专利名称：具有控制系统的压缩机单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压缩机单元，用于以可变出口流量将加压的气体介质输送到具有可变负载要求的消耗装置。
特别地，本发明涉及一种技术，用于控制上述类型的压缩机单元的输出，上述类型的压缩机单元包括一个或多个压缩机转子，以及用于提供该压缩机转子或多个转子的连续高速和确定的输出流量的控制系统。这种技术的目的是对于消耗装置的负载要求的快速变化保持敏感，而不会将过多的压力介质倾泄或排到大气中。负载要求可以在几分之一秒内广泛地改变。
例如，如果以降低的速度间歇地操作，涡轮压缩机的典型特点是它们相对较慢的加速度和压力增加。这意味着在这种类型的压缩机速度调整中不能以很好的方式控制输出流量以及对快速的负载要求增加保持适当的敏感。解决这个问题的一种方式可能是使用一定容量的压力介质贮存器，用于在该压缩机转子或多个转子的加速顺序期间保持压力介质的输送量。如果不存在足够大的贮存器的可用空间，解决敏感度问题的另一种方式是以具有高输出流量的高速度连续地操作该压缩机转子或多个转子。这种技术在现有技术的系统和装置中是公知的，一方面能够对于具体的速度水平优化该压缩机转子或多个转子的设计，并提供很高的效率。另一方面按照部分负载要求必须将过多的压力介质倾泄或排到大气中，这意味着高功耗损失以及，因此，压缩机单元的整体效率较低。
在美国专利No.4,809,497中已经公开了由这种类型的涡轮压缩机单元驱动的燃气轮机。为了具有较好的敏感性以快速地输送全部的输出流量，该压缩机被全速连续地操作，并通过打开旁路线将过多的流量倾泄到大气中满足消耗装置的负载要求的下降。提供这种流动倾泄装置用于防止冲击和随之发生的压缩机的损害危险。然而，在以最大能量方式操作燃气轮机的同时，经过旁路线倾泄过多的空气到大气中，意味着能量的不必要的损失和压缩机单元的较差的效率。
在美国专利No.5,117,625中已经公开了由涡轮压缩机驱动的燃气轮机，该涡轮压缩机用于在需要时通过预期的放气线输送压缩空气。然而，当燃气轮机被机械地连接到发电机、液压泵等形式的另一个负载，并且在负载仅需要较小的能量以及同时仅需要小的压缩空气的情况下，压缩机的一大部分输出量通过放气线作为废流被倾泄到大气中。这意味着相当大的能量损失和较差的压缩机效率。
在WO 01/27452中公开了一种连接到负载的燃气涡轮发动机，其包括被部分地供给来自该轮机的再循环的排气的涡轮压缩机。当增加能量要求时，向压缩机提供增加数量的新鲜空气，该压缩机具有多个出口活栓用于按照负载变化的能量要求逐步将废气排放到大气中。为了减少能量损失提供一个辅助轮机，其由来自压缩机高压区域中的活栓的废气驱动，并用于驱动新鲜空气压缩机用于仅在高负载要求时将新鲜空气送入压缩机。这种废气回收装置只用在高负载要求时，因为在低负载要求时轮机燃烧只需要很少的新鲜空气。这意味着在低能量要求时，大部分废气从压缩机排到大气中，而没有任何的能量回收。
本发明的主要目的是提供一种用于输送加压的气体介质的压缩机单元，其对于负载要求的快速变化具有高度的敏感性，其中该压缩机转子或多个转子以高速和高出口流量被连续地操作，其中该压缩机转子或多个转子的废流出口在降低的负载要求时被用于能量回收。
本发明的另一个目的是提供一种用于输送加压的气体介质的压缩机单元，其具有可变的出口流量，当连续地高速操作该压缩机转子或多个转子由此输送高输出流量时，其中对于部分负载要求的该压缩机转子或多个转子的废输出流量被用于驱动一个或多个能量回收涡轮机，能量回收涡轮机械地连接在该压缩机转子或多个转子的动力传动系统上用于将机械能量返回到压缩机动力传动系统。
本发明的其它目的和优点将在下面的说明和权利要求中显而易见。
下面将参照附图详细说明本发明的优选实施方式。
在附图中
图1示出了按照本发明一个基本具体实施方式
的压缩机单元的示意性图示；图2示意性地给出了按照本发明另一个具体实施方式
的两级压缩机单元。
图1中示意性给出的压缩机单元，其包括驱动马达M，和经过动力传动系统N连接到马达M的压缩机转子K。动力传动系统N适当地包括在一个或多个共轴部分中的转动轴。压缩机转子K被配置成将被提供大气压力P1的空气并输送压力为P2的压缩空气。压缩机转子K被配置成需要由马达M以恒定的速度驱动并输送恒定流量的压缩空气。相对于转子K的特征来选择该恒定的速度水平，以便在其最佳的条件下执行后面的操作。
压缩机单元用于连接到具有负载要求的压缩空气消耗装置(未显示)，负载要求能够在压缩机转子K的零和全部输出流量之间迅速地改变。当消耗装置不需要压缩机转子的全容量输出流量时，超出部分的流量经过气门V被转到废流回路。废流回路包括机械地连接到动力传动系统N并由废流驱动的能量回收涡轮机TR。实际的废流量使能量回收涡轮机TR将能量反馈到动力传动系统N和驱动马达M，由此回收能量不必即刻地跟上消耗装置的实际的负载要求。因此，供给马达M的能量能被降低到一定水平，在该水平压缩机转子K刚好保持在其预先确定的最佳的速度水平。
废流气门V由压缩机转子K的输出端的压力适当地控制，以便连续精确地将消耗装置不需要的流量转移至能量回收涡轮机。能量控制单元PCU被连接到废流控制气门V和驱动马达M，并用于连续地适应马达M的能量以使压缩机转子K保持在预先确定的最佳的速度水平。
驱动马达M可以是任何类型的，电动同步马达、燃气轮机等。
图2中举例给出的压缩机单元包括两个经过中间冷却器12串连排列的压缩机转子10、11，以形成两级压缩机。压缩机单元具有大气空气的空气入口13和用于经过空气冷却器15将压缩空气输送至消耗装置(未显示)的压缩空气出口14。消耗装置可以是具有在低和高负载要求之间快速改变的可变负载要求的一种类型。
压缩机转子10、11连接到由转动轴形成的两个分开的动力传动系统17、18，该转动轴由包括两个转子20、21的燃气轮机19驱动，每个转子20、21连接到动力传动系统17、18中的一个。在一些应用中，涡轮转子20、21和两个动力传动系统17、18可以相反的方向转动，用于获得轮机19的较佳的效率。动力传动系统17、18机械地连接到两个能量回收涡轮机22、23，能量回收涡轮机22、23按照压缩空气消耗装置的部分负载要求由压缩机的过量废空气提供能量。
使用两个分开的动力传动系统的原因是可以为两个连续的压缩机转子10、11提供不同的最佳速度水平。
废空气流回路经过气门25连接到压缩机10、11的压缩空气出口端14，并且该废空气流回路包括连接到两个能量回收涡轮机22、23的支路。气门25也被配置用于控制送入连接到燃气轮机19的燃烧装置27的气体。输送到燃烧装置27的空气流取决于实际的负载要求。输送到能量回收涡轮机22、23的空气流量是消耗装置和燃烧装置27暂时都不需要的过量的废空气量。在低负载要求时，将存在大量的被输送到能量回收涡轮机22、23的废流，因此大量的能量反馈到动力传动系统17、18。仍然存在一定的直接进入燃烧装置27的空气流，用于为轮机19提供能量，并使转子速度保持在预先确定的水平。
燃烧装置27使用来自燃料供应单元28的燃料和经过气门25来自压缩机10、11的压缩空气出口端14的空气。空气经过由轮机19的排气加热的回流换热器29被供应到燃烧装置27。燃料供应单元28还包括用于启动燃烧装置27的点火设备。
连接到初级压缩机转子20的动力传动系统17也连接到用于轮机启动的马达30。马达30由蓄电池31或通过主连接提供能量。
为了在不同的流量下获得能量回收涡轮机22、23的较佳的操作，这些涡轮机最好具有可调整的导向叶片32、33。此外，流到能量回收涡轮机22、23的各个废流量由废流回路中两个分开的气门34、35控制。也可以适当地为燃气轮机19的第一级20提供可调整的导向叶片(未显示)，以对应不同的负载要求优化轮机操作。对应类似于转子速度、实际压力水平P1、P2、P3、P4、P5和温度T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9等多个参数，调整导向叶片32、33和气门25、34、35。图2中没有详细给出这些参数的传感器。
为了完成压缩机单元的适当的操作控制，提供一种控制系统36。为了清楚起见，象征性地给出了控制系统36而没有给出连接系统不同部分的一些导线。控制系统36本身不构成本发明的任何部分，在此不再进一步详细说明。
根据压缩空气消耗装置的特征，能够以不同的方式操作上述的压缩机单元。消耗装置应当是对于全部流量要求非常短的注意敏感性的类型，压缩机在所有时间内应当被全速操作，并经过废流通过能量回收涡轮机22、23回收过多的能量。在低负载要求时，废空气流是很大的，反馈到动力传动系统15、16和马达，即，燃气轮机的能量很高，网络消耗能量很低。负载要求应当快速地增加到压缩机的全部流量，全速转动的燃气轮机能够立刻输送全部的输出流量。
压缩空气消耗装置应当在特定延迟时间要求全部的流量，可能应用较低程度的压缩机单元的敏感度。这意味着燃气轮机19和压缩机转子10、11能够按照部分负载或无负载要求以稍稍降低的速度被操作，例如在全速的80-90％。用于从压缩机获得全部的输出流量的延迟将非常的短，但是将进一步减少供应燃气轮机的所需能量。此外，部分负载时的废流将被回收并被能量回收涡轮机22、23转换成机械能量。
权利要求
1.一种压缩机单元，以可变的出口流量将加压气体介质输送到具有可变负载要求的消耗装置，该压缩机单元包括一个或多个转子(K；10、11)，用于形成一个或多个压缩机级并被配置用于连续地高速操作由此输送确定的输出流量，以及驱动马达(M；19)和机械地将所述压缩机转子或多个转子(K；10、11)连接至所述驱动马达(M；19)的动力传动系统组件(N；17、18)，其特征在于所述废流回路被连接到所述的一个或多个压缩机级的出口端(14)，并被配置成用于接收没有被实际负载要求覆盖的至少一部分所述的确定的出口流量，所述废流回路包括至少一个机械地连接到所述动力传动系统组件(N；17、18)的能量回收涡轮机(TR；22、23)，并且至少一个气门(V；25、34、35)被配置成响应实际的负载要求来控制通过所述的废流回路的废流，其中所述的至少一个能量回收涡轮机(TR；22、23)由所述的废流提供动力，并被配置成在负载要求小于所述的确定输出流量时将能量反馈至所述的动力传动系统组件(N；17、18)。
2.如权利要求1所述的压缩机单元，其中设置有一种控制单元(PCU；36)用于响应实际的负载要求以及控制供给驱动马达(M；19)的能量来控制所述的一个或多个气门(V；25、34、35)的操作，由此根据可变的负载要求将所述的一个或多个压缩机转子(K；10、11)的转速保持在高的水平。
3.如权利要求1或2所述的压缩机单元，其中所述的一个或多个压缩机转子(K；10、11)包括两个分开的压缩机转子(10、11)，所述的动力传动系统组件(N；17、18)包括两个分开的动力传动系统部分(17、18)，每一个所述的压缩机转子(10、11)机械地连接到一个所述的动力传动系统部分(17、18)，所述的驱动马达(19)包括具有两个轮机转子(20、21)的燃气轮机(19)，每个轮机转子(20、21)机械地连接到一个所述的动力传动系统部分(17、18)，所述至少一个能量回收涡轮机(22、23)包括两个能量回收涡轮机(22、23)，每一个都机械地连接到一个所述的动力传动系统部分(17、18)，所述的废流回路被分支到所述的两个能量回收涡轮机(22、23)，所述的一个或多个气门(25、34、35)被配置成用于控制通过所述的两个能量回收涡轮机(22、23)的所述废流。
4.如权利要求3所述的压缩机单元，其中所述的两个压缩机转子(10、11)被串连连接以形成第一压缩机级和第二压缩机级，所述的废流回路被连接到该第二压缩机级的输出端(14)。
5.如权利要求3所述的压缩机单元，其中所述的两个动力传动系统部分(17、18)是反向旋转的。
全文摘要
一种压缩机单元，用于以可变的出口流量将加压气体介质输送到具有可变负载要求的消耗装置，该压缩机单元包括一个或多个转子(K；10、11)，用于形成一个或多个压缩机级并被配置用于连续地高速操作由此输送确定的出口流量，以及驱动马达(M；19)和机械地将该压缩机转子或多个转子(K；10、11)连接至该驱动马达(M；19)的动力传动系统组件(N；17、18)，和连接到该压缩机级出口端的废流回路，废流回路合并了至少一个机械地连接到该动力传动系统组件(N；17、18)的能量回收涡轮机(T
文档编号F04D17/00GK1617981SQ02827884
公开日2005年5月18日 申请日期2002年12月6日 优先权日2001年12月14日
发明者R·A·雅各布松 申请人:阿特拉斯科普科工具公司