CN1215260C - 天然气涡卷压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种涡卷压缩机(10)，同时具有一个高压润滑剂槽(110)和一个低压润滑剂槽(52)。从低压润滑剂槽而来的润滑剂被供应给各种轴承、推力表面和压缩机的其它移动部件。然后将其以可以吸收从马达线圈发出的热从而保持马达(38)的工作温度的方式进行输送。从高压槽(110)而来的润滑剂在一个吸入和排出点之间的中间点被供应给由涡卷构件确定的移动压缩室(98)。从高压槽(110)供应的润滑剂首先被冷却，然后在被供应给移动的压缩室(98、66)之前用于冷却低压槽(52)。在被供应给使用压缩气体的设备之前，压缩气体通过两个润滑剂分离器(18、128)和一个气体冷却器(16)。

Description

天然气涡卷压缩机
技术领域
本发明涉及一种涡卷式设备。更具体地说，本发明涉及一种特别适用于天然气压缩的涡卷式设备。
背景技术和概述
在制冷系统以及空调和热泵应用中，涡卷式设备的使用越来越广泛，这主要应归功于它们优异的有效操作能力。通常，这些设备包括一对相互啮合的螺旋卷，其中一个相对于另一个环行运动，以便确定出一个或多个移动腔室，当这些腔室从一个外吸入孔向一个中心排出孔移动时，所述移动腔室的尺寸逐渐减小。通常设有一个电动机，用于通过适当的驱动轴驱动所述涡卷构件。
随着涡卷式设备的推广，这些涡卷式设备的开发者不断地对用于传统制冷系统外部的压缩系统的设备进行改进的重新设计。涡卷式设备的其他应用包括：低温应用中氦的压缩、空气压缩机、天然气压缩机等等。本发明针对专门设计用于天然气和/或液化石油气压缩的涡卷式设备。
由于在压缩过程中受到的高温，天然气的反复压缩相对于在压缩机的设计方面存在非常独特的问题。在压缩过程中天然气温度的上升可以高于采用传统冷却剂所产生的温度上升的两倍。为了防止高温对涡卷式设备可能产生的损伤，需要对涡卷设备提供额外的冷却。
为此，根据本发明的一个方面，提供了一种压缩机，包括：一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定至少一个用于压缩气体的压缩室；一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；一个位于所述壳体中的第一润滑剂分离器，所述第一润滑剂分离器用于从所述压缩气体中分离出润滑剂，并使所述润滑剂返回所述高压润滑剂槽；一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；和一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
根据本发明的第二个方面，提供了一种压缩机，包括：一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定出至少一个用于压缩气体的压缩室；一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；一个位于所述低压槽中的热交换器；一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；以及一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
根据本发明的第三个方面，提供了一种压缩机，包括：一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定出至少一个用于压缩气体的压缩室；一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；一个形成所述润滑剂流动路径的一部分的润滑剂冷却器；一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；以及一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
本发明包括一种特别适用于天然气压缩的涡卷压缩机。该涡卷压缩机包括：在压缩机的负压区的传统低压储油槽，和一个位于排出压力区中的第二高压储油槽。一个内部油冷却器位于低压储油槽中。从低压储油槽而来的油，以类似于传统的涡卷压缩机的方式循环到压缩机的轴承和其它可动部件。油中的用于润滑这些移动部件的部分，被旋转部件泵取到电动机的绕组上，以便帮助冷却马达。高压储油槽中的油路经一个外部热交换器以便进行冷却，然后路经位于低压储油槽中的内部油冷却器。从内部油冷却器，油被喷射到压缩腔中，以便帮助冷却压缩机并辅助密封和润滑相互啮合的螺旋卷。在排出室中设有一个内部油分离器，以便从压缩气体中去除至少一部分被喷射的油并补充高压储油槽。一个油溢流孔用于防止在高压储油槽中聚集过多的油。一个第二外部油分离器与外部热交换器联合起来，用以从天然气中去除额外的油，以便尽可能接近提供无油的增压天然气供给。
通过后面的说明、权利要求书和附图，本领域技术人员可以获知本发明的其它优点和目的。
附图说明
附图表示目前预想的实现本发明的最佳模式。
图1是根据本发明的涡卷设备的外部正面视图；
图2是在图1所示的相对方向中的图1所示涡卷设备的外部正视图；
图3是图1和2中所示的压缩机的垂直剖视图。
具体实施方式
现在参考附图，在这几幅图中类似的参考标号指示类似或相应的部分，图1中表示一个总体由参考标号10指示的根据本发明的涡卷设备。涡卷设备10包括一个涡卷压缩机12、一个过滤器14、一个外部油/气冷却器16、一个外部油分离器18和一个压力调节器20。
参考图3，压缩机12包括一个外壳22，在外壳22中设置有一个压缩机组件，该压缩机组件包括：一个具有一端板26的环行涡卷构件24，从其上延伸出一个螺旋卷28；一个具有一端板32的非环行涡卷构件30，从其上延伸出一个螺旋卷34；和支承地固定在外壳22上的两件式主轴承座36。主轴承座36支撑环行涡卷构件24，而非环行涡卷构件30被轴向可动地固定到主轴承座36上。螺旋卷28和34相互啮合，以便当环行涡卷构件24环行运动时，螺旋卷28和34将确定运动的流体腔，当流体腔从涡卷构件24和30的径向外部区域向涡卷构件的中心区域运动时其尺寸减小。
驱动马达38也设置在壳体22的下部中。马达38包括一个由壳体22支撑的定子40和一个固定且可驱动地连接到一个驱动轴44上的转子42。驱动轴44通过一个偏心销和一个驱动衬套可驱动地连接到环行涡卷构件24上。驱动轴44由主轴承座36和一个下部轴承座50可旋转地支撑，所述下部轴承座50固定于壳体22上。驱动轴44的下端延伸进入一个设置在壳体22底部的储油槽52中。一个下配重54和一个上配重56被支撑于驱动轴44上。配重54和56用于平衡驱动轴44的旋转，并且配重56作为一个下面将更详细说明的油泵。为了防止环行涡卷构件24相对于非环行涡卷构件30旋转，设置有一个十字联轴节58。十字联轴节58被支撑于主轴承座36上并且同时与环行涡卷构件24和非环行涡卷构件30相互连接。
为了从储油槽52向轴承和压缩机12的其它运动部件提供润滑剂，在驱动轴44的下端中设有一个油泵，所述驱动轴44的下端形成一个大的轴向孔60，该轴向孔60用于通过一个偏心的轴向延伸通道62轴向向上引导油液。设置径向通道64，用于向主轴承座36提供润滑油。从通道62泵取的油将从偏心销46的顶部排出，以便对驱动衬套48和环行涡卷构件24之间的界面进行润滑。在对这些界面进行润滑之后，油聚集在一个由主轴承座36确定的室66中。上配重56在室66中旋转并作为一个泵以便通过一个延伸穿过主轴承座36的通道68泵出油液。通道68接收从室66而来的油，并且将这些油输送给定子40，以便帮助冷却所述马达。上配重56还通过同样由主轴承座36确定的通道70向上泵送润滑流体。通道70接收从室66而来的油，并且将这些油导向十字联轴节58、环行涡卷构件24的端板26的下表面并进入由涡卷构件24和30构成的吸入孔。
外壳22包括一个下壳体76、一个上壳体78、一个下罩80和一个上盖82。一个隔板或消音板84也延伸跨越壳体22的内部设置，并且在下壳体76被密封固定到上壳体78上的相同位置沿外壳周围密封固定到其上。消声板84用于将壳体22的内部分为一个下吸入室86和一个上排出室88。
在操作中，吸入气体通过一个吸入口90被抽入到吸入室86中并进入由螺旋卷28和34限定的移动腔中。当环行涡卷构件24相对于非环行涡卷构件30环行运动时，流体腔将向内运动，减小尺寸从而压缩所述流体。被压缩的流体将通过一个设置在非环行涡卷构件30中的排出孔92和一个固定到消音板84上的排出组件94排入到排出室88中。然后，被压缩的流体通过一个排出口96从排出室88出来。为了保持轴向可动的非环行涡卷构件30与环行涡卷构件24在轴向上的密封配合，在非环行涡卷构件30的上表面中设有一个压力偏压室98。排出组件94的一部分延伸到非环行涡卷构件30中，以便确定室98。偏压室98被流体增压到在压缩机的吸入区压力和排出区压力之间的中间压力。一个或多个通道100向室98供应中等增压的流体。室98也被由下面将详细说明的润滑系统喷射到室98中的油增压。
除了排出组件94之外，到目前为止所描述的压缩机12与受让人的专利4 877 382、5 156 539、5 102 316、5 320 506和5 320 507中描述的特征类似，这些专利所公开的内容在此被结合作为参考。可以注意到，压缩机12特别适合于压缩天然气。天然气的压缩导致产生非常高的温度。为了防止温度过高，需要结合多种用于冷却压缩机和天然气的系统。除了用于冷却压缩机和天然气之外，在天然气被供应给使用天然气的设备之前，将所有的油从被压缩的天然气中除去也是非常重要的。
一个被结合用于冷却压缩机12的设备是被冷却的润滑油循环回路。上壳体78和消音板84确定出一个位于排出室88中的槽110。由涡卷构件24和30通过通道70供应给吸入孔的油连续地增加槽110中的油量。一个油溢出装置112延伸通过消音板84。装置112具有一个油溢出孔，该溢出孔将槽110中的油高度保持在所需的水平。槽110中的油通过一个延伸穿过上壳体78的出口接头114(图1)由一个连接管116进入油/气冷却器16。
冷却的油通过一个连接管118流出油/气冷却器16，并通过一个入口管接头120进入下壳体76。入口管接头120的油穿过一个冷却盘管122式的热交换器，所述冷却盘管122浸没在储油槽52中。油循环通过冷却盘管122，冷却储油槽52中的油，并且返回到入口管接头120。从盘管122进入入口管接头120的油通过一个连接管124被导向偏压室98。油进入偏压室98，在此通过孔100进入由螺旋卷28和34形成的压缩室，以便冷却压缩机12并帮助密封和润滑螺旋卷28和34。被喷射进入压缩室的油由被压缩的气体所携带，并随天然气通过排出孔92和排出组件94流出压缩室。
排出组件94包括一个下部密封零件126和一个上部油分离器128，它们夹着消音板84被一个螺栓130固定在一起。下部密封零件126与消音板84密封配合并位于消音板84的下面，并且其包括一个环形延伸部132，该环形延伸部132延伸进入非环行涡卷构件30中，以便封闭并限定出偏压室98。一对密封件134将室98与吸入室86和排出室88隔离开。下部密封零件126确定出多个从排出孔92接收压缩天然气并将压缩天然气的流向导向油分离器的排出通道136。油分离器128被置于消音板84之上。从排出通道136出来的压缩天然气接触油分离器128的下型面138，并在进入排出室88之前被转向。压缩天然气和表面138之间的接触导致气体中的油被分离并返回到槽110中。在压缩机120的组装过程中，下部密封零件126和上部油分离器128被螺栓130安装到消音板84上。直到压缩机12的其余部件被组装并固定为止，螺栓130均不被拧紧。一旦这些组装完成，才将螺栓130拧紧。通过一个延伸通过盖82的零件140可触及螺栓130。一旦螺栓130被拧紧，则零件140被密封而隔离排出室88。
压缩天然气通过排出口96从排出室88出来。排出口96包括一个排出管接头142和一个竖管144。排出管接头142延伸通过上壳体78，而竖管144向着盖82延伸，以便邻近盖82的压缩天然气被引导到排出室88之外。通过排放邻近盖82的压缩天然气，实现了选择性地排放含有最少量油的气体。通过出口96从排出室88出来的压缩天然气，通过一个连接管144被输送给油/气冷却器16。油/气冷却器16可以是一个采用乙二醇或本领域已知作为冷媒的其它液体的液体冷却器，或者如果需要，油/气冷却器16也可以是一个采用空气或其它本领域已知作为冷媒的气体的气体冷却器。被冷却的压缩天然气通过一个连接管146流出油/气冷却器16并且被输送给油分离器18。油分离器18从压缩天然气中充分地去除所有剩余的油。被去除的油被一个将油分离器18连接到连接管118上的连接管148引导返回压缩机12中。压力被释放的油和被冷却的天然气通过一个出口150离开油分离器18，一个使用天然气的设备连接到该出口上。如果需要，一个蓄存器可被置于出口150和所述使用天然气的设备之间。一个用于天然气的第二出口152通过一个连接管154连接到压力调节器20上。压力调节器20控制天然气在出口150处的出口压力。压力调节器20被连接到过滤器14上，而过滤器14包括一个连接未压缩天然气源的入口156。
因此，未压缩气体被管道输送到过滤器14的入口156，在此同通过压力调节器20被重新输送到吸入口90和吸入室86的气体一起，被供应给吸入口90，从而供应给吸入室86。吸入室86中的气体进入由螺旋卷28和34确定的移动腔中，在这里被压缩并通过排出孔92排出。在气体的压缩过程中，由于从偏压室98通过通道100向压缩室的油供应而使油与气体混合。从排出孔92出来的压缩气体冲击上部油分离器128，在这里，在气体进入到排出室88之前将一部分油从气体中去除。气体通过排出口96流出排出室88，并且被输送通过油/气冷却器16且随后进入油分离器18。剩余的油在通过出口150被输送给适当的设备之前，被油分离器18从气体中分离出来。出口150处的气体压力由压力调节器20控制，压力调节器20被连接到油分离器18和吸入室86上。
除了与天然气压缩相关的温度问题之外，还存在与天然气中的各种成分或污染物例如硫化氢(H2S)相关的问题。所有基于聚酯的物质均会降解并且因此在任何天然气应用中均不能被接受。一个特别应关注的领域是马达定子40的各部件。
马达定子40包括多个通常由铜制造的线圈200。为了压缩天然气，线圈200由铝制成，以便避免由于天然气而使线圈200退化。除了改变线圈本身的材料外，下表列出了需要改变以便提高压缩天然气时的性能的其它定子40部件。
项目 现有材料 压缩天然气时的材料
清漆 PD George 923PD George 423Schenectady 800P Guardian GRC-59
系绳(Tie Cord) 涤纶 高熔点芳香族聚酰胺棉纱丙烯酸处理过的尼龙
相间绝缘 聚酯薄膜 高熔点芳香族聚酰胺高熔点芳香族聚酰胺-Kapton-Nomax
槽绝缘衬 聚酯薄膜 高熔点芳香族聚酰胺高熔点芳香族聚酰胺-Kapton-Nomax
碳酸钠管(Soda Straw) 聚酯薄膜 聚四氟乙烯
导线绝缘 涤纶和聚酯薄膜(DMD) 海帕伦
导线软绝缘管 聚酯薄膜 聚四氟乙烯
接线板 Valox 310 Vitem 1000-7100Fibcrite 400S-464BUltrason E2010G4
上述材料的改变减少和/或消除了这些部件当被用于压缩天然气时的退化。
虽然上面详细描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明易于在不超出权利要求的范围和清楚的含义的情况下进行改进、变型和替换。

Claims (32)

1、一种压缩机，包括：
一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；
一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定至少一个用于压缩气体的压缩室；
一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；
一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；
一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；
一个位于所述壳体中的第一润滑剂分离器，所述第一润滑剂分离器用于从所述压缩气体中分离出润滑剂，并使所述润滑剂返回所述高压润滑剂槽；
一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；和
一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
2、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个位于所述低压润滑剂槽中的热交换器。
3、如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述热交换器形成所述润滑剂流动路径的一部分。
4、如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个用于冷却所述压缩气体的气体冷却器。
5、如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述气体冷却器置于所述壳体的外侧。
6、如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，进一步包括形成所述润滑剂流动路径的一部分的润滑剂冷却器。
7、如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，所述润滑剂冷却器置于所述壳体的外侧。
8、如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个第二润滑剂分离器，所述第二润滑剂分离器用于从所述压缩气体中分离出润滑剂，并使所述润滑剂返回所述高压润滑剂槽。
9、如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述第二润滑剂分离器置于所述壳体的外侧。
10、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压力调节器置于所述壳体的外侧。
11、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个与所述压缩机构连通的过滤器。
12、如权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述过滤器置于所述壳体的外侧。
13、如权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机构确定出一个入口，所述过滤器与所述压缩机的所述入口相连通。
14、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个用于冷却所述压缩气体的气体冷却器。
15、如权利要求14所述的压缩机，其特征在于，所述气体冷却器置于所述壳体的外侧。
16、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括形成所述润滑剂流动路径的一部分的润滑剂冷却器。
17、如权利要求16所述的压缩机，其特征在于，所述润滑剂冷却器置于所述壳体的外侧。
18、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括一个第二润滑剂分离器，所述第二润滑剂分离器用于从所述压缩空气中分离出润滑剂，并使所述润滑剂返回所述高压润滑剂槽。
19、如权利要求18所述的压缩机，其特征在于，所述第二润滑剂分离器置于所述壳体的外侧。
20、如权利要求1所述的压缩机，其中，所述压缩机构为涡卷压缩机，其特征在于，所述涡卷压缩机包括：
一个置于所述壳体中的第一涡卷构件，该第一涡卷构件包括一个其上具有一个第一螺旋卷的第一端板；
一个置于所述壳体中的第二涡卷构件，该第二涡卷构件包括一个其上具有一个第二螺旋卷的第二端板；所述第一和第二螺旋卷相互啮合，以便产生所述至少一个压缩室；
一个驱动件，用于使所述涡卷构件相互作环行运动，以便所述至少一个压缩室的体积在所述吸入压力区和所述排出压力区之间逐渐变化。
21、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述低压润滑剂槽置于所述吸入压力区中。
22、如权利要求21所述的压缩机，其特征在于，所述高压润滑剂槽置于所述排出压力区中。
23、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述高压润滑剂槽位于所述排出压力区中。
24、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述吸入压力区在一个吸入压力之下并且所述排出压力区在一个排出压力之下，当所述压缩室中的压力介于所述吸入压力和所述排出压力之间时，所述润滑剂被供应给所述压缩室。
25、一种压缩机，包括：
一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；
一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定出至少一个用于压缩气体的压缩室；
一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；
一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；
一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；
一个位于所述低压槽中的热交换器；
一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；以及
一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
26、如权利要求25所述的压缩机，其特征在于，所述热交换器形成所述润滑剂流动路径的一部分。
27、如权利要求25所述的压缩机，其中，所述压缩机构为一个涡卷压缩机，其特征在于，所述涡卷压缩机包括：
一个置于所述壳体中的第一涡卷构件，该第一涡卷构件包括一个其上具有一个第一螺旋卷的第一端板；
一个置于所述壳体中的第二涡卷构件，该第二涡卷构件包括一个其上具有一个第二螺旋卷的第二端板；所述第一和第二螺旋卷相互啮合，以便产生所述至少一个压缩室；
一个驱动件，用于使所述涡卷构件相互作环行运动，以便所述至少一个压缩室的体积在所述吸入压力区和所述排出压力区之间逐渐变化。
28、如权利要求25所述的压缩机，其特征在于，所述吸入压力区在一个吸入压力之下并且所述排出压力区在一个排出压力之下，当所述压缩室中的压力介于所述吸入压力和所述排出压力之间时，所述润滑剂被供应给所述压缩室。
29、一种压缩机，包括：
一个确定出一个吸入压力区和一个排出压力区的壳体；
一个位于所述壳体中的压缩机构，所述压缩机构确定出至少一个用于压缩气体的压缩室；
一个位于所述壳体中的低压润滑剂槽；
一个位于所述壳体中的高压润滑剂槽；
一个用于从所述高压润滑剂槽向所述压缩室供应润滑剂的润滑剂流动路径；
一个形成所述润滑剂流动路径的一部分的润滑剂冷却器；
一个延伸于所述排出压力区和所述吸入压力区之间的流体通道；以及
一个位于所述流体通道中的压力调节器，所述压力调节器通过控制从所述排出压力区通过所述流体通道向所述吸入压力区的流体流动，控制所述排出压力区中的气体压力。
30、如权利要求29所述的压缩机，其特征在于，所述吸入压力区在一个吸入压力之下并且所述排出压力区在一个排出压力之下，当所述压缩室中的压力介于所述吸入压力和所述排出压力之间时，所述润滑剂被供应给所述压缩室。
31、如权利要求29所述的压缩机，其特征在于，所述润滑剂冷却器置于所述壳体外侧。
32、如权利要求29所述的压缩机，其中，所述压缩机构是一个涡卷压缩机，其特征在于，所述涡卷压缩机包括：
一个置于所述壳体中的第一涡卷构件，该第一涡卷构件包括一个其上具有一个第一螺旋卷的第一端板；
一个置于所述壳体中的第二涡卷构件，该第二涡卷构件包括一个其上具有一个第二螺旋卷的第二端板；所述第一和第二螺旋卷相互啮合，以便产生所述至少一个压缩室；
一个驱动件，用于使所述涡卷构件相互作环行运动，以便所述至少一个压缩室的体积在所述吸入压力区和所述排出压力区之间逐渐变化。
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