无润滑离心压缩机的制作方法

无润滑离心压缩机
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年11月19日提交的美国临时申请62/769,323的权益，其全文在此被引用作为参考。
技术领域
3.本发明涉及气体压缩设备领域。本发明尤其涉及使用离心压缩机来增加气压的紧凑型电气装置或设备。


背景技术：

4.目前，通过机械手段进行气体压缩是通过不同的技术实施的，这些技术从几年前开始广泛传播和测试。在最常用的方法中，有离心、轴向、交替和螺杆压缩机。
5.交替压缩机或活塞压缩机在结构上与内燃机相似。活塞或柱塞以交替的方式在气缸内纵向移位，一系列密封件抵靠在该气缸上。一组阀允许气体在由气缸和柱塞形成的腔室的膨胀级期间进入，同时柱塞返回。当柱塞再次前进时，其减小了气体所处的腔室的容积，从而产生了随后所需的压力增加。最后，另一组阀允许高压气体逸出。这些压缩机广泛用于中小型应用。它们结构简单且效率较高。它们具有许多可移动的部件，但是它们相对于彼此以低速运动，因此，它们可以为其密封件和轴承使用传统的润滑剂。通过低速(大约1000至5000rpm)运转，它们通常没有传动组件而直接与电机或内燃机联接。
6.该技术的主要缺点在于润滑系统需要进行大量维护，其需要确保柱塞与气缸之间的密封、阀的完整性和水密性以及避免轴承损坏。通过适当的维护，交替压缩机可以在很多年内正常运行。但是，所有上述部件即使保持在最佳润滑剂条件下也会遭受机械磨损并且应定期更换。由于涉及的机构数量众多，因此交替压缩机是上述四种类型中体积最大的压缩机(具有较低的功率系数)。
7.螺杆压缩机以及交替压缩机属于称为“正排量机器”的一组机器，即，气压的变化通过容纳它的腔室容积的变化来实现。在螺杆压缩机中，彼此平行设置的两个螺旋形螺旋轴一个紧靠另一个以相同的方式旋转。两个螺旋件都在一个腔室内，腔室壁非常靠近其螺纹边缘，因此在有或没有润滑剂的情况下形成了机械密封。拧紧腔室的螺钉会产生容纳气体的密闭的隔离容积，当气体从吸入口移至排出口时，容积会逐渐减小。
8.这种类型的压缩机通常用于中型应用，并显示出一些优势，例如减小尺寸和提高压缩率。机械部件以中等速度(例如在3000到10000rpm之间)旋转，因此，它们可能需要传动组件联接到通常较慢的电机或内燃机。相反，它们的移动部件比交替压缩机少；因此，机械磨损与维护不太相关。主要缺点在于润滑系统要求，该要求应保持无固体颗粒并应不断冷却。润滑剂通过充当螺旋件之间的密封以及作为在没有机械摩擦的情况下在它们之间传递扭矩的手段而发挥关键作用。另外，存在于压缩室中的润滑剂会与压缩气体混合(特别是如果它们都是类似的流体如碳氢化合物)，则应在一组特定的装置中进行分离和再循环。由于这些原因，螺杆压缩机减小的尺寸被其附带的大量辅助系统所抵消。
9.离心压缩机与轴向压缩机、涡轮和离心泵一起属于涡轮机的类别。在离心压缩机中，通过首先增加气体的速度然后将该动能转换成势能来间接地实现气压的增加。带有称为叶轮的刀片的盘接收低压气体并使其旋转加速，同时将其排到外围。当高速气体离开转子时，称为扩散器的另一固定部件负责使转子逐渐减速，从而增加其压力。
10.离心压缩机比正排量技术具有一些重要的优势：首先，对于相同的应用(流量和压力)，其尺寸远小于交替或螺杆压缩机(它们具有高功率系数)。其次，由于它们不使用密封件来形成防水腔室，因此内部部件(例如叶轮)不会遭受机械磨损。这些压缩机中使用的润滑剂的功能是减少辅助部件(如外部密封件和/或轴承)上的摩擦。
11.这些压缩机面临的问题与它们的叶轮高速旋转有关(通常在20000和100000rpm之间)。因此，需要使用传动组件来增加驱动源诸如电机或内燃机的速度。传动组件由于其机械磨损和所隐含的能量损失而成为关键部件。出现在密封件上的另一个问题是保持工艺气体与大气隔离。所述密封件允许转子轴与传动组件之间的连通，从而保持压缩机主体内部的高气压和外部的低压。密封件是与磨损相关的关键部件，其中润滑起着关键作用。
12.上述复杂性已将离心压缩机的使用限制在大型应用中。然而，由于诸如高速电动发动机的技术的实施，近来已经开发了适用于中小型的离心压缩机。例如公司提供空压机，其中径流式电机安装在与压缩机转子相同的轴上。这样，不需要传动组件且消除了与其相关的操作困难。
13.使用高速径流式电机时出现的主要缺点在于定子上存在大量铁磁材料。高速下使用的高电频意味着所述铁芯中的大量能量损耗，如寄生电流和磁滞现象。这项技术的替代方法是轴流式电机，其由于一系列有利的结构特征已经在近年来引起了极大的兴趣。
14.首先，轴流式电机的几何形状允许获得比径流式电机更高功率系数的机器。即为了产生相同的功率，轴流式电机所需的尺寸要小于其径流式等效装置，从而减轻重量并降低成本。除径流式电机外，轴流式电机也可以是感应电机并使用等效于“鼠笼”的绕组导体，也可以是同步电机并使用永磁体。后者显示了所有可能配置中的最高功率密度。
15.其次，与本发明的应用更相关，相比于在径流式电机中，线圈在轴流式电机中的布置需要在铁芯中使用更少的铁磁材料。在高电频应用中(高旋转速度)，铁磁材料的减少意味着由于磁滞和寄生电流而导致的能量损失的减少，因此，显著提高机器的性能并降低冷却要求。在高速应用中，轴流式同步电机的工业应用在当前技术中并非广为人知，它有望在减小尺寸和提高能量效率方面取得重要的进步。
16.icr turbine公司(专利公开号us20140306460)已经开发出执行多个压缩级和膨胀级的紧凑的布雷顿循环以提高系统的整体性能并增强与独立涡轮机联接的径流式电机。压缩级和膨胀级中的每个级都包括径向压缩机和径向涡轮，两者均安装在单轴上。在每个径向压缩机的背面已经安装小型轴流式电机，该电机允许启动系统，从而将转子驱动至其最小保持速度。这些发动机是感应式的，包括绕组定子和平面鼠笼式转子。
17.另外，已经开发出多种无需使用润滑油即可支承电动压缩机旋转组件的技术，从而消除与这些机器的高速运行相关的其它复杂性。其中之一被称为“空气箔轴承”或简称为“箔轴承”，其中将相同的工艺气体用作润滑液。箔轴承通常用于空压机例如压缩机中。
18.另一更有前途的技术是一种磁浮轴承。在这种情况下，旋转装置由磁场而非像以前那样流体力学地支承，因此使系统独立于工艺流体。例如，公司提供用于冷却气体的压缩机，其中转子由主动磁浮轴承(amb)悬浮。发动机
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压缩机总成位于包含工艺气体的水密腔室中，这种方式不需要机械密封。该技术的另一个示例存在于公司(专利es2309173)中，该公司开发了大型离心压缩机，其中，发动机和压缩机安装在同一轴上，并容纳在相同的压力容器中。对于轴承也是amb型，并且使用相同的工艺气体来冷却电机。
19.amb所显示的复杂性在于需要轴位置传感器组和从外部为轴承供能并发出指令主动控制电子系统。如果控制系统发生能量中断，则旋转轴可能会失去支承并与高速旋转的定子接触，从而造成重大且永久的损坏。


技术实现要素：

20.本发明包括用于中小型应用的紧凑型离心压缩机，其不使用润滑系统、倍速系统或机械密封件，并且通常以非常高的旋转速度工作。
21.该压缩机使用以高速度和高电频同步运行的轴流式和永磁电机作为驱动源。所述电机在高速下有效地运行，因为其定子中具有比等效的径向流式电机更少的铁磁芯。实际上，即使定子中没有铁磁芯，该电机也可以有效地工作。压缩机叶轮在单个轴上直接联接至电机，形成装置的单个可移动部分。轴流式电机的高效率和不存在增速传动装置赋予本发明比现有技术更高的可靠性和整体能源效率。
22.电机
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叶轮旋转组件由磁浮径向轴承和电动推力(或轴向)轴承的组合支承，这样就不会与定子发生机械接触。所述轴承使用无源永磁体，因此不需要控制系统、传感器或外部能源。与现有技术相比，这赋予本发明更高的操作简便性和可靠性。
23.由电机
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叶轮组件以及磁浮轴承和电动轴承组成的完整转子位于防水腔室内，该防水腔室与压缩机的定子压力连接，并被相同的工艺气体充满。这样，避免了使用机械密封以及随后的摩擦磨损，这赋予本发明比其它类似的现有技术设备需要更少维护的特征。
24.由于不需要对轴承、传动装置或密封件进行润滑，因此本发明的装置不使用辅助系统来冷却、过滤、分离或供给润滑剂。与现有技术的其它类似装置相比，这允许本发明具有更高的简便性和更小的尺寸。
附图说明
25.图1是本发明的实施例的侧视图，其仅示出了电机
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叶轮旋转组件和电机的定子线圈。
26.图2a是轴流式电机的主要部件的侧视横截面图。
27.图2b是轴流式电机的主要部件的分解透视图。
28.图3是包括装置的所有部件的本发明的实施例的横截面图。
29.图4是该装置的实施例的完整透视图和两个正交视图，后者与普通成年人的体形相比较以用于尺寸参考。
具体实施方式
30.本发明是用于气体压缩的紧凑型装置，其由轴流式同步电机驱动，没有采用任何类型的润滑剂。
31.图1示出了电机
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叶轮旋转组件的单个活动件(以下称为转子)。所述转子具有离心叶轮1，该离心叶轮负责将动能传递至工艺气体。在图1的实施例中，仅示出一个叶轮，但是可以使用一个以上的叶轮。所述叶轮安装在轴5上并固定在其上。如果使用多个叶轮，则所有叶轮都可以安装并固定在同一轴上。
32.轴流式同步永磁电机2由固定的定子部分和旋转部分形成。所述电机的定子部分包含线圈、用于支承的不同辅助件，并且可以可选地包含铁磁芯的一部分。该部分可由位于旋转部分的组件之间的一个或多个组件形成。在图1的实施例中，示出位于旋转组件03之间的两个定子组件4。在其它实施例中，这可以应用于两个以上的定子组件，或者可以仅使用一个。
33.图2a和图2b示出轴向电机的实施例，其中轴向电机包括单个定子组件4。所述组件包含线圈10和铁磁芯11的不同部分。组件4放置在两个旋转盘3之间，这两个旋转盘包含永磁体12并且可以可选地包含铁磁芯13的另一部分。这些盘形成轴流式电机的旋转部分3。所述旋转部分安装在轴5上(见图1)并固定在其上。
34.在以吸引构型布置的每对相对的永磁体12之间建立起磁通。所述磁通通过电机浸没在其中的空气或任何其它方式穿过线圈。如果定子组件包含部分铁磁芯11，则磁通将通过这些部分集中。如果转子组件3具有铁磁芯13，则其相邻磁体的相对面之间的流通借此关闭。外部电子装置监视磁体12关于线圈10的相对位置并激活向线圈注入电流的一系列半导体(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、固态继电器(ssr)等)。电流脉冲的时刻和持续时间使得它们与磁场的相互作用在永磁体上感应出力，从而在轴5上施加扭矩(见图1)。电机04的定子部分可以包含一个或多个电独立或彼此连接的线圈10。
35.在图1中可以看出，第一磁浮径向轴承6的旋转部分由具有环形几何形状的一个或多个永磁体形成并且被安装在轴5的一端或接近轴5的一端安装。第二磁浮径向轴承7的旋转部分由具有环形几何形状的一个或多个磁体形成并且被安装在轴5的相对端或接近轴5的该端的相对端安装。径向轴承的所述旋转部分是转子的一部分。对于每个轴承，第二定子部分由具有环形或筒形几何形状的永磁体形成，所述永磁体周向围绕旋转部分并固定到壳体(未示出)。作为具有相同极性和大磁场强度的磁体，借助于每个旋转部分与其定子对应部分之间的磁性相互作用，产生了磁性排斥力，该排斥力允许径向支承转子，从而避免转子与装置其余部分的机械接触。在图1的实施例中，示出两个磁浮径向轴承，每个端部一个，但是三个或更多个轴承可以安装在轴5的不同区域上，以使转子支承更具刚性。径向轴承6和7是无源的，并且在不受控制系统、传感器或外部能源干预的情况下运行。用于制造基于高强度无源磁体(例如alnico、smco或ndfeb)的磁浮轴承的材料在本领域中已知并且可以在市场上购得。
36.刚度的力学概念是指物体抵抗由外力引起的变形或位移的能力。物体刚度越大，它抵抗相同程度变形所产生的力就越大。通常应用于弹性系统(例如弹簧和轴承)的该概念也经常用于描述主动和无源磁浮轴承的力学性能。当由于上述物体的刚度引起的力使得它
们趋于补偿源自它们的变形或位移时，据说其具有负刚度。在磁浮轴承情况下，正刚度是指磁浮轴承的特定行为，即其中由位移产生的力趋于使其增加而非减小。注意到正刚度的概念是有用的，因为它将在下面用于解释本发明的某些元件的功能。
37.图1所示的转子组件由无源径向轴承支承和稳定，因为它们在径向方向上赋予了负刚度。即如果轴5横向(径向)移动，则所述轴承通过产生使轴返回其中心位置的相反弹性力作出反应。但如恩绍定理(earnshaw theorem)所述，这种轴承在轴向方向上赋予正刚性。即如果轴5沿其轴向方向移位，所述轴承通过在相同方向上产生力并试图增加位移作出反应，因此出现了这些轴承趋于将轴5沿轴向推出其位置的问题。因此，这些轴承的源于其完全无源的特性的巨大优势包含显示出轴向正刚度的缺点，因此它们不能用作组件的单个旋转连接。为了抵消这种影响，应该应用附加机构，以通过与永磁体之间的相互作用不同的并在轴向上固定轴5的位置的物理原理进行操作。通过在轴向上使用不同类型的限制连接进行各种测试后，最佳结果通过使用电动止推轴承来获得。
38.在图1中可以看出，电动止推轴承8的旋转部分由两个具有永磁体和铁磁芯的盘形成。所述旋转部分安装在轴5上并固定在轴5上，从而形成转子的一部分。实心或有孔的导体盘9位于所述旋转盘之间，并形成止推轴承的定子部分，其连接到壳体(未示出)。旋转部分的磁体与定子部分的导体材料之间的相对运动会在定子部分上感应出产生抵抗所述磁体的排斥力的电流。在图1所示的布置中，所述排斥力在轴向方向上赋予负刚度。这样，如果轴5沿轴向移动，则电动止推轴承会在相反方向上产生尝试恢复原始位置的力。
39.电动止推轴承以完全无源的方式工作并且不需要辅助控制系统。然而，仅当部件之间存在相对运动时即仅在转子旋转时才产生所述功能。高于最小转速时，电动止推轴承为转子提供足够的轴向负刚度，以抵消磁浮径向轴承的轴向正刚度。可以将磁体支承盘8布置作为旋转部分，并将导体盘9布置作为静止部分，反之亦然。在图1的实施例中，仅示出了一个止推轴承，但是可以堆叠两个或更多个止推轴承以向转子提供更高的轴向刚度。在转子非水平取向的应用中，其重量的部分或全部轴向分量可能会被磁浮轴承的相同正刚度所抵消。这样，电动止推轴承必须只能为组件提供负刚度，而不能用来支承其重量。
40.磁浮径向轴承与电动止推轴承的组合使转子高于特定的最小旋转速度地在其轴向和径向位置被完全支承，从而避免了转子与装置其余部分的机械接触。与主动磁浮轴承(amb)相反，本发明中无源部件的组合即使在完全中断电源的情况下也能确保其功能而对外部能量或控制没有要求。这种新颖组合允许该装置通过离心压缩机的叶轮以所需的速度旋转，而不会受到任何磨损，这是由于不存在会产生大量热量和停止能量的摩擦力。
41.图3示出了本发明的实施例，其中上述转子水平放置并分配在形成装置的固定结构的主体(以下称为定子)内。转子的取向可以是水平的、竖直的或不同于该实施例中所示的任何其它取向。法兰连接或任何其它类型的连接15允许低压工艺气体进入由主定子壁16和其它密封在其上的部件(例如高压收集器17或轴端盖21)形成的水密腔室。形成所述水密腔室的部件的数量和布置可能与图3中所示的部件不同，但它们通常包含在整个转子内部，因此可以通过诸如垫圈、o形圈等静态密封件来确保气体的水密性。
42.低压
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低温气体穿过轴流式电机2所在的区域，该区域在图3中显示为4个定子组件的堆叠，并且是相应的旋转部分。该气流允许充当冷却剂去除电机中产生的热量。然后，气体进入由叶轮1及其对应的扩散器形成的第一压缩级。在图3的实施例中，转子包含在第一
叶轮之后立即被气体穿过的第二叶轮14。在每个压缩级，气体增加其压力和温度，直到其进入高压收集器17并被引导至定子的排气口为止。根据每个特定的应用，本发明的其它实施例可以包含更多或更少的叶轮，以及更多或更少的形成轴流式电机的组件。
43.在图3所示的实施例中，入口处的气体温度足够低以充当用于控制电机的电力电子装置的冷却剂。一系列电力电子部件19被布置在气压容器16外部并与之热连接。所述电子部件利用形成压力容器的金属的导热性而用相同的工艺气体进行冷却。最后，盖18从外部覆盖电力电子装置，以保护其免受灰尘和环境湿气的影响。本发明的其它实施例可以将所述电子部件直接定位在充满工艺气体的压力容器内。在压缩机入口处的气体温度极高的情况下，其它不同的实施例可以使用其它常规且独立的方法来冷却电力电子装置。
44.图4示出了本发明的实施例的等距视图，其中转子水平取向。所述视图示出了与转子同轴布置的用于气体的法兰入口连接，该转子在压力容器内不可见。在该实施例中，高压气体排出口横向于且垂直于上述转子轴布置。图4还示出压缩机的侧视图和另一正视图以及一般人的体形，以便可视化装置的代表性尺寸。本发明的其它实施例可以在尺寸和比例上变化，并且可以将气体的入口和出口连接沿其它取向布置，例如两者都与转子轴同轴或二者均为横向等。
45.本装置的创新技术特征包括：
46.1.它使用具有永磁体的同步电动轴流式电机作为驱动力，该电机与离心压缩机的叶轮安装在同一轴上。与高速径流式电机相比，这种类型的电机效率更高并且功率密度更高，与当前技术相比，该电机为该装置赋予了出色的整体性能和更小的物理尺寸。
47.2.它使用无需任何能量供应、辅助系统或监视或控制系统的无源磁浮轴承和无源电动轴承。即使在意外电源故障的情况下，该特性也为该装置赋予了很高的操作可靠性。另外，省去控制辅助系统有助于其紧凑的尺寸。
48.3.它不使用机械密封，因为转子组件完全置于与工艺气体相同的压力容器内。机械密封件会因摩擦而磨损，需要经常维护，特别是在高速应用中。省去它为该装置赋予了比其它现有技术设备需要更少维护的特征。此外，没有机械密封件有助于提高设备的整体能源效率。
49.4.它不使用任何类型的用于密封件、传动装置或轴承的润滑剂。由于不需要处理润滑剂的辅助系统(例如冷却器、过滤器、分离器或泵)，该特性因此有助于降低设备的维护要求并减小其尺寸。
50.5.在正常情况下，由于采用了新型的非接触式旋转支承系统，该组件以与压缩机叶轮相同的速度旋转，而不经受任何机械磨损。