专利名称：用于压缩机转子的平衡鼓配置的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题的实施例大体而言涉及用于平衡压缩机转子的方法和系统，且更特定而言涉及用于平衡压缩机转子的机构和技术。
背景技术：
压缩机是一种通过使用机械能而增加例如气体的可压缩流体的压力的机器。压缩机用于多种不同应用，包括作为燃气涡轮发动机的最初级来操作。而燃气涡轮本身用于大量工业过程中，包括发电、天然气液化和其它过程。在用于这些过程和过程设施中的各种类型的压缩机中存在所谓的离心压缩机，其中，机械能利用离心加速对输入到压缩机内的气体进行操作，离心加速例如通过旋转气体所经过的离心叶轮或转子而使气体粒子加速。离心压缩机可装有单个叶轮或级(即，单级离心配置)或者装有串联的多个级，在此情况下，它们通常被称作多级压缩机。而多级压缩机的具体子系列包括多部段的多级压缩机(multi-section multistage compressor)，其被配置成使得全部压缩机流量从压缩机提取，冷却且然后重新注入到压缩机内。在很多时候，在多级压缩机的此子系列中的部段数量限于两个，这些部段可排列成一排或对置式配置(back-to-back configuration)，取决于第二部段的叶轮相对于第一部段中的叶轮的相对方位。离心压缩机的级中的每一个通常包括用于待压缩气体的入口管道；叶轮或轮， 其能向输入气体提供动能；以及，引出系统，其被称作定子，其将离开转子的气体动能转换成压力能。可使用多定子构件配置，最常用的是无静叶扩散器、带静叶的扩散器返回通道、 排放涡壳或充压室或这些配置的组合。个别叶轮和其相关联定子构件的组合通常被称作级。多级离心压缩机在转子上经受轴向推力，其由级上的压差和从水平方向转到竖直方向的气体动量变化造成。此轴向推力通常由平衡活塞和轴向推力轴承补偿。由于轴向推力轴承不能承载整个转子推力，因此平衡活塞被设计成补偿大部分推力，使轴承处置任何其余残留推力。平衡活塞通常被实施为旋转盘或鼓，其装到压缩机轴杆上，使得平衡盘或鼓的每一侧在操作期间经受不同压力。选择平衡活塞的直径具有所需轴向荷载以避免其残留荷载使轴向轴承过载。常规油润滑的轴承通常被设计成耐受在异常(例如，冲击)条件下发生的最大残余轴向推力大约四倍的轴向推力。但是，当在压缩机操作期间气体条件改变或者当压缩机不操作但被加压时，由单个平衡活塞提供的补偿可能不足以避免轴承过载。所有多级压缩机通常装有与压缩部段一样多的平衡鼓以便能在暂态条件(有时被称作“暂态停留压力(transient settle out pressure) ”)下平衡，在暂态条件下，压力在压缩机的一个部段上恒定和/或均勻但在部段之间可不同。因此，例如在对置式离心压缩机中，第二平衡活塞通常设于压缩机的对置式部段之间用于额外地补偿沿着两个压缩机部段共用的转子的轴向推力。但是，提供第二平衡活塞具有以下缺点其总体上增加了压缩机的轴向长度，这是不利的，因为压缩机总体更大的轴向长度可使得装置不太安全和/或减少可集合为单个装置的压缩机级的数量。因此，需要设计和提供用于这种压缩机中动态推力平衡的方法和系统，其克服了现有平衡系统的前述缺陷。
发明内容
根据示范性实施例，一种对置式压缩机包括外壳；转子；第一压缩机部段，其具有第一入口管(first inlet duct)、第一出口管(first outlet duct)、至少一个第一叶轮以及第一平衡鼓(balance drum)，第一入口管被配置成将过程气体(process gas)引导至第一压缩机部段内，第一出口管被配置成将加压的过程气体从第一压缩机部段引导出来， 至少一个第一叶轮在第一入口管与第一出口管之间连接到转子，第一平衡鼓连接到转子且至少部分地安置在第一入口管和转子之间；以及，第二压缩机部段，其具有第二入口管、第二出口管、至少一个第二叶轮以及第二平衡鼓，第二入口管被配置成将过程气体引导至第二压缩机部段内，第二出口管被配置成将加压的过程气体从第二压缩机部段引导出来，至少一个第二叶轮在第二入口管与第二出口管之间连接到转子，第二平衡鼓连接到转子且至少部分地安置在第一压缩机部段与第二压缩机部段之间，其中，所述第一入口管的第一容积(volume)大于所述第二入口管的第二容积。根据另一示范性实施例，一种制造对置式压缩机的方法包括以下步骤制造第一压缩机部段，其具有第一入口管和第一出口管，其中第一入口管被配置成将过程气体引导至第一压缩机部段内，第一出口管被配置成将加压的过程气体从第一压缩机部段引导出来；在第一入口管与第一出口管之间将至少一个第一叶轮连接到转子；将第一平衡鼓连接到转子，至少部分地安置在第一入口管与转子之间；制作第二压缩机部段，其具有第二入口管和第二出口管，第二入口管被配置成将过程气体引导至第二压缩机部段内，第二出口管被配置成将加压的过程气体从第二压缩机部段引导出来，其中，所述第一入口管的第一容积大于所述第二入口管的第二容积；在第二入口管与第二出口管之间将至少一个第二叶轮连接到转子；以及，在第一压缩机部段与第二压缩机部段之间将第二平衡鼓连接到转子。根据又一示范性实施例，一种旋转机器包括外壳，其被配置成包含旋转机器的元件；转子，其被配置成使旋转机器的元件中的至少一些元件旋转；入口管，其被配置成引导过程气体到旋转机器内；出口管，其被配置成将加压的过程气体从第一部段引导出来；至少一个叶轮，其在入口管与出口管之间连接到转子且被配置成使过程气体加压；以及，平衡鼓，其连接到转子，至少部分地安置在入口管与转子之间且被配置成平衡轴向推力。
附图合并于本说明书中并构成说明书的部分，附图示出一个或多个实施例且与描述一起解释这些实施例。在附图中图1是压缩机的示意图；图2描绘了与压缩机相关联的轴向推力；图3是常规对置式压缩机的局部剖视图；图4是根据示范性实施例具有重新安置的平衡鼓的对置式压缩机的局部剖视图；图5示出根据示范性实施例的平衡鼓的重新安置和第一入口管的调适，平衡鼓安置在第一入口管下方；图6示出根据示范性实施例可使用的栓接转子配置；图7描绘了根据示范性实施例在使用栓接转子配置的压缩机中的重新安置的平衡鼓；图8是示出根据示范性实施例用于制造压缩机的流程图；图9(a)描绘了常规联机压缩机(inline compressor)的级；以及图9 (b)描绘了根据示范性实施例的联机压缩机的级。
具体实施例方式下文的示范性实施例的描述参考了附图。在不同附图中相同的附图标记表示相同或相似元件。下文的详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由权利要求限定。为了简单起见，关于多级离心压缩机的术语和结构讨论了下面的实施例。但是，接着要讨论的实施例并不限于这种压缩机，而是可应用于其它类型的压缩机、涡轮、泵等。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合一实施例所描述的特定特点、结构，或特征包括于所公开的本主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必都指同一实施例。另外， 特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。为了提供关于根据这些示范性实施例的推力平衡系统的随后讨论的一些情形，图 1示意性地示出多级离心压缩机10。其中，压缩机10包括盒或外壳(定子)12，其内安装旋转压缩机轴杆14，旋转压缩机轴杆14具备多个离心叶轮16。转子组件18包括轴杆14和叶轮16且通过轴承20在径向和轴向支承，轴承20安置在转子组件18的任一侧上。多级离心压缩机操作以便从入口管22取得输入过程气体，通过转子组件18的操作增加过程气体的压力，且随后以高于其输入压力的输出压力通过出口管M排出过程气体。过程气体可(例如)为下列中任一种二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气或其组合。在转子16与轴承20之间设有密封系统沈以防止过程气体流到轴承20。 外壳12被配置成覆盖轴承20和密封系统26，以防止气体从离心压缩机10逸出。轴承20 可实施为油润滑轴承或主动磁性轴承。如果主动磁轴承用作轴承20，那么可省略密封机构 26。离心压缩机10还包括前述平衡活塞(鼓)28以及其相对应的迷宫密封30。平衡管路32维持平衡鼓外侧上的平衡腔室34中的压力在与经由入口管22进入的过程气体相同的压力(或基本上相同)。描述图1所示的各种元件的相互作用也是适用的，因为它们涉及通过讨论图2中一般在离心压缩机中的轴向荷载。其中，在概念上示出与离心压缩机10的操作相关联的各种轴向荷载力。如图2所示，叶轮16将轴向荷载(力)在压缩机10的内侧(低压)方向上置于轴承20上，这归因于(例如)在级之间的差异、气体动量中的变化等。尽管在图 2中未示出，但使压缩机轴杆18旋转的马达将(基本上恒定的)轴向荷载置于相反方向， 即朝向离心压缩机10的外侧(高压)。为了抵消叶轮16的其余轴向荷载，平衡鼓观被设计为在外侧方向上施加轴向力，其量值是基于叶轮的预期轴向载荷减去马达的预期轴向载荷。这(例如)通过以下方法来实现设计该系统使得在平衡鼓观内侧上的过程气体的压力PU大于在平衡鼓观外侧上的压力Pe，且选择适当大小(直径)的平衡鼓以生成所需平衡力。通过在平衡腔室34和与入口管22相关联的主要吸入管路之间提供平衡管路32使得平衡腔室中的压力与叶轮16内侧上的压力基本上相同而发展并维持压力不平衡。上文所示和讨论的配置涉及所谓的“直通”压缩机配置，其中过程气体或工作气体经由在外壳12 —端的入口管22进入且经由在外壳12的另一端的出口管M出来。但是，如在背景部分中所提及的那样，有时采用的另一压缩机配置是所谓的“对置式”压缩机配置， 其中，两个基本上独立的压缩机共用单个转子18，其实例在图3中示出。其中，外壳34的上半部被剖视以展现对置式压缩机33的内部工件，包括具有入口管38和靠近压缩机中部的出口管40的第一压缩机部段36。在第一部段中在入口管38与出口管40之间是三个叶轮级42、44和46，其如上文所述操作以使工作气体加压。同样，第二压缩机部段48具有入口管50和出口管52和与之相关联的三个叶轮级M、46和58，出口管52也靠近压缩机33的中部。通常，入口管50连接到第一部段36的出口管40，在流动被冷却后，气体的压缩过程然后继续直到第二部段的出口管52。与直通的单部段压缩机10不同，对置式压缩机33具有两个相同(或基本上相同) 直径的平衡活塞或鼓以提供平衡的转子62。这至少部分地是因为以下现实两个压缩机部段36和48将具有与它们相关联的不同压力，特别是当压缩机33在停止或备用模式时。第一平衡活塞或鼓64安置在第二压缩机部段的入口管50下方，而第二平衡活塞或鼓66放置于压缩机33中部在第一压缩机部段36与第二压缩机部段48之间。在操作中，平衡鼓64 将在其面之一上经历第二部段48的吸入压力，而平衡鼓64的另一面将经历第一部段36的吸入压力，这归因于此面通过被称作平衡管路的外部导管到第一部段入口 38的连接。第一平衡鼓64和第二平衡鼓66都随转子62旋转。如在背景部分中所提及的那样，这样在对置式配置中添加第二平衡活塞或鼓增加了压缩机33的轴向长度，这通常是不合需要的。第一平衡活塞64也有助于增加压缩机33的轴向长度。举例而言，如果指定与叶轮58与60之间的距离相关联的跨距的轴向长度为Li，那么在叶轮60与第一平衡活塞64 之间的典型距离L2通常为Ll的大约1. 5倍至2倍。因此，将需要考虑一种新配置，其中减小了与平衡活塞或平衡鼓64相关联的轴向长度量。根据示范性实施例，这可(例如)通过移动第一平衡活塞或鼓64从其靠近第二入口管50的典型位置(如在图3中所示)到靠近第一入口管38的新位置(如图4所示)来实现。在图4中，示出根据示范性实施例的对置式压缩机80，其中相同的附图标记用于描述如上文关于图3所述的相同或相似元件。但是，将看出第一平衡鼓82现存在于第一入口管 38下方(且从第二入口管50下方移除)，使得第一平衡鼓82现安置在第一入口管38与转子62之间。第一入口管38与第二入口管50的区别在于第一入口管38具有比第二入口管 50更大的容积。此外，使转子62旋转的马达(未图示)通常位于旋转机器80的第二部段 48的侧部上。第二平衡鼓66仍安置在第一压缩机部段与第二压缩机部段之间。第二平衡鼓的这种重新定位减小了转子62的总轴向长度。举例而言，通过将第二平衡鼓从图3所示的位置移动到图4所示的位置，估计可节省第二平衡鼓的轴向长度的大约2/3。作为单纯说明性实例，此相当于具有1515mm轴向长度的转子62上大约40mm(对于采用60mm轴向长度的平衡鼓而言)，这改进了压缩机的安全性，且减小了压缩机的总轴向大小或者使得其它元件能使用轴向空间。
如在图5中看出的那样，在图4的示范性实施例与图3的平衡鼓配置之间的另一差别在于平衡鼓82的外侧将经由平衡管路90连接到第二入口管50的吸入(压力) (suction (pressure))，而平衡鼓64的外侧连接到第一入口管38的吸入(压力)。这意味着，根据示范性实施例，安置在转子62的相对端上的干气密封(dry gas sealsUe将以第二入口管50的吸入压力操作，而不是如常规布置中以第一入口管38的吸入压力操作。由于干气密封以第二入口管50的更高的压力操作，此特点可为有利的(例如在具有以大气或更低压力(即，在第一入口 38)操作的第一压缩机部段)，或者可为不利的(在以第二部段 48的吸入口 50的很高压力操作的情况下)。在图5中还示出从靠近第二入口管的空间移除第一平衡鼓(如由图中的“X”所示)和轴向空间利用中相对应的减小(如由图中的箭头所示)，且还可进一步看出压缩机的第一部段的入口管92被成形或配置成允许平衡鼓82置于压缩机的此侧上。如在上文中关于图4和图5的示范性实施例所示的那样，一些对置式离心压缩机采用整体式(即，单件)转子(unitary rotors) 0但是，根据另一示范性实施例，如压缩机这样的机器的转子可包括多个部分，其实例在图6中示出。其中，实心的第一转子部分160 被配置成附连到第一叶轮144上。在实心第一转子部分160与第一叶轮144之间的界面 162可包括用于实现实心第一转子部分160与叶轮144之间连接的各种元件。举例而言， 如图6所示，界面162可包括附连到实心第一转子部分160的凸缘164和附连到第一叶轮 144的凸缘166。凸缘164和166被配置成彼此附连。根据示范性实施例，凸缘164和166 具有一个或多个孔168和170，其中设有一个或多个螺栓172。螺栓172可具有螺纹区域， 其螺纹接合到凸缘166的孔170内的相对应的螺纹区域。可(例如)通过钻出具有较大直径的孔168的第一部分而由孔168容纳螺栓172的端部174。或者，螺栓172的端部174可留在凸缘164外部。当采用这种带栓接凸缘配置的所谓堆叠转子时，平衡鼓200之一也可安装于第一入口管202附近，以关于图4和图5所述和图7所示的方式。其中，可看出连接凸缘204安置在平衡鼓200与第一入口管202之间。根据示范性实施例，凸缘164、166、202之一可被配置(例如，直径的尺寸与平衡鼓66的直径相同或基本上相同)成作为安置在第一入口管 38、92下方的平衡鼓操作。此外，示范性实施例还包括制造对置式压缩机的方法，如在图8中的流程图中所示。其中，制造这种对置式压缩机的方法包括以下步骤制作(步骤800)第一压缩机部段， 其具有被配置成引导过程气体到第一压缩机部段内的第一入口管和被配置成引导加压的过程气体从第一压缩机部段出来的第一出口管；在第一入口管与第一出口管之间将至少一个第一叶轮连接(步骤80 到转子；将第一平衡鼓连接到(步骤804)转子，至少部分地安置在第一入口管与所述转子之间。制作(步骤806)第二压缩机部段，其包括被配置成引导过程气体到所述第二压缩机部段内的第二入口管和被配置成将加压的过程气体从第二压缩机部段引导出来的第二出口管，其中，第一入口管的第一吸入压力高于第二入口管的第二吸入压力。在第二入口管与第二出口管之间将至少一个第二叶轮连接(步骤808)到转子。将第二平衡鼓连接(步骤810)到转子且安置在第一压缩机部段与第二压缩机部段之间。本领域技术人员应了解图8所示的步骤无需以它们所列出或描述的次序来执行。所公开的示范性实施例提供用于平衡与(例如)对置式压缩机相关联的转子的系统和方法。应了解此描述预期并不限制本发明。相反，示范性实施例预期涵盖包括于所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等效物。举例而言，联机配置也可结合本文所述的相反的平衡鼓方位使用。图9(a)描绘了常规联机压缩机的级，其中，平衡鼓900安置在叶轮904的排放侧上的转子902上。此处，干气密封906具有吸入压力Ps。 对比而言，根据图9(b)所描绘的联机压缩机的示范性实施例，平衡鼓910移动到叶轮904 的入口侧或吸入侧(例如，作为栓接的凸缘布置912的部分)，而不是叶轮的排放侧。在图 9(b)的示范性实施例中，干气密封具有排放压力Pd。特别地，根据图9(b)的示范性实施例的此布置可合乎低压/低温压缩机中的需要。尽管图9(b)示出了仅一个压缩机，但应了解可提供1级至η级，其中η为任何整数。另外，在示范性实施例的详细描述中，陈述了许多具体细节以便提供对要求保护的本发明的综合理解。但是，本领域技术人员将了解可在无这些具体细节的情况下来实践各种实施例。尽管在实施例中以特定组合描述了本发明示范性实施例的特征和元件，但每个特征或元件可在无实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者以与本文所公开的其它特征和元件的各种组合或没有本文所公开的其它特征和元件的各种组合的情况下使用。本书面描述使用所公开的主题的实例来使得本领域技术人员能实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本主题的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。这些其它实例预期在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种多级压缩机，包括 夕卜壳；转子；第一压缩机部段，其包括第一入口管，其被配置成将过程气体弓I导至所述第一压缩机部段内； 第一出口管，其被配置成将加压的过程气体从所述第一压缩机部段引导出来； 至少一个第一叶轮，其在所述第一入口管与所述第一出口管之间连接到所述转子；和第一平衡鼓，其连接到所述转子且至少部分地安置在所述第一入口管与所述转子之间；以及第二压缩机部段，其包括第二入口管，其被配置成将过程气体弓I导至所述第二压缩机部段内； 第二出口管，其被配置成将加压的过程气体从所述第二压缩机部段引导出来； 至少一个第二叶轮，其在所述第二入口管与所述第二出口管之间连接到所述转子；和第二平衡鼓，其连接到所述转子且安置在所述第一压缩机部段与所述第二压缩机部段之间；其中，所述第一入口管的第一容积大于所述第二入口管的第二容积。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述转子是整体式转子。
3.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述转子是包括多个区段的堆叠转子。
4.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，所述多个区段包括栓接在一起的凸缘。
5.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述凸缘之一被配置成作为所述第一平衡鼓操作。
6.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于还包括至少一个轴承，其在所述转子的每一端处用于可旋转地支承所述转子；以及至少一个干气密封，其安置在所述至少一个轴承与所述至少一个第一叶轮和所述至少一个第二叶轮中的相应一个之间。
7.根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，所述至少一个气体密封中的每一个以所述第二吸入压力操作。
8.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述第一入口管适于允许所述第一平衡鼓安置在所述第一入口管与所述转子之间。
9.一种制造压缩机的方法，包括 制作第一压缩机部段，其包括第一入口管，其被配置成将过程气体弓I导至所述第一压缩机部段内； 第一出口管，其被配置成将加压的过程气体从所述第一压缩机部段引导出来； 在所述第一入口管与所述第一出口管之间将至少一个第一叶轮连接到转子；和将第一平衡鼓连接到所述转子，至少部分地安置在所述第一入口管与所述转子之间；以及制作第二压缩机部段，其包括第二入口管，其被配置成将过程气体弓I导至所述第二压缩机部段内；和第二出口管，其被配置成将加压的过程气体从所述第二压缩机部段引导出来，其中，所述第一入口管的第一容积大于所述第二入口管的第二容积；在所述第二入口管与所述第二出口管之间将至少一个第二叶轮连接到所述转子；以及在所述第一压缩机部段与所述第二压缩机部段之间将第二平衡鼓连接到所述转子。
10. 一种旋转机器，包括 外壳，其被配置成包含所述旋转机器的元件； 转子，其被配置成使所述旋转机器的所述元件中的至少一些旋转； 入口管，其被配置成将过程气体引导到所述旋转机器内； 出口管，其被配置成将加压的过程气体从所述第一部段弓丨导出来； 至少一个叶轮，其在所述入口管与所述出口管之间连接到所述转子且被配置成使所述过程气体加压；以及平衡鼓，其连接到所述转子、至少部分地安置在所述入口管与所述转子之间且被配置成平衡轴向推力。
全文摘要
本申请涉及用于压缩机转子的平衡鼓配置。其中，提供用于例如对置式压缩机的旋转机器的方法和系统。第一部段包括第一入口管、至少一个第一叶轮和第一出口管。第二部段包括第二入口管、至少一个第二叶轮和第二出口管。第一部段和第二部段共用共同转子。第一平衡鼓安置在两个部段之间，而第二部段安置在第一入口管与转子之间。在单部段压缩机中，平衡鼓可安置在叶轮的入口侧上，而不是排放侧上。
文档编号F04D29/66GK102242736SQ20111013409
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者D·G·J·盖纳尔 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司