CN1444703A - 小型涡轮压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种多级涡轮压缩机，包括由从低级压缩机的排气口出来的高压气体所驱动的涡轮；和由通过直接与涡轮相连的轴线传送的动力所驱动的高级压缩机。通过涡轮的气体回流到第一级压缩机的入口。

Description

小型涡轮压缩机
技术领域
本发明涉及一种小型涡轮压缩机。特别是，本发明涉及能够提供无油的清洁压缩空气且提高能量效率的小型涡轮压缩机。
背景技术
工业用的空气压缩机分为往复、螺旋和涡轮压缩机。往复、螺旋和涡轮压缩机分别用于功率小于50马力，大约50至200马力，大于600马力的场合。与往复、螺旋压缩机相比，涡轮压缩机具有极好的耐用性且可提供无油的清洁空气，并且性能上优于上述两者。然而，由于齿轮技术发展上的限制，未曾制造过功率小于600马力的涡轮压缩机。开发了具有110,000转/分的增速齿轮机构的日本IHI首次提出了100马力的涡轮压缩机。取决于增速齿轮特性的涡轮压缩机不能制造成功率小于100马力的小型尺寸。在目前可用的涡轮压缩机由于叶轮由电动机和增速齿轮驱动，末级压缩机的叶轮排气口宽度太小，故用少量气体实现高压缩率是受到限制的。例如，当试图用200马力涡轮压缩机产生10巴气体时，末级压缩机的叶轮排气口宽度大约是2毫米，因此，轴向间隙无法保证并且末级压缩机的效率太低而不具有实用性。甚至在用500马力涡轮压缩机产生20巴的压力时，因为上述相同原因压缩机不能运行。
因此，尽管涡轮压缩机有各种优点，也不能用于小于200马力的场合。
为了实现用少量空气的涡轮压缩机，本发明采用由外部动力驱动的压缩机和由部分压缩空气驱动的且与末级压缩机相连的涡轮，以用少量空气产生大约11巴的压力。对于诸如第一级或第二级压缩机的低级压缩机，其叶轮由如增速齿轮那样的传统方式驱动，高级压缩机(第三级，第四级和末级压缩机)采用涡轮驱动机构，所述驱动机构利用从低级压缩机产生的压缩空气以提供符合要求的转速，而在少量气体(通常少于1.0千克/秒)时不减小高级压缩机的叶轮的排气口宽度。按照传统的齿轮驱动，由于齿轮机构上的限制，转速几乎不能超过70,000转/分，同时为了用低转速产生高压缩率，叶轮的排气口宽度变小，其不具实际应用性。
发明概述
本发明的目的是提供一种克服传统压缩机技术缺陷的小型涡轮压缩机，确保能量效率的提高，提供清洁压缩空气，并且用少量气体在高压缩区实现符合要求的运行。
为了达到上述目的，本发明提供一种多级涡轮压缩机，包括：
由来自低级压缩机排气口的高压气体驱动的涡轮；由通过直接与涡轮相连的轴线传送的动力所驱动的高级压缩机。通过涡轮的气体回流到第一级压缩机入口。第一级和第二级压缩机由与它们直接相连的高速电机所驱动。或者，第一级和第二级压缩机由转速随着增速齿轮而增大的电机所驱动。
附图的简要说明
仅从下文详细说明和作为例图的附图中即可对本发明更加充分理解，本发明并不限于此，其中：
图1概略地示出了本发明的基本原理，其中具有两个离心压缩机和一个离心涡轮；
图2描绘了30马力压缩机的叶轮；和
图3和4各描绘了本发明的变型例。
本发明的最佳实施方式
图1描绘了本发明中涡轮压缩机的基本原理。如图1所示，第一级和第二级压缩机由电机或发动机驱动，且在各级之间采用中间冷却器以降低动力消耗。涡轮由来自第二级压缩机排气口的大约4巴压力的空气驱动，且与涡轮相连的第三级压缩机运行超过100,000转/分，由此用少量气体产生了10巴的压力。很难将传统涡轮压缩机运用于气体量少于1千克/秒的场合，本发明通过用涡轮驱动高级压缩机提供了克服传统限制条件的方法。第一和第二级压缩机吸入的气体多于实际产生的空气，并且在叶轮效率高的区域压缩机是可以运行的。近来，日本IHI公布了具有新开发的110,000转/分的齿轮的100马力的小型两级涡轮压缩机，但是此压缩机由于其末级缘故不能提供8巴或多于8巴的压力。此压力不能达到螺旋压缩机所提供的10巴的压力，并且为采用第三级压缩机，增速齿轮的轴向转速必须超过170,000转/分，故压力不能再提高而无法应用。
如下是由100马力压缩机获得的结果，所述压缩机通过用70,000转/分的齿轮产生12巴的压力，该转速大大低于IHI的110,000转/分。   压力    温度     气体量    注解(巴)    (开)     (千克/秒)0  1.00    300.00   0.2219    在大气状态下1  1.00    288.80   0.3221    从涡轮排气口出来的空气与吸入
                          的空气混合的条件下2  2.80    409.30  0.3221     第一级压缩机：压缩率2.8，效率
                          0.823  2.80    310.00  0.3221     为简化计算，热交换器的压力损耗
                          忽略不计4  6.72    418.80  0.3221     第二级压缩机：压缩率2.8，效率
                          0.815  6.72    310.00  0.2219     为简化计算，热交换器的压力损耗
                          忽略不计6  12.0    379.90  0.2219     第三级压缩机：压缩率1.786，效率
                          0.82。转速170,000转/分。压缩率由
                          第二级压缩机和涡轮的动力平衡决
                          定。7  1.0    264.1    0.1002     从涡轮排气口出来的空气上述压缩机的各项性能如下：
项目 数值 评价
IHI的气体量 4.02立方英尺/分 传统螺旋压缩机是4；IHI压缩机是4.65；IHI的压力不高故无法比较
能量效率 0.932 IHI大约0.85；本发明的中间冷却过程进行两次而IHI的中间冷却过程进行一次
吸入气体量 402立方英尺/分 传统螺旋压缩机为400；IHI为465
输出压力 12千克/立方厘米 与传统螺旋压缩机的相似；IHI为8；不加油的螺旋压缩机为8
总之，本发明的压缩机在性能上优于传统螺旋压缩机和小型压缩机。所发明的压缩机可高效提供压力和高能量效率，并且若采用110,000转/分的齿轮，即可制造功率小于50马力的压缩机。同时，所发明的压缩机的效率与大型涡轮压缩机的相比降低了，但是作为小型涡轮压缩机是极好的。
当与公知的最小型的IHI的100马力的压缩机的输出压力都是8巴时，将本发明与IHI的压缩机在性能上进行比较。
    本发明     IHI 注解
1马力的气体量(立方英尺/分/马力)     4.795     4.665 传统的压缩机是4
能量效率     0.874     0.849
如果降低压力，效率的增加变小。当考虑机械损耗时，本发明的效率与IHI的近似。至今，还没有具有实用性的小于100马力的涡轮压缩机，故采用本发明制造100马力的压缩机具有重大意义。
图2示出了各离心压缩机(从左开始为第一级，第二级和第三级压缩机)叶轮的例子。110,000转/分，110,000转/分和220,000转/分的齿轮分别用于第一级，第二级和第三级压缩机。叶轮的排气口宽度分别是4.94米，4.02毫米和2.16毫米，各级效率是80％，82.9％和82.3％，其示明了制造的压缩机具有最佳转速(大约100)。若第三级压缩机采用110,000转/分的齿轮，其2.16毫米的排气口宽度将小于1毫米，由于泄漏而增加损耗，无实用性。
图3描绘了用齿轮驱动第一级和第二级压缩机的例子，图4示出了驱动与高速电机直接相连的第一级和第二级压缩机的例子。参考图1，由第一级压缩机所消耗的动力可通过使流过涡轮的空气回流到入口而减小，如必要的话，将空气释放到外部，它能起到空气调节器的作用(涡轮的排气口温度在夏季大约是6℃)。假如释放的空气回流到入口的话，吸入的空气不会泄漏到外部，而且还可以使用空气以外的各种其它气体。
如上所述，本发明的小型涡轮压缩机具有下述优点：第一，本发明能用少量气体提供高压力，这是传统压缩机不能提供的；第二，按照本发明，涡轮压缩机可以不使用任何精密齿轮而制造；第三，本发明能提供传统螺旋压缩机不能提供的无油的清洁空气；第四，所发明的具有可靠性的压缩机能确保长期使用，而传统螺旋压缩机具有低耐用性并需频繁修理。
所发明的小型涡轮压缩机具有上述特性，能替代作为50马力至200马力的空气压缩机的传统的螺旋压缩机。
尽管本发明的优选实施例用作说明已公开了，但本领域的技术人员将意识到在所附的权利要求书限定的本发明的范围和思想内，各种变型、附加物和替代物都是可行的。

Claims (4)

1.一种多级涡轮压缩机，包括：
由从低级压缩机的排气口出来的高压气体所驱动的涡轮；和
由通过直接与涡轮相连的轴线传送的动力所驱动的高级压缩机。
2.根据权利要求1所述的多级涡轮压缩机，其特征在于：通过所述的涡轮的气体回流到第一级压缩机的入口。
3.根据权利要求1所述的多级涡轮压缩机，其特征在于：第一级和第二级压缩机由直接与其相连的高速电机驱动。
4.根据权利要求1所述的多级涡轮压缩机，其特征在于：第一级和第二级压缩机由电机和增速齿轮驱动。
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