悬臂轴向流动式压缩机、反应器和方法

专利名称：悬臂轴向流动式压缩机、反应器和方法
悬臂轴向流动式压缩机、反应器和方法技术领域
本文所公开的主题的实施例主要涉及方法和系统，并且更具体地涉及用于压缩流 体的机构和技术。
背景技术：
在过去多年以来，对各种化学产品的需求日益增长。这样的一个实例例如有对在 塑料行业、多相管线行业等中使用的聚乙烯和聚丙烯产品的需求。因此，对这些产品的制造 也在增长。用于生产聚乙烯或聚丙烯产品的设备(反应器)中所使用的机械构件之一为离 心式压缩机。
压缩机通常分为正排量压缩机和动力压缩机。正排量压缩机包括往复式和旋转式 的压缩机，这些在文中并不讨论。动力压缩机其中包括离心式压缩机、轴向式压缩机以及混 流式压缩机。
图1中示出了离心式压缩机的实例。图1示出了具有连接到轴14上的叶轮12的 离心式压缩机10。轴14由轴承16和18支承。叶轮12具有轮毂部分20和叶片部分22。 流体在入口 M处沿引入方向A进入压缩机10。流体到达叶轮12，在该处，其动能增加且在 出口沈处沿方向B排放之前其流动方向改变。由于叶轮12并未在轴承16和18之间支承 在轴14上，故该布置称为"悬臂"压缩机，以区别于叶轮支承在轴承之间的"轴承间"设 计。此外，由于通过叶轮12产生的离心力用于使进入压缩机10的流体加速，故图1中所示 的压缩机称为悬臂离心式压缩机。
悬臂离心式压缩机广泛用于化学和石油化工行业。然而，这种压缩机的缺点在于 其对于给定组的工艺参数(例如，流动参数)而言尺寸较大。例如，图2示出了压缩机压头 系数相对于其流动系数的图表。压头系数涉及压缩机的输出压力，且其为无量纲系数。流 动系数涉及穿过压缩机的流体的体积流速。图2示出了为聚乙烯/聚丙烯行业研发的现有 压缩机的压头系数和流动系数在时间上的变化，其中，左侧的点在时间上早于右侧的点。该 图表示出了随着时间的推移，设备操作人员需要较小的压头系数和较大的流动系数。跟随 此趋势，在过去的数十年中，离心式压缩机(尤其是壳体)的重量从平均20吨增加至平均 40吨，同时叶轮的直径从45cm增加至超过90cm。通过增加压缩机的重量和尺寸，相关构件 (即扩散器等)的重量和尺寸也在增加。
离心式压缩机的另一缺陷事实上在于，当流动系数增大超过一定点时，压缩机的 多变效率下降。混流式压缩机已用于解决当流动系数变得太大时离心式压缩机的不足。然 而，这些压缩机在效率和期望的重量方面也达到了其极限，而且目前经历着与离心式压缩 机相同的问题。混流式压缩机类似于离心式压缩机，但流体相对于压缩机的纵向轴线成一 定角度排出。换言之，流出流体的方向处在图1中所示的方向A和B之间，既不是轴向流动 (方向A)，也不是径向流动(方向B)。
图3示出了在给定多变压头要求的情况下(对于混流式压缩机而言)叶轮直径相 对于旋转速度的变化(曲线30)。另外，在给定流动要求的情况下相对于叶轮旋转速度绘出4了流动系数(曲线32)。注意的是，对于直径为41英寸的叶轮(点34)而言对应流动系数 为大约0. 172(点36)，这通常处于混流式叶轮的小于大约0. 25的大致期望的范围内。然 而，当试图将叶轮直径减小至大约27英寸(点38)时，这在尺寸上减小了大约35%，流动系 数上升至0. 4，这超出对于良好效率的期望范围。
图4中示出了轴向式压缩机。轴向式压缩机42具有轴44，多个翼型件46连接到 轴44上。流体进入入口 48，并沿轴向方向C经由多个翼型件46加速，直到流体在出口 50 处排出。然而，由于流体中有杂质颗粒，故会在翼型件46和压缩机42壳体52上形成沉积 物。为了清洁翼型件和壳体，就要移除压缩机的上部(未示出)以便接近待清洁的部分。 沿水平平面这样分开轴向式压缩机的壳体52使该压缩机成为水平分开壳体的轴向式压缩 机。另外，典型的轴向式压缩机具有由轴承支承的轴44的两端54，而翼型件46设置在支承 轴44的轴承之间。
轴向式压缩机实现了比离心式和/或混流式压缩机更好的流动系数和尺寸更小 的叶轮(翼型件)，且因此实现了较小的重量和尺寸。然而，现有的轴向式压缩机的缺陷在 于，轴向式压缩机如果在脏污的过程气体状态(如在聚乙烯/聚丙烯行业中所存在的那样) 下使用则很难维护，因为翼型件变得受到阻塞而打开轴向式压缩机并清洁其构件则变得耗 时和费钱。
因此，期望的是将提供避免前述问题和缺陷的压缩机和方法。 发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种悬臂轴向式压缩机，其包括构造成沿垂直轴线 垂直地分开以便通向壳体内部的壳体，以及可移除式模块(cartridge)。可移除式模块构造 成装配在壳体内且可分离地附接到壳体上，并且包括沿大致垂直于垂直轴线的水平轴线 设置的轴，该轴构造成用以围绕水平轴线旋转；附接到可移除式模块上且构造成用以旋转 地支承轴的第一端的轴承系统；以及朝向轴的第二端设置使得第二端悬置在壳体内的多个 叶片。压缩机还包括构造成用以连接到可移除式模块上的导叶机构，该导叶机构构造成用 以调整流体通向该多个叶片的流动。
根据另一示例性实施例，存在一种用于处理化学物质的化学反应器。该化学反应 器包括在压力下提供化学物质的第一管路；具有连接到第一管路上的入口且构造成用以压 缩化学物质的压缩机；以及连接到压缩机的出口上且构造成用以接收压缩的化学物质的第 二管路。压缩机包括构造成用以沿垂直轴线垂直地分开以便通向壳体内部的壳体，构造成 用以装配在壳体内且可分离地附接到壳体上的可移除式模块，该可移除式模块包括沿大致 垂直于垂直轴线的水平轴线设置的轴，该轴构造成用以围绕水平轴线旋转。压缩机还包括 附接到可移除式模块上且构造成用以旋转地支承轴的第一端的轴承系统，以及朝向轴的第 二端设置使得第二端悬置在壳体内的多个叶片。压缩机还包括构造成用以连接到可移除式 模块上的导叶机构，该导叶机构构造成用以调整流体通向该多个叶片的流动。
根据又一示例性实施例，存在一种用于制造悬臂轴向式压缩机的方法。该方法包 括将可移除式模块插入壳体中，该壳体构造成用以沿垂直轴线垂直地分开以便通向壳体内 部。可移除式模块包括沿大致垂直于垂直轴线的水平轴线设置的轴，该轴构造成用以围绕 水平轴线旋转；附接到可移除式模块上且构造成用以旋转地支承轴的第一端的轴承系统，5以及朝向轴的第二端设置使得第二端悬置在壳体内的多个叶片。该方法还包括将导叶机构 连接到可移除式模块上，该导叶机构构造成用以调整流体通向该多个叶片的流动。


并入说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，且结合描 述一起阐述了这些实施例。在附图中
图1为具有混流式叶轮的常规离心式压缩机的简图2为对于聚乙烯/聚丙烯行业中的压缩机的压头系数随流动系数的变化的图 表；
图3为示出在给定多变压头和流动的情况下压缩机叶轮直径与压缩机叶轮速度 之间的关系的图表；
图4为常规轴向式压缩机的简图5和图6为根据示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的不同视图7为根据示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的截面视图8为根据另一示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的截面视图9和图10为根据又一示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的各种构件的截面视 图11为图9和图10中所示的组装好的悬臂轴向式压缩机的截面视图12为根据示例性实施例的剪切环对接装置(interface)的简图13为包括根据示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的化学反应器的简图；以及
图14为示出用于制造根据示例性实施例的悬臂轴向式压缩机的方法步骤的流程 图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同附图中的相同标号标示相同或相似的 元件。如下详细描述并不限制本发明。代替的是，本发明的范围由所附权利要求限定。为 了简单起见，将关于径向入口和轴向出口的悬臂轴向式压缩机的用语和结构来讨论以下实 施例。然而，接下来将讨论的实施例不限于这些系统，而是可应用于其它系统，例如具有轴 向入口和径向出口的悬臂轴向式压缩机。
整个说明书所引用的"一个实施例"或"实施例"意指结合实施例描述的具体 特征、结构或特点包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，出现在整个说明书中多 个位置的短语〃在一个实施例中〃或〃在实施例中〃不必指的是同一实施例。此外，具体 的特征、结构或特点可采用任何适合的方式结合到一个或多个实施例中。
根据示例性实施例，具有垂直分开的壳体的悬臂轴向式压缩机用于实现对于高流 动系数(大于大约0. 2)和低多变压头应用中所期望的较小的重量和尺寸。
根据图5中所示的示例性实施例，悬臂轴向式压缩机58包括壳体60和可移除式 模块62。壳体60具有内部64，模块62可移除地附接到内部64上。压缩机58还包括连接 到扩散器67上的导叶机构66，而扩散器67连接到压缩机58的出口 68上。压缩机58具有 将流体沿垂直轴线72引导至可移除式模块62的入口 70。流体进入通路(120，图11中所示)，而其方向使用导叶66进行控制。流体然后由紧随导叶之后的旋转叶片(90，图9中所 示)压缩。图6示出了从出口 68沿水平轴线74所示的压缩机58。压缩机58可由支腿76 支承。
图7示出了以其整体从壳体60移除的可移除式模块62。在图7的实施例中，模块 62包括导叶机构66。然而，根据图8中所示的另一示例性实施例，模块62可不包括导叶机 构66。在图8的实施例中，导叶机构66保持连接到扩散器67上，从而使模块62更轻，因为 导叶机构66可重达大约2吨。
根据另一示例性实施例，图9示出了从压缩机58壳体60移除的模块62。模块62 可包括连结到轴92上的一个或多个叶片90，该轴92构造成用以围绕水平轴线74旋转。叶 片90可包括图4中所示的多个翼型件46，而叶片90设置在轴92的第一端94处。叶片90 可为叶盘(blisk)。轴92在第二端96处由轴承系统98支承。因此，图9中所示的轴向式 压缩机为悬臂轴向式压缩机，因为叶片90悬挂在轴92的第一端94处，与轴承系统98分离 开，这不同于叶片设置在轴承系统的轴承之间的常规轴向式压缩机。轴承系统98可包括可 倾瓦轴承100和其它轴承102。模块62可包括干气体密封件104，该干气体密封件104构 造成用以防止在入口 70处进入的流体散逸到大气中。因此，根据该示例性实施例，压缩机 的所有活动部分都包括在模块62中，这使得压缩机的保养过程更为容易。
图10示出了构造成用以收容图9中所示的模块62的壳体60。根据该示例性实 施例，壳体60包括缓冲系统110。缓冲系统110可包括第一缓冲腔112和第二缓冲腔114。 第一缓冲腔112提供在出口 68的中心部分中，与轴92沿径向对准。导管116将第一缓冲 腔112的内部区域118连接到清洁气体供送源(未示出)上，用于在第一缓冲腔112内提 供清洁气体。第一缓冲腔112内的清洁气体的压力控制成高于由叶片90排出的流体的压 力，使得由叶片90压缩的脏流体不会进入第一缓冲腔112。缓冲气体在各个腔中提供较高 的压力，且因此防止过程气体及其颗粒进入和累积在腔或空间内。第二缓冲腔114确保保 持导叶机构不受可干扰其操作的累积。
图11示出了图9中的模块62附接到图10中的压缩机58的壳体60上，以及待压 缩的流体的引入方向72和压缩流体的流出方向74。注意的是，流动流体的通路120大部 分没有腔，这些腔是判断产物累积在压缩机构件上的一个因素。然而，过程气体可渗透到空 间如112和114中的任何位置都利用清洁气体缓冲，以防止累积在这些区域中。因此，通过 在根据一个或多个实施例的新型悬臂轴向式压缩机中使用这些特征，减少或消除了产物积 累。此外，图11中所示的压缩机58提供了通向活动部分的直通道，因为模块62可容易地从 压缩机的壳体60上移除。剪切环对接装置IM将可移除式模块62连接到壳体60上。图 12中更为详细地示出了剪切环对接装置124。图12示出了具有分段式设计的剪切环对接 装置124，也即可利用螺钉128附接到压缩机58壳体60上的多个区段126。以此方式，剪 切环对接装置1 容许简单地移除该可移除式模块62。在一个示例性实施例中，剪切环对 接装置1 是保持可移除式模块62附接到壳体60上的唯一元件(将导叶机构连接到促动 器上的连接杆(未示出)并未认作是保持可移除式模块62附接到壳体60上)。
注意的是，传统的水平分开的轴向式压缩机由于其设计中固有的许多空穴区而难 以维护和保养。关于图5至图12论述的新型悬臂的垂直分开的轴向式压缩机通过减少沿 流动通路的腔而避免了传统轴向式压缩机的这些缺点。另外，根据一个或多个示例性实施例的新型悬臂轴向式压缩机实现了更好的流动通路，且比混流式和离心式压缩机更有可能 改进性能和减小重量。
此外，根据一个或多个示例性实施例的新型悬臂轴向式压缩机提供了用于简化的 反应器管路连接的径向入口 /轴向排出口，因为新型压缩机需要连接到反应器的各种管路 上。此外，模块相对于压缩机壳体的模块化组装消除了对常规压缩机中所存在的管路移除 的需要。
由于该新型悬臂轴向式压缩机可在化学反应器用于在一定压力下提供所需的化 学成分，故各种化合物均可通过压缩机流通，例如，环氧乙烷、乙二醇、天然气、C3分解剂、聚 乙烯、聚丙烯等。在示例性实施例中，一个或多个新型悬臂轴向式压缩机可用于期望的流体 和/或循环气体压缩过程。新型悬臂轴向式压缩机由于其设计而实现了相对较小的压头上 升。然而，化学反应器中的循环气体压缩过程需要较高的输入压力和较低的压力升高的压 缩机。由于输入的高压力，故新型压缩机构造成具有用以处理高入口和出口压力的高压壳 体。
根据图13中所示的示例性实施例，化学反应器130包括将化学物质提供给压缩 机的至少一条第一管路132，该压缩机可为前述实施例中所论述的新型悬臂轴向式压缩机 58。在压缩机58压缩化学物质之后，其将压缩的化学物质输出至第二管路134，该第二管路 134将压缩的化学物质供给至反应罐136。连接对接装置138确保压缩机58与第一和第二 管路132和134之间的紧密连接。
现在关于图14来讨论用于制造悬臂轴向式压缩机58的方法。根据该示例性实施 例，该方法包括将可移除式模块插入壳体中的步骤140，该壳体构造成用以沿垂直轴线垂直 地分开以便通向壳体内部。可移除式模块包括沿大致垂直于垂直轴线的水平轴线设置的 轴，该轴构造成用以围绕水平轴线旋转；附接到可移除式模块上且构造成用以旋转地支承 轴的第一端的轴承系统；以及朝向轴的第二端设置使得第二端悬置在壳体内的多个叶片。 该方法还包括将导叶机构连接到可移除式模块上的步骤142，该导叶机构构造成用以调整 流体通向多个叶片的流动。
可选的是，该方法可包括在可移除式模块插入壳体中时将导叶机构固定到壳体上 的步骤(即，导叶机构可并非是可移除式模块的一部分)，或在可移除式模块插入壳体中时 将导叶机构固定到可移除式模块上的步骤(即，导叶机构为可移除式模块的一部分)。此 外，该方法可包括利用剪切环对接装置将可移除式模块连接到壳体上，该剪切环对接装置 为可移除式模块与壳体之间的唯一连接，以及/或者将缓冲系统附接到壳体上，该缓冲系 统构造成用以接收来自可移除式模块的流出流体。
所公开的示例性实施例提供了悬臂轴向式压缩机、化学反应器以及用于压缩流体 的方法。应当理解的是，此描述并非意图限制本发明。相反，示例性实施例旨在涵盖包括在 如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、变型和等效布置。此外，在示 例性实施例的详细描述中阐述了许多具体细节，以便提供对要求得到专利保护的本发明的 充分理解。然而，本领域的技术人员将会理解的是，可在没有这些具体细节的情况下实施各 种实施例。
尽管本示例性实施例的特征和元件在实施例中以特定的组合予以描述，但也可在 不具有实施例的其它特征和元件的情况下单独地使用各特征或元件，或在具有或不具有本文所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合来使用各特征或元件。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括处在权利要求的书面语言内的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种悬臂轴向式压缩机(58)，包括壳体(60)，其构造成用以沿垂直轴线(72)垂直地分开以便通向所述壳体(60)的内部；可移除式模块(62)，其构造成用以装配在所述壳体(60)内且可分离地附接到所述壳 体(60)上，所述可移除式模块(6 包括，沿大致垂直于所述垂直轴线(72)的水平轴线(74)设置的轴(92)，所述轴(92)构造成 用以围绕所述水平轴线(74)旋转，附接到所述可移除式模块(6 上且构造成用以旋转地支承所述轴(9 的第一端(96) 的轴承系统(98)，以及朝向所述轴(9 的第二端(94)设置使得所述第二端(94)悬置在所述壳体(60)内的 多个叶片(90)；以及构造成用以连接到所述可移除式模块(62)上的导叶机构(66)，所述导叶机构(66)构 造成用以调整流体通向所述多个叶片(90)的流动。
2.根据权利要求1所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，当所述可移除式模块从所 述壳体移除时，所述导叶机构固定到所述壳体上。
3.根据权利要求1所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述导叶机构固定到所述 可移除式模块上且可与所述可移除式模块一起移除。
4.根据权利要求1所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述悬臂轴向式压缩机还 包括连接到所述壳体上且构造成用以将引入的流体沿所述垂直轴线引导至所述多个叶片 的入口。
5.根据权利要求4所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述悬臂轴向式压缩机还 包括连接到所述壳体上且构造成用以沿所述水平轴线引导流出流体的出口。
6.根据权利要求1所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述悬臂轴向式压缩机还 包括剪切环对接装置，其将所述可移除式模块连接到所述壳体上，且为在所述可移除式模 块与所述壳体之间保持所述可移除式模块附接到所述壳体上的唯一连接。
7.根据权利要求1所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述悬臂轴向式压缩机还 包括提供在所述壳体中的缓冲系统，所述缓冲系统附接到所述壳体上且构造成用以将清洁 的缓冲气体提供到没有颗粒累积的预定区域中。
8.根据权利要求7所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述缓冲系统包括第一缓冲腔，其构造成用以接收处于高于所述流出流体的压力的清洁流体，以防止过 程流体进入所述第一缓冲腔，其中，所述缓冲腔沿所述水平轴线设置且沿径向与所述轴对 准。
9.根据权利要求8所述的悬臂轴向式压缩机，其特征在于，所述缓冲系统还包括沿所述壳体的内圆周围绕所述第一缓冲腔设置的第二缓冲腔。
10.一种用于处理化学物质的化学反应器(130)，所述化学反应器(130)包括在压力下提供所述化学物质的第一管路(132)；具有连接到所述第一管路(13 上的入口且构造成用以压缩所述化学物质的压缩机 (58)；以及连接到所述压缩机的出口上且构造成用以接收经压缩的化学物质的第二管路(134)，其中所述压缩机(5 包括，壳体(60)，其构造成用以沿垂直轴线(72)垂直地分开以便通向所述壳体(60)的内部，构造成用以装配在所述壳体(60)内且可分离地附接到所述壳体(60)上的可移除式模 块(62)，所述可移除式模块(6 包括，沿大致垂直于所述垂直轴线(72)的水平轴线(74)设置的轴(92)，所述轴(92)构造成 用以围绕所述水平轴线(74)旋转，附接到所述可移除式模块(6 上且构造成用以旋转地支承所述轴(9 的第一端(96) 的轴承系统(98)，以及朝向所述轴(9 的第二端(94)设置使得所述第二端(94)悬置在所述壳体(60)内的 多个叶片(90)；以及构造成用以连接到所述可移除式模块(62)上的导叶机构(66)，所述导叶机构(66)构 造成用以调整流体通向所述多个叶片(90)的流动。
11.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，当所述可移除式模块从所述壳体移 除时，所述导叶机构固定到所述壳体上。
12.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，所述导叶机构固定到所述可移除式 模块上且可与所述可移除式模块一起移除。
13.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括剪切环对接装置，其将所述可移除式模块连接到所述壳体上，且为在所述可移除式模 块与所述壳体之间保持所述可移除式模块附接到所述壳体上的唯一连接。
14.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括提供在所述壳体中的缓冲系统，所述缓冲系统附接到所述壳体上且构造成用以接收来 自所述可移除式模块的过程流体。
15.一种用于制造悬臂轴向式压缩机(58)的方法，所述方法包括将可移除式模块(66)插入壳体(60)中，所述壳体(60)构造成用以沿垂直轴线(72) 垂直地分开以便通向所述壳体(60)的内部，其中，所述可移除式模块(66)包括沿大致垂 直于所述垂直轴线(72)的水平轴线(74)设置的轴(92)，所述轴(92)构造成用以围绕所 述水平轴线(74)旋转；附接到所述可移除式模块(66)上且构造成用以旋转地支承所述轴 (92)的第一端(96)的轴承系统(98)；以及朝向所述轴(92)的第二端(94)设置使得所述 第二端(94)悬置在所述壳体(60)内的多个叶片(90)；以及将导叶机构(66)连接到所述可移除式模块(62)上，所述导叶机构(66)构造成用以调 整流体通向所述多个叶片(90)的流动。
全文摘要
本发明涉及悬臂轴向流动式压缩机、反应器和方法，具体而言是用于压缩流体的悬臂轴向式压缩机、化学反应器和方法。悬臂轴向式压缩机(58)包括构造成沿垂直轴线(72)垂直地分开用以通向壳体内部的壳体(60)，以及可移除式模块(62)。可移除式模块构造成装配在壳体内且可分离地附接到壳体上。可移除式模块包括沿水平轴线(74)设置的轴(92)、附接到可移除式模块上且构造成用以旋转地支承轴的第一端(96)的轴承系统(98)，以及朝向轴的第二端(94)设置使得第二端悬置在壳体内的多个叶片(90)。压缩机还包括构造成用以连接到可移除式模块上的导叶机构(66)，该导叶机构构造成用以调整流体通向该多个叶片的流动。
文档编号F04D29/54GK102032201SQ20101050856
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者J·克鲁克香克, M·卡马蒂, R·J·德格鲁特 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司