具有轴流压缩机单元的整体齿轮式压缩机以及方法

技术领域

本公开涉及气体压缩机的改进。具体地是，本文所公开的实施方案涉及整体齿轮式压缩机。

背景技术

整体齿轮式压缩机通常被用于处理空气、二氧化碳或者水蒸汽。整体齿轮式压缩机的一个优点是在压缩机级之间多次中间冷却的可行性，以及以不同转速驱动顺序布置的压缩机级的可行性。

GB1048966公开了一种压缩机布置，该压缩机布置包括驱动主齿轮与第一压缩机轴的第一端部处的第一小齿轮并且与第二压缩机轴的第一端部处的第二小齿轮啮合的电动机。第一压缩机驱动地联接到第一压缩机轴的第二端部并且第二压缩机驱动地联接到第二压缩机轴的第二端部。

US2016/0230771公开了一种大齿轮压缩机，该压缩机包括由蒸汽涡轮驱动旋转的大齿轮。蒸汽涡轮驱动地联接到驱动轴，该驱动轴通过键接在驱动轴上的小齿轮联接到大齿轮。主压缩机由驱动轴直接驱动。另外的压缩机单元通过围绕大齿轮外围布置的从动轴驱动地联接到大齿轮。

现有工艺的整体齿轮式压缩机仍然受到一些限制。尤其是，入口体积流速受到限制。为了提高入口流速，已经研发出更大的叶轮，但是这需要降低转速。作为一种替代，双流机器被设想出来，其中第一压缩级被分成两个单独的叶轮，这两个单独的叶轮并行地运转，使得可以由同一机器处理更大体积的入口流。双流整体齿轮式压缩机是笨重的，并且，尤其是，占据大量空间。

因此，需要改进整体齿轮式压缩机的设计，以便保留这些机器的优点，但消除或减少它们的限制。

发明内容

根据一个方面，本文公开了一种整体齿轮式压缩机的新颖构造，其包括被支撑用于在齿轮箱中旋转的大齿轮、以及被支撑用于在该齿轮箱中旋转的多个小齿轮轴。每个小齿轮轴包括各自的小齿轮，其与大齿轮啮合。

根据本文所公开的新型布置，第一小齿轮轴具有驱动地联接到第一轴流压缩机单元的第一端部，该第一轴流压缩机单元包括气体入口、气体出口和轴流压缩轮，该第一轴流压缩机单元以悬挂方式支撑在第一小齿轮轴的第一端部处。第二压缩机单元以悬挂方式支撑在第一小齿轮轴的第二端部处。第一轴流压缩机单元的气体出口流体联接到第二压缩机单元的气体入口。第二小齿轮轴驱动地联接到压缩机布置，该压缩机布置包括以悬挂方式支撑在第二小齿轮轴的第一端部处的另一压缩机单元。该另一压缩机单元是离心式压缩机单元。

在一些实施方案中，压缩机可包括多于一个轴流压缩机单元，例如布置在第一小齿轮轴的相对端部处的两个轴流压缩机单元。

整体齿轮式压缩机的另外的实施方案和优势特色概述如下，并在所附权利要求中阐述。

附图说明

现在简要参考附图，其中：

图1是根据本公开的整体齿轮式压缩机的剖面图；并且

图2是根据本公开的概述操作整体齿轮式压缩机的方法的流程图。

具体实施方式

公开了一种新型的压缩机，以改善整体齿轮式压缩机的入口流速而不增加该机器的总占地空间。该压缩机包括大齿轮，该大齿轮驱动围绕该大齿轮外围布置的两个或更多个小齿轮轴旋转。每个小齿轮轴包括与该大齿轮啮合的小齿轮。这些小齿轮可以具有不同的直径和不同的齿数，使得这些小齿轮轴以不同的转速旋转。压缩机驱动器驱动地联接到中心轴，该中心轴旋转大齿轮。旋转运动以不同的传动比从大齿轮传递到与其啮合的小齿轮。压缩机级驱动地联接到小齿轮轴。最上游的压缩机级是驱动地联接到所述小齿轮轴中的第一小齿轮轴的轴流压缩机级。第二和随后的压缩机级可以是离心式压缩机级，其按顺序安置用于进一步压缩由轴流压缩机级输送的气体流。中间冷却器可设置在一对或多对顺序安置的压缩机级之间，以从部分压缩的工艺气体中移除热量并提高多级整体齿轮式压缩机的总效率。

最上游的轴流压缩机级比通常的离心式压缩机级适于处理更大的入口流量。因此获得适于处理大量入口气体的紧凑型机器。

现在转到附图，图1示出了具有压缩机壳体3的整体齿轮式压缩机1的俯视图，该压缩机壳体根据水平面剖开以示出容纳在壳体3中的部件。

大齿轮5被支撑用于在壳体3中旋转。大齿轮5驱动地联接到输入轴7，该输入轴可由驱动单元9，例如电动机，或任何其它合适的驱动单元驱动旋转。大齿轮5通过轴承11、13来支撑，以在壳体3中围绕主旋转轴线A-A旋转。

大齿轮5可以以驱动单元9的速度旋转，或者以不同的速度旋转，例如，如果速度操纵装置，诸如齿轮箱8，沿着轴线被布置成在驱动单元9和输入轴7之间。

压缩机1还包括多个小齿轮轴。在图1中示出了两个小齿轮轴。然而，应当理解的是在同一压缩机1中可以设置大量的小齿轮轴。

第一小齿轮轴15通过轴承17、19来被支撑用于围绕旋转轴线B-B旋转。第一小齿轮21与第一小齿轮轴15键接，或整体成形。第一小齿轮21与大齿轮5啮合。第一小齿轮轴15因此被驱动单元9驱动以由大齿轮5与第一小齿轮21之间的传动比确定的转速旋转。

第二小齿轮轴23通过轴承25、27来被支撑用于围绕旋转轴线C-C旋转。第二小齿轮29与第二小齿轮轴23键接，或整体成形。第二小齿轮29与大齿轮5啮合。第二小齿轮轴23因此以由大齿轮5和第二小齿轮29之间的传动比给定的转速旋转。在一些实施方案中，第二小齿轮轴23的转速会高于第一小齿轮轴15的转速。

一般来说，整体齿轮式压缩机1包括由第一小齿轮轴15以第一转速驱动的第一最上游轴流压缩机单元，以及由第二小齿轮轴以第二转速驱动的离心式压缩机布置。第一转速和第二转速高于大齿轮5的转速。

离心式压缩机布置可包括一个或多个离心式压缩机单元。如上所述，在未示出的一些实施方案中，可设置第三或另外的小齿轮轴以驱动属于离心式压缩机布置的附加的离心式压缩机单元。如下面将详细描述的，在图1的实施方案中，离心式压缩机单元也被设置在第一小齿轮轴15上，与轴流压缩机单元31相对，用于与轴流压缩机单元相同的转速旋转。

更具体地说，在图1的实施方案中，压缩机1具有四个压缩机单元。如上所述，第一最上游的压缩机单元31被布置在第一小齿轮轴15的第一端部处。第二压缩机单元33被布置在第一小齿轮轴15的第二端部处。形成该离心式压缩机布置的一部分的附加的第三和第四压缩机单元35、37由第二小齿轮轴23驱动。更具体地，第三压缩机单元35被布置在第二小齿轮轴23的第一端部处，并且第四压缩机单元37被布置在第二小齿轮轴23的第二端部处。

第一、第二、第三和第四压缩机单元从最上游压缩机单元31开始到最下游压缩机单元37依次布置，使得工艺气体首先在具有较高体积流量的轴流压缩机单元31中被压缩，并且随后在剩余的离心式压缩机单元33、35和37中依次逐步压缩。

中间冷却器可以沿着连接每对顺序布置的压缩机单元31-37的连接线设置。作为示例，中间冷却器39在图1中示出为沿着将第一压缩机单元31流体地联接到第二压缩机单元33的连接线41。

第一压缩机单元31包括气体入口43、气体出口45和它们之间的轴流压缩轮47。在图1的实施方案中，轴流压缩机单元31包括两个轴流压缩级，每个轴流压缩级包括键接在轴流压缩轮47上的旋转叶片49的圆形布置和安装在轴流压缩机单元31的壳体52上的相应的一组固定叶片或轮叶51。所示出的轴流压缩级的数量仅作为示例，应当理解的是轴流压缩机单元31可包括不同数量的轴流压缩级，例如三个或更多个。在一些实施方案中，固定刀片51可具有可变倾斜度。固定叶片51的角位置可通过在53处示意性地示出的合适的控制装置适于压缩机1的运行条件。控制装置53适于使每个固定刀片51绕径向轴线、即与轴流式压缩机单元31的旋转轴线B-B正交的轴线枢转。

在图1的实施方案中，轴流压缩轮47以悬挂方式安装在第一小齿轮轴15的第一端部上。

在图1的实施方案中，气体入口43是轴流入口而气体出口45是径向出口。来自轴流轮的部分压缩的气体流被径向地转向径向出口。涡管55收集来自轴流压缩轮47的部分压缩的气体并且引导部分压缩的气体流通过扩压器57朝向气体出口45。在一些实施方案中，如图1所示，扩压器57是叶片式扩压器57，用以提高第一压缩机单元31的效率。

每个压缩机单元33、35和37包括一个或多个离心式压缩机级。在图1的实施方案中，每个离心式压缩机单元33、35、37包括具有单个离心式压缩机叶轮的单个离心式压缩机级。不排除在一个、一些或所有压缩机单元33、35、37中具有多个离心式压缩机级的可能性。

在图1的实施方案中，第二、第三和第四压缩机单元33、35、37彼此相似。具体是，第二压缩机单元33是包括单个离心式叶轮61的离心式压缩机单元，该单个离心式叶轮以悬挂方式安装在第一小齿轮轴15的第二端部上并且旋转地布置在壳体63中，具有气体入口65和气体出口67。叶片式扩压器69可布置在离心式叶轮61和气体出口67之间。在其它实施方案中，扩压器69可以是非叶片式扩压器。

类似地，第三压缩机单元35是包括离心式叶轮61的离心式压缩机单元，该离心式叶轮以悬挂方式安装在第二小齿轮轴23的第一端部上并且旋转地布置在壳体73中，具有气体入口75和气体出口77。叶片式或非叶片式扩压器79可布置在离心式叶轮61与气体出口77之间。气体入口75通过连接线(未示出)与第二压缩机单元33的气体出口67流体地联接，沿着该连接线可设置中间冷却器，类似于沿着线41的中间冷却器39。

第四压缩机单元37是包括离心式叶轮81的离心式压缩机单元，该离心式叶轮以悬挂方式安装在第二小齿轮轴23的第二端部上并且旋转地布置在壳体83中，具有气体入口85和气体出口87。叶片式或非叶片式扩压器89可布置在离心式叶轮81与气体出口87之间。气体入口85与第三压缩机单元35的气体出口77流体地联接。中间冷却器可以沿着连接线(未示出)设置在第三压缩机单元35和第四压缩机单元37之间。

因此，压缩机1被配置为处理首先进入第一轴流压缩机单元31并且随后依次在第二、第三和第四离心式压缩机单元33、35和37中进一步压缩的气体流。压缩机单元33的轴流压缩轮47和离心式压缩机叶轮61以相同的转速旋转。第三和第四压缩机单元35和37的叶轮71和81以相同的转速旋转，该转速优选地不同于轴流压缩轮47和离心式叶轮61的转速。

在一些实施方案中，第二小齿轮轴23、离心式叶轮71和离心式叶轮81的转速高于第一小齿轮轴15以及键接在其上的轴流轮47和离心式叶轮61的转速。第一和第二小齿轮轴15、23的转速之间的比率由小齿轮21和29的齿数之间的比率给出。通过设计具有适当齿数的大齿轮5和小齿轮21、29，可以设置用于压缩机1的给定应用的最佳转速比。

图2概述了压缩机1的操作方法。入口气体流(步骤100)首先在轴流压缩机单元31中被压缩(步骤101)，并且随后在第二离心式压缩机单元33中被进一步压缩(步骤103)。中间冷却步骤也在102处被示出。来自第二离心式压缩机单元33的部分压缩的气体被输送到第三离心式压缩机单元35用于进一步压缩(步骤105)，并最终被输送到第四离心式压缩机单元37用于最终压缩(步骤107)至输送压力。中间冷却步骤104和中间冷却步骤106可以被预知在离心式压缩机单元33中的压缩步骤与离心式压缩机单元35中的压缩步骤之间和/或在离心式压缩机单元35中的压缩步骤与离心式压缩机单元37中的压缩步骤之间。

轴流压缩机级31可包括高马赫轴流轮，以增加第一压缩单元中的最大流速，而不依赖于双流架构和过大的叶轮尺寸。因此获得具有减少的占用空间和高效率的紧凑型压缩机。

到目前为止所公开的实施方案是举例说明。在未示出的其它实施方案中，整体齿轮式压缩机可包括多于一个轴流压缩机单元。例如，第一小齿轮轴可在其第一端部和第二端部两者处驱动地联接到轴流压缩机单元。

上文已经公开了示例性实施方案并且在附图中说明。本领域技术人员将理解，在不脱离如以下权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，可以对本文具体公开的内容进行各种改变、省略和添加。