专利名称：用于离心压缩机的动态推力平衡的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及离心压缩机，并且更具体而言涉及在这种压缩机中平衡推力。
背景技术：
压缩机是一种通过使用机械能来增加诸如气体的可压缩流体的压力的机器。压缩机用于许多不同应用，包括作为燃气涡轮发动机的初始级来操作。而燃气涡轮发动机本身用于大量工业过程中，包括功率生成、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，机械能例如通过使气体所行进通过的离心叶轮或转子旋转而经由使气体粒子加速的离心加速作用于到压缩机的气体输入。离心压缩机可装配有单个转子，即单级构型，或者带有串联的多个转子，在这种情况下，压缩机常常被称为多级压缩机。离心压缩机的每一级通常包括用于待被压缩的气体的入口管道、能够为输入气体提供动能的转子以及将离开转子的气体的动能转化为压力能的出口管。多级离心压缩机在转子上经受轴向推力，该轴向推力由跨级的压差和从水平方向转到竖直方向的气体动量变化造成。该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加载整个转子推力，因此平衡活塞被设计成补偿大部分推力，从而使轴承处理任何剩余的残余推力。平衡活塞通常被实施为旋转盘或鼓，其装配到压缩机轴上，使得平衡盘或鼓的每一侧在操作期间经受不同的压力。平衡活塞的直径被选择为具有期望的轴向负载以避免其残余负载使轴向轴承过载。常规油润滑轴承通常被设计成耐受预期在例如喘振的异常条件期间发生的最大残余轴向推力的大约四倍的轴向推力。然而，当在压缩机操作期间气体条件变化时，由平衡活塞提供的补偿可能不足以避免轴承过载。实际上一些类型的离心压缩机比其它更可能经历这样的气体条件改变，例如在用于采用并行操作的多级离心压缩机的气体存储应用中，其中在压缩机的第一与第二部段之间的与流量系数差值有关的轴向推力的差值可能不容易被平衡活塞补偿。因此，常规油润滑轴承通常被设计成耐受预期在例如喘振的异常条件期间发生的最大残余轴向推力的大约四倍的轴向推力。另一个最近的发展涉及用主动磁轴承(AMB)替代常规油润滑轴承作为用于压缩机轴的轴向(和径向)可旋转支承件。AMB基于电磁原理运转以控制在压缩机内的轴向和径向位移。简而言之，AMB包括由功率放大器驱动的电磁体，功率放大器根据指示在装置内部的压缩机转子的位移的反馈信号来调节进入电磁体的线圈的电压(和因此的电流)。AMB具有其不需要油作为润滑剂的期望属性，从而减少压缩机系统的整体维护并潜在地消除在叶轮与轴承之间提供密封的需求。然而，AMB还具有不能够处理与常规油润滑轴承一样多的轴向推力的缺点。因此，期望设计和提供用于在这种压缩机中的动态推力平衡的方法和系统，其克服了现有平衡系统的上述缺点。
发明内容
示例性实施例涉及用于动态平衡离心压缩机中的轴向负载以减少在其中所使用的轴承上的残余轴向负载的系统和方法。传感器或探针检测与作用在轴承上的轴向负载相关联的参数。基于所检测到的参数，控制平衡室中的压力以调整由平衡鼓所产生的补偿的轴向力。根据本文所述的示例性实施例的优点包括例如在不同操作条件下作用在轴承上的残余轴向力的减小。然而，本领域的技术人员将会理解，这样的优点不应被解释为对本发明的限制，除了其在一个或多个所附权利要求中明确阐述的程度以外。根据示例性实施例，离心压缩机包括转子组件，其包括至少一个叶轮；轴承，其连接到转子组件且用于可旋转地支承转子组件；定子；平衡鼓，其设置在所述至少一个叶轮与所述轴承之间；平衡室，其至少部分地由所述平衡鼓的外侧限定并具有连接到其的平衡管路；传感器，其用于感测与在所述轴承上的轴向负载相关联的参数；和控制阀，其用于基于感测到的参数改变平衡室内的压力。根据另一个示例性实施例，一种用于动态地平衡作用在离心压缩机中的轴承上的 轴向负载的方法包括以下步骤检测与轴向负载相关联的参数；以及基于检测到的参数控制邻近压缩机内的平衡鼓的平衡室内的压力，以动态平衡作用在轴承上的轴向负载。
附图示出示例性实施例，在附图中
图I是根据示例性实施例可设有动态平衡机构的多级式离心压缩机的示意 图2示出离心压缩机的静态轴向负载平衡；
图3示出根据示例性实施例的离心压缩机的动态轴向负载平衡；以及 图4是示出根据示例性实施例的用于动态负载平衡的方法的流程图。
具体实施例方式示例性实施例的以下详细描述参考了附图。不同图中的相同附图标记表示相同或类似的元件。另外，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了给与根据这些示例性实施例的推力平衡系统有关的后续讨论提供一定背景，图I示意性地示出其中可使用这种推力平衡系统的多级离心压缩机10。其中，压缩机10包括其中安装有旋转的压缩机轴14的箱或壳体(定子)12，压缩机轴14设有多个离心叶轮
16。转子组件18包括轴14和叶轮16，并且通过设置在转子组件18的任一侧上的轴承20径向地且轴向地支承。多级离心压缩机操作以从管道入口 22吸入输入的工艺气体，以便通过转子组件18的操作而增加工艺气体的压力，并且随后将工艺气体在高于其输入压力的输出压力下通过出口管道24排出。工艺气体可以例如是二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中的任一种或它们的组合。在转子16与轴承20之间，设有密封系统26以防止工艺气体流到轴承20。壳体12被构造成覆盖轴承20和密封系统26两者，以防止气体从离心压缩机10逸出。根据本发明的不同示例性实施例，轴承20可实施为油润滑轴承或主动磁轴承。如果使用主动磁轴承作为轴承20,则可省略密封机构26。离心压缩机10还包括前述的平衡活塞(鼓)28以及其对应的迷宫密封30。平衡管路32将平衡鼓外侧上的平衡室34中的压力维持在与经由入口管道22进入的工艺气体相同(或大致相同)的压力。然而，根据以下所述的示例性实施例，该平衡管路32包括控制阀，该控制阀能基于例如在轴承20上或附近感测到的轴向负载调节平衡室34中的压力，如下面关于图3将要描述地。然而，首先通过讨论图2描述图I中所示的各种元件的相互作用是有用的，因为这些相互作用通常与轴向负载有关。在图中，概念性地示出了与离心压缩机10的操作相关联的各种轴向负载力。如图2所示，叶轮16将轴向负载(力)沿压缩机10的内(低压)侧方向置于轴承20上，这归因于例如在级之间的差异、气体动量的变化等。尽管在图2中未示出，但使压缩机轴18旋转的马达将(大致恒定的)轴向负载置于对立方向，即朝向离心压缩机10的外(高压)侧。为了抵消叶轮16的剩余轴向负载，平衡鼓28被设计成沿外侧方向施加轴向力，该轴向力的量值是基于叶轮的预期轴向负载减去马达的预期轴向负载。这通过例如以下方法来实现设计该系统使得在平衡鼓28的内侧上的工艺气体的压力Pu大于在平衡鼓28的外侧上的压力Pe，并且通过选择适当大小(直径)的平衡鼓以产生期望的平衡力。通过在平衡室34和与入口管道22相关联的主要吸入管路之间提供平衡管路32 使得平衡室中的压力与叶轮16的内侧上的压力大致相同而发展和维持压力不平衡。理想的是，由平衡鼓28提供的轴向推力补偿将大致抵消通过叶轮16置于轴承20上的轴向负载，或者至少充分抵消这样的轴向负载，以使得任何残余负载在轴承20的设计规格内。然而，如以上所述，在这种压缩机内的操作差异和/或使用AMB作为轴承20可造成残余负载超出用于轴向负载的轴承20的设计公差。考虑例如下面的表1，该表示出用于示例性的六叶轮离心压缩机10的轴向负载测试的结果，该离心压缩机10具有在17000 rpm下旋转的直径为231 mm的平衡鼓28。该测试压缩机配有作为轴承20的AMB，该AMB标称上用于在+/-9000 N之间的轴向负载。表I
%流动速率j马达轴向负载[N] j级轴向负载[N] j鼓轴向负载[N] j残余负载[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从表I可以看出，对于设计标称流动速率的73%、130%、140%和141%的流动速率来说，残余轴向负载，即置于离心压缩机的AMB 20上的轴向负载，超出使用图2所示配置(SP，具有不受控制的平衡管路32)的轴承的+/-9000 N额定值。根据本发明的示例性实施例，控制阀40置于平衡管路32上以使得能够自动控制施加到如图3所示的平衡鼓28的外侧上的压力Pe。其中，如图I和图2所使用的相同的附图标记表示离心压缩机10的相同或类似的部件。控制阀40根据例如由传感器或探针42测量的轴承20的位移或轴承20上的轴向负载来调节平衡室34内的压力以改变由平衡鼓28所产生的反作用力。控制阀40因而控制压力Pe的值和相应地由平衡鼓28提供的补偿轴向负载的量。更具体而言，通过关闭控制阀40，压力Pe增加，从而减小由平衡鼓28提供的补偿轴向负载的量。备选地，通过打开控制阀40，压力Pe降低，从而增加由平衡鼓28提供的轴向负载的量。当控制阀40完全打开时，通过平衡鼓28产生最大量的补偿轴向负载。由于由平衡鼓28提供的负载量根据示例性实施例为可控变量，因此可期望将平衡鼓28设计成使得其最大补偿轴向负载大于由常规静态平衡鼓提供的补偿轴向负载(即，通过为系统提供更大的平衡鼓28)，因为在这些示例性实施例中有可能如期望地通过关闭控制阀40而减小所提供的补偿量。如上所述，基于来自探针或传感器42的关于轴承20在给定时间内经历的轴向负载的量的控制信号来控制控制阀40。可通过探针或传感器42进行定期测量并将测量结果报告返回至连接到控制阀40的控制逻辑44，以根据需要执行任何期望的控制算法来打开和关闭阀40，从而针对导致轴承20的更多(或更少)残余负载的操作变化做出调整。关于表2，下文讨论在感测到的轴向负载与用于使用阀40控制气体压力的控制逻辑44的操作之间的示例性关系。控制逻辑44可作为ASIC、FPGA、计算机或其它类型的处理器被植入，并且可纯粹用硬件、纯粹用软件或用它们的某个组合实施。传感器或探针42可以是多种不同 类型中的任一种。例如，当轴承20为AMB时，诸如线性电势位移换能器的感应传感器或探针可用来测量由轴向负载引起的轴承20的位移。备选地，如果轴承20是油润滑型轴承，则涡流传感器或探针可以是传感器或探针42的更合适的实施方式。可使用其它类型的传感器作为替代物，例如在轴承内的油膜处测量压力的传感器或压电体。根据一个示例性实施例，控制逻辑44可包括比例积分微分(PID)控制器，该控制器在闭环中根据在机器上测量的推力自动地改变平衡鼓室34中的压力。例如，对AMB来说，AMB的线圈上的电流表示由系统控制的推力。特别地，当AMB的推力轴承线圈中的电流超出给定值(阈值)时，控制逻辑44可经由简单的PID控制器作用于阀40。根据示例性实施例，控制系统可设计为具有偏差(滞后值)以避免任何推力阀振荡。执行测试以评估根据图3所示的示例性实施例的布置并确定其更好地控制在轴承20上的残余负载的能力。该测试使用以上所评估的相同类型的离心压缩机10以产生表I中的结果，即在17000 rpm下运行的六叶轮离心压缩机，不同的是，平衡鼓28尺寸增加至具有247 _的直径，以在该动态平衡配置中提供稍微更大的最大补偿轴向负载能力。测试结果在下表2中示出。表权利要求
1.一种离心压缩机(10)，包括 转子组件(18)，其包括至少一个叶轮(16)； 轴承(20)，其连接到所述转子组件(18)且用于可旋转地支承所述转子组件(18)； 定子(12)； 平衡鼓(28)，其设置在所述至少一个叶轮(16)与所述轴承(20)之间； 平衡室(34)，其至少部分地由所述平衡鼓(28)的外侧限定，并且具有连接到所述平衡室(34)的平衡管路(32)； 传感器(42)，所述传感器(42)用于感测与所述轴承(20)上的轴向负载相关联的参数；和 控制阀(40)，所述控制阀(40)用于基于所述感测到的参数而改变所述平衡室(34)内的压力。
2.根据权利要求I所述的离心压缩机，其特征在于，还包括 控制逻辑，其构造成接收所述传感器的输出并构造成根据预定的功能控制所述控制阀。
3.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，当在所述轴承上的所述轴向负载超出预定值时，所述预定的功能起作用以增加所述平衡室内的压力。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述轴承为主动磁轴承。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述轴承为油润滑轴承。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述感测到的参数为所述轴承的位移。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述感测到的参数为在所述轴承上的轴向负载。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述传感器为感应传感器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述传感器为压电传感器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的离心压缩机，其特征在于，所述传感器为涡流传感器。
11.一种用于动态地平衡作用在离心压缩机(10)中的轴承(20)上的轴向负载的方法，所述方法包括 检测与所述轴向负载相关联的参数；以及 基于所述检测到的参数，控制在所述离心压缩机(10)中邻近平衡鼓(28)的平衡室(34)内的压力，以动态地平衡作用在所述轴承(20)上的所述轴向负载。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制步骤还包括 打开或关闭控制所述平衡室内的所述压力的连接到平衡管路的阀。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，当在所述轴承上的所述轴向负载超出预定值时，所述控制步骤起作用以增加所述平衡室内的压力。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述轴承为主动磁轴承。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其特征在于，所述轴承为油润滑轴承。
全文摘要
描述了用于动态地平衡离心压缩机(10)中的轴向负载以减少在其中使用的轴承(20)上的残余轴向负载的系统和方法。传感器或探针(42)检测与作用在轴承(20)上的轴向负载相关联的参数。基于所检测到的参数，控制平衡室(34)中的压力以调整由平衡鼓(28)产生的补偿轴向力。
文档编号F04D29/051GK102762871SQ201080064545
公开日2012年10月31日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月22日
发明者C.卡纳里尼, G.马里奥蒂 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司