CN113195874B - 平衡和密封活塞以及相关联的冷却回路和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于集成式马达压缩机的平衡和密封活塞，该平衡和密封活塞包括：平衡活塞(50)，该平衡活塞被设计成安装在该马达压缩机的轴(38)上以补偿施加到该马达压缩机的压缩段的轮(34,35,36,37)的吸入压力和排放压力之间的压差；和密封设备(51)，该密封设备围绕该平衡活塞并且被设计成安装在该马达压缩机(30)的壳体(31)上以使该压缩段密闭。此外，该平衡和密封活塞还包括气体提取端口(52)，该提取端口的轴向位置被确定为使得所提取的气体的压力值等于预定值，该预定值小于该排放压力的值。

Description

平衡和密封活塞以及相关联的冷却回路和方法

本发明涉及集成式马达压缩机，并且更具体地涉及推力平衡和密封活塞、实现此类活塞的冷却回路和冷却方法。

参考图1，集成式马达压缩机包括对由马达压缩机处理的气体密闭的共同的壳体2，在该壳体中放置有电动马达3和压缩机组4，该压缩机组为例如包括由轴9承载的一组叶轮5、6、7和8的多级组。马达3驱动联接到压缩机组4的轴9的转子10的旋转。轴承11、12、13和14用于支撑马达压缩机的轴线，并且推力平衡和密封活塞15安装在轴9上。

此外，马达压缩机1还包括气体吸入管线16、排放管线17和用于冷却从马达压缩机的出口所提取的气体的输入管线18。

扭矩平衡和密封活塞15包括：平衡活塞19，该平衡活塞用于补偿施加到叶轮5、6、7和8的吸入压力和排放压力之间的压差；和密封设备20，该密封设备围绕平衡活塞19以通过生成压力损失而使轴的端部密闭。

泄漏流轴向穿过活塞15并且通过连接到吸入管线16的泄漏管线21从壳体2排出。

由泄漏管线21收集的气体(其已由压缩机4压缩)的温度高于吸入管线16中的气体的温度。

一般来讲，在马达压缩机的入口处进入的气体的温度为大约20℃至50℃，并且泄漏气体的温度为大约180℃。

因此，泄漏气体增加了在吸入管线16中循环的气体的温度，从而降低了压缩机4的效率。

排放管线17通常连接到冷却器22以便冷却压缩气体。

离开冷却器22的气体的一部分由冷却气体进入管线18提取并且注入到壳体2中。该管线18在内部连接到壳体2的冷却装置23，以便冷却电动马达3以及轴承11、12、13和14。

在一个变体中，离开轮的气体的一部分被提取、冷却，然后注入到壳体2中。

在冷却器22的出口处或在轮的出口处提取的压缩气体在马达压缩机1中再循环，从而降低马达压缩机的效率并且减小离开冷却器的气体的流速。

因此，提出了减轻一方面与推力平衡和密封活塞的泄漏流的再循环以及另一方面与马达压缩机的冷却相关联的缺点。

鉴于前述内容，根据第一方面，提出了一种用于集成式马达压缩机的平衡和密封活塞，该平衡和密封活塞包括：

-平衡活塞，该平衡活塞被设计成安装在马达压缩机的轴上，以补偿施加到马达压缩机的压缩段的轮的吸入压力和排放压力之间的压差；和

-密封设备，该密封设备围绕平衡活塞并且被设计成安装在马达压缩机的壳体上以使压缩段密闭。

此外，平衡和密封活塞还包括气体提取端口，该提取端口的轴向位置被确定为使得所提取的气体的压力值等于预定值，该预定值小于排放压力值。

有利的是，密封设备包括带齿曲径，该带齿曲径包括在其中心处中空的盘，这些盘沿着轴向方向分布以便在两个相邻盘之间产生压力损失，气体提取口位于两个相邻盘之间。

优选地，密封设备包括具有蜂窝结构几何形状的密封件，气体提取端口位于密封件的中心。

根据另一方面，提出了一种用于集成式马达压缩机的冷却回路，该冷却回路包括：

-如先前所定义的平衡和密封活塞；

-气体冷却器，该气体冷却器包括入口和出口，该入口连接到气体提取端口；

-冷却装置，该冷却装置用于轴承并且用于连接到气体冷却器的出口的电动马达，

提取端口处提取的气体的压力值至少等于由气体冷却器和冷却装置生成的压力损失的值。

根据另一特性，冷却回路还包括过滤器，该过滤器具有连接到冷却器的出口的入口和连接到冷却装置的出口，提取端口处提取的气体的压力值至少等于由冷却器、冷却装置和过滤器生成的压力损失的值。

有利的是，冷却回路还包括：

-调节阀，该调节阀连接到冷却器的出口并且连接到冷却装置；

-至少一个温度传感器，该至少一个温度传感器被设计成测量电动马达的温度或轴承的温度；

-处理单元，该处理单元连接到调节阀和温度传感器，并且控制调节阀，

提取端口处提取的气体的压力值至少等于由冷却器、阀和冷却装置生成的压力损失的值。

优选地，回路还包括过滤器，该过滤器具有通向冷却器的出口的入口和连接到调节阀的出口，提取端口处提取的气体的压力值至少等于由冷却器、调节阀和过滤器生成的压力损失的值。

根据另一特性，冷却回路还包括第二调节阀，该第二调节阀一方面连接到马达压缩机的排放端口并且连接到轮的出口，并且另一方面连接到冷却装置，该第二调节阀由处理单元控制。

根据第二方面，提出了一种冷却集成式马达压缩机的方法，其中调节由调节阀注入冷却装置中的气体的流速，使得由至少一个温度传感器检测到的温度等于设定点温度。

有利的是，当由温度传感器检测到的温度大于设定点温度并且由调节阀注入的气体的流速等于预定最大流速时，调节由第二调节阀注入冷却装置中的气体的补充流速，使得由至少一个温度传感器检测到的温度等于设定点温度。

通过阅读以下仅作为非限制性实施例给出的本发明实施方案的描述，并且参考附图，本发明的其他特性和优点将显现出来，附图中：

[图1]

示出了现有技术的马达压缩机(已提及)；

[图2]

示出了马达压缩机的第一实施方案；并且

[图3]

示出了马达压缩机的第二实施方案。

参考图2，其示出了集成式马达压缩机30的第一实施方案。

集成式马达压缩机30包括共同的密闭壳体31，在该密闭壳体中放置有电动马达32和压缩机组33，该压缩机组包括例如具有由轴38承载的一组叶轮34、35、36和37的压缩段。马达32驱动联接到压缩机组33的轴38的转子39的旋转。轴承40、41、42和43用于支撑马达压缩机的轴线，并且平衡和密封活塞44安装在轴38的一个端部处。

该活塞44被设计成在压差的影响下平衡作用于马达压缩机的压缩级的推力，并且确保压缩段的密闭度。

马达压缩机30还包括气体吸入端口45和压缩气体排放端口46、连接到电动马达32的冷却装置48和轴承40、41、42和43的冷却端口47，以及连接到吸入端口45的泄漏端口49。

冷却装置48递送冷却气体。

泄漏流轴向穿过推力平衡和密封活塞44，并且通过泄漏端口49从壳体31排出。

轴承40、41、42和43可包括电磁轴承，使得当马达压缩机30工作时轴38受到支撑。

平衡和密封活塞44包括：平衡活塞50，该平衡活塞用于补偿施加到压缩机33的轮的吸入压力和排放压力之间的压差；和密封设备51，该密封设备围绕平衡活塞50以通过生成压力损失而使轴的端部密闭。

活塞44还包括气体提取端口52。

提取端口52的轴向位置被确定为使得所提取的气体的压力值等于预定值Pext，该预定值小于排放压力的值。

密封设备51包括带齿曲径，该带齿曲径包括在其中心处中空的盘，这些盘沿着轴向方向分布以便在两个相邻盘之间产生压力损失，气体提取端口52位于两个相邻盘之间。

在一个变体中，密封设备51包括具有蜂窝结构几何形状的密封件，气体提取端口52位于密封件的中心处。

循环通过泄漏端口49的热气体的量被提取端口52所提取的气体的量减少。

因此，吸入端口处的气体的温度低于不具有提取端口的推力平衡和密封活塞的情况。

马达压缩机的效率得到改善。

马达压缩机30还包括冷却回路，该冷却回路包括：平衡和密封活塞44；气体冷却器53，该气体冷却器的一个入口连接到提取端口52，并且出口连接到过滤器54的入口，过滤器的一个出口连接到调节阀55，该调节阀连接到冷却装置49。

冷却器53冷却在其入口处循环的气体。

冷却回路还包括：温度传感器56、57和58，该温度传感器测量电动马达32的温度和轴承41和42的温度；处理单元59，该处理单元控制调节阀55并且接收由温度传感器传输的温度信息。

在一个变体中，每个轴承均可配备有温度传感器。

过滤器54过滤出口处的气体以消除包含在气体中的颗粒和水。

处理单元59调节由调节阀55注入到马达压缩机的冷却回路中的气体的流速，使得由温度传感器56、57和58检测到的温度等于设定点温度Tcons，选择该设定点温度以免劣化电动马达32和轴承。

冷却回路包括温度控制环路。

处理单元59例如通过微处理器来实现。

该处理器可以是能够控制调节阀55使得由温度传感器56、57和58检测到的温度等于设定点温度Tcons的任何设备。

在提取端口52处提取的气体压力的预定值Pext1至少等于由冷却装置48、冷却器53、过滤器54和调节阀55生成的压力损失的值。可以假设的是，与由冷却回路的元件生成的压力损失相比，由连接所述元件的管线生成的压力损失可忽略不计。

在一个变体中，冷却回路不具有过滤器54。在提取端口52处提取的气体压力的预定值Pext2至少等于由冷却装置48、冷却器53和调节阀55生成的压力损失的值。

根据其他实施方案，冷却回路不具有阀55。在提取端口52处提取的气体压力的预定值Pext3等于预定值Pext1减去由阀55(如果回路包括过滤器54)生成的压力损失的值，或者等于预定值Pext2减去由阀55生成的压力损失的值。

冷却装置48注入从标号为44的活塞逸出的泄漏气体。

因此，不会在排放端口46处或在轮34、35、36和37中的一者处提取冷却气体，这减少了气体的再循环。马达压缩机的效率得到改善。

现在参考图3，其示出了集成式马达压缩机30的第二实施方案。

在下文中，与先前所述相同的元件由相同的数字标号标识。

该实施方案与第一实施方案的不同之处在于冷却回路还包括：第二冷却器60，该第二冷却器的一个入口连接到排放端口46；和第二调节阀61，该第二调节阀连接到第二冷却器60的出口。

在一个变体中，第二冷却器60的入口连接到压缩段的轮34、35、36或37的出口。

第二冷却器60冷却离开压缩机33的气体。

根据其他实施方案，第二调节阀61直接连接到排放端口46或连接到压缩段的轮34、35、36或37的出口。

第二调节阀61还连接到冷却端口47。

处理单元59还控制第二调节阀61，使得当由温度传感器56、57和58检测到的温度大于设定点温度Tcons并且由第一调节阀55注入的气体的流速等于预定最大流速时，由冷却装置48中的第二调节阀注入的补充气体的流速降低由温度传感器检测到的温度，直到其等于设定点温度Tcons。

预定最大流速是穿过第一调节阀55的气体的最大流速。

在一个变体中，如果冷却回路不包含第一调节阀55，则处理单元59控制第二调节阀61，使得当温度传感器56、57和58检测到的温度大于设定点温度Tcon时，由冷却装置48中的第二调节阀注入的气体的补充流速降低了由温度传感器检测到的温度，直到其等于设定点温度Tcons。

在该实施方案中，如果在提取端口52处提取的泄漏气体流速不足以将马达32和轴承冷却到设定点温度Tcons，则在排放端口46处提取补充气体流。

冷却回路的冷却能力得到改善。

由于在排放端口处提取的补充气体流与离开压缩机34的气体流相比可以忽略不计，因此马达压缩机的效率不会降低。

根据其他实施方案，马达压缩机30可包括安装在其轴上的若干压缩段，每个压缩段均连接到推力平衡和密封活塞。

低压值最低的推力平衡和密封活塞包括气体提取端口。

Claims (9)

1.一种用于集成式马达压缩机的冷却回路，所述冷却回路包括：

-平衡和密封活塞(44)，所述平衡和密封活塞包括：

-平衡活塞(50)，所述平衡活塞被设计成安装在所述马达压缩机的轴(38)上以补偿施加到所述马达压缩机的压缩段的轮(34,35,36,37)的吸入压力和排放压力之间的压差；和

-密封设备(51)，所述密封设备围绕所述平衡活塞并且被设计成安装在所述马达压缩机(30)的壳体(31)上以使所述压缩段密闭，

其中，所述平衡和密封活塞此外还包括气体提取端口(52)，所述提取端口的轴向位置被确定为使得所提取的气体的压力值等于预定值；

-气体冷却器(53)，所述气体冷却器包括入口和出口，所述入口连接到所述气体提取端口(52)；

-冷却装置(48)，所述冷却装置用于轴承(40,41,42,43)并且用于连接到所述气体冷却器的所述出口的电动马达(32)；

所述提取端口(52)处所提取的气体的所述压力值至少等于由所述气体冷却器和所述冷却装置生成的压力损失的值。

2.根据权利要求1所述的回路，其中所述密封设备(51)包括带齿曲径，所述带齿曲径包括在其中心处为中空的盘，所述盘沿着轴向方向分布以便在两个相邻盘之间产生压力损失，所述气体提取端口位于两个相邻盘之间。

3.根据权利要求1所述的回路，其中所述密封设备(51)包括具有蜂窝结构几何形状的密封件，所述气体提取端口位于所述密封件的中心处。

4.根据权利要求1所述的回路，所述回路还包括过滤器(54)，所述过滤器具有连接到所述冷却器(53)的所述出口的入口和连接到所述冷却装置(48)的出口，所述提取端口(52)处所提取的气体的所述压力值至少等于由所述冷却器、所述冷却装置和所述过滤器生成的所述压力损失的所述值。

5.根据权利要求1所述的冷却回路，所述冷却回路还包括：

-调节阀(55)，所述调节阀连接到所述冷却器(53)的所述出口并且连接到所述冷却装置(48)；

-至少一个温度传感器(56,57,58)，所述至少一个温度传感器被设计成测量所述电动马达的温度或轴承的温度；和

-处理单元(59)，所述处理单元连接到所述调节阀并且连接到所述温度传感器，并且控制所述调节阀，

所述提取端口(52)处的所提取的气体的所述压力值至少等于由所述冷却器、所述阀和所述冷却装置生成的所述压力损失的所述值。

6.根据权利要求5所述的回路，所述回路还包括过滤器(54)，所述过滤器具有通向所述冷却器(53)的所述出口的入口和连接到所述调节阀(55)的出口，所述提取端口(52)处所提取的气体的所述压力值至少等于由所述冷却器、所述调节阀和所述过滤器生成的所述压力损失的所述值。

7.根据权利要求5和6中的一项所述的冷却回路，所述冷却回路还包括第二调节阀(61)，所述第二调节阀一方面连接到所述马达压缩机的排放端口(46)或连接到轮的出口，并且另一方面连接到所述冷却装置(48)，所述第二调节阀由所述处理单元(59)控制。

8.一种利用如权利要求7所述的冷却回路来冷却集成式马达压缩机的方法，其中调节由所述调节阀(55)和所述第二调节阀(61)注入所述冷却装置(48)中的气体的流速，使得由至少一个温度传感器(56,57,58)检测到的温度等于设定点温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中当由至少一个温度传感器(56,57,58)检测到的所述温度大于所述设定点温度并且由所述调节阀(55)注入的气体的所述流速等于预定最大流速时，调节由所述第二调节阀(61)注入所述冷却装置中的气体的补充流速，使得由所述温度传感器检测到的所述温度等于所述设定点温度。