. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体叶轮(57；131)安装在所述涡轮机转子(7；113)的与所述第一轴端部(9.1；115.1)相反的侧部上。
技术方案7. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体叶轮(57；131)悬垂地安装在所述第二轴端部(9.2；115.2)处。
技术方案8. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(5；105)包括第二壳体(6；106)，其与所述涡轮机壳体(11；112)分离，并且其中在所述涡轮机壳体(11；112)与所述第二壳体(6；106)之间延伸的轴系(40；104)传动地连接所述涡轮机(3；103)和所述旋转式机器(5；105)。
技术方案9. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(5；105)为电机。
技术方案10. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1)，其特征在于，所述涡轮机(3)为从动涡轮机，并且其中所述旋转式机器为发电机(5)，其适用于驱动所述从动涡轮机(3)。
技术方案11. 根据技术方案10所述的涡轮机系统(1)，其特征在于，所述涡轮机(3)为压缩机和泵中的一个。
技术方案12. 根据技术方案10或技术方案11所述的涡轮机系统(1)，其特征在于，所述旋转式机器(5)为电动马达。
技术方案13. 根据技术方案1至技术方案9中的一项或更多项所述的涡轮机系统(101)，其特征在于，所述涡轮机为发电机(103)，并且所述旋转式机器(105)为从动机器，其由所述涡轮机(103)驱动旋转。
技术方案14. 根据技术方案13所述的涡轮机系统(101)，其特征在于，所述涡轮机(103)为涡轮和涡轮膨胀机中的一个。
技术方案15. 根据技术方案13或技术方案14所述的涡轮机系统(101)，其特征在于，所述旋转式机器为发电机(105)。
技术方案16. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(3；103)包括由主动磁轴承(43)以旋转方式支承的转子。
技术方案17. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(5；105)包括第二闭合的冷却回路，其适用于使冷却流体在其中循环，所述第二闭合的冷却回路流体地联接于所述旋转式机器(5；105)的所述主动磁轴承(43)。
技术方案18. 根据技术方案17所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述第二闭合的冷却回路构造成从所述旋转式机器(5；105)的转子去除热。
技术方案19. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述第一闭合的冷却回路(56；133)流体地联接于冷却流体源(49)，所述冷却流体源(49)适用于恢复所述第一闭合的冷却回路(56；133)中的冷却流体压力。
技术方案20. 根据技术方案19所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体源(49)提供处于第一压力下的冷却流体，所述第一压力高于所述第一闭合的冷却回路(56；133)中的第二压力，并且其中减压装置(63)布置在所述冷却流体源之间(49)与所述第一闭合的冷却回路(56；133)之间。
技术方案21. 根据在从属于技术方案17或技术方案18时的技术方案19所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述第二闭合的冷却回路流体地联接于所述冷却流体源(49)。
技术方案22. 根据技术方案21所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机系统(1；101)还包括止回装置(51)，其适用于防止冷却流体从所述第一闭合的冷却回路(56；133)泄露至所述第二闭合的冷却回路。
技术方案23. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机系统(1；101)包括在所述涡轮机转子(7；113)与支承所述涡轮机转子的所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)之间的干气密封件(25,27)。
技术方案24. 根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机系统(1；101)包括所述至少一个涡轮机(3；103)和至少一个附加的涡轮机；其中所述旋转式机器(5；105)、所述至少一个涡轮机(3；103)以及所述至少一个附加的涡轮机沿着轴系布置。
技术方案25. 一种运行根据前述技术方案中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)的方法，所述方法包括以下步骤：
使涡轮机轴(9；115)和安装在所述涡轮机轴(9；115)上的冷却流体叶轮(57；131)旋转，以在涡轮机壳体(11；112)中旋转；所述涡轮机轴由主动磁轴承支承；
通过所述冷却流体叶轮(57；131)使冷却流体在第一闭合的冷却回路(56；133)中循环；
使过程流体在所述涡轮机壳体中进行处理，所述过程流体不同于所述冷却流体；
从支承所述涡轮机轴(9；115)的所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)去除热。
技术方案26. 根据技术方案25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
用传动地联接于所述涡轮机的发电旋转式机器产生功率；
用由所述发电旋转式机器产生的功率使所述涡轮机和所述冷却流体叶轮旋转。
技术方案27. 根据技术方案25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
用所述涡轮机产生功率；
用所述功率使负载旋转。
技术方案28. 一种涡轮机系统，包括：
至少一个压缩机，其包括具有压缩机轴的压缩机转子，所述压缩机轴具有第一轴端部和第二轴端部，所述压缩机轴由主动磁轴承支承，以在压缩机壳体中旋转，所述第一轴端部延伸到所述压缩机壳体外部；
电动马达，其适用于使所述压缩机转子旋转，所述电动马达包括安置在马达壳体中的定子和受支承以在所述马达壳体中旋转的转子，所述转子具有从所述马达壳体延伸并且传动地联接于所述压缩机轴的所述第一轴端部的马达轴；
第一闭合的冷却回路，其适用于使冷却流体在其中循环并且流体地联接于所述压缩机的所述主动磁轴承，以从其中去除热；
其中所述第一闭合的冷却回路包括叶轮，所述叶轮安装在所述压缩机轴上，以随所述压缩机轴旋转，并且适用于使所述冷却流体在所述第一闭合的冷却回路中循环；并且其中，所述第一闭合的冷却回路还包括与热沉成热交换关系的热交换器，以从所述冷却流体中去除热。
技术方案29. 根据技术方案28所述的涡轮机系统，其特征在于，所述马达轴由主动磁轴承支承，并且其中提供第二冷却回路，其适用于从所述电动马达的所述主动磁轴承以及从所述电动马达的所述定子和转子去除热。
技术方案30. 根据技术方案29所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括洁净的冷却流体源，所述冷却流体源流体地联接于所述第一闭合的冷却回路和所述第二闭合的冷却回路，以恢复所述相应的闭合冷却回路中的冷却流体压力。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易获得对本发明所公开的实施例及其许多附带优点的更完整的认识，因为其变得更好理解，其中：
图1示出了根据第一实施例的涡轮机系统的示意图；
图2示出了根据第二实施例的涡轮机系统的示意图；以及
图3示出了根据第三实施例的涡轮机系统的示意图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标记标识相同或相似的元件。另外，附图不一定按比例绘出。而且，以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。
遍及说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的引用指的是结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”在遍及说明书的各种位置中的出现不一定指(多个)相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合在一个或更多个实施例中。
本文中公开的涡轮机系统包括两个旋转式机器。所述旋转式机器中的第一个为涡轮机。如本文中理解的，涡轮机为在转子与流体之间传递能量的旋转式机器。如将根据以下详细描述而变得显而易见的，本文中公开的系统的涡轮机可包括涡轮和压缩机两者，并且更具体而言，包括驱动涡轮机和从动涡轮机两者。在涡轮将能量从流体传递至转子并且随其产生机械功率时，压缩机将能量从转子传递至流体。压缩机由动子驱动，所述动子例如为涡轮、电动马达或任何其它机械式发电机，即，能够将功率传递至压缩机的转子的机器。
因而，根据一些实施例，涡轮机为由动子(例如，电动马达)驱动的压缩机或泵。动子和涡轮机各自均设有相应的壳体并且彼此分离。轴系从动子壳体延伸至压缩机壳体，以将功率从动子传递至压缩机的转子。
动子可设有其自身的冷却回路。动子可为电动马达。动子可设有支承动子的转子(例如，电动马达的转子)的主动磁轴承。例如，主动磁轴承可由将热从转子去除的同一冷却回路冷却。
压缩机构造成使过程气体循环穿过其中。压缩机转子的轴可由主动磁轴承支承。压缩机转子的主动磁轴承通过与动子的冷却回路分离的闭合的冷却回路被冷却。压缩机的主动磁轴承的冷却回路为闭合回路，并且叶轮提供使冷却流体在冷却回路中循环所需的功率。叶轮由支承压缩机转子的同一轴支承，并且优选地以悬垂式构造被安装。提供一个或更多个热交换器，以将热从冷却回路去除。
用于涡轮机的主动磁轴承的冷却回路为特别高效的。防止了从压缩机朝向压缩机的主动磁轴承和/或朝向动子的过程气体的泄漏。减少了冷却流体的消耗量。通过将叶轮支承在压缩机转子的轴上，可省去用于冷却回路的单独的马达。由此获得简单结构。
在其它实施例中，涡轮机可为涡轮，或另一机械式发电涡轮机。可提供用于涡轮轴的主动磁轴承的闭合的冷却回路。闭合的冷却回路又包括涡轮机轴上的叶轮，其通过由涡轮产生的功率直接地驱动。至少一个热交换器设在冷却回路中，以将热从冷却流体中去除。
现在转向附图，图1示出了根据本公开的涡轮机系统1。涡轮机系统1包括涡轮机3和旋转式机器5。在一些实施例中，涡轮机3为从动涡轮机，诸如压缩机(例如，离心式压缩机或轴流式压缩机)。压缩机3可为单级或多级压缩机。
在其它实施例中，涡轮机3可为泵，例如，离心式泵。
虽然在图1和图2的示例性实施例中公开了包括单个从动涡轮机(例如，单个压缩机)的涡轮机系统1，但是本领域技术人员将认识到的是，可提供多于一个的从动涡轮机3。例如，两个或更多个压缩机可沿着同一轴系对准。柔性接头可设在两个按顺序布置的涡轮机之间。在未示出的一些实施例中，齿轮箱可沿着轴系设在按顺序布置的机器之间，例如，在动子与从动涡轮机中的一个之间，和/或在两个按顺序布置的从动涡轮机之间。
如果提供多于一个的从动涡轮机，则它们可全部布置在动子的同一侧上，或者可分布在动子的两侧上，即，动子可位于两个从动涡轮机之间。
如果提供多于一个的从动涡轮机，则它们中的至少一个可设有主动磁轴承并且设有相关的闭合冷却回路。
当涡轮机3为压缩机、泵或另一从动涡轮机时，旋转式机器5为动子，即，机械式发电机(例如，电动马达5)，其驱动(多个)从动涡轮机3使其旋转。在其它实施例中，可使用不同的机械式发电机，例如，涡轮膨胀机、涡轮等。
压缩机3包括具有压缩机轴9的压缩机转子7。压缩机转子7和压缩机轴9被安装成在压缩机壳体11中共同旋转。压缩机轴9具有第一轴端部9.1和第二轴端部9.2。压缩机轴9可通过主动磁轴承(此处也简称为AMB)支承在压缩机壳体11中。AMB可包括径向主动磁轴承和轴向主动磁轴承，即，推力磁轴承。在图1的实施例中，压缩机轴9由两个径向AMB 13,15和一个轴向AMB 17支承。两个径向AMB 13,15布置在压缩机转子7与所述第一轴端部9.1和第二轴端部9.2中的相应一个之间。轴向AMB 17可定位在压缩机转子7与压缩机轴9的第二轴端部9.2之间，如图1中示出的那样。在其它实施例中，轴向AMB 17可位于相反侧处，即，位于压缩机转子7与第一轴端部9.1之间。
图1的压缩机3为多级离心式压缩机，其包括在两个径向AMB 13,15之间约束到压缩机轴9的多个叶轮19。在其它实施例中，压缩机3可为具有单个叶轮的单级压缩机。各个叶轮19(除最后一个之外)与返回通道21相关联。最后的叶轮流体地联接于蜗壳23。
在未示出的其它实施例中，压缩机可为轴流式压缩机，例如，多级轴流式压缩机。
在一些实施例中，密封布置围绕压缩机轴9而例如被设在转子与第一轴端部9.1和第二轴端部9.2中的每一个之间。密封布置可定位在转子与相应的主动磁轴承或主动磁轴承集合体之间，以便减少或防止过程气体从压缩机叶轮朝向AMB的泄漏。
为了有效地减少过程气体泄漏，可提供干气密封件。空气、氮气或其它惰性气体可用作用于干气密封件的缓冲流体。在图1中，干气密封件在25处被示出，其邻近第一轴端部9.1，并且在27处被示出，其邻近第二轴端部9.2。
提供干气输送管道29，以将干气供给至干气密封件25,27。干气可由干气源30提供，干气源30通过主输送管线31和减压阀33连接于干气输送管道29。
干气密封件在本领域中为已知的，并且本文不对其进行更详细的描述。干气密封件通常具有排放室，在此收集干气泄漏并且通过辅助排气孔26排出。由于干气通常为惰性、无污染的气体(诸如氮气)，故在排放室中收集的气体可排出在大气中。
在图1的实施例中，第一轴端部9.1传动地联接于电动马达5的马达轴35。接头(例如，柔性接头37)可设在压缩机轴9与马达轴35之间。柔性接头37可针对在马达轴35与压缩机轴9之间的未对准进行补偿，从而传递运行压缩机3所需的扭矩。
在图1的实施例中，马达轴35、接头37以及压缩机轴9形成轴系40，其将压缩机3传动地联接于电动马达5，使得压缩机3和电动马达5以同一旋转速度旋转。因而可省去电动马达5与压缩机3之间的齿轮箱。
电动马达5设有转子5.1，转子5.1安装在马达轴35上并且随其旋转。转子5.1与定子5.2同轴布置且转子5.1布置在定子5.2内，定子5.2固定地安置在马达壳体6中。
马达壳体6与压缩机壳体11分离。马达轴35从马达壳体6的内部朝向压缩机3延伸。压缩机轴9与压缩机轴9的在压缩机壳体11外部的第一轴端部9.2一起朝向电动马达5延伸。关于该布置，电动马达5与压缩机3分离，并从而避免了马达壳体6的内部受到由压缩机3处理的气体的污染。
马达轴35可由轴承43支承。在一些实施例中，轴承43可为主动磁轴承。例如，两个径向主动磁轴承可布置在电动马达5的转子5.1的相反侧处。可任选地提供轴向轴承(未示出)。密封件45可围绕马达轴35布置在其侧部处，马达轴35从马达壳体6延伸。密封件45可位于转子5.1与主动磁轴承43之间或主动磁轴承43与壳体6之间，如图1中示出的那样。密封件45可为迷宫式密封件。
密封件45减少了冷却流体从马达壳体6的内部朝向环境的泄漏。由于不可完全地避免泄漏，如由箭头I1示意性地表示的，马达壳体6的内部可流体地联接于冷却流体源49。冷却流体源49可为所谓的仪表空气(即，洁净的空气)源。如本文中使用的，用语“仪表空气”可指的是非常洁净的压缩空气供应源，其没有诸如水分或颗粒之类的污染物。
冷却流体源49可提供处于第一压力(例如，5barA左右的压力或更高(例如，9 barA左右或以上))下的冷却流体。减压阀51可沿着冷却流体输送管道53设置，冷却流体输送管道53将马达壳体6的内部流体地联接于冷却流体源49。马达壳体6内的冷却流体的压力可显著低于在其下可从冷却流体源49获得冷却流体的压力。例如，马达壳体6内部的压力可为1-2barA左右，优选略高于环境压力，以防止污染物质渗透到马达壳体6中。
以上阐述的压力值仅通过示例的方式提供，并且不限制本公开的范围。
电动马达5和相关的主动磁轴承43由冷却流体冷却，该冷却流体由一个或更多个风扇(在55处示意性地示出)强制地循环穿过电动马达5的闭合冷却回路。电动马达5和其AMB的冷却回路本身为已知的，并且在此将不对其进行更详细地描述。
压缩机3的主动磁轴承13,15,17也需要冷却。提供闭合的冷却回路56，以使冷却流体循环穿过压缩机3的主动磁轴承并且从中去除热。用于冷却压缩机3的主动磁轴承13,15,17的冷却流体有利地为与循环穿过压缩机3并由此处理的过程气体不同的流体。冷却回路还与过程气体的回路在流体方面分离。压缩机3可因而处理任何种类的气体，而不管其与主动磁轴承的相容性如何，这是由于AMB冷却回路和过程气体回路与彼此在流体方面相隔离。此外，冷却回路56与电动马达5的冷却回路在流体方面分离，使得污染可不会发生于电动马达5的内部的由压缩机3处理的过程气体中。
用于压缩机3的主动磁轴承的冷却回路56可包括冷却流体叶轮57。冷却回路56还可包括至少一个热交换器59。在图1的实施例中，热交换器59相对于穿过冷却回路56的冷却流体流(由箭头Fc表示)布置在冷却流体叶轮57的上游。
在本文中公开的实施例中，冷却流体叶轮57在压缩机3的壳体11内部被安装在压缩机轴9上，以随压缩机轴9旋转。在一些实施例中，冷却流体叶轮57被安装在第一轴端部9.1和第二轴端部9.2中的一个处或安装至其附近。优选地，冷却流体叶轮57被以悬臂式地安装，即，安装在压缩机轴9的相应端部上的悬垂位置处。在图1中，冷却流体叶轮57在相应的主动磁轴承15,17外部悬垂地安装在压缩机轴9的第二轴端部9.2处，即，与电动马达5相反。
冷却流体叶轮57因而由电动马达5驱动，电动马达5还驱动压缩机3使其旋转，使得不需要单独的马达来循环冷却流体回路56中的冷却流体。此外，冷却流体叶轮57由压缩机轴9直接地支承，使得不需要单独的叶轮轴和单独的轴承。不需要用于叶轮轴承的附加的润滑回路。
通过将冷却流体叶轮57布置在压缩机轴9的第二轴端部9.2(与传动地联接于电动马达5的第一轴端部9.1相反)上，冷却流体叶轮57的组装为简单的，并且便于对其的接近，例如用于维护或修理目的。
冷却流体叶轮57从电动马达5接收最小量的功率。仅需要这样的功率，其是克服沿着闭合的冷却回路56的压头损失所需的。
闭合的冷却回路56的压力可略高于环境压力，使得可去除主动磁轴承而避免了冷却回路中的环境空气的进入。所谓的三级密封件可设在各个干气密封件25,27与相关的主动磁轴承之间，以将干气密封件与主动磁轴承分离。
可通过将适合的密封布置设在压缩机3的AMB 13,15,17处而减少冷却流体的泄漏。尽管如此，仍可发生泄漏I2。闭合的冷却回路56内部的压力可通过由冷却流体源提供的冷却流体来恢复。用于压缩机3的主动磁轴承13,15,17的闭合冷却回路56的冷却流体源可为同一冷却流体源49，其将冷却流体提供至电动马达5。可提供冷却流体输送管道61，以将冷却流体源49(或另一单独的冷却流体源)流体地联接于压缩机3的闭合冷却回路56。
减压装置63可沿着闭合的冷却流体输送管道61设置，使得以所需的压力提供在闭合的冷却回路56中用来恢复压力所需的冷却流体，从而避免在闭合的冷却回路56中的不必要的过压，过压将仅增加朝向环境的泄漏，而在热去除方面没有任何优点。
热交换器59可与任何合适的热沉(例如，环境空气、水等)成热交换关系。
在图1的实施例中，热交换器59布置在叶轮57的上游。然而，这不为强制性的。在其它实施例中，热交换器59可布置在叶轮57的下游。在又一些实施例中，多于一个的热交换器可例如既设在冷却流体叶轮57的上游又设在冷却流体叶轮57的下游。在图2中示出该实施例，其中两个热交换器标记为59A,59B。
虽然在图1和图2中公开了简单的涡轮机系统，其包括仅两个机器，即，从动涡轮机3(例如，压缩机)和驱动机器5(例如，电动马达)，但在其它实施例中，涡轮机系统可包括多于两个的机器。例如，动子(即，机械式发电机，诸如电动马达)可传动地联接于两个或更多个从动涡轮机3。这些可彼此相同或者彼此不同。例如，一个或更多个压缩机和一个或更多个泵可沿着同一轴系与动子传动地联接。在其它实施例中，两个或更多个压缩机亦或两个或更多个泵可沿着轴系布置并且由动子驱动旋转。
该布置可使得动子(即，机械式发电机)布置在轴系的一端处，并且从动涡轮机依次布置在机械式发电机的同一侧上。在其它布置中，动子可沿着轴系位于中间位置，并且一个或更多个从动涡轮机可定位在机械式发电机的各个侧部处。机械式发电机可因而设有通轴，其在两侧上从相关的壳体延伸。
虽然在图1和图2中涡轮机3为由机械式发电机(即，电动马达5)驱动旋转的从动负载，但在其它实施例中，涡轮机3可为传动地联接于负载的机械式发电涡轮机。图3示出了涡轮机系统101的示例性实施例，涡轮机系统101包括机械式发电涡轮机103，例如，涡轮膨胀机。在其它实施例中，发电涡轮机103可为涡轮，例如，燃气涡轮或蒸汽涡轮。
在图3中，机械式发电涡轮机103示意性地表示为多级轴流式涡轮膨胀机。然而，将理解的是，可使用其它发电涡轮机，诸如径流式涡轮或径流式涡轮膨胀机，诸如向心式或离心式涡轮膨胀机或涡轮。此外，虽然在图3中，涡轮机103为多级涡轮机，但在其它实施例中，可使用单级涡轮机(例如，单级径流式涡轮或涡轮膨胀机)。
涡轮膨胀机103通过轴系104传动地联接于负载105。优选地，轴系104不包括齿轮箱，并且负载105以与发电涡轮机103相同的旋转速度旋转。
负载105可为电机，例如，发电机。发电机105可具有类似于电动马达5的结构，其中转子安装在发电机轴上，以在发电机壳体106内随其共同旋转。转子与安置在发电机壳体106中的定子同轴。发电机轴可由主动磁轴承(未示出)支承。可提供冷却系统，用于完全以与如以上结合图1和图2中示出的电动马达5描述的相同的方式来冷却发电机105的定子和转子，以及其主动磁轴承。
发电机105可电联接于配电网109。电力调节装置111可插入在发电机105与配电网109之间。电力调节装置111可使由发电机105产生的电力的频率和相位适用于配电网109的频率和相位。
发电涡轮机(即，涡轮膨胀机103)包括涡轮膨胀机壳体112和安装用于在涡轮膨胀机壳体112中旋转的涡轮膨胀机转子113。涡轮膨胀机转子113可包括受支承以在涡轮膨胀机壳体112中旋转的涡轮膨胀机轴115或者可安装在涡轮膨胀机轴115上。涡轮膨胀机轴115可由主动磁轴承支承。在一些实施例中，涡轮膨胀机轴115可由两个径向主动磁轴承117,119和一个轴向或推力主动磁轴承121支承。主动磁轴承117,119,121可布置在第一轴端部115.1和第二轴端部115.2附近。在图3中，推力主动磁轴承121布置成邻近第一轴端部115.2。然而，主动磁轴承布置117,119,121可相对于由图3中的示例示出的布置为颠倒的。例如，推力主动磁轴承121可布置在第二轴端部115.2处。
可提供干气密封件122和124，以将涡轮膨胀机转子113与AMB 117,119和121在流体方面分离。
第一轴端部115.1可延伸到涡轮膨胀机壳体112外部，并且可通过形成轴系104的部分的接头123连接于发电机轴114。
第二轴端部115.2布置在涡轮膨胀机103的与发电机105相反的侧部上，并且可完全安置在涡轮膨胀机壳体112中。
涡轮膨胀机103的主动磁轴承布置117,119,121设有冷却系统，该冷却系统类似于图1和图2的压缩机3的主动磁轴承的冷却系统。因而将仅描述用于涡轮膨胀机103的AMB冷却系统的主要构件。冷却系统可包括冷却流体叶轮131，其可安装在涡轮膨胀机轴115上，用于在涡轮膨胀机壳体112内部随其共同旋转。
在图3的示例性实施例中，冷却流体叶轮131以悬垂式构造安装在第二轴端部115.2处，即，安装在涡轮膨胀机103的与发电机105相反的侧部处。冷却流体叶轮131通过由涡轮膨胀机103产生的机械功率驱动旋转，并且使冷却流体循环穿过闭合的冷却回路133，闭合的冷却回路133将冷却流体叶轮131流体地联接于主动磁轴承117,119,121。
闭合的冷却回路133包括至少一个热交换器135，以从冷却流体中去除热。在图3的示例性实施例中，热交换器135相对于冷却流体流的方向(箭头Fc)布置在冷却流体叶轮131的下游。在未示出的其它实施例中，热交换器135可布置在冷却流体叶轮131的上游，或者热交换器可既布置在冷却流体叶轮131的上游也布置在冷却流体叶轮131的下游。
闭合的冷却回路133可流体地联接于冷却流体源(在136处示意性地示出)，该冷却流体源类似于结合图1描述的冷却流体源49，也可流体地联接于发电机105的冷却回路。由冷却流体源136提供的冷却流体可恢复发电机105和涡轮膨胀机103的冷却流体回路中的压力，从而平衡由于通过轴密封件的泄漏而产生的压降。冷却流体源136可为氮气源，或者为仪表空气源，或者为与主动磁轴承相容的任何其它气体或气体混合物源。减压装置138可沿着连接闭合的冷却回路133和冷却流体源136的管道布置。
因而，类似于图1和图2的实施例，同样在图3中，在涡轮膨胀机103中膨胀的过程气体可为任何流体，例如，将不会与主动磁轴承接触的流体。闭合的冷却回路133的使用(其中冷却流体与在涡轮膨胀机103中膨胀的流体不同)确保了主动磁轴承的安全运行和冷却。
虽然在图3中示出了具有仅两个机器(即，单个机械式发电涡轮机103和旋转负载105)的简单涡轮机系统101，但在其它实施例中，可提供具有多于仅两个的旋转式机器的更复杂的涡轮机系统101。
虽然在附图中示出了本文描述的主题的公开实施例，并且结合若干示例性实施例在上面具体地且详细地完全描述了这些公开实施例，但是本领域技术人员将显而易见的是，在本质上不背离本文阐述的新颖教导、原理和构思以及在所附权利要求中叙述的本主题的优点的情况下，许多改型、变化和省略为可行的。因此，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最广泛的释义来确定，以便包含所有此类改型、变化和省略。另外，任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (10)

1.一种涡轮机系统(1；101)，包括：
至少一个涡轮机(3；103)，其包括具有涡轮机轴(9；115)的涡轮机转子(7；113)，所述涡轮机轴(9；115)具有第一轴端部(9.1；115.1)和第二轴端部(9.2；115.2)，所述涡轮机轴(9；115)由主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)支承，以在涡轮机壳体(11；112)中旋转，
至少一个旋转式机器(5；105)，其传动地联接于所述第一轴端部(9.1；115.1)；
第一闭合的冷却回路(56；133)，其适用于使冷却流体在其中循环并且流体地联接于所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)中的至少一个以从其中去除热；
其中，所述第一闭合的冷却回路(56；133)包括冷却流体叶轮(57；131)，所述冷却流体叶轮(57；131)安装在所述涡轮机轴(9；115)上，以随涡轮机轴(9；115)旋转，并且适用于使所述冷却流体在所述第一闭合的冷却回路(56；133)中循环；并且其中，所述第一闭合的冷却回路(56；133)还包括至少一个热交换器(59；135)，所述热交换器(59；135)适用于从所述冷却流体去除热。
2.根据权利要求1所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机(3；103)适用于对穿过其中的过程流体进行处理，所述过程流体不同于所述闭合的冷却回路(56；133)中循环的所述冷却流体。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体为惰性流体或与所述主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)相容的流体。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述涡轮机系统(1；101)包括密封布置(25,27；122,124)，所述密封布置(25,27；122,124)适用于将所述第一闭合的冷却回路(56；133)与包含涡轮机过程气体的所述涡轮机(3；103)的内部容积在流体方面分离。
5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述第一闭合的冷却回路(56；133)与支承所述涡轮机轴(9；115)的所有主动磁轴承(13,15,17；117,119,121)流体地联接。
6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体叶轮(57；131)安装在所述涡轮机转子(7；113)的与所述第一轴端部(9.1；115.1)相反的侧部上。
7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述冷却流体叶轮(57；131)悬垂地安装在所述第二轴端部(9.2；115.2)处。
8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(5；105)包括第二壳体(6；106)，其与所述涡轮机壳体(11；112)分离，并且其中在所述涡轮机壳体(11；112)与所述第二壳体(6；106)之间延伸的轴系(40；104)传动地连接所述涡轮机(3；103)和所述旋转式机器(5；105)。
9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1；101)，其特征在于，所述旋转式机器(5；105)为电机。
10.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的涡轮机系统(1)，其特征在于，所述涡轮机(3)为从动涡轮机，并且其中所述旋转式机器为发电机(5)，其适用于驱动所述从动涡轮机(3)。
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