CN110023628B - 涡轮压缩机以及操作涡轮压缩机的方法 - Google Patents

Abstract

根据本公开的一个方面，提供一种涡轮压缩机(100)。所述涡轮压缩机(100)包括：转子组件(110)，所述转子组件在轴向方向A上延伸并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮(112)；磁轴承(120)，所述磁轴承将所述转子组件(110)支撑在所述至少一个叶轮(112)的高压侧(113)上；以及冷却通路(130)，所述冷却通路被构造成将所述加压气体的第一部分(P1)引导通过所述磁轴承(120)的轴承间隙(132)，以冷却所述磁轴承(120)。根据另一方面，描述一种操作涡轮压缩机的方法。

Description

涡轮压缩机以及操作涡轮压缩机的方法

技术领域

本公开涉及一种具有构造用于对气体加压的可旋转转子组件的涡轮压缩机，以及一种具体地用于海底应用的具有涡轮压缩机的马达-压缩机布置。本公开还涉及一种操作涡轮压缩机的方法。更具体来说，本公开涉及一种具有冷却磁轴承的涡轮压缩机，以及一种冷却涡轮压缩机中的磁轴承的方法。

背景技术

压缩机是通过使用机械能来增加可压缩流体的压力的机器。压缩机可以用于不同应用中。例如，压缩机可以在燃气涡轮中用于对气体进行加压。燃气涡轮可以用于各种工业过程中，包括发电、天然气液化和其它过程。此外，压缩机可以用于海底气体压缩布置中，所述海底气体压缩布置被构造成对海底环境中的气体加压。海底压缩机应承受高的周围静水压力，密封以防止海水进入并且维护成本低。

在涡轮压缩机中，具有一个或多个叶轮的可旋转转子组件通常布置在压缩机壳体中。叶轮可以安装在可旋转转子组件上，并且通过将动能添加到被引导通过旋转叶轮的连续气流来实现压力上升。随后，通过减缓流过扩散器的气体，可以将动能转换成静态压力的增加。

在各种类型的涡轮压缩机中，存在径向压缩机或离心压缩机、轴向压缩机和混流压缩机。在轴向压缩机中，气体可以在基本上平行于转子组件的轴杆的轴向方向上流过一个或多个叶轮。在离心压缩机中，气体可以轴向地流向叶轮，在叶轮处气体在径向向外方向上偏转。

涡轮压缩机可以具有单个叶轮，即，呈单级构造，或具有串联的多个叶轮，在这种情况下压缩机可以称为多级压缩机。压缩机的每个级通常包括：进气口，所述进气口用于待压缩的气体；叶轮，所述叶轮能够将动能提供到输入气体；以及出气口，所述出气口将气体的动能转换成压力能。

通常，在涡轮压缩机中可以设置一个、两个或更多个轴承，以便支撑转子组件。例如，第一轴承可以将转子组件支撑在叶轮的低压侧上，并且第二轴承可以将转子组件支撑在叶轮的高压侧上。可以提供一个或多个径向轴承以承受旋转转子组件的径向负载，和/或可以提供一个或多个止推轴承以承受旋转转子组件的轴向负载。轴承通常通过例如冷却流体冷却，所述冷却流体可以分别被引导通过轴承的轴承间隙。

与涡轮压缩机有关的一个相关问题是冷却流体在支撑转子组件的一个轴承的轴承间隙中冷凝的风险。冷却流体的冷凝可能会不利地影响轴承能力，导致转子组件变得不稳定并且可能导致转子组件跳闸。

因此，改进具有用于支撑转子组件的一个或多个轴承的涡轮压缩机的动态行为将是有益的。增加具体地用于海底应用的涡轮压缩机的预期寿命和耐久性也将是有益的。此外，提供可靠地冷却涡轮压缩机的轴承的方法将是有益的。

发明内容

鉴于上述内容，提供一种构造用于对气体加压的涡轮压缩机，一种具有涡轮压缩机的压缩机布置以及一种操作涡轮压缩机的方法。

根据本公开的一个方面，提供一种涡轮压缩机。所述涡轮压缩机包括：转子组件，所述转子组件在轴向方向上延伸并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮；磁轴承，所述磁轴承将所述转子组件支撑在所述至少一个叶轮的高压侧上；以及冷却通路，所述冷却通路被构造成将所述加压气体的第一部分输送通过所述磁轴承的轴承间隙，以冷却所述磁轴承。

所述冷却通路可以从所述涡轮压缩机的最下游叶轮的排放区域延伸穿过所述轴承间隙。在这种情况下，所述加压气体的所述第一部分用于冷却所述最下游叶轮下游的所述磁轴承，所述最下游叶轮构造用于将所述气体加压至所述涡轮压缩机的输送压力。

根据本公开的另一方面，提供一种涡轮压缩机。所述涡轮压缩机包括：转子组件，所述转子组件在轴向方向上延伸并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮；平衡鼓，所述平衡鼓布置在所述至少一个叶轮的高压侧上并且构造用于至少部分地补偿所述转子组件的轴向推力；以及磁轴承，所述磁轴承将所述转子组件支撑在所述至少一个叶轮的高压侧上，其中所述磁轴承在所述轴向方向上布置在所述至少一个叶轮与所述平衡鼓之间。

根据本公开的另一方面，提供一种马达-压缩机布置。所述压缩机布置可以被构造用于海底应用。所述压缩机布置包括根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机，以及构造用于驱动所述涡轮压缩机的所述转子组件的驱动单元，其中所述涡轮压缩机和所述驱动单元布置在共同壳体中，具体地在气密密封的壳体中。

根据另一方面，提供一种操作涡轮压缩机的方法。所述方法包括：借助于转子组件的至少一个叶轮对气体加压；以及通过将所述加压气体的第一部分沿着冷却通路输送通过磁轴承的轴承间隙来冷却支撑所述转子组件的所述磁轴承。

所述加压气体的所述第一部分可以通过所述涡轮压缩机的所述最下游叶轮压缩和/或偏转，随后被引导通过所述轴承间隙。

本公开的其它方面、优点和特征从说明书和附图中显而易见。

附图说明

为了可以详细地理解本公开的上述特征，可以通过参考实施方案获得上文简要概述的本公开的更具体描述。附图涉及本公开的实施方案并且在下文中描述。一些实施方案在附图中描绘并且在以下描述中详述。

图1是根据本文所描述的实施方案的具有涡轮压缩机的压缩机布置的示意图；

图2是根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机的示意性截面图；

图3是根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机的示意性截面图；

图4是根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机的示意性截面图；

图5是根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机的示意性截面图；以及

图6是说明根据本文所描述的实施方案的操作涡轮压缩机的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的各个实施方案，所述实施方案的一个或多个实例在图式中说明。每个实例以解释方式提供，而不表示限制性。例如，说明或描述为一个实施方案的一部分的特征可以用于任何其它实施方案或与任何其它实施方案一起使用以产生另一实施方案。预期本公开包括此类修改和变化。

在附图的以下描述中，相同附图标记指代对应或类似部件。通常，仅描述相对于个别实施方案的差异。除非另外指定，否则一个实施方案中的部分或方面的描述也适用于另一实施方案中的对应部分或方面。

涡轮压缩机可以用于工业设备中，以从存在于海底下方的油田中提取例如天然气的流体。压缩机可以放置于海平面上方的平台上或海床上。例如潜水式压缩机的涡轮压缩机可以包括一个或多个离心压缩机级，所述一个或多个离心压缩机级被构造用于将所提取流体推向陆地并且与例如电动机的驱动单元一起布置在共同壳体中。涡轮压缩机还可以用于例如陆地上的不同应用。

涡轮压缩机可以被构造为竖直涡轮压缩机，其中转子组件的轴线A基本上在竖直方向上延伸，即在重力方向上延伸。转子组件可以由驱动单元旋转驱动，例如由电动机旋转驱动。转子组件可以包括例如离心叶轮的一个或多个叶轮，并且转子组件的轴杆可以由两个或更多个轴承支撑。例如，可以提供径向轴承和/或轴向轴承，即止推轴承。

本文中使用的术语“气体”在一般意义上可以理解为可压缩流体。

图1示出根据本文所描述的一些实施方案的具有涡轮压缩机100的压缩机布置1000。压缩机布置1000可以包括构造用于驱动涡轮压缩机100的驱动单元1001，例如电动机。涡轮压缩机100和驱动单元1001可以位于压缩机布置1000的共同壳体1002中，例如在气密密封壳体中。

涡轮压缩机100可以是单级压缩机或具有多个压缩机级的多级压缩机。例如，多个压缩机级中的每一个压缩机级可以具有离心叶轮，所述离心叶轮分别在定子隔膜内部旋转，并且分别耦合在转子组件110的轴杆111上。

在一些实施方案中，涡轮压缩机100可以被构造为竖直涡轮压缩机，其中转子组件110的轴向方向A是竖直方向。然而，在其它实施方案中，涡轮压缩机可以具有不同取向，例如，其中转子组件110的轴向方向A是水平方向的水平取向。

在图1中所示的实施方案中，驱动单元1001放置于壳体1002内部，并且通过轴杆111机械地耦合至涡轮压缩机100。可以获得紧凑的机器。在其它实施方案中，用于驱动涡轮压缩机的驱动单元可以布置在壳体1002外部，例如，布置在另一壳体中。

在一些实施方案中，驱动单元1001可以竖直地布置在涡轮压缩机100上方，以降低液体侵入驱动单元1001的风险。在其它实施方案中，可以另外安装驱动单元1001。在其它实施方案中，第一压缩机可以设置于驱动单元1001上方，并且第二压缩机可以设置于驱动单元1001下方。

涡轮压缩机可以由驱动单元1001驱动，例如，由电动机或由液压马达驱动。在其它实施方案中，涡轮压缩机可以由内燃机、燃气涡轮或由另一驱动单元驱动。

在图1的实施方案中，转子组件110的轴杆111由驱动单元1001直接驱动。在其它实施方案中，传输机构，例如齿轮、皮带传动或另一合适的力传输装置可以连接在驱动单元1001与涡轮压缩机100之间。

共同壳体1002可以包括与涡轮压缩机100的入口流体连接的进气口1003。所述壳体还可以包括出气口1004。在竖直压缩机布置中，进气口1003和出气口1004可以彼此上下放置。

图1中未示出涡轮压缩机100的细节。例如，图1中未示出个别压缩机级以及压缩机级的叶轮。

图2以示意性截面图示出根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机100的局部视图。图2的截面平面在纵向方向上沿着涡轮压缩机的轴线延伸。图2中仅示出在轴线上侧的压缩机部分。涡轮压缩机100包括转子组件110，所述转子组件在轴向方向A上延伸，并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮112。

图2中所示的涡轮压缩机100可以用于图1中所示的压缩机布置1000中。图2的涡轮压缩机100还可以用于其它应用中，例如，用于燃气涡轮、发电厂和/或气体液化系统中。

至少一个叶轮112可以固定至转子组件110的轴杆111或与转子组件110的轴杆111一体形成。转子组件110可以可旋转地安装在涡轮压缩机的压缩机壳体105中。在一些实施方案中，转子组件110可以包括可以形成多个压缩机级的多个叶轮，例如，两个、三个或更多个叶轮。

在一些实施方案中，涡轮压缩机100可以被构造为海底压缩机，所述海底压缩机被构造用于水下作业。在海底压缩机中，转子组件110可以安装在密封且耐压的壳体中。

涡轮压缩机包括用于将转子组件110支撑在至少一个叶轮112的高压侧113上的磁轴承120。

磁轴承120可以是主动磁轴承(AMB)。磁轴承可以代替常规油润滑轴承用作转子组件110的轴向和/或径向可旋转支架。磁轴承基于电磁原理操作，以控制转子组件的轴向和径向位移。磁轴承120可以包括由功率放大器驱动的至少一个电磁体，所述功率放大器根据指示转子组件在壳体内部的位移的反馈信号而调节电压并因此调节电磁体的线圈中的电流。磁轴承可能不需要油作为润滑剂，因此可以减少压缩机的整体维护。此外，可能不需要叶轮与轴承之间的密封件。然而，磁轴承可能不能够处理与油润滑轴承一样多的轴向推力。

磁轴承120可以布置在至少一个叶轮112的高压侧113上。如果涡轮压缩机是具有在下游方向上依序布置在轴杆111上的多个叶轮的多级压缩机，则磁轴承120可以布置在最下游叶轮的高压侧113上，即，在转子组件的与进气口侧相对的侧面上。

本文中使用的叶轮的“低压侧”可以理解为朝向进气流106引导的叶轮的上游侧。本文中使用的叶轮的“高压侧”可以理解为叶轮的与上游侧相对的轴向侧，即，理解为远离压缩机的进气口的侧面。例如，在图1中所示的实施方案中，布置磁轴承120的至少一个叶轮112的右侧是至少一个叶轮112的高压侧113，并且朝向进气流106引导的至少一个叶轮112的左侧是至少一个叶轮112的低压侧。

在一些实施方案中，涡轮压缩机的转子组件110可以由至少两个轴承支撑，即，在至少一个叶轮112的高压侧113上的磁轴承120以及在至少一个叶轮112的低压侧上的第二轴承1005。图1中示出第二轴承1005的实例。在一些实施方案中，第二轴承1005也可以是磁轴承。如图1中示意性地描绘，可以提供用于支撑转子组件110的第三轴承或例如磁轴承的其它轴承。

在一些实施方案中，多个叶轮(未示出)可以布置在磁轴承120与第二轴承1005之间。磁轴承120布置在高压侧上，并且第二轴承1005布置在多个叶轮的低压侧上。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，可以提供用于可旋转地支撑转子组件的三个或更多个磁轴承，例如，三个或更多个主动磁轴承。

在涡轮压缩机的操作期间，磁轴承120可以升温。因此，可能合理的是提供用于冷却介质流过磁轴承120的轴承间隙132的冷却通路。磁轴承的轴承间隙132可以位于转子组件110上的磁轴承的叠层125与可以围绕转子组件110的轴承外壳126之间。叠层125可以在涡轮压缩机的操作期间与转子组件110一起旋转，而轴承外壳126可以静止。例如，轴承外壳126可以连接至压缩机壳体105。

磁轴承120的轴承间隙132可以在周向方向上围绕转子组件110。轴承间隙132可以呈薄圆柱筒形状围绕转子组件。

可以将冷却介质引导通过轴承间隙132，用于冷却磁轴承120。然而，当在相对低温下使用例如饱和气体的冷却介质时，存在轴承间隙132中的气体冷凝的风险。冷却介质在轴承间隙132中的冷凝可能导致沿着轴承间隙或在磁轴承的底部部分上的液体积聚。这可能会随时间不利地影响磁轴承，从而影响系统稳定性并导致转子组件跳闸。

根据本文所公开的实施方案，涡轮压缩机包括冷却通路130，所述冷却通路被构造成将加压气体的第一部分P1输送通过磁轴承120的轴承间隙132，用于冷却磁轴承。换句话说，通常是热的并且具有高压的加压气体用作磁轴承的轴承间隙132中的冷却介质。由于高气体压力以及轴承间隙中的冷却介质的高温，可以减少或完全避免冷却介质在轴承间隙中的冷凝。可以降低或避免转子组件的不稳定性。

本文所使用的被引导通过轴承间隙的“加压气体”可以理解为来自至少一个叶轮112的气体排放区域的气体，所述至少一个叶轮可以是多个叶轮中的最下游叶轮。本文所使用的“最下游叶轮”可以理解为在涡轮压缩机的下游方向上的最后一个叶轮，所述叶轮被构造用于将气体压缩至涡轮压缩机的输送压力或出口压力。换句话说，被引导通过冷却通路130的加压气体可以是加压气体的第一部分P1，所述加压气体处于在输送压力下加压的涡轮压缩机的多个叶轮中的最后一个叶轮下游。

“至少一个叶轮的气体排放区域”可以理解为与至少一个叶轮112直接相邻或在至少一个叶轮112下游的区域，加压气体的主流107在离开涡轮压缩机之前穿过所述区域。

在一些实施方案中，冷却通路130中的加压气体的第一部分P1的压力和/或温度可以基本上对应于离开涡轮压缩机的加压气体的输送压力和/或输送温度。例如，冷却通路中的加压气体的第一部分P1的(绝对)压力可以是离开涡轮压缩机的气体的输送压力的70％或更多，具体地80％或更多，更具体地90％或更多。

在一些实施方案中，在沿着冷却通路130穿过轴承间隙132传播期间，可存在加压气体的第一部分P1的压降和/或温降。所述压降和/或温降可能足够小，以基本上避免冷却介质在轴承间隙中的冷凝。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，涡轮压缩机100可以包括在下游方向上依序布置的多个叶轮，例如，两个、三个或更多个叶轮。如已经提及，至少一个叶轮112可以是多个叶轮中的最下游叶轮，所述叶轮构造用于将气体加压至涡轮压缩机100的输送压力。当最后一个叶轮下游的加压气体的部分P1用于冷却磁轴承120时，由于多个叶轮中的最后一个叶轮下游的加压气体的高温和高压，可以有效地减少冷却介质在轴承间隙132中的冷凝。

例如，加压气体的第一部分P1可以从至少一个叶轮112下游的加压气体的主流107分支出来，例如，从至少一个叶轮112的气体排放区域115分支出来。可以将加压气体的第一部分P1引导通过冷却通路130，所述冷却通路可以在轴向方向上至少部分地延伸穿过在至少一个叶轮112的高压侧113上的轴承间隙132。可以减少或避免冷却介质在轴承间隙132中的冷凝。

被引导通过冷却通路130的加压气体的第一部分P1可以是被朝向涡轮压缩机的出气口引导的加压气体的主流107的一部分，例如，主流107的10％或更少，具体地5％或更少。

根据本文所描述的实施方案，在涡轮压缩机的排放侧上的磁轴承120可以通过涡轮压缩机的最后一个叶轮下游的加压气流的一部分冷却，由此增加轴承间隙中的冷却气流的压力和温度。用于磁轴承的冷却布置集成在涡轮压缩机的气流中并且冷却布置得到简化。

此外，可以相对于先前使用的冷却布置增加冷却介质通过轴承间隙132的质量流量。

图3以示意性截面图示出根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机200。图3的截面平面在纵向方向上沿着涡轮压缩机200的轴线延伸。涡轮压缩机200可以类似于图2的涡轮压缩机100，这里不再重述对应特征。

具体来说，涡轮压缩机200包括在轴向方向A上延伸的转子组件110，并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮112或多个叶轮。

涡轮压缩机可能经受转子组件110上的轴向推力，所述轴向推力由压缩机级上的压差和气体的动量变化引起。此种轴向推力可以至少部分地由平衡鼓和/或由轴向轴承补偿。由于轴向轴承通常无法通过转子组件110的整个推力加载，因此平衡鼓可以被设计成补偿推力的一部分，从而使(任选)轴向轴承处理任何剩余推力。在一些实施方案中，可能不需要轴向轴承。可以将平衡鼓实施为转盘、台阶或突起，所述转盘、台阶或突起装配到转子组件110上或与转子组件110一体形成。平衡鼓的每一侧可能在操作期间经受不同压力。在一些实施方案中，可以将平衡鼓的直径选择为具有合适的轴向负载，以防止残余负载使轴向轴承过载。结合一个或多个磁轴承提供平衡鼓可能是有益的，所述磁轴承可能无法承受转子组件110的足够轴向负载。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，涡轮压缩机200可以包括布置在至少一个叶轮112的高压侧113上的平衡鼓140。平衡鼓140可以构造用于提供转子组件110的轴向推力的至少部分补偿。

在一些实施方案中，平衡鼓140可以提供为转子组件110上的台阶、盘或平衡活塞。平衡鼓的形状不受特别限制，只要平衡鼓140能够提供转子组件的轴向推力的至少部分补偿即可。可以在平衡鼓的高压侧116与平衡鼓的低压侧114之间保持压差。

在一些实施方案中，至少一个叶轮布置在平衡鼓140的高压侧116上，并且平衡鼓的低压侧114可以是相对侧，即，平衡鼓140的下游侧。低压区域1012可以设置在平衡鼓140的低压侧上(参见图1)。

根据可以组合本文所描述的其它方面的本公开的方面，磁轴承120可以在轴向方向A上布置在至少一个叶轮112与平衡鼓140之间。在一些实施方案中，磁轴承120可以布置在多个叶轮中的最下游叶轮与平衡鼓140之间。

因此，磁轴承120可以布置在转子组件110的高压区域中，即，最后一个叶轮与平衡鼓140之间。因此，可以简化冷却布置的设置，并且可以使用从最后一个叶轮的下游侧朝向平衡鼓140的高压侧116延伸的平衡鼓气流来冷却磁轴承120。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，冷却通路130在下游方向上从至少一个叶轮112的气体排放区域115延伸穿过轴承间隙132，并且随后从平衡鼓140的高压侧116至平衡鼓140的低压侧114穿过平衡鼓140。

平衡鼓可以包括平衡鼓密封件142，所述平衡鼓密封件被构造成保持平衡鼓的高压侧116与低压侧114之间的压差。在一些实施方案中，平衡鼓密封件142可以是迷宫式密封件。冷却通路130可以朝向平衡鼓140的低压侧114延伸穿过平衡鼓密封件142，例如，穿过设置于平衡鼓密封件142中的迷宫式通路。

平衡鼓密封件142可以是固定至转子组件110的旋转部件，或平衡鼓密封件142可以替代地为固定至涡轮压缩机的静态部分144的静态部件，例如固定至壳体部分的静态部件。在一些实施方案中，平衡鼓密封件142的第一部分固定至转子组件110，并且平衡鼓142的第二部分固定至涡轮压缩机的静态部分144。平衡鼓间隙可以设置在平衡鼓的外表面与静态部分144的配合内表面之间。平衡鼓密封件142可以布置在平衡鼓间隙中并且可以限定平衡鼓间隙。

因此，在一些实施方案中，冷却通路130可以从至少一个叶轮112的气体排放区域115延伸穿过轴承间隙132，并且进一步从平衡鼓140的高压侧116朝向平衡鼓140的低压侧延伸穿过平衡鼓密封件142。因此，平衡鼓气流可以用于冷却布置在平衡鼓140的高压侧116上的磁轴承120。

平衡鼓140的低压侧114可以保持在低压。例如，平衡鼓的低压侧114可以连接至大气压或连接至涡轮压缩机的入口气压。例如，如在图1中示意性地说明，涡轮压缩机的气体入口区域1011可以通过平衡线与平衡鼓140的低压侧114上的低压区域1012流体连接。平衡线可以将平衡鼓140的低压侧114上的低压区域1012中的压力保持在与通过进气口1003进入的过程气体基本上相同的压力下。可以通过构造用于保持所述压差的平衡鼓140有效地补偿转子组件110的轴向推力。

在一些实施方案中，可以提供例如控制阀的控制单元，用于例如基于一个轴承上或附近的所感测轴向负载而调整低压区域1012中的压力。

例如，由于级之间的压差、气体动量变化等，至少一个叶轮112可以在涡轮压缩机的低压侧的方向上将轴向负载置于转子组件上。使转子组件110旋转的驱动单元1001可以在相对方向上，即朝向涡轮压缩机的高压侧将基本上恒定的轴向负载置于转子组件上。为了抵消至少一个叶轮112的剩余轴向负载，平衡鼓140可以被设计成将轴向力施加在转子组件上，所述轴向力的量值可以基于叶轮的预期轴向负载减去驱动单元的轴向负载。通过例如设计系统使得平衡鼓的低压侧上的气压低于平衡鼓的高压侧上的压力，和/或通过选择合适大小(例如，直径)的平衡鼓以产生合适的平衡力，可以实现这一点。可以通过在涡轮压缩机的低压侧114与气体入口区域1011之间提供平衡线来保持压力不平衡。

图4以示意性截面图示出根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机300上部部分。图4的截面平面在纵向方向上沿着涡轮压缩机300的轴线延伸。涡轮压缩机300可以类似于图3的涡轮压缩机200，这里不再重述对应特征。

具体来说，涡轮压缩机300可以包括平衡鼓140和磁轴承120，所述磁轴承在轴向方向A上布置在至少一个叶轮112与平衡鼓140之间。冷却通路130可以从至少一个叶轮112的气体排放区域115延伸穿过磁轴承120的轴承间隙132，并且穿过平衡鼓密封件142延伸至平衡鼓140的低压侧114。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，涡轮压缩机300可以包括旁路通路150，所述旁路通路被构造成将加压气体的第二部分P2从至少一个叶轮112的气体排放区域115输送至轴承间隙132下游的冷却通路130的一部分。

旁路通路150可以提供在至少一个叶轮112的气体排放区域115与轴承间隙132下游的冷却通路130的一部分之间的流体连接。被引导通过旁路通路150的加压气体的第二部分P2可以是被朝向涡轮压缩机的出气口引导的加压气体的主流107的一部分，例如，主流107的10％或更少，具体地5％或更少。流过旁路通路150的加压气体P2的第二部分可以具有高压和/或高温。例如，加压气体的第二部分P2的压力和温度可以基本上对应于涡轮压缩机的输送压力和/输送温度。

例如，在一些实施方案中，加压气体的第一部分P1可以流过最下游叶轮下游的冷却通路130，并且加压气体的第二部分P2可以流过最下游叶轮下游的旁路通路150。冷却通路130和旁路通路150可以在轴承间隙132下游合并。

通过提供旁路通路150，可以减少或避免冷却通路130在轴承间隙132上的压降。具体来说，通过提供可以将轴承间隙的下游侧与最后一个叶轮的气体排放区域115直接连接的旁路通路150，可以保证在轴向方向A上在轴承间隙132的两侧上的冷却通路130中的基本上相同压力，即高压。可以减少或避免冷却介质在轴承间隙中的冷凝。

冷却通路130可以至少部分地具有圆柱形套的形状，所述圆柱形套周向地围绕转子组件并且在轴向方向A上延伸。旁路通路150可以设置为一个或多个通道，所述一个或多个通道可以例如至少部分地在轴向方向A上至少部分地彼此分开延伸。在图4中以纵向截面图示出旁路通路150的一个通道。例如，旁路通路150的一个或多个通道可以在一个或多个不同角位置处从轴承壳体126径向向外延伸。

例如，旁路通路150的两个通道可以设置于转子组件的轴线的相对侧上。在一些实施方案中，旁路通路150可以包括四个通道，所述四个通道可以例如以相对于相应相邻通道90°的角度设置在四个角位置处。在一些实施方案中，旁路通路150可以包括多于四个通道。可以提供旁路通路150的通道的对称布置。

在平衡鼓140上游的某一位置处，即，在平衡鼓140的高压侧116上，旁路通路150可以与冷却通路130合并。因此，即使在冷却通路130上发生压降的情况下，由于旁路通路150，也可以保证在平衡鼓140的高压侧116上的高压。因此，可以保证平衡鼓140的高压侧116与低压侧114之间的合适压差，并且平衡鼓140的推力补偿不会不利地受冷却通路上的潜在压降影响。

具体来说，在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，旁路通路150可以提供至少一个叶轮112的气体排放区域115与平衡鼓140的高压侧116之间的直接连接。取决于操作条件，旁路通路150的开口尺寸可以用于例如优化热和转子动力行为，例如，从气流的0％至100％。

旁路通路150和冷却通路130可以提供从至少一个叶轮112的气体排放区域115至平衡鼓140的高压侧116的两个平行加压气体流。冷却通路130和旁路通路150可以从加压气体的主流107分支出来。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，平衡鼓140可以布置在转子组件110的轴向端附近。具体来说，平衡鼓140可以与转子组件110的轴向端直接接触布置，或可以借助于中间元件间接地连接至转子组件110的轴向端。中间元件的轴向长度可以小于50cm，优选地小于10cm，更优选地小于2cm。例如，平衡鼓140可以构成转子组件110的轴向端。当平衡鼓140设置在转子组件的轴向端附近时，可以有助于平衡鼓140的维护和调整。

具体来说，可以简化在平衡鼓140的旋转部分与涡轮压缩机的静止部分144之间的平衡鼓密封件142的调整。例如，平衡鼓密封件142和/或平衡鼓间隙的未对准可能导致侧向负载效应，这根据本文所描述的实施方案是可以避免的。在一些实施方案中，平衡鼓密封件142固定至涡轮压缩机的静止部分144，并且布置在转子组件的轴向端附近的平衡鼓140可以相对于平衡鼓密封件142居中。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，平衡鼓140可以可拆卸地连接至转子组件110的轴杆111，具体地轴杆111的轴向端。可以简化平衡鼓140相对于涡轮压缩机的静止部分144的居中，这在平衡鼓的外表面与静止部分144的内表面之间形成平衡的鼓间隙。

在图4中所示的实施方案中，平衡鼓140通过固定装置，例如，通过螺钉或螺栓固定至轴杆111的轴向端。在一些实施方案中，与平衡鼓140的外表面形成配合表面的静止部分144还可以通过固定装置，例如通过螺钉连接至涡轮压缩机的壳体部分。可以进一步简化平衡鼓140相对于静止部分144的居中。

图5以示意性截面图示出根据本文所描述的实施方案的涡轮压缩机400。图5的截面平面在纵向方向上沿着涡轮压缩机400的轴线延伸。涡轮压缩机400可以类似于图4的涡轮压缩机300，这里不再重述对应特征。

具体来说，涡轮压缩机300可以包括平衡鼓140和磁轴承120，所述磁轴承在轴向方向A上布置在至少一个叶轮112与平衡鼓140之间。冷却通路130可以从至少一个叶轮112延伸穿过磁轴承120的轴承间隙132，并且穿过平衡鼓密封件142延伸至平衡鼓140的低压侧114。此外，可以提供旁路通路150。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，涡轮压缩机还可以包括控制单元155，具体地包括阀门，所述控制单元被构造用于调整加压气体的第二部分P2通过旁路通路150的流量。例如，可以通过控制单元155调整加压气体的第二部分P2通过旁路通路150的流量。

通过调整加压气体的第二部分P2通过旁路通路的流量，可以改变冷却通路130中的加压气体的第一部分P1的压力和/或流量。在一些实施方案中，可以调整冷却气体的流量。或者或另外，可以通过控制单元155调整平衡鼓的高压侧与平衡鼓的低压侧之间的压差。

在一些实施方案中，旁路通路150和冷却通路130可以在平衡鼓密封件142中的某一位置处，例如在迷宫式密封件的通路中结合或合并。通过使加压气体的第二部分P2在可以是迷宫式密封件的平衡鼓密封件中的某一位置处流入冷却通路中，可以减少或防止平衡鼓密封件142中的气体旋流。例如，可以在基本上轴向方向上将加压气体的第一部分P1引导通过平衡鼓密封件142，并且加压气体的第二部分P2可以从至少部分径向方向流入平衡鼓密封件的通路中，如图5中示意性地描绘。

在一些实施方案中，旁路通路150可以具有一个或多个通道，所述一个或多个通道被构造用于将加压气体从基本上等间距方向引导至平衡鼓的密封件中。图5中仅示出所述通道中的一个通道。因此，对称气体负载可以作用于平衡鼓140上，并且可以防止由于加压气体的第二部分P2引起的转子组件的不稳定性。此外，可以有效地打破平衡鼓间隙中的气体的旋流。

例如，旁路通路150的至少一个通道可以被构造为分流孔，所述分流孔例如在基本上径向方向上朝向平衡鼓间隙延伸穿过涡轮压缩机的静止部分144。例如，分流孔可以在轴向方向A上在平衡鼓密封件142的通路中终止，例如，在平衡鼓密封件的中心通路中终止。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，涡轮压缩机可以被构造为离心压缩机，并且至少一个叶轮可以是离心叶轮，所述离心叶轮被构造用于在径向方向上远离转子组件引导加压气体。具体来说，涡轮压缩机的多个叶轮中的每个叶轮可以被构造为离心叶轮。在其它实施方案中，涡轮压缩机的至少一个或多个叶轮可以被构造为轴向叶轮。

在一些实施方案中，涡轮压缩机可以被构造为罐式涡轮压缩机。涡轮压缩机可以布置在不允许气体泄漏的气密密封壳体中。

图6是用于说明根据本文所描述的实施方案的操作涡轮压缩机的方法的流程图。在方框510中，所述方法包括通过引导气体穿过转子组件110的至少一个旋转叶轮来对气体加压。所述至少一个叶轮可以是安装在转子组件上的多个叶轮中的最下游叶轮，并且可以是最后一个压缩机级的一部分，所述最后一个压缩机级被构造成将气体加压至涡轮压缩机的输送压力。

在方框520中，在流过至少一个叶轮112之后，可以将加压气体的第一部分P1沿着冷却通路130输送通过磁轴承120的轴承间隙132，以冷却磁轴承120。

加压气体的第一部分P1可以从被朝向涡轮压缩机的出气口引导的加压气体的主流107分支出来。

在一些实施方案中，所述方法还可以包括通过提供平衡鼓140的高压侧116与低压侧114之间的压差来补偿转子组件110的轴向推力，其中磁轴承120可以布置在至少一个叶轮与平衡鼓之间。

在任选方框530中，所述方法还可以包括在轴承间隙132下游将加压气体的第一部分P1输送至平衡鼓140。具体来说，可以将加压气体的第一部分引导至平衡鼓密封件142，所述平衡鼓密封件将平衡鼓的高压侧与平衡鼓的低压侧分开。

任选地，所述方法还可以包括将加压气体的第二部分P2输送通过旁路通路150，所述旁路通路从至少一个叶轮的气体排放区域延伸至位于轴承间隙132下游的冷却通路130的一部分。

在一些实施方案中，流过旁路通路150的加压气体的第二部分P2以及流过冷却通路130的加压气体的第一部分P1可以在平衡鼓上游的某一位置处一起流动，例如，直接在平衡鼓上游，即在平衡鼓的高压侧上一起流动。

加压气体的第一部分P1和/或加压气体的第二部分P2可以从被朝向涡轮压缩机的出气口引导的加压气体的主流107分支出来。可以将加压气体的第二部分P2引导通过旁路通路，并且随后穿过平衡鼓到达平衡鼓的低压侧。

在一些实施方案中，加压气体的第一部分P1和加压气体的第二部分P2可以在平衡鼓的高压侧上在平衡鼓上游的某一位置处一起流动。

或者，加压气体的第一部分P1和加压气体的第二部分P2可以在平衡鼓密封件142中一起流动，例如在迷宫式密封件的通路中的某一位置处一起流动。这可以有助于打破平衡鼓密封件中的气体的旋流。

例如，加压气体的第二部分P2可以在平衡鼓密封件的中心部分中流入加压气体的第一部分P1中，以打破平衡鼓密封件中的气体的旋流。

通过例如经由设置于旁路通路150中的控制单元155调整旁路通路150中的加压气体的第二部分P2的流速或压力，可以调节加压气体的第一部分P1的流速或压力。

在可以与本文所描述的其它实施方案组合的一些实施方案中，气体可以在第一压力和第一温度下进入涡轮压缩机，并且可以在分别高于第一压力和第一温度的第二压力和第二温度下将加压气体的第一部分P1引导通过轴承间隙132。

在一些实施方案中，第二压力可以是第一压力的两倍或更多，和/或第二温度可以比第一温度高10℃以上，具体地高20℃以上或30℃以上或更多。可以减少加压气体在轴承间隙中的冷凝，并且可以改进涡轮压缩机的耐久性。

尽管前述内容涉及本公开的实施方案，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下可以设计本公开的其它和另外实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种涡轮压缩机(100)，包括：

转子组件(110)，所述转子组件在轴向方向(A)上延伸并且包括构造用于对气体加压的至少一个叶轮(112)；

磁轴承(120)，所述磁轴承将所述转子组件(110)支撑在所述至少一个叶轮(112)的高压侧(113)上；以及

冷却通路(130)，所述冷却通路被构造成将被加压气体的第一部分(P1)输送通过所述磁轴承(120)的轴承间隙(132)，用于冷却所述磁轴承(120)；

平衡鼓(140)，所述平衡鼓布置在所述至少一个叶轮(112)的所述高压侧(113)上；

其中所述磁轴承(120)在所述轴向方向(A)上布置在所述至少一个叶轮(112)与所述平衡鼓(140)之间。

2.如权利要求1所述的涡轮压缩机，其中所述转子组件(110)包括多个叶轮，并且其中所述至少一个叶轮(112)是所述多个叶轮中的最下游叶轮，所述最下游叶轮被构造用于将所述气体加压至所述涡轮压缩机(100)的输送压力，并且其中所述被加压气体的所述第一部分(P1)是在所述输送压力下加压的所述气体的一部分。

3.如权利要求1所述的涡轮压缩机，其中所述冷却通路(130)在下游方向上从所述至少一个叶轮(112)的气体排放区域(115)延伸，穿过所述轴承间隙(132)，并且随后从所述平衡鼓(140)的高压侧(116)至低压侧(114)穿过所述平衡鼓(140)。

4.如权利要求3所述的涡轮压缩机，其中所述冷却通路(130)延伸穿过平衡鼓密封件(142)，所述平衡鼓密封件被构造成保持所述平衡鼓的所述高压侧(116)与所述平衡鼓的所述低压侧(114)之间的压差。

5.如权利要求4所述的涡轮压缩机，其中所述平衡鼓密封件被构造成通过迷宫式密封件保持所述平衡鼓的所述高压侧(116)与所述平衡鼓的所述低压侧(114)之间的压差。

6.如权利要求4所述的涡轮压缩机，还包括旁路通路(150)，所述旁路通路被构造成将所述被加压气体的第二部分(P2)从所述至少一个叶轮(112)的气体排放区域(115)输送至所述轴承间隙(132)下游的所述冷却通路(130)的一部分。

7.如权利要求6所述的涡轮压缩机，还包括控制单元(155)，所述控制单元被构造用于调整所述被加压气体的所述第二部分(P2)通过所述旁路通路(150)的流量。

8.如权利要求6所述的涡轮压缩机，其中所述旁路通路(150)和所述冷却通路(130)在所述平衡鼓(140)上游的某一位置处或在平衡鼓密封件(142)中的某一位置处结合。

9.如前述权利要求1－8中任一项所述的涡轮压缩机，其中所述平衡鼓(140)直接连接至或借助于中间元件间接连接至所述转子组件(110)的轴向端。

10.如权利要求9所述的涡轮压缩机，其中所述平衡鼓(140)可拆卸地连接至所述转子组件(110)的轴杆端。

11.如权利要求7所述的涡轮压缩机，其中，所述控制单元(155)为阀门。

12.一种马达-压缩机布置(1000)，包括：

如权利要求1至11中任一项所述的涡轮压缩机(100)；以及

驱动单元(1001)，所述驱动单元被构造用于驱动所述涡轮压缩机(100)的所述转子组件(110)，

其中所述涡轮压缩机(100)和所述驱动单元(1001)布置在共同壳体(1002)中。

13.如权利要求12所述的马达-压缩机布置(1000)，

其中，所述共同壳体是气密密封壳体。

14.一种操作涡轮压缩机的方法，包括：

借助于转子组件(110)的至少一个叶轮(112)对气体加压；以及

通过将被加压气体的第一部分(P1)沿着冷却通路(130)输送通过磁轴承(120)的轴承间隙(132)来冷却支撑所述转子组件(110)的所述磁轴承(120)；

通过提供平衡鼓(140)的高压侧(116)与低压侧(114)之间的压差来补偿所述转子组件(110)的轴向推力；

其中所述磁轴承(120)布置在所述至少一个叶轮(112)与所述平衡鼓(140)之间。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

将所述被加压气体的所述第一部分(P1)通过所述轴承间隙(132)输送至用于所述平衡鼓(140)的平衡鼓密封件(142)，所述平衡鼓密封件将所述平衡鼓的所述高压侧(116)与所述平衡鼓的所述低压侧(114)分开。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

将所述被加压气体的第二部分(P2)输送通过旁路通路(150)，所述旁路通路从所述至少一个叶轮的气体排放区域(115)延伸至位于所述轴承间隙(132)下游的所述冷却通路(130)的一部分。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述被加压气体的所述第一部分(P1)和所述被加压气体的所述第二部分(P2)在所述平衡鼓(116)的所述高压侧上在所述平衡鼓上游的某一位置处结合在一起，或其中所述被加压气体的所述第一部分(P1)和所述被加压气体的所述第二部分(P2)在所述平衡鼓密封件(142)中的某一位置处结合在一起。

18.如权利要求16所述的方法，包括以下附加步骤：通过调整所述被加压气体的所述第二部分(P2)的流速或压力来调节所述被加压气体的所述第一部分(P1)的流速或压力。

19.如权利要求17所述的方法，包括以下附加步骤：通过调整所述被加压气体的所述第二部分(P2)的流速或压力来调节所述被加压气体的所述第一部分(P1)的流速或压力。

20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述气体在第一压力和第一温度下进入所述涡轮压缩机，并且其中在分别高于所述第一压力和所述第一温度的第二压力和第二温度下将所述被加压气体的所述第一部分(P1)引导通过所述轴承间隙(132)。

Images