RU2776401C1 - Configuration of a multi-stage turbomachine (expander-compressor) - Google Patents

Configuration of a multi-stage turbomachine (expander-compressor) Download PDF

Info

Publication number
RU2776401C1
RU2776401C1 RU2021125751A RU2021125751A RU2776401C1 RU 2776401 C1 RU2776401 C1 RU 2776401C1 RU 2021125751 A RU2021125751 A RU 2021125751A RU 2021125751 A RU2021125751 A RU 2021125751A RU 2776401 C1 RU2776401 C1 RU 2776401C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compressor
shaft
turboexpander
turbo
turbomachine
Prior art date
Application number
RU2021125751A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Франческо КАНДЖИОЛИ
Давиде БИЛЛИОТТИ
Джузеппе ЮРИШИ
Элис ИННОЧЕНТИ
Массимилиано ОРТИЦ НЕРИ
Дуччо ФИОРАВАНТИ
Джузеппе САССАНЕЛЛИ
Original Assignee
НУОВО ПИНЬОНЕ ТЕКНОЛОДЖИ - С.р.л.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by НУОВО ПИНЬОНЕ ТЕКНОЛОДЖИ - С.р.л. filed Critical НУОВО ПИНЬОНЕ ТЕКНОЛОДЖИ - С.р.л.
Application granted granted Critical
Publication of RU2776401C1 publication Critical patent/RU2776401C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: energy industry.
SUBSTANCE: invention is intended for use in the field of energy. A turbomachine 1 containing a body structure and a shaft supported in it with the possibility of rotation is proposed. The shaft is supported with the possibility of rotation by the first and second blocks 25, 27 of bearings. The first and second sections of the compressor 5A, 5B are installed in the housing structure. The first section of the compressor contains the first impeller of the compressor mounted on the shaft with the possibility of rotation with it, and the second section of the compressor contains the second impeller of the compressor mounted on the shaft with the possibility of rotation with it. The turbomachine additionally contains the first turbo expander and the second turbo expander 13, 15, mounted on a shaft with the possibility of rotation together with it in the body structure. The impellers of the turbo expanders 13, 15 and compressor sections 5A, 5B are made as a whole with the corresponding section of the shaft. The sections of the shaft are placed sequentially one after another, and their ends are connected to each other to form a shaft.
EFFECT: invention makes it possible to increase the efficiency and reliability of the turbomachine.
18 cl, 12 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

[0001] Настоящее описание относится к турбомашинам. В частности, варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, относятся к выполненным за одно целое системам компрессор-детандер. [0001] This description relates to turbomachines. In particular, the embodiments disclosed herein relate to integral compressor-expander systems.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] В некоторых сферах промышленного применения существует потребность в повышении давления потока газа. Динамические компрессоры, такие как, в частности, центробежные компрессоры, часто применяют для сжатия потока газа. Компрессор приводится в действие механической энергией, которую подают с помощью привода, такого как электрический двигатель. На некоторых промышленных предприятиях потоки сжатого газа необходимо расширять. Для рекуперации механической энергии расширение выполняют в детандере. В некоторых известных конфигурациях детандер и компрессор объединены в выполненную за одно целое систему компрессор-детандер, которая также может включать в себя электрическую машину. Когда механическая энергия, генерируемая детандером, уравновешена механической энергией, требуемой для приведения в действие компрессора, такая конфигурация представляет собой так называемый детандер-компрессор. Электрическая машина выполнена с возможностью работы в режиме электрического генератора, когда энергия, генерируемая детандером, превышает энергию, требуемую для приведения в действие компрессора, и избыточная механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Если энергия, генерируемая детандером, меньше энергии, требуемой для приведения в действие компрессора, электрическая машина приводится в действие в режиме двигателя для обеспечения дополнительной энергии, требуемой для приведения в действие компрессора. [0002] In some industrial applications, there is a need to increase the pressure of the gas stream. Dynamic compressors, such as in particular centrifugal compressors, are often used to compress a gas stream. The compressor is driven by mechanical energy supplied by a drive such as an electric motor. In some industrial plants, compressed gas flows need to be expanded. To recover mechanical energy, the expansion is performed in an expander. In some known configurations, the expander and compressor are combined into an integral compressor-expander system, which may also include an electric machine. When the mechanical energy generated by the expander is balanced by the mechanical energy required to drive the compressor, this configuration is a so-called expander-compressor. The electric machine is configured to operate as an electric generator when the energy generated by the expander exceeds the energy required to drive the compressor and the excess mechanical energy is converted into electrical energy. If the energy generated by the expander is less than the energy required to drive the compressor, the electric machine is driven in motor mode to provide the additional energy required to drive the compressor.

[0003] Выполненный за одно целое детандер-компрессор такого типа описан, например, в US 2013/0091869. [0003] An integral expander-compressor of this type is described, for example, in US 2013/0091869.

[0004] Важным аспектом конструкции конфигураций объединенных систем компрессор-детандер является эффективная рекуперация энергии и оптимальное функционирование ступеней компрессора. Разработчики постоянно ищут пути повышения эффективности и надежности работы этих машин. [0004] An important design aspect of combined compressor-expander system configurations is efficient energy recovery and optimal operation of the compressor stages. Developers are constantly looking for ways to improve the efficiency and reliability of these machines.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0005] В описанных в настоящем документе вариантах осуществления предложена турбомашина, которая содержит корпусную конструкцию и вал, поддерживаемый с возможностью вращения в корпусной конструкции. Вал поддерживается с возможностью вращения по меньшей мере первым блоком подшипника и вторым блоком подшипника, выполненными с возможностью поддержания вала с возможностью вращения в корпусной конструкции. В корпусной конструкции установлены первая секция компрессора и вторая секция компрессора. Первая секция компрессора содержит первое рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним, а вторая секция компрессора содержит второе рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним. Турбомашина также содержит первый турбодетандер и второй турбодетандер, установленные на валу с возможностью вращения вместе с ним в корпусной конструкции и выполненные с возможностью генерации механической энергии за счет расширения проходящего через них потока газа и приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора. [0005] In the embodiments described herein, a turbomachine is provided that includes a housing structure and a shaft rotatably supported in the housing structure. The shaft is rotatably supported by at least a first bearing unit and a second bearing unit configured to rotatably support the shaft in the housing structure. The first section of the compressor and the second section of the compressor are installed in the casing structure. The first compressor section contains the first compressor impeller mounted on the shaft to rotate with it, and the second compressor section contains the second compressor impeller mounted on the shaft to rotate with it. The turbomachine also contains the first turbo-expander and the second turbo-expander mounted on the shaft with the possibility of rotation together with it in the housing structure and configured to generate mechanical energy by expanding the gas flow passing through them and actuating the first compressor section and the second compressor section.

[0006] В очень предпочтительных вариантах осуществления турбодетандеры обеспечивают всю энергию, требуемую для приведения в действие секций компрессора, так что внешняя электрическая машина не требуется и вал может быть герметично размещен внутри корпусной конструкции. При этом не требуются прокладки или уплотнения на роторных компонентах машины для уменьшения утечек в окружающую среду. Таким образом, корпус полностью герметизирован. [0006] In highly preferred embodiments, the turbo expanders provide all the power required to drive the compressor sections so that an external electric machine is not required and the shaft can be hermetically housed within the housing structure. It does not require gaskets or seals on the machine's rotor components to reduce leakage to the environment. Thus, the body is completely sealed.

[0007] В некоторых вариантах осуществления турбодетандеры расположены последовательно таким образом, что частично расширенный газ, поступающий от расположенного выше всех по потоку турбодетандера, дополнительно расширяется в расположенном ниже всех по потоку турбодетандере. Таким образом, снижение энтальпии в турбомашине разделено на две стадии. Это позволяет использовать турбомашину с ограниченными скоростями вращения. Для обеспечения более надежного функционирования рабочие колеса турбодетандеров и секций компрессора могут иметь многоступенчатую конфигурацию, а не в конфигурацию, образованную путем посадки с натягом, благодаря чему обеспечивается более безопасное функционирование даже при высоких скоростях вращения ротора. Таким образом, высокие значения номинальной мощности могут быть достигнуты без ограничений, связанных с риском ослабления соединения рабочего колеса с валом из-за действия центробежных сил. Комбинация последовательно расположенных турбодетандеров и вала, состоящего из множества участков, расположенных один за другим, позволяет создавать турбомашины с высокой номинальной мощностью, в которых допустимы значительные перепады давления в турбодетандерах. Это позволяет обеспечить эффективную рекуперацию энергии. [0007] In some embodiments, the turbo expanders are arranged in series such that the partially expanded gas from the upstream turbo expander is further expanded in the downstream turbo expander. Thus, the enthalpy reduction in a turbomachine is divided into two stages. This allows the use of a turbomachine with limited rotational speeds. To ensure more reliable operation, the impellers of the turbo expanders and compressor sections can be configured in a multi-stage configuration rather than in an interference fit configuration, thereby ensuring safer operation even at high rotor speeds. In this way, high power ratings can be achieved without being limited by the risk of loosening the impeller-shaft connection due to centrifugal forces. The combination of successive turbo-expanders and a shaft consisting of a plurality of sections arranged one after the other makes it possible to create turbomachines with a high power rating, in which significant pressure drops in the turbo-expanders are tolerable. This allows efficient energy recovery.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS

[0008] Описанные варианты осуществления изобретения и многие сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми чертежами, причем: [0008] The described embodiments of the invention and many of its attendant advantages can be more fully appreciated and understood in the course of studying the following detailed description, considered in connection with the accompanying drawings, and:

на Фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 2 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 2 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 3 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 3 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 4 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 4 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 5 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 5 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 6 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 6 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 7 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 7 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 8 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием; in Fig. 8 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 9 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 9 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 10 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;in Fig. 10 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure;

на Фиг. 11 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием; иin Fig. 11 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure; and

на Фиг. 12 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием.in Fig. 12 is a diagram of a further embodiment of a turbomachine according to the present disclosure.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

[0009] Турбомашина в соответствии с настоящим описанием содержит один вал, на котором установлены несколько рабочих колес. Рабочие колеса включают два рабочих колеса турбодетандера и два рабочих колеса компрессора. Турбодетандеры обеспечивают всю энергию, требуемую для приведения в действие рабочих колес компрессора, так что вращающиеся компоненты секций компрессора и турбодетандеров могут быть размещены в герметичной корпусной конструкции без необходимости вывода вращающегося вала за пределы корпуса, таким образом, отсутствует необходимость в применении уплотнений и предотвращении утечек. В некоторых вариантах осуществления вал состоит из множества участков, расположенных один за другим, таким образом, благодаря отсутствию соединения, образованного путем посадки с натягом, могут быть достигнуты более высокие скорости вращения. [0009] The turbomachine in accordance with the present description contains one shaft, on which several impellers are mounted. The impellers include two turbo expander impellers and two compressor impellers. The turbo expanders provide all the power required to drive the compressor impellers so that the rotating components of the compressor sections and turbo expanders can be housed in a sealed housing structure without the need to extend the rotating shaft outside the housing, thus eliminating the need for seals and leakage prevention. In some embodiments, the implementation of the shaft consists of many sections located one after the other, thus, due to the absence of a connection formed by an interference fit, higher rotational speeds can be achieved.

[0010] На Фиг. 1 на виде в поперечном сечении вдоль плоскости сечения, содержащей ось A-A вращения турбомашины 1, представлен первый вариант осуществления турбомашины 1, имеющей конфигурацию выполненной за одно целое системы компрессор-детандер. [0010] In FIG. 1, a cross-sectional view along a sectional plane containing the rotation axis AA of the turbomachine 1 shows a first embodiment of the turbomachine 1 having the configuration of an integral compressor-expander system.

[0011] Турбомашина 1 содержит корпусную конструкцию 3. В контексте настоящего документа термин «корпусная конструкция» означает единый корпус, вмещающий вращающийся вал, или множество отделений, соединенных друг с другом с помощью вращающегося вала, проходящего через эти отделения. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, корпусная конструкция 3 содержит первое центральное отделение 3A и в боковые отделения 3B, 3C. Центральное отделение 3A вмещает секции компрессора турбомашины 1. Секции компрессора, имеющие общее обозначение 5, могут включать первую секцию 5А компрессора и вторую секцию 5B компрессора. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, каждая из первой секции 5A компрессора и второй секции 5B компрессора содержит одну ступень компрессора с одним рабочим колесом. Другие варианты осуществления могут включать в себя большее число секций, и/или одна секция, некоторые или все секции компрессора могут включать в себя более одного рабочего колеса. [0011] The turbomachine 1 includes a housing structure 3. In the context of this document, the term "hull structure" means a single housing containing a rotating shaft, or a plurality of compartments connected to each other by a rotating shaft passing through these compartments. In the embodiment shown in FIG. 1, the body structure 3 includes a first center compartment 3A and side compartments 3B, 3C. The central compartment 3A accommodates the compressor sections of the turbomachine 1. The compressor sections, collectively referred to as 5, may include a first compressor section 5A and a second compressor section 5B. In the embodiment shown in FIG. 1, each of the first compressor section 5A and the second compressor section 5B comprises one compressor stage with one impeller. Other embodiments may include more sections and/or one section, some or all of the compressor sections may include more than one impeller.

[0012] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, первая секция 5A компрессора включает в себя рабочее колесо 7A компрессора, а вторая секция 5B компрессора включает в себя рабочее колесо 7B компрессора. [0012] In the embodiment shown in FIG. 1, the first compressor section 5A includes a compressor impeller 7A, and the second compressor section 5B includes a compressor impeller 7B.

[0013] Как показано на Фиг. 1, секции 5A, 5B компрессора расположены на одной линии таким образом, что один поток газа, поступающий в расположенную выше всех по потоку секцию 5A компрессора, сжимается в ней и частично сжатый поток газа подают во вторую, расположенную ниже всех по потоку секцию 5B компрессора для дополнительного сжатия. Таким образом, корпусная конструкция 3 имеет одно впускное отверстие 9 компрессора и одно выпускное отверстие 11 компрессора. [0013] As shown in FIG. 1, the compressor sections 5A, 5B are arranged in line such that one gas stream entering the upstream compressor section 5A is compressed therein and the partially compressed gas stream is fed to the second downstream compressor section 5B. for extra compression. Thus, the casing structure 3 has one compressor inlet 9 and one compressor outlet 11.

[0014] Турбомашина 1 также содержит первый турбодетандер 13, размещенный в отделении 3B, и второй турбодетандер 15, размещенный в отделении 3C. Каждый турбодетандер 13, 15 имеет, соответственно, впускное отверстие 13.1, 15.1 для газа и выпускное отверстие 13.2, 15.2 для газа. Турбодетандер 13 содержит рабочее колесо 19 турбодетандера, а турбодетандер 15 содержит рабочее колесо 21 турбодетандера. [0014] The turbomachine 1 also includes a first turboexpander 13 housed in compartment 3B and a second turboexpander 15 housed in compartment 3C. Each turbo expander 13, 15 has, respectively, an inlet 13.1, 15.1 for gas and an outlet 13.2, 15.2 for gas. The turbo expander 13 includes a turbo expander impeller 19, and the turbo expander 15 includes a turbo expander impeller 21.

[0015] В предпочтительных вариантах осуществления один или оба рабочих колеса 19, 21 турбодетандера размещены в консольной конфигурации, т. е. они поддерживаются на соответствующих первом и втором концах вращающегося вала 23, который свободно выступает за пределы соответствующих блоков 25, 27 подшипников. Благодаря консольной конфигурации турбодетандеров облегчается подача потока расширенного газа. Кроме того, упрощается доступ к рабочим колесам 19, 21 турбодетандера, например, для их технического обслуживания или ремонта. [0015] In preferred embodiments, one or both impellers 19, 21 of the turboexpander are placed in a cantilevered configuration, i.e., they are supported on respective first and second ends of a rotating shaft 23 that protrudes freely from the respective bearing blocks 25, 27. The cantilever configuration of the turboexpanders facilitates the flow of the expanded gas. In addition, access to the impellers 19, 21 of the turboexpander is simplified, for example, for their maintenance or repair.

[0016] Блоки 25, 27 подшипников могут включать в себя активные магнитные подшипники. Как правило, блоки 25, 27 подшипников обеспечивают радиальную и осевую опору для вала 23. Например, каждый блок 25, 27 подшипника может содержать радиальный подшипник, соответственно, 25.1 и 27.1. По меньшей мере один из блоков 25, 27 подшипников может дополнительно содержать осевой подшипник, как показано в качестве примера позицией 25.2. В случае применения одного осевого подшипника он является двунаправленным осевым подшипником. В других вариантах осуществления каждый блок подшипника может включать в себя полуосевой подшипник, причем каждый из двух полуосевых подшипников обеспечивает осевую опору только в одном направлении. [0016] The bearing units 25, 27 may include active magnetic bearings. Typically, bearing blocks 25, 27 provide radial and axial support for shaft 23. For example, each bearing block 25, 27 may include a radial bearing 25.1 and 27.1, respectively. At least one of the bearing blocks 25, 27 may additionally comprise an axial bearing, as shown by way of example at 25.2. If a single axial bearing is used, it is a bi-directional axial bearing. In other embodiments, each bearing assembly may include a side bearing, with each of the two side bearings providing axial support in only one direction.

[0017] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, турбодетандеры 13, 15 представляют собой центростремительные турбодетандеры, т. е. поток газа поступает на соответствующее рабочее колесо в радиальном направлении из впускного отверстия рабочего колеса и выходит из рабочего колеса в осевом направлении в выпускное отверстие рабочего колеса. Впускные отверстия рабочих колес 19, 21 турбодетандера показаны, соответственно, позициями 19.1 и 21.1, а выпускные отверстия рабочего колеса турбодетандера показаны, соответственно, позициями 19.2 и 21.2. Газ протекает в радиальном направлении вовнутрь от впускного отверстия по направлению к оси A-A вращения и отклоняется рабочим колесом в по существу осевом направлении на выходе турбодетандера. Регулируемые входные направляющие лопасти (IGV), схематически показанные позициями 13.5 и 15.5, могут быть установлены между соответствующей впускной камерой 13.4 и 15.4 и рабочим колесом 19, 21 турбодетандера. Регулируемые входные направляющие лопасти повышают гибкость турбомашины, поскольку угол отклонения потока газа, поступающего на соответствующее рабочее колесо 19, 21 турбодетандера, может быть адаптирован в зависимости от условий эксплуатации, в частности от скорости вращения турбомашины. [0017] In the embodiment shown in FIG. 1, the turbo expanders 13, 15 are centripetal turbo expanders, i.e. the gas flow enters the respective impeller radially from the impeller inlet and exits the impeller axially into the impeller outlet. The inlets of the impellers 19, 21 of the turboexpander are shown at 19.1 and 21.1, respectively, and the outlets of the impeller of the turboexpander are shown at 19.2 and 21.2, respectively. The gas flows radially inward from the inlet towards the axis of rotation AA and is deflected by the impeller in a substantially axial direction at the outlet of the turboexpander. Adjustable inlet guide vanes (IGV), shown schematically at 13.5 and 15.5, can be installed between the respective inlet chamber 13.4 and 15.4 and the impeller 19, 21 of the turboexpander. Adjustable inlet guide vanes increase the flexibility of the turbomachine, since the angle of deflection of the gas flow entering the corresponding impeller 19, 21 of the turboexpander can be adapted depending on the operating conditions, in particular on the speed of rotation of the turbomachine.

[0018] Турбомашина 1 может иметь многоступенчатую конфигурацию, в которой оба рабочих колеса 19, 21 турбодетандера и оба рабочих колеса 7A, 7B компрессора составляют единое целое с соответствующим участком вала 23, а участки вала размещены последовательно друг за другом с образованием вала 23. Более конкретно, как показано на Фиг. 1, вал 23 включает в себя шесть участков вала, обозначенных 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5 и 23.6. Участок 23.1 вала составляет единое целое с рабочим колесом 19 турбодетандера. Участок 23.2 вала проходит через первый блок 25 подшипника и соединен с возможностью вращения на одном конце с первым участком 23.1 вала, а на противоположном конце — с первым концом третьего участка 23.3 вала. Третий участок вала составляет единое целое с первым рабочим колесом 7А компрессора. Второй конец третьего участка 23.3 вала соединен с возможностью вращения с первым концом четвертого участка 23.4 вала, который, в свою очередь, составляет единое целое со вторым рабочим колесом 7B компрессора. Второй конец четвертого участка 23.3 вала соединен с возможностью вращения с первым концом пятого участка 23.5 вала, который проходит через второй блок 27 подшипника. Второй конец пятого участка 23.5 вала соединен с возможностью вращения с шестым участком 23.6 вала, который составляет единое целое с рабочим колесом 21 турбодетандера. [0018] The turbomachine 1 may have a multi-stage configuration in which both impellers 19, 21 of the turboexpander and both impellers 7A, 7B of the compressor are integral with the corresponding section of the shaft 23, and the sections of the shaft are placed in series with each other to form the shaft 23. More Specifically, as shown in FIG. 1, shaft 23 includes six shaft sections, designated 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5 and 23.6. Plot 23.1 shaft is integral with the impeller 19 of the turboexpander. The shaft section 23.2 passes through the first bearing block 25 and is rotatably connected at one end to the first shaft section 23.1 and at the opposite end to the first end of the third shaft section 23.3. The third section of the shaft is integral with the first impeller 7A of the compressor. The second end of the third shaft section 23.3 is rotatably connected to the first end of the fourth shaft section 23.4, which in turn is integral with the second compressor impeller 7B. The second end of the fourth shaft section 23.3 is rotatably connected to the first end of the fifth shaft section 23.5 which passes through the second bearing block 27 . The second end of the fifth section 23.5 of the shaft is rotatably connected to the sixth section 23.6 of the shaft, which is integral with the impeller 21 of the turboexpander.

[0019] За счет образования каждого рабочего колеса за единое целое, т. е. монолитно, с соответствующим участком вала, получают ротор турбомашины, способный вращаться с более высокими скоростями вращения, чем ротор, в котором рабочие колеса установлены путем посадки с натягом. [0019] By forming each impeller in a single unit, i.e., monolithically, with the corresponding section of the shaft, a turbomachine rotor is obtained that is capable of rotating at higher rotation speeds than a rotor in which the impellers are installed by an interference fit.

[0020] Каждые два из присоединенных с возможностью вращения участков валов соединены друг с другом с помощью стяжной шпильки и пары взаимозацепляющихся передних зубьев, например, с помощью соединения с V-образными зубьями, содержащего конусовидные зубья, которые зацепляются друг с другом на торцевых гранях каждого из двух взаимозацепляющихся участков вала. Стяжные шпильки, соединяющие различные участки вала, схематически показаны позициями 31.1, 31.2 и 31.3. [0020] Each two of the rotatably coupled shaft sections are connected to each other by a tie rod and a pair of intermeshing front teeth, such as a V-tooth connection comprising tapered teeth that engage with each other at the end faces of each from two interlocking sections of the shaft. The tie rods connecting the various sections of the shaft are shown schematically at 31.1, 31.2 and 31.3.

[0021] Различные секции турбодетандера и компрессора турбомашины 1 могут быть соединены по текучей среде в соответствии с различными конфигурациями. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 2 схематически показана первая конфигурация гидравлических соединений. В этом варианте осуществления турбодетандеры 13, 15 расположены последовательно таким образом, что поток сжатого газа частично расширяется в первом турбодетандере 13, а затем дополнительно расширяется во втором турбодетандере 15. Выпускное отверстие 13.2 для газа первого турбодетандера 13 соединено по текучей среде с впускным отверстием 15.1 для газа второго турбодетандера 15. Такая конфигурация является особенно предпочтительной, поскольку снижение энтальпии разделено на два последовательно расположенных турбодетандера 13, 15 и можно поддерживать более низкие значения скорости вращения вала 23. [0021] Various sections of the turboexpander and compressor of the turbomachine 1 may be fluidly connected in accordance with various configurations. Continuing with references to FIG. 1 in FIG. 2 schematically shows a first hydraulic connection configuration. In this embodiment, the turbo expanders 13, 15 are arranged in series such that the compressed gas flow is partially expanded in the first turbo expander 13 and then further expanded in the second turbo expander 15. The gas outlet 13.2 of the first turbo expander 13 is fluidly connected to the inlet 15.1 for gas of the second turboexpander 15. This configuration is particularly advantageous because the enthalpy reduction is divided into two successive turboexpanders 13, 15 and lower speeds of the shaft 23 can be maintained.

[0022] Секции 5A, 5B компрессора также расположены один за другим, т. е. последовательно, так что один и тот же поток газа последовательно обрабатывается в первой секции 5A компрессора и во второй секции 5B компрессора. [0022] The compressor sections 5A, 5B are also arranged one behind the other, i.e. in series, so that the same gas stream is sequentially processed in the first compressor section 5A and in the second compressor section 5B.

[0023] В других вариантах осуществления турбодетандеры 13, 15 могут быть расположены параллельно, а не последовательно. Это может быть предпочтительным, например, если перепад давления газа, расширенного в турбодетандерах, относительно невелик, но расход газа является высоким. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 3 схематически показан вариант осуществления с параллельно расположенными турбодетандерами 13, 15. Для обозначения одинаковых деталей или компонентов на Фиг. 3 используются те же самые номера позиций, что и на Фиг. 1. В конфигурации, представленной на Фиг. 3, поток сжатого газа, подлежащий расширению, в турбодетандерах 13, 15 разделяется на два частичных потока, которые расширяются в двух турбодетандерах 13, 15, расположенных параллельно. Секции 5A, 5B компрессора, представленные на Фиг. 3, расположены последовательно, как показано на Фиг. 1 и 2. [0023] In other embodiments, the turbo expanders 13, 15 may be arranged in parallel rather than in series. This may be advantageous, for example, if the pressure drop of the gas expanded in the turbo expanders is relatively small, but the gas flow rate is high. Continuing with references to FIG. 1 in FIG. 3 schematically shows an embodiment with turbo expanders 13, 15 arranged in parallel. To indicate the same parts or components in FIG. 3 uses the same reference numbers as in FIG. 1. In the configuration shown in FIG. 3, the compressed gas stream to be expanded in the turbo-expanders 13, 15 is divided into two partial streams, which are expanded in two turbo-expanders 13, 15 arranged in parallel. The compressor sections 5A, 5B shown in FIG. 3 are arranged in series as shown in FIG. 1 and 2.

[0024] В некоторых вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут иметь промежуточное охлаждение. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 4 схематически показана турбомашина 1 с компрессором с промежуточным охлаждением. Одинаковые номера позиций обозначают те же элементы, детали или компоненты, которые уже описаны со ссылкой на Фиг. 1. В варианте осуществления, схематически показанном на Фиг. 4, корпусная конструкция 3 содержит первое впускное отверстие 9А компрессора, соединенное по текучей среде с первой секцией 5А компрессора. Частично сжатый газ подают со стороны нагнетания первой секции 5A компрессора через первое выпускное отверстие 11A компрессора, которое соединено по текучей среде со стороной впуска теплообменника промежуточного охладителя, имеющего общее обозначение 12. Выходная сторона теплообменника соединена по текучей среде со вторым впускным отверстием 9B для газа, через которое частично сжатый и охлажденный газ подают во вторую секцию 5B компрессора. Корпусная конструкция также содержит второе выпускное отверстие 11B компрессора, через которое подают сжатый газ. [0024] In some embodiments, compressor sections 5A, 5B may be intercooled. Continuing with references to FIG. 1 in FIG. 4 schematically shows a turbomachine 1 with an intercooled compressor. Like reference numerals designate the same elements, parts or components already described with reference to FIG. 1. In the embodiment schematically shown in FIG. 4, the casing structure 3 includes a first compressor inlet 9A in fluid communication with the first compressor section 5A. Partially pressurized gas is supplied from the discharge side of the first compressor section 5A through the first compressor outlet 11A, which is fluidly connected to the inlet side of the intercooler heat exchanger, having the general designation 12. The outlet side of the heat exchanger is fluidly connected to the second gas inlet 9B, through which the partially compressed and cooled gas is supplied to the second compressor section 5B. The housing structure also includes a second compressor outlet 11B through which pressurized gas is supplied.

[0025] Турбодетандеры 13, 15 турбомашины 1, представленной на Фиг. 4, могут быть расположены последовательно или параллельно в соответствии с любой из описанных выше конфигураций систем. [0025] The turbo expanders 13, 15 of the turbomachine 1 shown in FIG. 4 may be arranged in series or in parallel in accordance with any of the system configurations described above.

[0026] Хотя на схеме, представленной на Фиг. 4, секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно, в других вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут быть расположены параллельно. [0026] Although the diagram shown in FIG. 4, compressor sections 5A, 5B are arranged in series, in other embodiments compressor sections 5A, 5B may be arranged in parallel.

[0027] Секции компрессора и турбодетандера турбомашины 1 могут быть расположены в соответствии с другими возможными конфигурациями, некоторые из которых описаны в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 5–12. Основные компоненты турбомашины 1, показанные на Фиг. 5–12, обозначены теми же номерами позиций, которые были использованы на Фиг. 1. Различные компоненты машины могут быть сконфигурированы так, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1, если в приведенном ниже описании не указано иное. [0027] The compressor and turbo expander sections of turbomachine 1 may be arranged in other possible configurations, some of which are described herein with reference to FIG. 5–12. The main components of the turbomachine 1 shown in FIG. 5-12 are designated by the same reference numbers as those used in FIG. 1. The various components of the machine may be configured as described above with reference to FIG. 1 unless otherwise noted in the description below.

[0028] На Фиг. 5 представлена схема дополнительной конфигурации турбомашины 1, в которой две секции 5A, 5B компрессора расположены параллельно. Поток газа, подлежащего сжатию, разделяют на два частичных потока, которые подают на сторону всасывания двух секций 5A, 5B компрессора через первое и второе впускные отверстия 9A, 9B компрессора. Каждая секция 5A, 5B компрессора соединена по текучей среде с соответствующим выпускным отверстием 11A, 11B компрессора. Аналогично показанному на Фиг. 1–4, в варианте осуществления, представленном на Фиг. 5, секции 5A, 5B компрессора также имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно двумя блоками 25 и 27 подшипников. Турбодетандеры расположены на наружных сторонах турбомашины, причем соответствующие рабочие колеса турбодетандеров в консольной конфигурации, как подробно показано на Фиг. 1, поддерживаются на свободных концах вала 23, которые проходят за пределы блоков 25, 27 подшипников. На схеме, представленной на Фиг. 5, секции 5A, 5B компрессора расположены с конфигурацией «задняя часть к задней части», т. е. две стороны нагнетания (выпускные отверстия 11A, 11B компрессора) секций 5A, 5B компрессора обращены друг к другу и расположены между сторонами всасывания (впускными отверстиями 9A, 9B компрессора) секций компрессора. [0028] In FIG. 5 is a diagram of a further configuration of turbomachine 1 in which two compressor sections 5A, 5B are arranged in parallel. The gas flow to be compressed is divided into two partial flows, which are supplied to the suction side of the two compressor sections 5A, 5B through the first and second compressor inlets 9A, 9B. Each compressor section 5A, 5B is fluidly connected to a respective compressor outlet 11A, 11B. Similar to that shown in FIG. 1-4, in the embodiment shown in FIG. 5, compressor sections 5A, 5B also have a configuration between bearings, namely two bearing blocks 25 and 27. The turbo expanders are located on the outer sides of the turbomachine, with the respective impellers of the turbo expanders in a cantilever configuration, as detailed in FIG. 1 are supported on the free ends of the shaft 23 which extend beyond the bearing blocks 25, 27. In the diagram shown in Fig. 5, the compressor sections 5A, 5B are arranged in a back-to-back configuration, i.e., the two pressure sides (compressor outlets 11A, 11B) of the compressor sections 5A, 5B face each other and are located between the suction sides (compressor outlets 11A, 11B). 9A, 9B compressor) compressor sections.

[0029] На Фиг. 6 представлена конфигурация, которая отличается от конфигурации, показанной на Фиг. 5, системой 40 герметизации, расположенной между двумя секциями 5A, 5B компрессора. Таким образом, две секции 5A, 5B компрессора выполнены с возможностью обработки различных потоков газа, подаваемых отдельно друг от друга. В качестве примера секции 5A, 5B компрессора имеют обратное расположение по сравнению с расположением, показанным на Фиг. 5, т. е. стороны всасывания (впускные отверстия 9A, 9B компрессора) обращены друг к другу, а стороны нагнетания (выпускные отверстия 11A, 11B компрессора) обращены в направлении друг от друга. Секции 5A, 5B компрессора опять же имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, в то время как турбодетандеры 13, 15 имеют консольную конфигурацию, причем соответствующие рабочие колеса поддерживаются концами вала, консольно выступая за пределы соответствующих блоков 25, 27 подшипников. [0029] In FIG. 6 shows a configuration that is different from the configuration shown in FIG. 5, a sealing system 40 located between two compressor sections 5A, 5B. Thus, the two compressor sections 5A, 5B are configured to process different gas streams supplied separately from each other. By way of example, the compressor sections 5A, 5B are arranged in reverse from the arrangement shown in FIG. 5, that is, the suction sides (compressor inlets 9A, 9B) face each other, and the discharge sides (compressor outlets 11A, 11B) face away from each other. The compressor sections 5A, 5B are again in an inter-bearing configuration, while the turbo expanders 13, 15 are cantilevered, with the respective impellers supported by the ends of the shaft, cantilevered beyond the respective bearing blocks 25, 27.

[0030] В продолжение ссылок на Фиг. 1–6 на Фиг. 7 показана дополнительная конфигурация турбомашины 1 в соответствии с настоящим изобретением. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или эквивалентные детали, которые уже описаны выше. Турбомашина 1, показанная на Фиг. 7, содержит две секции 5A, 5B компрессора, которые могут быть расположены передней частью к передней части или задней частью к задней части и между подшипниками. На Фиг. 7 показана конфигурация «передняя часть к передней части», но секции компрессора могут быть расположены задней частью к задней части, как показано на Фиг. 5, с промежуточной системой 40 герметизации или без нее. В конфигурации, показанной на Фиг. 7, секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно. Поток газа, обрабатываемый с помощью компрессора 5, всасывается первой секцией 5A компрессора через первое впускное отверстие 9A компрессора и подается через первое выпускное отверстие 11 компрессора. В примере осуществления, показанном на Фиг. 7, первое выпускное отверстие 11A компрессора соединено по текучей среде со вторым впускным отверстием 9B компрессора посредством промежуточного охладителя, который опять же обозначен позицией 12. Газ, имеющий конечное давление, подают через второе выпускное отверстие 11B компрессора. Первый и второй турбодетандеры 13, 15 могут иметь консольную конфигурацию расположения, причем соответствующие рабочие колеса турбодетандеров консольно поддерживаются на концах вала 23, который консольно выступает из систем 25, 27 подшипников. Два турбодетандера 13, 15 могут быть расположены последовательно, причем компонент, обеспечивающий подачу к первому турбодетандеру 13, соединен по текучей среде с впускным отверстием второго турбодетандера 15, так что поток сжатого газа последовательно расширяется в два этапа. [0030] Continuing with references to FIG. 1-6 in FIG. 7 shows a further configuration of a turbomachine 1 in accordance with the present invention. Like reference numbers designate the same or equivalent parts already described above. Turbomachine 1 shown in FIG. 7 comprises two compressor sections 5A, 5B which may be front to front or back to back and between the bearings. On FIG. 7 shows a front-to-front configuration, but compressor sections can be arranged back-to-back as shown in FIG. 5, with or without an intermediate sealing system 40. In the configuration shown in FIG. 7, compressor sections 5A, 5B are arranged in series. The gas flow processed by the compressor 5 is sucked in by the first compressor section 5A through the first compressor inlet 9A and supplied through the first compressor outlet 11. In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the first compressor outlet 11A is fluidly connected to the second compressor inlet 9B by means of an intercooler, again indicated at 12. The final pressure gas is supplied through the second compressor outlet 11B. The first and second turbo expanders 13, 15 may be cantilevered, with the respective impellers of the turboexpanders being cantilevered at the ends of a shaft 23 which cantileveredly protrudes from the bearing systems 25, 27. The two turbo expanders 13, 15 may be arranged in series, with the component supplying the first turbo expander 13 being fluidly connected to the inlet of the second turbo expander 15 so that the pressurized gas stream is sequentially expanded in two steps.

[0031] На Фиг. 8 показана та же система, что и на Фиг. 7, но в данном случае турбодетандеры 13, 15 имеют параллельную конфигурацию взаимного расположения. [0031] In FIG. 8 shows the same system as in Fig. 7, but in this case, the turbo expanders 13, 15 have a parallel configuration of mutual arrangement.

[0032] В описанных выше вариантах осуществления турбодетандеры расположены по бокам турбомашины 1, а секции 5A, 5B компрессора расположены между подшипниками на промежуточном участке турбомашины. Эта конфигурация особенно предпочтительна как в отношении доступности компонентов турбодетандера, так и в отношении динамической эффективности текучей среды. По существу с одной стороны, облегчается доступ к рабочим колесам 19, 21 турбодетандеров. Кроме того, облегчается доступ к регулируемым входным направляющим лопастям 13.5 и 15.5 и соответствующим исполнительным механизмам. С другой стороны, поскольку рабочие колеса 19, 21 турбодетандеров обычно представляют собой центростремительные рабочие колеса, обеспечение выходного потока отходящего (расширенного) газа упрощается, если имеется свободное пространство в осевом направлении со стороны подачи рабочего колеса. Для отклонения направления потока не требуются дополнительные диффузоры. Динамические потери текучей среды сводятся к минимуму. [0032] In the embodiments described above, the turbo expanders are located on the sides of the turbomachine 1, and the compressor sections 5A, 5B are located between the bearings in the intermediate section of the turbomachine. This configuration is particularly advantageous in terms of both the availability of the turbo expander components and the dynamic efficiency of the fluid. Essentially, on the one hand, access to the impellers 19, 21 of the turboexpanders is facilitated. In addition, access to the adjustable inlet guide vanes 13.5 and 15.5 and the associated actuators is facilitated. On the other hand, since the impellers 19, 21 of the turboexpanders are usually centripetal impellers, providing an outlet (expanded) gas flow is easier if there is free space in the axial direction on the supply side of the impeller. No additional diffusers are required to deflect the flow direction. Dynamic fluid loss is minimized.

[0033] Однако в менее предпочтительных в настоящее время вариантах осуществления может быть применена и другая система из турбодетандеров и секций компрессора. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 9 показан вариант осуществления, в котором секции 5A, 5B компрессора расположены на терминальных концах турбомашины 1, а турбодетандеры 13, 15 имеют конфигурацию с расположением между подшипниками в центральной зоне турбомашины 1 между секциями 5A, 5B компрессора. Газ, обрабатываемый в секциях 5A, 5B компрессора, поступает в турбомашину 1 через первое впускное отверстие 9A компрессора и частично сжимается первой секцией 5A компрессора, из которой частично сжатый газ через первое выпускное отверстие 11А компрессора подают по направлению ко второму впускному отверстию 9В компрессора. Газ, поступающий во второе впускное отверстие 9B компрессора, дополнительно сжимают во второй секции 5B компрессора и подают через второе выпускное отверстие 11B компрессора. Между первым выпускным отверстием 11A компрессора и вторым впускным отверстием 9B компрессора может быть установлен промежуточный охладитель 12 для отвода тепла от частично сжатого газа до того, как он будет дополнительно сжат во второй секции 5B компрессора. [0033] However, in currently less preferred embodiments, another system of turbo expanders and compressor sections may be used. Continuing with references to FIG. 1 in FIG. 9 shows an embodiment in which the compressor sections 5A, 5B are located at the terminal ends of the turbomachine 1 and the turboexpanders 13,15 are configured between bearings in the central region of the turbomachine 1 between the compressor sections 5A, 5B. The gas treated in the compressor sections 5A, 5B enters the turbomachine 1 through the first compressor inlet 9A and is partially compressed by the first compressor section 5A, from which the partially compressed gas is fed through the first compressor outlet 11A towards the second compressor inlet 9B. The gas entering the second compressor inlet 9B is further compressed in the second compressor section 5B and supplied through the second compressor outlet 11B. An intercooler 12 may be provided between the first compressor outlet 11A and the second compressor inlet 9B to remove heat from the partially compressed gas before it is further compressed in the second compressor section 5B.

[0034] Рабочие колеса 7A, 7B компрессора могут опираться в консольной конфигурации на концы вала 23, которые консольно выступают за пределы первого и второго блоков 25, 27 подшипников. [0034] The compressor impellers 7A, 7B may be supported in a cantilever configuration on the ends of the shaft 23 which cantilever the first and second bearing blocks 25, 27.

[0035] Рабочие колеса 19, 21 турбодетандера могут иметь конфигурацию с расположением между подшипниками на центральном участке вала 23 между блоками 25, 27 подшипников. Два турбодетандера 13, 15 могут быть расположены последовательно или параллельно, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1–8. [0035] The impellers 19, 21 of the turboexpander may be configured to be located between bearings on the central portion of the shaft 23 between the bearing blocks 25, 27. The two turbo expanders 13, 15 may be arranged in series or in parallel, as described above with reference to FIG. 1–8.

[0036] В продолжение ссылок на Фиг. 1–9 на Фиг. 10 показан дополнительный вариант осуществления. Турбомашина 1, показанная на Фиг. 10, также содержит первый и второй турбодетандеры 13, 15, первую и вторую секции 5A, 5B компрессора и общий вал 23, поддерживаемый с возможностью вращения в корпусной конструкции 3 (не показана на Фиг. 10). Вал 23 может представлять собой вал, состоящий из множества участков, расположенных один за другим, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1. Такая многоступенчатая конфигурация предпочтительно может быть использована и в вариантах осуществления, представленных на Фиг. 2–9. [0036] Continuing with references to FIG. 1-9 in FIG. 10 shows an additional embodiment. Turbomachine 1 shown in FIG. 10 also includes first and second turbo expanders 13, 15, first and second compressor sections 5A, 5B, and a common shaft 23 rotatably supported in a housing structure 3 (not shown in FIG. 10). The shaft 23 may be a shaft consisting of a plurality of sections located one after the other, as described above with reference to FIG. 1. Such a multi-stage configuration can preferably be used in the embodiments shown in FIG. 2–9.

[0037] В отличие от показанного на Фиг. 1–9 на Фиг. 10 показано, что как рабочие колеса 7A, 7B компрессора, так и турбодетандеры 19, 21 имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, поскольку как секции 5A, 5B компрессора, так и турбодетандеры 13, 15 расположены между блоками 25, 27 подшипников. [0037] Unlike shown in FIG. 1-9 in FIG. 10 shows that both compressor impellers 7A, 7B and turbo expanders 19, 21 are in an inter-bearing configuration since both compressor sections 5A, 5B and turbo expanders 13, 15 are located between bearing blocks 25, 27.

[0038] Соединение по текучей среде между секциями 5A, 5B компрессора может быть обеспечено таким образом, чтобы секции 5A, 5B компрессора были расположены последовательно или параллельно. Кроме того, хотя на схеме, показанной на Фиг. 10, секции 5A, 5B компрессора показаны в конфигурации с расположением на одной линии, в других вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут быть расположены, например, передней частью к передней части или задней частью к задней части, как показано на Фиг. 5 или 6. Любая из указанных различных конфигураций может быть предпочтительной в зависимости от различных факторов. В частности, конфигурация «передняя часть к передней части» или «задняя часть к задней части» может быть более предпочтительной в отношении уравновешивания гидравлического давления, поскольку усилия в осевом направлении, создаваемые во время работы двумя рабочими колесами компрессора на валу 23, ориентированы в противоположных направлениях и, таким образом, по меньшей мере частично уравновешены. Конфигурация с расположением на одной линии может быть предпочтительной в отношении упрощения обеспечения каналов для потока, как видно из Фиг. 1. Если промежуточное охлаждение не требуется, конфигурация с расположением на одной линии может позволить устранить необходимость в обеспечении двойных впускных и выпускных патрубков в корпусе. [0038] The fluid connection between the compressor sections 5A, 5B can be provided such that the compressor sections 5A, 5B are arranged in series or in parallel. In addition, although the circuit shown in FIG. 10, the compressor sections 5A, 5B are shown in an in-line configuration, in other embodiments, the compressor sections 5A, 5B may be front to front or back to back, for example, as shown in FIG. 5 or 6. Any of these various configurations may be preferred depending on various factors. In particular, a front-to-front or back-to-back configuration may be more advantageous in terms of hydraulic pressure balancing because the axial forces generated during operation by the two compressor impellers on shaft 23 are oriented in opposite directions. directions and thus at least partially balanced. An in-line configuration may be preferred in terms of facilitating the provision of channels for flow, as seen in FIG. 1. If intercooling is not required, an in-line configuration may eliminate the need for dual inlet and outlet connections in the housing.

[0039] Хотя на Фиг. 10 показано, что секции 5A, 5B компрессора расположены смежно друг с другом и, аналогичным образом, турбодетандеры 13, 15 расположены с конфигурацией «задняя часть к задней части» один рядом с другим, возможны и другие конфигурации, когда секции компрессора и турбодетандеры располагают в конфигурации с перемежением, т. е. одну секцию компрессора располагают между двумя турбодетандерами. Кроме того, турбодетандеры могут быть расположены на одной линии, а не в конфигурации «задняя часть к задней части». [0039] Although in FIG. 10 shows that the compressor sections 5A, 5B are located adjacent to each other and, similarly, the turbo expanders 13, 15 are arranged in a back-to-back configuration one next to the other, other configurations are possible when the compressor sections and turbo expanders are located in interleaved configurations, i.e. one compressor section is placed between two turbo expanders. In addition, the turbo expanders can be arranged in line rather than in a back-to-back configuration.

[0040] В продолжение ссылок на Фиг. 1–10 на Фиг. 11 представлен еще один дополнительный вариант осуществления турбомашины 1. В этом варианте осуществления второй турбодетандер 15 и первая секция 5A компрессора имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно между блоками 25, 27 подшипников. Первый турбодетандер 13 расположен в консольной конфигурации на одном конце вала 23, который консольно выступает за пределы блока 25 подшипника, а вторая секция 5B компрессора расположена в консольной конфигурации на другом конце вала 23, который консольно выступает за пределы блока 27 подшипника. В качестве примера два турбодетандера 13, 15 расположены последовательно. В других вариантах осуществления турбодетандеры 13, 15 могут быть расположены параллельно. Секции 5A, 5B компрессора могут работать параллельно или последовательно с промежуточным охлаждением или без него. [0040] Continuing with references to FIG. 1-10 in FIG. 11 shows yet another further embodiment of the turbomachine 1. In this embodiment, the second turboexpander 15 and the first compressor section 5A are in an inter-bearing configuration, namely between bearing blocks 25, 27. The first turbo expander 13 is cantilevered at one end of the shaft 23 which cantilevered out of the bearing block 25, and the second compressor section 5B is cantilevered at the other end of the shaft 23 which cantilevered out of the bearing block 27. As an example, two turboexpanders 13, 15 are arranged in series. In other embodiments, the turbo expanders 13, 15 may be arranged in parallel. Compressor sections 5A, 5B can be operated in parallel or in series with or without intercooling.

[0041] И наконец, в продолжение ссылок на Фиг. 1–11 на Фиг. 12 показан еще один дополнительный вариант осуществления турбомашины 1 в соответствии с настоящим описанием. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 12, отличается от варианта осуществления, показанного на Фиг. 11, главным образом тем, что турбодетандеры 13, 15 расположены параллельно. Секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно с промежуточным охладителем 12 между ними. [0041] Finally, continuing with reference to FIG. 1-11 in FIG. 12 shows another further embodiment of a turbomachine 1 in accordance with the present description. The embodiment shown in FIG. 12 is different from the embodiment shown in FIG. 11, mainly in that the turboexpanders 13, 15 are arranged in parallel. The compressor sections 5A, 5B are arranged in series with an intercooler 12 in between.

[0042] Во всех вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, вал может поддерживаться двумя радиальными подшипниками и одним или двумя упорными подшипниками. В частности, в случае применения двух упорных подшипников можно использовать так называемые половинные упорные подшипники, каждый из которых обеспечивает упор для оси только в одном направлении. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления могут применять два блока подшипников: каждый блок подшипника выполняет функцию радиального подшипника, и оба указанных блока также выполняют функцию осевого подшипника (упорного подшипника), однако каждый из них — только в одном направлении. В других вариантах осуществления каждый блок подшипника выполняет функцию радиального подшипника, и лишь один из них выполняет функцию упорного подшипника (осевого подшипника) в обоих направлениях. [0042] In all embodiments described herein, the shaft may be supported by two radial bearings and one or two thrust bearings. In particular, in the case of using two thrust bearings, so-called half thrust bearings can be used, each of which supports the axle in only one direction. Thus, in some embodiments, two bearing blocks can be used: each bearing block functions as a radial bearing, and both of these blocks also function as an axial bearing (thrust bearing), however, each of them is only in one direction. In other embodiments, each bearing block functions as a radial bearing and only one of them functions as a thrust bearing (thrust bearing) in both directions.

[0043] В предпочтительных вариантах осуществления каждый блок подшипника может содержать один или более активных магнитных подшипников. [0043] In preferred embodiments, each bearing assembly may comprise one or more active magnetic bearings.

[0044] Хотя настоящее изобретение описано применительно к различным конкретным вариантам осуществления, для специалистов в данной области будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и исключения без отступления от сущности и объема формулы изобретения. Кроме того, если не указано иное, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа можно варьировать или переупорядочивать в соответствии с альтернативными вариантами осуществления. В частности, в каждой из описанных выше конфигураций две секции компрессора могут быть расположены либо последовательно, либо параллельно, если не указано иное. Кроме того, два турбодетандера альтернативно могут работать последовательно или параллельно, если не указано иное. [0044] While the present invention has been described with reference to various specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications, changes, and omissions are possible without departing from the spirit and scope of the claims. In addition, unless otherwise indicated, the order or sequence of any process or method steps may be varied or reordered in accordance with alternative embodiments. In particular, in each of the configurations described above, the two compressor sections may be arranged either in series or in parallel, unless otherwise indicated. In addition, the two turbo expanders may alternatively be operated in series or in parallel, unless otherwise indicated.

Claims (24)

1. Турбомашина, содержащая:1. Turbomachine, containing: корпусную конструкцию;body structure; вал, поддерживаемый с возможностью вращения в указанной корпусной конструкции;a shaft rotatably supported in said housing structure; по меньшей мере первый блок подшипника и второй блок подшипника, выполненные с возможностью поддержания вала с возможностью вращения в корпусной конструкции;at least a first bearing unit and a second bearing unit configured to rotatably support the shaft in the housing structure; первую секцию компрессора и вторую секцию компрессора в указанной корпусной конструкции, причем первая секция компрессора содержит по меньшей мере первое рабочее колесо компрессора, установленное на указанном валу с возможностью вращения вместе с ним, а вторая секция компрессора содержит по меньшей мере второе рабочее колесо компрессора, установленное на указанном валу с возможностью вращения вместе с ним; иthe first section of the compressor and the second section of the compressor in the specified housing structure, and the first section of the compressor contains at least the first compressor impeller mounted on the specified shaft to rotate with it, and the second compressor section contains at least the second compressor impeller mounted on the specified shaft with the possibility of rotation with it; and первый турбодетандер и второй турбодетандер, установленные на валу с возможностью вращения вместе с ним в указанной корпусной конструкции и выполненные с возможностью генерации механической энергии за счет расширения проходящего через них потока газа и приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора,the first turbo-expander and the second turbo-expander mounted on the shaft with the possibility of rotation with it in the specified housing structure and configured to generate mechanical energy by expanding the gas flow passing through them and actuating the first compressor section and the second compressor section, причем рабочие колеса турбодетандеров и секций компрессора выполнены как единое целое с соответствующим участком вала, и эти участки вала размещены последовательно друг за другом, а их соответствующие концы соединены друг с другом с образованием указанного вала.moreover, the impellers of the turboexpanders and compressor sections are integral with the corresponding shaft section, and these shaft sections are placed sequentially one after the other, and their respective ends are connected to each other to form said shaft. 2. Турбомашина по п. 1, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер выполнены с возможностью генерации всей механической энергии, требуемой для приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора.2. The turbomachine of claim. 1, in which the first turboexpander and the second turboexpander are configured to generate all the mechanical energy required to drive the first compressor section and the second compressor section. 3. Турбомашина по п. 1 или 2, в которой первый турбодетандер расположен в консольной конфигурации на первом конце вала.3. A turbomachine according to claim 1 or 2, wherein the first turboexpander is positioned in a cantilever configuration at the first end of the shaft. 4. Турбомашина по п. 3, в которой второй турбодетандер расположен в консольной конфигурации на втором конце вала.4. The turbomachine of claim 3, wherein the second turboexpander is positioned in a cantilever configuration at the second end of the shaft. 5. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первая секция компрессора и вторая секция компрессора имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно между первым блоком подшипника и вторым блоком подшипника.5. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the first compressor section and the second compressor section are configured between bearings, namely between the first bearing block and the second bearing block. 6. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой указанный вал представляет собой вал, состоящий из множества участков, расположенных один за другим.6. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein said shaft is a shaft consisting of a plurality of sections arranged one after the other. 7. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первый турбодетандер представляет собой центростремительный турбодетандер.7. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the first turboexpander is a centripetal turboexpander. 8. Турбомашина по п. 7, в которой второй турбодетандер представляет собой центростремительный турбодетандер.8. The turbomachine according to claim 7, wherein the second turboexpander is a centripetal turboexpander. 9. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер расположены последовательно, причем выпускное отверстие одного из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера соединено по текучей среде с впускным отверстием другого из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера, так что в процессе работы поток газа сначала частично расширяется в одном из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера, а затем дополнительно расширяется в другом из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера.9. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the first turboexpander and the second turboexpander are arranged in series, wherein the outlet of one of said first turboexpander and the second turboexpander is fluidly connected to the inlet of the other of said first turboexpander and the second turboexpander so that in the process operation, the gas flow is first partially expanded in one of said first turbo-expander and second turbo-expander, and then further expanded in the other of said first turbo-expander and second turbo-expander. 10. Турбомашина по любому из пп. 1-8, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер расположены параллельно таким образом, что в процессе работы поток сжатого газа разделяют и подают частично в первый турбодетандер и частично во второй турбодетандер для его расширения в них.10. Turbomachine according to any one of paragraphs. 1-8, in which the first turbo-expander and the second turbo-expander are arranged in parallel in such a way that during operation the compressed gas stream is separated and fed partly into the first turbo-expander and partly into the second turbo-expander for expansion therein. 11. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первая секция компрессора и второй компрессор расположены последовательно.11. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the first compressor section and the second compressor are arranged in series. 12. Турбомашина по п. 11, в которой промежуточный охладитель расположен между первой секцией компрессора и второй секцией компрессора.12. The turbomachine of claim. 11, in which the intercooler is located between the first compressor section and the second compressor section. 13. Турбомашина по любому из пп. 1-10, в которой первая секция компрессора и вторая секция компрессора расположены параллельно.13. Turbomachine according to any one of paragraphs. 1-10, in which the first compressor section and the second compressor section are arranged in parallel. 14. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой вал герметично размещен в корпусной конструкции.14. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the shaft is hermetically housed in a housing structure. 15. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой корпусная конструкция содержит отдельные отделения корпуса для каждого из указанных первого турбодетандера, второго турбодетандера, первой секции компрессора и второй секции компрессора, причем отделения корпуса отделены друг от друга системами герметизации вдоль вала.15. A turbomachine according to any of the preceding claims, wherein the housing structure comprises separate housing compartments for each of said first turboexpander, second turboexpander, first compressor section, and second compressor section, wherein the housing compartments are separated from each other by sealing systems along the shaft. 16. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один из указанного первого блока подшипника и указанного второго блока подшипника содержит активный магнитный подшипник.16. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein at least one of said first bearing block and said second bearing block comprises an active magnetic bearing. 17. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой каждый из указанного первого блока подшипника и второго блока подшипника содержит соответствующий половинный упорный подшипник.17. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein said first bearing assembly and second bearing assembly each comprise a respective half thrust bearing. 18. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой концы упомянутых участков вала соединены друг с другом с помощью стяжной шпильки и взаимозацепляющихся зубьев на торцевых гранях каждого из двух взаимосоединяемых участков вала.18. A turbomachine according to any one of the preceding claims, wherein the ends of said shaft sections are connected to each other by means of a tie rod and interlocking teeth on the end faces of each of the two interconnected shaft sections.
RU2021125751A 2019-03-04 2020-03-02 Configuration of a multi-stage turbomachine (expander-compressor) RU2776401C1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102019000003077 2019-03-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2776401C1 true RU2776401C1 (en) 2022-07-19

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966362A (en) * 1973-08-24 1976-06-29 Airco, Inc. Process air compression system
RU2183802C1 (en) * 2001-08-09 2002-06-20 Крылов Борис Анатольевич Method of generation of cold and heat in ecologically pure refrigerating plant and increase of refrigerating and heating coefficients
CN203880993U (en) * 2014-06-18 2014-10-15 陕西动力源节能环保科技有限公司 Air refrigerating device of household air conditioning
US20160298500A1 (en) * 2015-04-09 2016-10-13 General Electric Company Regenerative thermodynamic power generation cycle systems, and methods for operating thereof
WO2017153387A1 (en) * 2016-03-09 2017-09-14 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Integrated expander-motor compressor
CN107165837A (en) * 2017-06-22 2017-09-15 沈阳斯特机械制造有限公司 A kind of centrifugal compressor of delay coking process application

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966362A (en) * 1973-08-24 1976-06-29 Airco, Inc. Process air compression system
RU2183802C1 (en) * 2001-08-09 2002-06-20 Крылов Борис Анатольевич Method of generation of cold and heat in ecologically pure refrigerating plant and increase of refrigerating and heating coefficients
CN203880993U (en) * 2014-06-18 2014-10-15 陕西动力源节能环保科技有限公司 Air refrigerating device of household air conditioning
US20160298500A1 (en) * 2015-04-09 2016-10-13 General Electric Company Regenerative thermodynamic power generation cycle systems, and methods for operating thereof
WO2017153387A1 (en) * 2016-03-09 2017-09-14 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Integrated expander-motor compressor
CN107165837A (en) * 2017-06-22 2017-09-15 沈阳斯特机械制造有限公司 A kind of centrifugal compressor of delay coking process application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2386763B1 (en) Multistage compressor with balancing pistons
EP3256699B1 (en) A turboexpander-generator unit and a method for producing electric power
EP3117079B1 (en) Turbomachine assembly
AU2013270787A1 (en) High pressure ratio compressors with multiple intercooling and related methods
WO2013014106A1 (en) Centrifugal impeller and turbomachine
AU2012285720A1 (en) Multistage centrifugal turbomachine
US10808725B2 (en) Turbomachine and method of operating a turbomachine
RU2776401C1 (en) Configuration of a multi-stage turbomachine (expander-compressor)
US9004857B2 (en) Barrel-shaped centrifugal compressor
CA3130263C (en) Multistage compressor-expander turbomachine configuration
JP7218181B2 (en) A compression train containing two centrifugal compressors and an LNG plant containing two centrifugal compressors
CN104763475A (en) Novel three-rotor gas turbine
KR20220156619A (en) Integral hermetically sealed turboexpander-generator with overhanging turbomachinery
JP2019502046A (en) LNG plant including axial and centrifugal compressors
CN115450949B (en) Supercritical carbon dioxide compressor and coaxial power generation system
RU2753385C1 (en) Ventilation system for bearing oil cavity
CN112424477B (en) Multistage turbine
JP2024514772A (en) Turbomachinery rotors and turbomachinery with stacked impellers
EP4034768A1 (en) Integrated motor-compressor unit having a cooling circuit and a depressurization system configured to reduce pressure of the cooling fluid
JPS58124096A (en) Two-stage compressor