專利名稱：用于離心壓縮機(jī)的動態(tài)推力平衡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及離心壓縮機(jī)，并且更具體而言涉及在這種壓縮機(jī)中平衡推力。
背景技術(shù)：
壓縮機(jī)是一種通過使用機(jī)械能來增加諸如氣體的可壓縮流體的壓力的機(jī)器。壓縮機(jī)用于許多不同應(yīng)用，包括作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的初始級來操作。而燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)本身用于大量工業(yè)過程中，包括功率生成、天然氣液化和其它過程。在用于 這些過程和過程設(shè)施中的各種類型的壓縮機(jī)中存在所謂的離心壓縮機(jī)，其中，機(jī)械能例如通過使氣體所行進(jìn)通過的離心葉輪或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而經(jīng)由使氣體粒子加速的離心加速作用于到壓縮機(jī)的氣體輸入。離心壓縮機(jī)可裝配有單個轉(zhuǎn)子，即單級構(gòu)型，或者帶有串聯(lián)的多個轉(zhuǎn)子，在這種情況下，壓縮機(jī)常常被稱為多級壓縮機(jī)。離心壓縮機(jī)的每一級通常包括用于待被壓縮的氣體的入口管道、能夠為輸入氣體提供動能的轉(zhuǎn)子以及將離開轉(zhuǎn)子的氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能的出口管。多級離心壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)子上經(jīng)受軸向推力，該軸向推力由跨級的壓差和從水平方向轉(zhuǎn)到豎直方向的氣體動量變化造成。該軸向推力通常由平衡活塞和軸向推力軸承補(bǔ)償。由于軸向推力軸承不能加載整個轉(zhuǎn)子推力，因此平衡活塞被設(shè)計成補(bǔ)償大部分推力，從而使軸承處理任何剩余的殘余推力。平衡活塞通常被實施為旋轉(zhuǎn)盤或鼓，其裝配到壓縮機(jī)軸上，使得平衡盤或鼓的每一側(cè)在操作期間經(jīng)受不同的壓力。平衡活塞的直徑被選擇為具有期望的軸向負(fù)載以避免其殘余負(fù)載使軸向軸承過載。常規(guī)油潤滑軸承通常被設(shè)計成耐受預(yù)期在例如喘振的異常條件期間發(fā)生的最大殘余軸向推力的大約四倍的軸向推力。然而，當(dāng)在壓縮機(jī)操作期間氣體條件變化時，由平衡活塞提供的補(bǔ)償可能不足以避免軸承過載。實際上一些類型的離心壓縮機(jī)比其它更可能經(jīng)歷這樣的氣體條件改變，例如在用于采用并行操作的多級離心壓縮機(jī)的氣體存儲應(yīng)用中，其中在壓縮機(jī)的第一與第二部段之間的與流量系數(shù)差值有關(guān)的軸向推力的差值可能不容易被平衡活塞補(bǔ)償。因此，常規(guī)油潤滑軸承通常被設(shè)計成耐受預(yù)期在例如喘振的異常條件期間發(fā)生的最大殘余軸向推力的大約四倍的軸向推力。另一個最近的發(fā)展涉及用主動磁軸承(AMB)替代常規(guī)油潤滑軸承作為用于壓縮機(jī)軸的軸向(和徑向)可旋轉(zhuǎn)支承件。AMB基于電磁原理運(yùn)轉(zhuǎn)以控制在壓縮機(jī)內(nèi)的軸向和徑向位移。簡而言之，AMB包括由功率放大器驅(qū)動的電磁體，功率放大器根據(jù)指示在裝置內(nèi)部的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的位移的反饋信號來調(diào)節(jié)進(jìn)入電磁體的線圈的電壓(和因此的電流)。AMB具有其不需要油作為潤滑劑的期望屬性，從而減少壓縮機(jī)系統(tǒng)的整體維護(hù)并潛在地消除在葉輪與軸承之間提供密封的需求。然而，AMB還具有不能夠處理與常規(guī)油潤滑軸承一樣多的軸向推力的缺點。因此，期望設(shè)計和提供用于在這種壓縮機(jī)中的動態(tài)推力平衡的方法和系統(tǒng)，其克服了現(xiàn)有平衡系統(tǒng)的上述缺點。

發(fā)明內(nèi)容
示例性實施例涉及用于動態(tài)平衡離心壓縮機(jī)中的軸向負(fù)載以減少在其中所使用的軸承上的殘余軸向負(fù)載的系統(tǒng)和方法。傳感器或探針檢測與作用在軸承上的軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)?；谒鶛z測到的參數(shù)，控制平衡室中的壓力以調(diào)整由平衡鼓所產(chǎn)生的補(bǔ)償?shù)妮S向力。根據(jù)本文所述的示例性實施例的優(yōu)點包括例如在不同操作條件下作用在軸承上的殘余軸向力的減小。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，這樣的優(yōu)點不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的限制，除了其在一個或多個所附權(quán)利要求中明確闡述的程度以外。根據(jù)示例性實施例，離心壓縮機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件，其包括至少一個葉輪；軸承，其連接到轉(zhuǎn)子組件且用于可旋轉(zhuǎn)地支承轉(zhuǎn)子組件；定子；平衡鼓，其設(shè)置在所述至少一個葉輪與所述軸承之間；平衡室，其至少部分地由所述平衡鼓的外側(cè)限定并具有連接到其的平衡管路；傳感器，其用于感測與在所述軸承上的軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；和控制閥，其用于基于感測到的參數(shù)改變平衡室內(nèi)的壓力。根據(jù)另一個示例性實施例，一種用于動態(tài)地平衡作用在離心壓縮機(jī)中的軸承上的 軸向負(fù)載的方法包括以下步驟檢測與軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；以及基于檢測到的參數(shù)控制鄰近壓縮機(jī)內(nèi)的平衡鼓的平衡室內(nèi)的壓力，以動態(tài)平衡作用在軸承上的軸向負(fù)載。


附圖示出示例性實施例，在附圖中
圖I是根據(jù)示例性實施例可設(shè)有動態(tài)平衡機(jī)構(gòu)的多級式離心壓縮機(jī)的示意 圖2示出離心壓縮機(jī)的靜態(tài)軸向負(fù)載平衡；
圖3示出根據(jù)示例性實施例的離心壓縮機(jī)的動態(tài)軸向負(fù)載平衡；以及 圖4是示出根據(jù)示例性實施例的用于動態(tài)負(fù)載平衡的方法的流程圖。
具體實施例方式示例性實施例的以下詳細(xì)描述參考了附圖。不同圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同或類似的元件。另外，下列詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為了給與根據(jù)這些示例性實施例的推力平衡系統(tǒng)有關(guān)的后續(xù)討論提供一定背景，圖I示意性地示出其中可使用這種推力平衡系統(tǒng)的多級離心壓縮機(jī)10。其中，壓縮機(jī)10包括其中安裝有旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)軸14的箱或殼體(定子)12，壓縮機(jī)軸14設(shè)有多個離心葉輪
16。轉(zhuǎn)子組件18包括軸14和葉輪16，并且通過設(shè)置在轉(zhuǎn)子組件18的任一側(cè)上的軸承20徑向地且軸向地支承。多級離心壓縮機(jī)操作以從管道入口 22吸入輸入的工藝氣體，以便通過轉(zhuǎn)子組件18的操作而增加工藝氣體的壓力，并且隨后將工藝氣體在高于其輸入壓力的輸出壓力下通過出口管道24排出。工藝氣體可以例如是二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣中的任一種或它們的組合。在轉(zhuǎn)子16與軸承20之間，設(shè)有密封系統(tǒng)26以防止工藝氣體流到軸承20。殼體12被構(gòu)造成覆蓋軸承20和密封系統(tǒng)26兩者，以防止氣體從離心壓縮機(jī)10逸出。根據(jù)本發(fā)明的不同示例性實施例，軸承20可實施為油潤滑軸承或主動磁軸承。如果使用主動磁軸承作為軸承20,則可省略密封機(jī)構(gòu)26。離心壓縮機(jī)10還包括前述的平衡活塞(鼓)28以及其對應(yīng)的迷宮密封30。平衡管路32將平衡鼓外側(cè)上的平衡室34中的壓力維持在與經(jīng)由入口管道22進(jìn)入的工藝氣體相同(或大致相同)的壓力。然而，根據(jù)以下所述的示例性實施例，該平衡管路32包括控制閥，該控制閥能基于例如在軸承20上或附近感測到的軸向負(fù)載調(diào)節(jié)平衡室34中的壓力，如下面關(guān)于圖3將要描述地。然而，首先通過討論圖2描述圖I中所示的各種元件的相互作用是有用的，因為這些相互作用通常與軸向負(fù)載有關(guān)。在圖中，概念性地示出了與離心壓縮機(jī)10的操作相關(guān)聯(lián)的各種軸向負(fù)載力。如圖2所示，葉輪16將軸向負(fù)載(力)沿壓縮機(jī)10的內(nèi)(低壓)側(cè)方向置于軸承20上，這歸因于例如在級之間的差異、氣體動量的變化等。盡管在圖2中未示出，但使壓縮機(jī)軸18旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)將(大致恒定的)軸向負(fù)載置于對立方向，即朝向離心壓縮機(jī)10的外(高壓)側(cè)。為了抵消葉輪16的剩余軸向負(fù)載，平衡鼓28被設(shè)計成沿外側(cè)方向施加軸向力，該軸向力的量值是基于葉輪的預(yù)期軸向負(fù)載減去馬達(dá)的預(yù)期軸向負(fù)載。這通過例如以下方法來實現(xiàn)設(shè)計該系統(tǒng)使得在平衡鼓28的內(nèi)側(cè)上的工藝氣體的壓力Pu大于在平衡鼓28的外側(cè)上的壓力Pe，并且通過選擇適當(dāng)大小(直徑)的平衡鼓以產(chǎn)生期望的平衡力。通過在平衡室34和與入口管道22相關(guān)聯(lián)的主要吸入管路之間提供平衡管路32 使得平衡室中的壓力與葉輪16的內(nèi)側(cè)上的壓力大致相同而發(fā)展和維持壓力不平衡。理想的是，由平衡鼓28提供的軸向推力補(bǔ)償將大致抵消通過葉輪16置于軸承20上的軸向負(fù)載，或者至少充分抵消這樣的軸向負(fù)載，以使得任何殘余負(fù)載在軸承20的設(shè)計規(guī)格內(nèi)。然而，如以上所述，在這種壓縮機(jī)內(nèi)的操作差異和/或使用AMB作為軸承20可造成殘余負(fù)載超出用于軸向負(fù)載的軸承20的設(shè)計公差。考慮例如下面的表1，該表示出用于示例性的六葉輪離心壓縮機(jī)10的軸向負(fù)載測試的結(jié)果，該離心壓縮機(jī)10具有在17000 rpm下旋轉(zhuǎn)的直徑為231 mm的平衡鼓28。該測試壓縮機(jī)配有作為軸承20的AMB，該AMB標(biāo)稱上用于在+/-9000 N之間的軸向負(fù)載。表I
%流動速率j馬達(dá)軸向負(fù)載[N] j級軸向負(fù)載[N] j鼓軸向負(fù)載[N] j殘余負(fù)載[N]
141~ 11055~4644—49557-14032 —
140~ 11055~6773—51973-13745 —
130~ 11055~03554 —82378-10121 —
120~ 11055~22331 — 104646-6630—
110~ 11055~37399 — 123401-2943—
100~ 11055~49200 — 138755609—
90~ 11055^157029 — 1502144241~
80~ 11055~61512 — 1579717514—
73|ll0551-162875|l61356丨9536從表I可以看出，對于設(shè)計標(biāo)稱流動速率的73%、130%、140%和141%的流動速率來說，殘余軸向負(fù)載，即置于離心壓縮機(jī)的AMB 20上的軸向負(fù)載，超出使用圖2所示配置(SP，具有不受控制的平衡管路32)的軸承的+/-9000 N額定值。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，控制閥40置于平衡管路32上以使得能夠自動控制施加到如圖3所示的平衡鼓28的外側(cè)上的壓力Pe。其中，如圖I和圖2所使用的相同的附圖標(biāo)記表示離心壓縮機(jī)10的相同或類似的部件?？刂崎y40根據(jù)例如由傳感器或探針42測量的軸承20的位移或軸承20上的軸向負(fù)載來調(diào)節(jié)平衡室34內(nèi)的壓力以改變由平衡鼓28所產(chǎn)生的反作用力?？刂崎y40因而控制壓力Pe的值和相應(yīng)地由平衡鼓28提供的補(bǔ)償軸向負(fù)載的量。更具體而言，通過關(guān)閉控制閥40，壓力Pe增加，從而減小由平衡鼓28提供的補(bǔ)償軸向負(fù)載的量。備選地，通過打開控制閥40，壓力Pe降低，從而增加由平衡鼓28提供的軸向負(fù)載的量。當(dāng)控制閥40完全打開時，通過平衡鼓28產(chǎn)生最大量的補(bǔ)償軸向負(fù)載。由于由平衡鼓28提供的負(fù)載量根據(jù)示例性實施例為可控變量，因此可期望將平衡鼓28設(shè)計成使得其最大補(bǔ)償軸向負(fù)載大于由常規(guī)靜態(tài)平衡鼓提供的補(bǔ)償軸向負(fù)載(即，通過為系統(tǒng)提供更大的平衡鼓28)，因為在這些示例性實施例中有可能如期望地通過關(guān)閉控制閥40而減小所提供的補(bǔ)償量。如上所述，基于來自探針或傳感器42的關(guān)于軸承20在給定時間內(nèi)經(jīng)歷的軸向負(fù)載的量的控制信號來控制控制閥40?？赏ㄟ^探針或傳感器42進(jìn)行定期測量并將測量結(jié)果報告返回至連接到控制閥40的控制邏輯44，以根據(jù)需要執(zhí)行任何期望的控制算法來打開和關(guān)閉閥40，從而針對導(dǎo)致軸承20的更多(或更少)殘余負(fù)載的操作變化做出調(diào)整。關(guān)于表2，下文討論在感測到的軸向負(fù)載與用于使用閥40控制氣體壓力的控制邏輯44的操作之間的示例性關(guān)系?？刂七壿?4可作為ASIC、FPGA、計算機(jī)或其它類型的處理器被植入，并且可純粹用硬件、純粹用軟件或用它們的某個組合實施。傳感器或探針42可以是多種不同 類型中的任一種。例如，當(dāng)軸承20為AMB時，諸如線性電勢位移換能器的感應(yīng)傳感器或探針可用來測量由軸向負(fù)載引起的軸承20的位移。備選地，如果軸承20是油潤滑型軸承，則渦流傳感器或探針可以是傳感器或探針42的更合適的實施方式?？墒褂闷渌愋偷膫鞲衅髯鳛樘娲?，例如在軸承內(nèi)的油膜處測量壓力的傳感器或壓電體。根據(jù)一個示例性實施例，控制邏輯44可包括比例積分微分(PID)控制器，該控制器在閉環(huán)中根據(jù)在機(jī)器上測量的推力自動地改變平衡鼓室34中的壓力。例如，對AMB來說，AMB的線圈上的電流表示由系統(tǒng)控制的推力。特別地，當(dāng)AMB的推力軸承線圈中的電流超出給定值(閾值)時，控制邏輯44可經(jīng)由簡單的PID控制器作用于閥40。根據(jù)示例性實施例，控制系統(tǒng)可設(shè)計為具有偏差(滯后值)以避免任何推力閥振蕩。執(zhí)行測試以評估根據(jù)圖3所示的示例性實施例的布置并確定其更好地控制在軸承20上的殘余負(fù)載的能力。該測試使用以上所評估的相同類型的離心壓縮機(jī)10以產(chǎn)生表I中的結(jié)果，即在17000 rpm下運(yùn)行的六葉輪離心壓縮機(jī)，不同的是，平衡鼓28尺寸增加至具有247 _的直徑，以在該動態(tài)平衡配置中提供稍微更大的最大補(bǔ)償軸向負(fù)載能力。測試結(jié)果在下表2中示出。表權(quán)利要求
1.一種離心壓縮機(jī)(10)，包括 轉(zhuǎn)子組件(18)，其包括至少一個葉輪(16)； 軸承(20)，其連接到所述轉(zhuǎn)子組件(18)且用于可旋轉(zhuǎn)地支承所述轉(zhuǎn)子組件(18)； 定子(12)； 平衡鼓(28)，其設(shè)置在所述至少一個葉輪(16)與所述軸承(20)之間； 平衡室(34)，其至少部分地由所述平衡鼓(28)的外側(cè)限定，并且具有連接到所述平衡室(34)的平衡管路(32)； 傳感器(42)，所述傳感器(42)用于感測與所述軸承(20)上的軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；和 控制閥(40)，所述控制閥(40)用于基于所述感測到的參數(shù)而改變所述平衡室(34)內(nèi)的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，還包括 控制邏輯，其構(gòu)造成接收所述傳感器的輸出并構(gòu)造成根據(jù)預(yù)定的功能控制所述控制閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，當(dāng)在所述軸承上的所述軸向負(fù)載超出預(yù)定值時，所述預(yù)定的功能起作用以增加所述平衡室內(nèi)的壓力。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述軸承為主動磁軸承。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述軸承為油潤滑軸承。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述感測到的參數(shù)為所述軸承的位移。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述感測到的參數(shù)為在所述軸承上的軸向負(fù)載。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述傳感器為感應(yīng)傳感器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述傳感器為壓電傳感器。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述傳感器為渦流傳感器。
11.一種用于動態(tài)地平衡作用在離心壓縮機(jī)(10)中的軸承(20)上的軸向負(fù)載的方法，所述方法包括 檢測與所述軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；以及 基于所述檢測到的參數(shù)，控制在所述離心壓縮機(jī)(10)中鄰近平衡鼓(28)的平衡室(34)內(nèi)的壓力，以動態(tài)地平衡作用在所述軸承(20)上的所述軸向負(fù)載。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包括 打開或關(guān)閉控制所述平衡室內(nèi)的所述壓力的連接到平衡管路的閥。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，當(dāng)在所述軸承上的所述軸向負(fù)載超出預(yù)定值時，所述控制步驟起作用以增加所述平衡室內(nèi)的壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項所述的方法，其特征在于，所述軸承為主動磁軸承。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任一項所述的方法，其特征在于，所述軸承為油潤滑軸承。
全文摘要
描述了用于動態(tài)地平衡離心壓縮機(jī)(10)中的軸向負(fù)載以減少在其中使用的軸承(20)上的殘余軸向負(fù)載的系統(tǒng)和方法。傳感器或探針(42)檢測與作用在軸承(20)上的軸向負(fù)載相關(guān)聯(lián)的參數(shù)?；谒鶛z測到的參數(shù)，控制平衡室(34)中的壓力以調(diào)整由平衡鼓(28)產(chǎn)生的補(bǔ)償軸向力。
文檔編號F04D29/051GK102762871SQ201080064545
公開日2012年10月31日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者C.卡納里尼, G.馬里奧蒂 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司