CN1253662C - 高压多级离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压多级离心式压缩机，包括至少两个压缩机部件(1，4，5)，其被按照压缩机的级串联地布置，并且至少两个电动机(3，7)驱动这些压缩机部件(1，4，5)，其特征在于，除了至少一个形成一个低压级的由一个电动机(3)驱动的压缩机部件(1)，它还包括至少两个压缩机部件(4，5)，形成高压级，并且它们被串联布置，并且由一个和同样的第二电动机(7)驱动。

Description

高压多级离心式压缩机

本发明涉及一种高压多级离心式压缩机，其包含至少两个按压缩机级的顺序布置的压缩机部和至少两个电动机，以驱动这些压缩机部。

一个离心压缩机部当其比速接近最佳值时，具有一个高效率。该比速Ns限定为：

$\mathrm{Ns}=C^{\′}\·\frac{N\·\sqrt{Q_{\mathrm{vol}}}}{{\mathrm{DH}}^{0.75}}$

其中：

N＝叶轮的转速，

Q_vol＝入口的体积流量，

C′＝一个常数，其随所用单位而变化，

DH＝压缩机的绝热头：

DH＝cp·T·(π^(k-1/k-1)

其中：

π＝压力比，

T＝入口温度，

cp＝恒压下气体的比热，

k＝恒压下气体的比热与恒定体积下的气体的比热之比值。

为了得到好的效率，并且因此得到每定量的压缩空气的一个低的消耗率或者低的能耗，因此在设计压缩机部时，有必要选择参数，使得Ns接近最佳值。

事实上，Ns的方程式表示对于具有同样的流量的设计，为了较高的压力比值，转速不得不提高，和对于不变的压力比的设计，为了较小的流量，转速不得不提高。

离心压缩机是公知的，压缩机部的轴由高速转动的电动机直接驱动。

这样的离心式压缩机需要较少的级以得到比传统的离心式压缩机高的压力比，传统的离心式压缩机由高速电动机以低速直接驱动。

高速电动机的特征在于一个特征值M＝P·N²，其大于或者等于0，1.10¹²，其中P是引擎功率，以kW表示，N是转速，以每分钟的转数表示。

快的驱动允许每级的一个较高的压力比。较少的级意味着较少的损耗。

这样的离心式压缩机避免象传统的离心式压缩机一样，使用齿轮箱，带有一个经齿轮箱的驱动，这意味着大量的损耗，需要润滑和占用大量的空间。

而且，一个高速电动机比传统的低速电动机小得多。

高速电动机为了这些高的转速，装备有可调整的轴承。当空气轴承或者磁力轴承被采用时，不需要油，并且该压缩机一概无油，这比带有需要油润滑的带轴承的压缩机，提供了一个附加的优点。

问题存在于高速电动机的功率和转速的限制，和离心式压缩机对高压的需要。

高压电动机的特征在于一个小的容量和继而一个高的能量密度。给定的该小尺寸，则该冷却产生一个特殊的问题。

施加的功率P和可排出的功率(dischargeable power)(h.A)之比是无量纲值M′＝P/(h.A)。其中A是相关的热交换表面，h是热的电动机与较冷的环境之间的有效的热传导系数，可以经过一个带有热交换器的冷却系统。

该表面与电动机规定长度(specific length)的平方，即转子的半径R成正比。而且特征值M′能够被表示为：

$M^{\′}=\frac{P}{h{\·R}^2}$

转子的半径还是V与N的关系，其中N是电动机的转速，V是转子的叶尖的速度。因此，M′能够表示为：

$M^{\′}=\frac{{P\·N}^2}{h{\·V}^2}$

对于给定形式的热交换器，h是一个常数，对于给定的材料，V被限定为离心压力的结果。

因此，特征值M＝P.N²是一个表示设计难度和电动机构造的值。该值M越大，电动机的冷却越困难。一个高的值M需要较多的效率(efficiency)(使得排出较少的损耗)，一个较好的热传导系数和一个较高的材料强度。

事实上，这意味着，具有一个较高特征值M的电动机需要更昂贵的设计，并且其开发会比具有较低特征值M的电动机的开发花费更长的时间。

对于一个涡轮压缩机来说，需要的功率是：

$P=\frac{Q\·\mathrm{DH}}{\mathrm{\η}}=\frac{\mathrm{\ρ}\·Q_{\mathrm{vol}}\·\mathrm{cp}\·T\·({\mathrm{\π}}^{(k-1)/k}-1)}{\mathrm{\η}}$

其中：

η＝压缩机的绝热效率，

ρ＝气体的密度，

Q＝质量流量，

转数N被选择作为一个好的比转速Ns的函数

$N=\frac{\mathrm{Ns}{\·\mathrm{DH}}^{0.75}}{C^{\′}\·\sqrt{Q_{\mathrm{vol}}}}$

从而出现下式：

$M={P\·N}^2=\frac{{\mathrm{Ns}}^2{\·\mathrm{cp}}^{2.5}}{(C^{\′2}\·\mathrm{\η})}\·\mathrm{\ρ}\·{[T\·({\mathrm{\π}}^{(k-1)/k}-1)]}^{\mathrm{2,5}}$

$=C\·\mathrm{\ρ}\·[T\·{({\mathrm{\π}}^{(k-1)/k}-1)]}^{\mathrm{2,5}}$

此处，C是一个常数。此方程表示，一个用于一离心式压缩机的电动机，其是直接被驱动的，更难于实现一个较高的压力比(π)，并且对于一个高压级，在入口有一个较高的密度。

从此论述中很清楚，在单一级中压缩到高压力用单一驱动特别难于实现。

这就是为什么必须找出保持特征值M低的办法。

一个明显的方法是在一级以上的级中进行压缩，从而采用一个以上的电动机，例如一个电动机用于低压级，一个电动机用于高压级。

但是，从最后一个方程式中清楚地看出，高压级的较高的压力伴随有高得多的特征值M。这是难以实现的。

因此，设计者不得不满足于一个较低的Ns值和因此较低的效率。

通过提供该低压级与高压级的该压力比值的一个最佳的分布，即通过设定第一级中的压力比高于最后级的压力比，能够得到一个被限制的改进。

但是，所述改进是被限制的，由于对于大于三的压力比来说，马赫值损失(震动损失)大大增加。

本发明的目的在于克服上述缺点，并且允许限制多级压缩机中的高压级的电动机的特征值M，使得离心式压缩机部的比转速不必从最佳比速值偏离太多。

根据本发明达到了此目的，其中离心式压缩机包含，除了至少一个压缩机部形成一个低压级，并且由一个电动机驱动，至少两个压缩机部形成高压级，它们设置成串联，并且由单一的第二个电动机驱动。

事实上，已知的多级离心式压缩机的该高压级是由单一的高速电动机驱动的至少两个高压级替换。这大大减少了用于高压级的压力比，其结果是转速能够相对地低。

形成高压级的压缩机部能够被安装在一起，使它们的转子在一个并且是同一个轴上，该轴由第二电动机驱动。

而且，用于这些高压级的压力比能够被选择，使得这些高压级的比速不从最佳比速偏离太多。

优选的是，电动机相互相同，这意味着它们具有同样的电磁定子部件和/或同样的电磁转子部件和/或同样的轴承和/或同样的冷却部件。

电动机优选是高速电动机。

离心式压缩机可以包含一个用于上述串联放置的高压级的压缩机部之间的压缩气体的中间冷却器。

为了更好地理解本发明，下面的根据本发明的高压多级离心式压缩机的优选的实施例作为一个示例参照附图进行描述，不是限定性的，在附图中表示本发明的一种离心式压缩机。

图中表示的高压离心式压缩机，主要包括一个低压级和两个高压级，该低压级由一个第一压缩机部1形成，其转子经轴2由一个第一高速电动机3驱动，两个高压级由两个压缩机部4和5形成且串联地布置，并被安装成使它们的转子在一个和同一个轴6上，并且它们因此经一个和同一个轴6由一个单一的第二高速电动机7驱动。

该压缩机部1上连接有吸入管8，该压缩机部1由其压缩空气管线9连接到压缩机部4。在此压缩空气管线中安装有一个中间冷却器10，由环境空气或者冷却水冷却。

压缩机部4的压缩空气线11被连接到压缩机部5，该压缩机部5在其出口上设置有一个压缩空气线12。在第一提到的压缩空气线11中，在压缩机部4和5之间设置有一个另外的中间冷却器13，由环境空气或者冷却水冷却。

中间冷却器10和13可以包括一个散热器14，压缩空气流过该散热器，与其相对地设置一个风扇15。

两个高压级的压力比和因此两个压缩机部的压力比被选择，使得它们的比转速Ns不从最佳值偏离太多。

而且，在表示出的实施例中，这些压力比也被选择，使得能够使用同样的电动机。高速电动机3和7因此相互相等，这意味着它们具有同样的电磁定子部分同样的电磁转子部分和/或同样的轴承和/或同样的冷却部件。

由吸入管8吸入的气体例如空气，首先由低压压缩机部1在一个低的压力下压缩，且连续由压缩机部4和5其后在两级最终的压力下产生。

通过将高压级分成两个级，每级或者压缩机部的该压力比π被大大减小，使得高速电动机7的所需的转速N大大减小。

该三个结合的级使得从大气状态到7至8,6巴的有效压力状态成为可能，并且不超过每级为三的压力比。然后，部件数被限定，震动损失也被限定。

串联的替换级之间的空气的附加的中间冷却提供一种其它的优点，即较少消耗电能。

虽然使用相同的电动机意味着一个经济程度上的优点，并且提供有限定不同件的数目的模件性的优点，但是在其它实施例中，高速电动机3和7能够相互不同。

而且绝对不需要由同样的高速电动机7驱动的高压级的数目是刚好两个。能够是三个或者更多高压级。

而且，离心式压缩机能够包括几个低压级串联，它们各包括一个由其自己的高速电动机驱动的压缩机部。

本发明不意于限定在上面描述的附图中表示的实施例，相反，在本发明的范围内，这样的一种高压多级离心式压缩机能够以各种种类而制造。

Claims (6)

1.一种高压多级离心式压缩机，包括：至少两个压缩机部(1，4，5)，其被按照压缩机的级布置成串联，和至少两个电动机(3，7)，用于驱动这些压缩机部(1，4，5)，其特征在于，除了至少一个形成一个低压级的压缩机部(1)，该压缩机部(1)由一个电动机(3)驱动，它包括至少两个形成高压级的压缩机部(4，5)，该压缩机部(4，5)被串联布置且由单一的第二电动机(7)驱动。

2.如权利要求1的高压多级离心式压缩机，其特征在于，该形成高压级的压缩机部(4，5)被安装成使得它们的转子在由第二电动机(7)驱动的单一的轴(2)上。

3.如权利要求1或2的高压多级离心式压缩机，其特征在于，用于高压级的压力比已经被选择，使得这些高压级的比速不从最佳比速偏离太多，其中该高压级的压缩机部(4，5)由单一的电动机(7)驱动。

4.如权利要求1所述的高压多级离心式压缩机，其特征在于，电动机(3，7)是相同的，并且因此具有同样的电磁定子部分和/或同样的电磁转子部分和/或同样的轴承和/或同样的冷却部件。

5.如权利要求1所述的高压多级离心式压缩机，其特征在于，该电动机(3，7)是高速电动机。

6.如权利要求1所述的高压多级离心式压缩机，其特征在于，它包括一个用于压缩空气的中间冷却器(13)，它被布置在上述串联设置的高压级的压缩机部(4，5)之间。

Images