CN109944643A - 用于直接驱动的压缩机的联接件 - Google Patents

Abstract

一种联接件(6)，以将压缩机的叶轮(32)附接到电动马达的轴(16)上。联接件具有联接件本体(100)，其在其端中的第一个处附接到叶轮上，且在相对的第二端处附接到马达轴上。联接件本体具有在联接件本体的第一端与第二端之间的可变形区段(106)。可变形区段构造成使得：在叶轮失效时，在靠着联接件本体施加的失衡负载下,可变形区段将永久地变形，而没有超过形成联接件本体的材料的极限强度且在轴的永久变形之前。以此方式，电动马达在叶轮失效时免受损坏。

Description

用于直接驱动的压缩机的联接件

本申请是申请日为2014年5月21日、申请号为201480040948.8、题为“用于直接驱动的压缩机的联接件”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于直接驱动的压缩机的联接件(coupling)，其中，离心压缩机的叶轮由联接件连接到电动马达的轴上。更具体而言，本发明涉及此类联接件，其设计成在叶轮的失效时变形，以防止对电动马达的破坏。

背景技术

离心压缩机在许多工业中具有广泛应用。在低温分离工厂中，压缩机用来将空气分离成其组成部分，空气由多级离心压缩机压缩，且然后冷却至适于空气的蒸馏的温度。在已经冷却之后，空气在蒸馏塔中精馏来产生氮、氧和氩产物。在此类工厂中，离心压缩机还采用为产品压缩机，以压缩产品氮气和产品氧气。

尽管在任何压缩应用中，有可能的是在单个级中压缩气体，但在包括低温空气分离工业的许多工业中，更常见的是在连续压缩级中压缩气体，特别是在排出压力比入口压力的一点五倍更高时。这样的原因在于，当气体被压缩时，其温度升高，且升高的气体温度需要提高功率来压缩气体。在气体在级中压缩且在级之间冷却的情况下，由于与没有级间冷却的压缩相比更接近于等温压缩，故压缩功率需求减小。在典型压缩机设施中，各个级均使用离心压缩机，其中进入至压缩机的入口的气体分配至称为叶轮(impeller)的带叶片(vaned)的压缩机轮，叶轮旋转来加速气体，且从而将旋转能给予气体。此能量上的增大伴随有速度上的增大和压力升高。压力在静止的带叶片或无叶片的扩散器中回收，扩散器包绕叶轮且起作用为减小气体的速度，且从而增大气体的压力。

多级压缩机的压缩级的个体压缩机可由共同的驱动器(如，驱动一体式齿轮箱的电动马达)来驱动。然而，在一个类型的压缩机组件中，压缩机级直接地连接到电动马达上，如，没有齿轮传动(gearing)的永磁体电动马达。压缩机和电动马达的直接联接克服了齿轮箱布置中固有的低效率，在齿轮箱布置中，热损失在电动马达与压缩机之间的齿轮传动内发生。此类直接联接称为直接传动压缩机组件，其中电动马达轴和叶轮均以相同速度旋转。典型地，此类电动马达能够可变速操作。因此，通过改变驱动器速度，直接驱动的压缩机可操作成输送穿过压缩机的一定范围的流动速率以及穿过压缩机的一定范围的压力比。

直接驱动的压缩机组件例如可通过将压缩机叶轮安装在电动马达的轴的一端上来构造。压缩机叶轮和马达转子以相同速度旋转。还有可能的是，直接驱动的压缩机组件包含由公共马达驱动且安装在电动马达的相同轴的相对端上的两个或多个压缩机叶轮。还有可能的是，单个电极驱动连接在电动马达轴的一端处的两个压缩机。取决于安装在公共轴上的压缩机叶轮、马达和任何其它可旋转的驱动器或受驱装置的数目，若干排列和组合可能用于构造直接驱动的压缩机组件。

直接驱动的压缩机组件中的普遍失效模式是叶轮，其可经历开裂且然后失去一部分叶片。叶片的损失通常产生非常显著的不平衡力，其必须由转子和其轴承系统来反作用。由于旋转叶轮的质量并未在叶轮的径向方向上均等地分布，马达轴上的负载的失衡将产生。换言之，由于将以直角作用到轴上的质量的不均等分布和叶轮的旋转，力将产生。由于此类失衡负载，故马达轴将经历附加的力和力矩，其中支承轴承必须对这些附加的失衡负载反作用，这可导致在电动马达中使用的径向轴承的失效。这些轴承可为油润滑的轴承或箔或在旋转和轴向方向两者上支承马达轴的电磁轴承，以及在箔或电磁轴承失效的情况下支承马达轴的后备轴承。在任何情况下，此类轴承的失效都将导致电动马达的完全破坏。

除叶轮叶片开裂之外，可产生非常显著的失衡力的其它异常操作状态包括叶轮在无叶片区域中开裂、叶轮材料的侵蚀、结垢产物或外来碎片沉积在叶轮中、以及公共旋转轴的叶轮端上的部分的意外松开。此清单并不旨在为全面的清单，且本领域的有经验的人员将认识到如果仍未检查到则可导致马达轴的永久变形的可产生非常大的失衡力和力矩的其它异常操作状态。

在现有技术中，断开组件已用于使用压缩机的各种装置中，以控制叶轮的结构失效，且防止对相关联的设备的破坏。例如，在US 7,001,155中，提供了增压器，其中连接到排气气体驱动涡轮上的压缩机设有叶轮，其具有延伸穿过叶轮毂的带螺纹的开孔，来与传动轴的带螺纹的端接合。叶轮开孔设有扩大部分，其产生叶轮毂的薄壁区段，这将在开孔内的螺纹将剥除之前破裂。这确保了叶轮的任何失效都使毂完好无损且连接到轴上，以控制失效，且从而防止对发动机的破坏。在US 5,443,372中，汽车空调压缩机具有联接板部件，其包括可在预定量的转矩或其它施加的机械力下容易地破坏或破裂以便也防止发动机损坏的部分。

在压缩机组件中(如在空气分离工厂中)，驱动压缩机的电动马达典型地是消耗或许0.1到50兆瓦的功率的非常强大的装置。因此，由电动马达输送至压缩机叶轮的转矩需要马达轴与叶轮之间的足够强健以允许此类转矩被输送的联接件。因此，现有技术的断开解决方案(如，上文已论述的)不适用于涉及马达轴与叶轮之间的高水平功率输送的工业压缩机应用。

如将论述的那样，不同于现有技术的断开解决方案，本发明提供了一种联接件，其将允许叶轮在电动马达轴由于叶轮失效而受损且导致非常大的失衡负载之前失效。

发明内容

本发明提供了一种联接件，以将压缩机的叶轮附接到电动马达的轴上，其设有联接件本体，联接件本体具有相对的第一端和第二端。提供器件来将联接件本体在端中的第一个(the first of the ends)处附接到叶轮上，且提供器件来将联接件本体在端中的第二个(the second of the ends)处附接到轴上。联接件本体具有在第一端与第二端之间的可变形区段，其构造成使得：在叶轮失效而未超过形成联接件本体的材料的极限强度时且在轴的永久变形之前，且可能地在支承电动马达内的轴的径向轴承失效之前，可变形区段将在靠着联接件本体施加的失衡负载下永久地变形。当在本文中和权利要求中使用时，用语“失衡负载”意思是除剪切负载之外的负载，力以直角施加到联接件本体的轴线上，这将引起马达轴的弯曲。此失衡负载引起联接件本体的至少一个区段在负载大于弹性极限但小于形成联接件本体的材料的极限屈服点时变形。如上文所描述，此类失衡负载可由于引起叶轮的质量在其径向方向上不均等地分布的叶轮失效而产生，如，由失效叶片的开裂或失去部分所引起的叶轮中的失衡产生。

如可认识到的那样，由于联接件本体的可变形区段将永久地变形而联接件自身或马达轴承不会失效，故叶轮的失效将不会引起马达轴的永久变形，且可能地具有失衡负载的力和力矩的轴承由联接件本体所可传输的限制。在此方面，永久变形是其中超过材料的弹性极限的变形。实际上，叶轮将在此类破坏发生之前在压缩机内失效。同时，由于此类变形在联接件本体自身的失效之前发生，故联接件本体将强到足以将转矩传递至叶轮。

联接件本体可设有轴向开孔，其具有一部分，该部分尺寸确定为使得联接件本体在沿联接件本体的长度的一个位置处具有与联接件本体的其余部分的壁厚相比减小的壁厚，以形成可变形区段。轴向开孔可从联接件本体的端中的第一个延伸至端中的第二个，且轴向开孔的部分是其较宽的部分，其从端中的第二个朝端中的第一个向内延伸，且轴向开孔的较窄部分从较宽部分延伸至联接件的端中的第一个。在此情况下，用于将联接件本体附接到轴上的器件可为包绕轴向开孔的较宽部分的联接件本体的环形凸缘状区段，以及将环形凸缘状区段在其一端处连接到轴上的一组预加载螺钉。此外，用于将联接件本体附接到叶轮上的器件为借助于带螺纹类型的连接和在联接件本体的端中的第一个与叶轮之间的齿状接合来固持在轴向开孔的较窄部分中的预加载柱。

优选地，柱的端可具有圆柱形的向内延伸的凹部，且联接件本体可具有从环形凸缘状部分延伸的环形凸起，其尺寸确定为座置于位于轴的端部处的圆柱形的向内延伸的凹部内，以使联接件本体相对于轴居中。此外，联接件本体可设有一对间隔开的迷宫(labyrinth)密封元件，典型地需要在离心压缩机上用于管理过程气体泄漏，位于环形凸缘状区段的外部部分和联接件本体的端中的第一个上，且构造成接合位于叶轮附近的电动马达的壳体内的轴密封件上的互补迷宫密封元件。

附图说明

尽管说明书以具体指出申请人认作是他们的发明的主题物的权利要求书来结束，但所相信的是本发明将在与附图相联系时得到更好理解，在附图中：

图1为结合了两个压缩级的根据本发明的压缩系统的示意性截面视图；以及

图2为图示了联接件以及相关联的特征和细节的图1的示意性片段视图。

具体实施方式

参考图1，图示了压缩系统1，其具有两个连续压缩级，两个连续压缩级分别设有由电动马达4驱动的两个压缩机2和3。压缩机2和3为离心压缩机。压缩机2将气体(例如，空气)从低压力压缩至中间压力，且压缩机3进一步将气体从中间压力压缩至更高的压力。随后，压缩机3具有比压缩机2更高的出口压力。尽管未图示，但压缩机2将由适合的导管连接到压缩机3上，且取决于压缩系统1的应用而可结合级间冷却。如将论述的那样，压缩机2和3具有叶轮14和32，叶轮14和32借助于根据本发明的联接件5和6来连接到电动马达4的马达轴16的相对端上。

尽管将联系压缩系统1来论述本发明，但将理解的是，这仅为了示例性目的，且本发明同样适用于具有单个压缩机的压缩系统。此外，本发明同样适用于驱动发电机的涡轮级或多个涡轮级，或适用于驱动发电机的涡轮和压缩机级，或由马达驱动的压缩机级。

压缩机2包括护罩10，护罩10具有入口12和由电动马达4的马达轴16驱动的叶轮14。如上文所述，马达轴16和叶轮14借助于联接件5来连接。气体由叶轮14驱动到蜗壳(volute)18中，气体从蜗壳18处以比从入口12进入压缩机2的气体更高的压力来排出。尽管未图示，但蜗壳18中的常规出口提供成用于排出在此类较高压力下的气体。腔24形成在叶轮14和马达轴16的后方。轴密封件26提供围绕马达轴16的密封，从而也密封腔24。轴密封件26由密封件支座22保持就位。

压缩机3设有具有入口30的护罩28，入口30与压缩机2的蜗壳18的出口(未示出)成流动连通，气体从压缩机2的蜗壳18的出口以中间压力排出。如上文所指出，级间冷却器可设在蜗壳18的出口与入口30之间。叶轮32由电动马达4的马达轴16在其相对端处驱动至叶轮14被驱动的端。还如上文所述，马达轴16和叶轮32借助于联接件6连接到仅另一者上。气体由叶轮32驱动到蜗壳34中，且在比从入口30进入压缩机3的气体更高的压力下排出。尽管未图示，但蜗壳34中的常规出口提供来在此类较高压力下排放气体。腔42形成在叶轮32与马达轴16后方。轴密封件43提供围绕马达轴16的密封，且因此也密封腔42。轴密封件43由密封件支座38保持就位。

护罩10连接到蜗壳18上，且涡轮18继而又连接到圆柱形马达外壳44的一端上。护罩28连接到蜗壳34上，涡轮34继而又连接到马达盖45上。马达盖45连接到圆柱形外壳44的相对端上。电动马达4具有附接到马达轴16上的转子46，以及附接到圆柱形马达外壳44的内部的定子48。马达轴16在相对端处由轴颈轴承(journal bearing)50和52支承。如果轴颈轴承50和52为主动磁性轴承，则导体54和56附接到马达轴16上，且电磁体58和60分别连接到圆柱形马达外壳44和马达盖45上。轴颈轴承50和52电磁地悬置，径向地支承马达轴16，允许旋转运动。还提供了电磁推力轴承62。推力轴承62具有连接了轴16或为轴16的一部分的盘状推力滑道(thrust runner)64。如果推力轴承62是主动磁性轴承，则推力滑道64为导体，其在内侧电磁构件66与外侧电磁构件68之间旋转，内侧电磁构件66与外侧电磁构件68将盘状推力滑道64悬置在内侧构件与外侧构件之间。推力轴承62轴向地支承马达轴16，以允许旋转运动。如果使用主动磁性轴承(未示出)，但如本领域将最佳认识到的那样，间隙传感器提供有相关联的电子装置，以不同地对电磁体供能，来保持导体54和56以及电磁体58和60之间的间隙，以及保持在内侧构件66和外侧构件68的其相关联的电磁体之间的盘状推力滑道64。由主动磁性轴承保持间隙的能力并非没有力极限。此力极限可在喘振事件期间超过。结果，作为后备，提供了两组抗摩擦轴承或套管70和72，它们由板74和76连接到圆柱形马达外壳44和马达盖45上。在功率损失期间或在启动时或在停机之后，套管70和72将径向地支承马达轴16。如果马达轴16上的轴向力超过推力轴承62的承载力，则连接到为环状构造的马达轴16上的端部元件78和80接触套管70和72。这可在喘振事件期间发生，且经由套管70和72给予至马达轴16的此轴向力可为特别剧烈的。因此，马达套管70和72可经历的喘振事件的数目将限于小数目的事件。

在压缩系统1的操作期间，定子48产生磁场，磁场使转子46且因此使轴16以期望的速度并以期望的转矩旋转。产生的转矩主要经由联接件5和6分别传输至叶轮14和32。

参考图2，图示了根据本发明的联接件6。将理解的是，联接件5将包含与下文联系联接件6所论述的相同元件。联接件6设计成保护电动马达4免于将导致马达4的最终破坏的叶轮32的失效的影响。具体而言，典型的叶轮失效可归因于叶轮32的叶片32a的分离。这样的结果将为失衡负载，或换言之，示出为在由箭头“A”指示的方向上作用的力。由于产生了此类向外质量且与叶轮32的旋转成直角且与叶轮32一起旋转的加速度的叶轮32的所得的偏心的质心和叶轮32的旋转，该力将与分离的叶片32a相反地作用。如果未检查到诸如上文的失效，则由力“A”产生的力矩将引起轴颈轴承50和52的失效，带有马达轴既弯曲又产生两组抗摩擦轴承或套管70和72与轴16在这些位置上接触的效应。由于这些套管70和72具有非常有限的寿命周期且设计成用于在磁性轴承50和52由于失效而不可操作时与马达4的启动和停机相关联来使用，故这些套管和元件将快速失效，引起转子46与定子48接触，以及马达4的不可避免的完全破坏。所理解的是，叶轮32的其它类型的失效(如，在非叶片区域中的叶轮开裂、叶轮材料的侵蚀、污垢产物或外来碎片在叶轮中的沉积、以及公共旋转轴的叶轮端上的部分的意外松开)可产生失衡负载，其可导致轴16的永久变形。

联接件6通过可变形区段106的计划的永久变形而经历局部失效来允许叶轮32接触护罩28，以在上文描述的此类事件中保护马达4，其中叶轮32固持，且从而限制失衡负载力和力矩，失衡负载力和力矩将使马达轴16永久地变形，或可能使磁体和其后备轴承50、52、70和72失效。如所图示，联接件6设有联接件本体100，其包括相对的第一端102和第二端104。联接件6在端中的第一个102处连接到叶轮32上，且在端中的第二个104处连接到马达轴16上。联接件本体100具有可变形区段106，其在虚线圆中突出，可变形区段106将在叶轮32失效时在靠着联接件本体施加的期望的失衡负载下变形，允许其永久变形，且在这样做的同时，可变形区段106不会超过形成联接件本体100的材料的极限强度，且限制了失衡负载力和力矩，以防止使马达轴16永久变形且这可导致轴颈轴承50和52的失效。在此方面，此材料可为高延性金属，具有大到足以处理正常设计负载的屈服强度，而低到足以限制失衡负载力和力矩以免使马达轴永久变形，同时，弹性和极限强度的组合允许叶轮32接触护罩28，而没有裂缝出现在联接件6中。此类材料可为15-5PH(H1150)不锈钢。

如所图示，区段106具有足够大的环形区域，如在其向外径向方向上所见(与箭头“A”相同的方向)，其带有在正常意在操作期间足以将转矩从马达轴16传递至叶轮32的给定材料。其也是在平行于马达轴16的轴向方向上看到的短区段，以便足够硬而不允许此类正常操作期间的非期望的马达轴振动。然而，在叶轮16失效的情况下，区段106设计成经历将超过制成联接件6的材料的弹性极限的应力，且因此变形，而不会超过此类材料的极限强度或极限限制。由于此类变形，联接件6的端中的第一个102将开始由于力“A”而在顺时针方向上旋转，最后结果是叶轮32撞击压缩机3的护罩28。换言之，为了马达4的缘故，联接件6通过在区段106中屈服而牺牲自身。在联接件6失效之后，马达4将不会具有永久变形的轴16，且可能具有可再使用的轴承50、52、70和72。马达将仍能够使用，且布置可通过压缩机的翻新来更新。

区段106通过向联接件本体100提供轴向开孔108来产生，轴向开孔108具有从端中的第二个104朝端中的第一个102向内延伸的较宽部分110，以及从较宽部分110朝端中的第二个102延伸的窄部分112。这导致联接件本体在沿轴向开孔108的位置处具有减小的壁厚“t”，其将作用为薄弱点，联接件本体100将在该薄弱点处变形。因此，可变形区段106形成轴向开孔108的较宽部分110与较窄部分112之间的接合部。为了设计此类区段，作为第一步骤，必须预测在轴16中或在轴承50、52、70和72中的将对马达4产生破坏的叶轮32的失效模式。典型地，如上文所描述，此失效将归因于叶轮叶片32a的损失或部分损失。可变形区段然后设计成失效，或换言之，由于一定失衡且在操作马达速度下产生的负载下变形。同时，必须提供足够的横截面面积，以允许如上文所描述的正常操作期间的转矩传递和振动。如可认识到那样，其它设计可用来产生可变形的区段。例如，如果轴向开孔108为恒定直径的，则联接件本体100内的外部周向凹槽状部分可产生此类可变形区段。

叶轮32与联接件6之间的连接为由齿的互锁布置提供的离合器类型的带齿(toothed)联接件14。齿设在联接件本体100的端中的第一个102上，并且还在叶轮32的毂116上。此离合器类型的带齿联接件具有许多变型和名称，但典型地称为“HIRTH”类型的联接件。为了保持接触且提供转矩传递，预加载柱118可由在联接件本体100的轴向开孔108的较窄区段112内的带螺纹类型的连接部119来连接到联接件6上。螺纹连接到柱118上的螺母120靠着联接件本体100的端中的第一个102且因此接合中的离合器类型的带齿联接件114来保持叶轮32的毂116。如本领域的技术人员可认识到的那样，可提供许多其它器件来将叶轮32连接到联接件6上，例如，摩擦、键合、多边形或过盈配合。

马达轴16与联接件6的端中的第二个104之间的连接由联接件本体100的环形凸缘状区段122提供，联接件本体100的环形凸缘状区段122包绕轴向开孔108的较宽部分110。一组预加载螺钉124穿过凸缘状区段122，且可螺纹连接地接合在设在马达轴16的端部中的开孔(未示出)内。用于实现此连接的其它器件包括HIRTH类型的联接件或者螺接、摩擦、多边形或过盈配合。优选地，联接件本体100具有环形凸起128，其座置于圆柱形的向内延伸的凹部130内，凹部130位于马达轴16的端部处，以使联接件本体100相对于马达轴16居中。这提供了叶轮32与轴16的更好的居中，且有助于其组装。

优选地，旋转的迷宫密封元件132和134为联接件6的部分，且如所图示，设在环形凸缘状区段122的外部部分和联接件本体100的端中的第一个102上。这些元件接合位于叶轮32附近的在电动马达4的壳体内的轴密封件43上的互补的迷宫密封元件。通过将必要的过程气体轴密封件和转子空隙冷却流轴密封件两者均置于联接件上，叶轮垂悬(overhang)被最小化，且允许了产生刚性转子和优选转子动力学的机会。尽管密封件典型地为旋转的迷宫，但也可为刷密封件或碳环密封件。使叶轮垂悬最小化的次要利益在于：如果发生可能偶然地发生的对密封件的破坏，则仅需要替换联接件。这与将需要更新或替换的典型地位于转子上的密封件形成对比。

轴密封件43形成旋转迷宫密封件132和134之间的静止密封表面，它们控制了如分别由箭头“B”和“C”所绘出的马达冷却气体泄漏流和压缩机过程气体泄漏流。泄漏流“B”和“C”组合来形成由箭头“D”所示的总泄漏流，其从蜗壳34中的通路140离开。

尽管已参考优选实施例描述了本发明，但如本领域的技术人员将想到的那样，可做出许多改变、添加和省略，而不会脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种压缩系统，其包括：

具有叶轮的至少一个压缩机；

电动马达，其具有马达轴，所述马达轴联接到所述叶轮上并且构造为用于驱动所述压缩机的所述叶轮；以及

联接件本体，其具有附接到所述叶轮上的第一端和附接到所述马达轴上的第二端；

其中，所述联接件本体具有轴向开孔，所述轴向开孔具有：较宽部分，其从所述第二端朝所述第一端向内延伸；以及窄部分，其从所述较宽部分朝所述第二端延伸，使得所述联接件本体在沿所述轴向开孔的位置处具有降低的壁厚，其将作为在所述第一端与所述第二端之间的能变形区段；

其中，所述能变形区段构造成在所述叶轮失效时在靠着所述联接件本体施加的失衡负载下永久地变形。

2.根据权利要求1所述的压缩系统，其中，所述至少一个压缩机还包括：第一压缩机，其具有联接到所述马达轴的一端上的第一叶轮；以及第二压缩机，其具有联接到所述马达轴的另一端上的第二叶轮。

3.根据权利要求1所述的压缩系统，其中，所述联接件本体还包括：

环形凸缘状区段，其包绕所述轴向开孔的所述较宽部分；

一组预加载螺钉，将所述环形凸缘状区段在其一端处连接到所述马达轴上；以及

预加载柱，其借助于带螺纹类型的连接和在所述联接件本体的所述第一端与所述叶轮之间的齿状接合来固持在所述轴向开孔中。

4.根据权利要求3所述的压缩系统，其中：

所述联接件本体的所述轴向开孔从所述联接件本体的所述第一端延伸至所述联接件本体的所述第二端；

所述轴向开孔的部分还包括：较宽部分，其从所述第二端朝所述第一端向内延伸；以及较窄部分，其从所述较宽部分延伸至所述联接件本体的所述第一端；

其中，所述联接件本体的所述环形凸缘状区段包绕所述轴向开孔的所述较宽部分，并且所述预加载柱固持在所述轴向开孔的所述较窄部分中。

5. 根据权利要求4所述的压缩系统，其中：

所述马达轴的端具有圆柱形的向内延伸的凹部；以及

所述联接件本体具有从所述环形凸缘状部分延伸的环形凸起，其尺寸确定为座置于在所述马达轴的端处的所述圆柱形的向内延伸的凹部内，以使所述联接件本体相对于所述马达轴居中。

6.根据权利要求4所述的压缩系统，其中，所述联接件本体具有位于所述环形凸缘状区段的外部部分和所述联接件本体的所述端中的第一个上的一对间隔开的迷宫密封元件，所述迷宫密封元件构造成接合在所述叶轮附近位于所述电动马达的壳体内的轴密封件上的互补的迷宫密封元件。