多级压缩机及用于操作多级压缩机的方法
【技术领域】
[0001]文中所公开主题的实施例大体上涉及多级压缩机及其操作方法。更具体而言，本公开内容涉及具有叠层转子构造的多级压缩机。
【背景技术】
[0002]多级压缩机广泛用于工业制冷、油气处理和低温处理以及其它用途。
[0003]在已知类型的众多多级压缩机中，包括由系杆(或连接杆)保持在一起的堆叠式叶轮的多级压缩机是公知的。例如，在US2011/ 0262284中公开了一种包括叠层转子的多级压缩机。
[0004]图1示出了一种当前技术的多级压缩机的轴向截面视图，而图2示出了图1的放大的局部详图。所述压缩机标为100并且包括入口 110A、出口 110B、包括多个堆叠式叶轮112的转子111，以及收纳转子111的静止壳体113。静止壳体包括隔板113A，其中各个叶轮排出其气流以便在使气流回到下一叶轮之前将气流的动能转换成压力恢复。各个叶轮/隔板的组合通常称为〃级〃。隔板113A和转子111收纳在外壳113B中。在压缩机中，限定了从压缩机入口 IlOA延伸至压缩机出口 IlOB并且穿过所述多个叶轮112和隔板113A的气体压缩路径P (由短划线示出)。压缩路径P相对于外壳、隔板和转子使用适合的密封件(例如，干燥气体密封件S)来密封。
[0005]叶轮112由沿着轴向延伸穿过叶轮112的系杆114保持在一起。第一压缩机级包括第一叶轮112A，而最后的压缩机级包括最后的叶轮112B。转子111还包括设在多个叶轮112的两个相反端部处的两个终端元件115A和115B。系杆114的两端约束在终端元件115A-115B 上。
[0006]更具体而言，叶轮112的毂具有通孔116，其中使系杆114穿过该通孔。孔116大小确定为以便在系杆114与叶轮112之间留下空隙117。
[0007]具体参看图2，各个叶轮112均包括两个相反的带齿凸缘118，其与两个对应的相邻叶轮112的对应带齿凸缘啮合，或在叶轮为叶轮叠层中的第一叶轮或最后叶轮的情况下，分别与相邻叶轮112的带齿凸缘和终端元件115A，115B中的一个的带齿凸缘119啮合。
[0008]为了避免气体从压缩路径P泄漏到空隙117，在齿的啮合区域121上提供了密封件120。
[0009]气体压缩机包括用于平衡转子轴承上的叶轮的轴向推力的平衡线122 (由点划线表示)。更具体而言，压缩机包括形成在终端元件115B上的平衡鼓123。平衡鼓123将平衡区124从与最后的压缩机级的出口成流体连通的区分离出。平衡区124与第一叶轮112A的入口流体地连接，使得平衡区124中的压力大致等于第一叶轮112A的入口处的压力。平衡鼓123布置在形成于压缩机外壳中的圆柱形壳体中。迷宫式密封件123A设在壳体与鼓之间，以便允许从最后级朝向平衡区124的校准气流泄漏F。所述平衡区124与面向最后级叶轮112B的平衡鼓的相反面之间的压差生成相对于平衡鼓的轴向推力。平衡鼓123上的轴向推力抗衡由流过压缩机的过程流体在叶轮上生成的轴向推力。平衡线122由管线形成，该管线通常在压缩机的外壳外。
[0010]压缩过程引起流过压缩机的过程气体的温度升高。在启动期间，机械构件通常处于环境温度并且由过程气体加热，直到实现稳定的温度状态。在具有如参照图1和图2所述的叠层转子的压缩机中，叶轮比系杆更快地加热。这导致在启动瞬变阶段期间系杆114与叶轮112之间的高温度梯度。由于这种高温度梯度，生成了高的热应力，这可能会缩短压缩机的寿命或引起故障。
【发明内容】
[0011]为了至少部分地减轻现有技术的一个或多个问题，提供了一种多级压缩机，其中，通过压缩由压缩机处理的流体所形成的热用于加热系杆，该系杆保持压缩机转子的堆叠式叶轮。多级压缩机包括回流路径，沿着该回流路径，一小部分压缩的过程气体从下游位置回流至气体压缩路径的上游位置。回流路径沿着系杆流动，以便由压缩的或部分地压缩的处理气体的压缩所生成的热通过强制对流来传递至系杆。因此，系杆比在当前技术的压缩机中更快地加热。
[0012]根据一些实施例，提供了一种多级压缩机，其包括压缩机转子，该压缩机转子包括多个轴向堆叠式叶轮、延伸穿过堆叠式叶轮且将该叶轮保持在一起的系杆，以及从压缩机入口延伸至压缩机出口且穿过上述多个叶轮的气体压缩路径。该压缩机还包括在系杆与堆叠式叶轮之间的流动通道。该流动通道沿着系杆的至少一部分延伸。流动通道与沿着气体压缩路径的第一位置和第二位置成流体连通。在正常操作状态期间，在所述第一位置处由压缩机所处理的气体的压力不同于在第二位置处的气体的压力。压缩路径中的第一位置与第二位置之间的气体压差生成沿着流动通道的气流。
[0013]在压缩机启动时，由于因压缩引起的气体的温度升高，故从第一位置流至第二位置的气体的温度大体上高于系杆的温度。沿着流动通道流动的气体加热系杆，从而降低了叶轮与系杆之间的温度梯度。
[0014]根据一些实施例，如下文较佳所述，流动通道可用作〃平衡线〃以平衡轴承上的叶轮的推力。
[0015]在一些示例性实施例中，第一位置设在第一压缩机级处，而第二位置设在最后的压缩机级处。以此方式，由于热气流沿着几乎系杆的整个轴向延伸接触该系杆，故最大限度地增大了系杆上的热益处。此外，接触系杆的压缩气体取自最后级，也即，气体温度最高处。
[0016]根据示例性实施例，各个叶轮均包括两个相反的接触表面用于接触另外两个相邻叶轮的表面，或相邻叶轮的表面和多个堆叠式叶轮的一端处的终端元件的表面。如果气体压缩机包括第一通路和第二通路，则所述通路中的至少一个限定在两个相邻叶轮的接触表面之间，或限定在所述终端元件的其中一个的接触表面和相邻叶轮的接触表面之间。该构造简化了压缩机的构成。在一些示例性实施例中，第一通路可形成在第一叶轮的毂的相互接触和啮合的表面与第一终端元件的对应啮合表面之间。第二通路可形成在最后叶轮的毂的相互接触和啮合的表面与第二终端元件的对应的啮合表面之间。
[0017]为了提供在相互堆叠式叶轮与第一和第二终端元件之间的扭力约束，可提供扭力约束部件。在一些实施例中，接触表面设有形成分别啮合的表面的前带齿凸缘。相互共同作用的凸缘的齿形成赫兹(Hirth)联接。代替地可采用其它连接部件，例如，弯曲连接、螺栓或其它已知的机构。
[0018]为了防止气体流过不需要气流的啮合表面，例如，在相邻叶轮的中间接触和啮合表面处，密封部件可围绕啮合区域提供。例如，密封部件可为布置在叶轮毂上的通孔的内表面上的环形密封件，其中系杆刚好布置在啮合区域处。
[0019]根据其它实施例，两个通路中的至少一个可为导管，例如，提供成穿过叶轮的毂或终端元件的毂。
[0020]在一些实施例中，气体压缩机包括平衡线来平衡转子轴承上的叶轮的轴向推力。更具体而言，压缩机包括沿轴向约束至叶轮且对比于叶轮的轴向推力的平衡鼓。鼓具有面向最后压缩机级的第一面和面向与第一压缩机级的入口流体地连接的平衡区的相反的第二面，使得平衡区中的压力大致等于第一压缩机级的入口处的压力。平衡鼓的两个面上的压差生成与由通过压缩机处理的气体在叶轮上生成的轴向推力相反的轴向推力。压缩机包括将最后级的出口与关联于平衡鼓的平衡区流体地连接的路线(pathway，通路)。在一些实施例中，至少提供了流体地连接流动通道和平衡区的通路。在该构造中，形成在叶轮与系杆之间的流动通道可用作〃平衡线〃。因此，不需要外部平衡线。
[0021]根据一些实施例，流体地连接流动通道和平衡区的通路提供成穿过平衡鼓。
[0022]根据另一方面，本公开内容涉及一种用于操作多级压缩机的方法，该压缩机包括具有由系杆保持在一起的多个轴向堆叠式叶轮的压缩机转子，以及沿着系杆的至少一部分延伸的流动通道。该方法包括通过使例如从气体压缩路径汲取的压缩热气体沿着流动通道流过叶轮且沿着系杆流动来加热系杆的步骤。压缩的热气体从压缩机的下游级流至上游级。
[0023]在一些示例性实施例中，该方法提供了借助于从最后叶轮的出口流动至第一叶轮的入口的压缩气流来加热系杆。
[0024]特征和实施例在这里的下文中公开并且在所附权利要求中进一步阐述，这些权利要求形成了本描述的组成部分。以上简要描述提出了本公开内容的各种实施例的特征，以便随后的详细描述可得到更好地理解并且以便对本领域的当前贡献可更好地认识到。当然，还存在下文将描述并且将在所附权利要求中阐述的本发明的其它特征。在此方面，在详细地阐释本发明的若干实施例之前，将理解的是本发明的各种实施例在其应用方面不限于构成的细节和在以下描述中阐述或附图中示出的构件的布置。本发明能够