多級壓縮機及用于操作多級壓縮機的方法
【技術領域】
[0001]文中所公開主題的實施例大體上涉及多級壓縮機及其操作方法。更具體而言，本公開內容涉及具有疊層轉子構造的多級壓縮機。
【背景技術】
[0002]多級壓縮機廣泛用于工業制冷、油氣處理和低溫處理以及其它用途。
[0003]在已知類型的眾多多級壓縮機中，包括由系桿(或連接桿)保持在一起的堆疊式葉輪的多級壓縮機是公知的。例如，在US2011/ 0262284中公開了一種包括疊層轉子的多級壓縮機。
[0004]圖1示出了一種當前技術的多級壓縮機的軸向截面視圖，而圖2示出了圖1的放大的局部詳圖。所述壓縮機標為100并且包括入口 110A、出口 110B、包括多個堆疊式葉輪112的轉子111，以及收納轉子111的靜止殼體113。靜止殼體包括隔板113A，其中各個葉輪排出其氣流以便在使氣流回到下一葉輪之前將氣流的動能轉換成壓力恢復。各個葉輪/隔板的組合通常稱為〃級〃。隔板113A和轉子111收納在外殼113B中。在壓縮機中，限定了從壓縮機入口 IlOA延伸至壓縮機出口 IlOB并且穿過所述多個葉輪112和隔板113A的氣體壓縮路徑P (由短劃線示出)。壓縮路徑P相對于外殼、隔板和轉子使用適合的密封件(例如，干燥氣體密封件S)來密封。
[0005]葉輪112由沿著軸向延伸穿過葉輪112的系桿114保持在一起。第一壓縮機級包括第一葉輪112A，而最后的壓縮機級包括最后的葉輪112B。轉子111還包括設在多個葉輪112的兩個相反端部處的兩個終端元件115A和115B。系桿114的兩端約束在終端元件115A-115B 上。
[0006]更具體而言，葉輪112的轂具有通孔116，其中使系桿114穿過該通孔。孔116大小確定為以便在系桿114與葉輪112之間留下空隙117。
[0007]具體參看圖2，各個葉輪112均包括兩個相反的帶齒凸緣118，其與兩個對應的相鄰葉輪112的對應帶齒凸緣嚙合，或在葉輪為葉輪疊層中的第一葉輪或最后葉輪的情況下，分別與相鄰葉輪112的帶齒凸緣和終端元件115A，115B中的一個的帶齒凸緣119嚙合。
[0008]為了避免氣體從壓縮路徑P泄漏到空隙117，在齒的嚙合區域121上提供了密封件120。
[0009]氣體壓縮機包括用于平衡轉子軸承上的葉輪的軸向推力的平衡線122 (由點劃線表示)。更具體而言，壓縮機包括形成在終端元件115B上的平衡鼓123。平衡鼓123將平衡區124從與最后的壓縮機級的出口成流體連通的區分離出。平衡區124與第一葉輪112A的入口流體地連接，使得平衡區124中的壓力大致等于第一葉輪112A的入口處的壓力。平衡鼓123布置在形成于壓縮機外殼中的圓柱形殼體中。迷宮式密封件123A設在殼體與鼓之間，以便允許從最后級朝向平衡區124的校準氣流泄漏F。所述平衡區124與面向最后級葉輪112B的平衡鼓的相反面之間的壓差生成相對于平衡鼓的軸向推力。平衡鼓123上的軸向推力抗衡由流過壓縮機的過程流體在葉輪上生成的軸向推力。平衡線122由管線形成，該管線通常在壓縮機的外殼外。
[0010]壓縮過程引起流過壓縮機的過程氣體的溫度升高。在啟動期間，機械構件通常處于環境溫度并且由過程氣體加熱，直到實現穩定的溫度狀態。在具有如參照圖1和圖2所述的疊層轉子的壓縮機中，葉輪比系桿更快地加熱。這導致在啟動瞬變階段期間系桿114與葉輪112之間的高溫度梯度。由于這種高溫度梯度，生成了高的熱應力，這可能會縮短壓縮機的壽命或引起故障。

【發明內容】

[0011]為了至少部分地減輕現有技術的一個或多個問題，提供了一種多級壓縮機，其中，通過壓縮由壓縮機處理的流體所形成的熱用于加熱系桿，該系桿保持壓縮機轉子的堆疊式葉輪。多級壓縮機包括回流路徑，沿著該回流路徑，一小部分壓縮的過程氣體從下游位置回流至氣體壓縮路徑的上游位置。回流路徑沿著系桿流動，以便由壓縮的或部分地壓縮的處理氣體的壓縮所生成的熱通過強制對流來傳遞至系桿。因此，系桿比在當前技術的壓縮機中更快地加熱。
[0012]根據一些實施例，提供了一種多級壓縮機，其包括壓縮機轉子，該壓縮機轉子包括多個軸向堆疊式葉輪、延伸穿過堆疊式葉輪且將該葉輪保持在一起的系桿，以及從壓縮機入口延伸至壓縮機出口且穿過上述多個葉輪的氣體壓縮路徑。該壓縮機還包括在系桿與堆疊式葉輪之間的流動通道。該流動通道沿著系桿的至少一部分延伸。流動通道與沿著氣體壓縮路徑的第一位置和第二位置成流體連通。在正常操作狀態期間，在所述第一位置處由壓縮機所處理的氣體的壓力不同于在第二位置處的氣體的壓力。壓縮路徑中的第一位置與第二位置之間的氣體壓差生成沿著流動通道的氣流。
[0013]在壓縮機啟動時，由于因壓縮引起的氣體的溫度升高，故從第一位置流至第二位置的氣體的溫度大體上高于系桿的溫度。沿著流動通道流動的氣體加熱系桿，從而降低了葉輪與系桿之間的溫度梯度。
[0014]根據一些實施例，如下文較佳所述，流動通道可用作〃平衡線〃以平衡軸承上的葉輪的推力。
[0015]在一些示例性實施例中，第一位置設在第一壓縮機級處，而第二位置設在最后的壓縮機級處。以此方式，由于熱氣流沿著幾乎系桿的整個軸向延伸接觸該系桿，故最大限度地增大了系桿上的熱益處。此外，接觸系桿的壓縮氣體取自最后級，也即，氣體溫度最高處。
[0016]根據示例性實施例，各個葉輪均包括兩個相反的接觸表面用于接觸另外兩個相鄰葉輪的表面，或相鄰葉輪的表面和多個堆疊式葉輪的一端處的終端元件的表面。如果氣體壓縮機包括第一通路和第二通路，則所述通路中的至少一個限定在兩個相鄰葉輪的接觸表面之間，或限定在所述終端元件的其中一個的接觸表面和相鄰葉輪的接觸表面之間。該構造簡化了壓縮機的構成。在一些示例性實施例中，第一通路可形成在第一葉輪的轂的相互接觸和嚙合的表面與第一終端元件的對應嚙合表面之間。第二通路可形成在最后葉輪的轂的相互接觸和嚙合的表面與第二終端元件的對應的嚙合表面之間。
[0017]為了提供在相互堆疊式葉輪與第一和第二終端元件之間的扭力約束，可提供扭力約束部件。在一些實施例中，接觸表面設有形成分別嚙合的表面的前帶齒凸緣。相互共同作用的凸緣的齒形成赫茲(Hirth)聯接。代替地可采用其它連接部件，例如，彎曲連接、螺栓或其它已知的機構。
[0018]為了防止氣體流過不需要氣流的嚙合表面，例如，在相鄰葉輪的中間接觸和嚙合表面處，密封部件可圍繞嚙合區域提供。例如，密封部件可為布置在葉輪轂上的通孔的內表面上的環形密封件，其中系桿剛好布置在嚙合區域處。
[0019]根據其它實施例，兩個通路中的至少一個可為導管，例如，提供成穿過葉輪的轂或終端元件的轂。
[0020]在一些實施例中，氣體壓縮機包括平衡線來平衡轉子軸承上的葉輪的軸向推力。更具體而言，壓縮機包括沿軸向約束至葉輪且對比于葉輪的軸向推力的平衡鼓。鼓具有面向最后壓縮機級的第一面和面向與第一壓縮機級的入口流體地連接的平衡區的相反的第二面，使得平衡區中的壓力大致等于第一壓縮機級的入口處的壓力。平衡鼓的兩個面上的壓差生成與由通過壓縮機處理的氣體在葉輪上生成的軸向推力相反的軸向推力。壓縮機包括將最后級的出口與關聯于平衡鼓的平衡區流體地連接的路線(pathway，通路)。在一些實施例中，至少提供了流體地連接流動通道和平衡區的通路。在該構造中，形成在葉輪與系桿之間的流動通道可用作〃平衡線〃。因此，不需要外部平衡線。
[0021]根據一些實施例，流體地連接流動通道和平衡區的通路提供成穿過平衡鼓。
[0022]根據另一方面，本公開內容涉及一種用于操作多級壓縮機的方法，該壓縮機包括具有由系桿保持在一起的多個軸向堆疊式葉輪的壓縮機轉子，以及沿著系桿的至少一部分延伸的流動通道。該方法包括通過使例如從氣體壓縮路徑汲取的壓縮熱氣體沿著流動通道流過葉輪且沿著系桿流動來加熱系桿的步驟。壓縮的熱氣體從壓縮機的下游級流至上游級。
[0023]在一些示例性實施例中，該方法提供了借助于從最后葉輪的出口流動至第一葉輪的入口的壓縮氣流來加熱系桿。
[0024]特征和實施例在這里的下文中公開并且在所附權利要求中進一步闡述，這些權利要求形成了本描述的組成部分。以上簡要描述提出了本公開內容的各種實施例的特征，以便隨后的詳細描述可得到更好地理解并且以便對本領域的當前貢獻可更好地認識到。當然，還存在下文將描述并且將在所附權利要求中闡述的本發明的其它特征。在此方面，在詳細地闡釋本發明的若干實施例之前，將理解的是本發明的各種實施例在其應用方面不限于構成的細節和在以下描述中闡述或附圖中示出的構件的布置。本發明能夠