技术领域
[0001] 本公开内容关于
涡轮机领域，并且具体关于离心压缩机领域。
背景技术
[0002] 离心压缩机广泛用于若干工业领域，且用于不同性质的处理工作介质；取决于应用领域，高气压可通过离心压缩机的一个或多个级来实现。高压涉及工作介质的
温度升高，这可不利地影响压缩机的使用寿命。
[0003] 在一些应用领域中，650到700℃或更高的范围中的温度可在压缩机叶轮中实现。叶轮的蠕变寿命很关键，且有工作介质的高温不利地影响。
[0004] 当前用于制造有护罩的叶轮的
锻造或粉末
冶金材料都不满足60,000小时的蠕变寿命要求。镍基超级
合金如铬镍
铁738满足蠕变寿命的要求，但铬镍铁合金叶轮的可制造性和可修复性很关键。
[0005] 以上提到的温度范围、使用的材料和蠕变寿命要求仅示出了一个可能的应用，且不应当理解为限制本公开内容的应用范围。如本文公开的冷却技术可有利地使用，例如，也在较低温度的范围的情况下，尤其是如果使用不同的较少执行的且更常规的材料。
[0006] 图1中示出了根据
现有技术水平的使用有护罩的叶轮的多级离心压缩机。离心压缩机100包括
外壳102，
转子轴104支承在外壳102中。压缩机100包括压缩机入口106、压缩机出口108和多个压缩机级，各个均包括叶轮110A-110G。叶轮连续地布置。工作介质的压
力从压缩机入口106逐级地升高至压缩机出口108。工作介质沿大致轴向方向进入各个叶轮中，且沿径向经过相应的扩散器112输送至下一个叶轮。工作介质的温度从一级升高至另一级，且尤其在压缩机的末级中变得显著。
发明内容
[0007] 根据本文公开的主题的一些
实施例，提供了一种离心压缩机组件，包括有护罩的叶轮，即，具有毂和护罩的叶轮，其中冷却介质在叶轮进口处输送，以从叶轮的该区域除去热。叶轮进口在关注的叶轮的蠕变寿命中是叶轮的特别关键的区域。
[0008] 在叶轮进口的区域中输送的冷却介质局部地除去热，且将叶轮进口和周围的温度保持低于临界值，因此延长蠕变寿命。
[0009] 根据本文公开的主题的一些实施例，提供了一种离心压缩机组件，包括外壳和受支承用于在外壳中旋转的一个或多个叶轮，各个轮叶均包括毂、护罩和叶轮进口。各个叶轮的叶轮进口设有叶轮进口密封布置。至少一个冷却介质端口与密封布置相关联，且构造成用于在叶轮进口周围输送冷却介质。冷却介质从叶轮进口除去热，且改善了叶轮的蠕变寿命。
[0010] 在优选实施例中，多个冷却介质端口在叶轮进口周围布置。在一些实施例中，冷却介质端口在叶轮的旋
转轴线周围均匀分布。
[0011] 叶轮进口的改善的冷却通过提供从叶轮入口的外表面延伸至叶轮进口的内表面的多个孔来实现。因此，冷却介质流的至少一部分进入孔中，且输送至护罩的内部。各个孔的出口端(即，护罩的内表面上的孔口)可位于对应的叶轮
叶片的前缘附近。通过将孔出口布置在该
位置中，可获得叶片的前缘的特别有效的冷却。
[0012] 可提供冷却介质源，以用于将冷却介质输送至设在一个或多个压缩机级中的冷却介质端口或多个端口。在一些实施例中，流过压缩机的相同工作介质可用作一个或多个压缩机叶轮的冷却介质。冷却介质流的一部分可从主流抽出，冷却且/或膨胀至所需的压力，且然后经过一个或多个冷却介质端口输送至叶轮进口。因此，不需要单独的
泵送器件来将冷却介质带至所需的压力。此外，由于冷却介质为流过压缩机的相同工作介质，故工作介质流的成分不会由冷却介质的存在改变。
[0013]
热交换器和节流
阀可沿分支通路布置，通过该通路，工作介质流从主流抽出且回到压缩机中。不同的减压布置如膨胀器可替代
节流阀来使用。
[0014] 压缩机可包括一个以上的压缩机级，各个均设有叶轮。一些叶轮可有护罩，即，设有护罩和叶轮进口。一个或多个所述有护罩的叶轮可与如上文所述的冷却布置，即，其中至少一个冷却介质端口在叶轮进口密封布置的区域中输送冷却介质。同样，在多级压缩机中，工作介质的温度仅在压缩机末级中变得关键。在优选实施例中，因此，叶轮进口的冷却布置至少设在压缩机末级中。根据一些实施例，提供了辅助冷却布置来用于冷却叶
轮毂。在一些实施例中，叶轮毂冷却布置与叶轮进口冷却布置组合。在其它实施例中，仅提供了叶轮毂冷却布置。在最后提到的情况中，叶轮还可为开放式叶轮，即，未设有护罩。
[0015] 根据另一个方面，本文公开的主题还关于一种操作离心压缩机的方法，离心压缩机包括外壳和旋转地布置在外壳中的至少一个有护罩的叶轮，所述方法提供将冷却介质喷射到叶轮进口周围的间隙中，以便从叶轮的叶轮进口区除去热。
[0016] 根据一个实施例，提供了一种操作离心压缩机的方法，包括以下步骤：处理经过所述叶轮的工作介质；将冷却介质喷射到所述叶轮进口周围的间隙中，以及使所述冷却介质在所述间隙中循环来冷却叶轮进口。
[0017] 间隙可形成在叶轮进口与叶轮进口密封布置之间。
[0018] 根据一些实施例，该方法包括通过使用由压缩机处理的工作介质的一部分来冷却叶轮进口的步骤。例如，足量的工作介质可从压缩的工作介质的主流抽出，且输送至压缩机外壳内待冷却的区域。在再引入压缩机外壳中之前，工作介质可冷却且膨胀至所需的压力和温度。全部工作介质流的例如0.5%到5%且优选1.0%到2.5%之间的一部分可抽出来用于冷却目的。
[0019] 根据改善的实施例，该方法还包括将冷却介质至少部分地注入或传送到护罩与毂之间的叶轮内的步骤。出于此目的，根据一些实施例，该方法包括以下步骤：将从叶轮进口的外表面延伸的至少一个孔提供至叶轮进口的内表面，将冷却介质的至少一部分经过孔喷射。
[0020] 根据另一个方面，本公开内容还涉及一种用于与叶轮进口的冷却组合或与其独立来冷却叶轮的毂的方法。
[0021] 根据另一个方面，本文公开的主题涉及用于离心压缩机的叶轮，其包括叶轮毂和形成叶轮进口的叶轮护罩。叶轮进口包括径向外表面和径向内表面。提供了至少一个孔，其从外表面延伸至内表面，孔布置成经过所述叶轮进口朝有护罩的叶轮的内部传送冷却介质流。
[0022] 根据又一个方面，本公开内容涉及一种离心压缩机，包括：压缩机外壳；用于在所述外壳中旋转的受支承的至少一个叶轮，所述叶轮包括毂，毂具有设有多个叶轮叶片的前壁，以及主要沿径向延伸的后壁；叶轮的后壁与压缩机外壳之间的空间；构造和布置成用于在所述空间中输送冷却介质的至少一个冷却介质端口；所述空间与压缩机叶轮的出口处的压缩机扩散器
流体连通；其中在压缩机外壳与叶轮的后壁之间的空间中输送的冷却介质在所述扩散器中流动。在优选实施例中，冷却介质在形成于密封布置与轴向旋转构件之间的间隙中输送，旋转构件与叶轮一起旋转，例如，叶轮扭转地接合的轴，或布置在叶轮的后侧处的平衡鼓。冷却介质和密封布置的压力可使得冷却介质从由密封布置和轴向旋转构件形成的间隙，部分在叶轮的后壁与压缩机外壳之间的空间中，且部分地沿相反方向朝压缩机外壳的后部流动。
[0023] 上述布置可用于执行操作离心压缩机的方法，其中冷却介质在密封布置与轴向旋转构件(例如，叶轮轴或平衡鼓)之间的间隙中输送，以及其中冷却介质流部分地在叶轮的后部处的空间中输送，且从该处到扩散器中，且部分地在密封布置的相对侧上朝压缩机的后部输送。另外，在此情况下，冷却介质可为由压缩机处理的工作介质的一部分或小部分，如果需要，其适于在输送到叶轮的后侧处的密封布置之前冷却且部分地膨胀。在一些实施例中，主工作介质流的体积的大约1.5%到2.5%可转移来用于冷却叶轮的后侧的目的。
[0024] 特征和实施例在下文公开，且在所附
权利要求中进一步，权利要求形成本描述的组成部分。以上简要描述阐明了本发明的各种实施例的特征，以便可更好理解后接的详细描述，且以便可更好认识到本发明对本领域的贡献。当然，本发明的其它也将在下文中描述且将在所附权利要求中阐明。在此方面，在详细地阐释本发明的若干实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例不限于其应用于构造的细节和在以下描述阐明或
附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例且能够以各种方式实施和执行。另外，将理解的是，本文使用的术语和用语出于描述的目的，且不应当看作是进行限制。
[0025] 因此，本领域的技术人员将认识到本公开内容所基于的构想可用以地用作设计其它结构、方法和/或系统来执行本发明的若干目的的
基础。因此，重要的是，权利要求看作是包括此类等同构造至其不脱离本发明的精神和范围的程度。
附图说明
[0026] 本发明的公开实施例的更完整的认识和许多其伴随的优点将容易获得，因为本发明在连同附图考虑时参照以下详细描述变得更好理解，在附图中：
[0027] 图1示出了根据现有技术的多级离心压缩机的垂直平面的纵截面；
[0028] 图2示意性地示出了本文公开的主题的第一实施例中的具有冷却系统的压缩机；
[0029] 图3示出了不同实施例的示意图；
[0030] 图4示出了具有与毂冷却系统组合的叶轮进口冷却系统的压缩机级的纵截面；
[0031] 图5示出了用于离心压缩机的有护罩的叶轮的透视图；以及
[0032] 图6和7示出了在本公开内容的主题的改进的实施例中的有护罩的叶轮的一部分的
片段透视图。
具体实施方式
[0033] 示例性实施例的以下详细描述提到了附图。不同图中的相同参考标号表示相同或相似的元件。此外，附图不必按比例绘制。另外，以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。
[0034] 整个
说明书中提到的"一个实施例"或"实施例"或"一些实施例"意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各种位置出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"或"在一些实施例中"不一定是指相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。
[0035] 图2示意性地示出了根据本公开内容的压缩机组件。在图2的示意图中，示意性地呈现出了总体表示为1的离心压缩机。离心压缩机1可包括一个或多个压缩机级，各个级均包括类似于图1中所示的压缩机100的一个叶轮。工作介质，例如，空气或其它介质，在压缩机入口3处进入压缩机1中，且在压缩机出口5处退出压缩机1。如图2中示意性地表示的那样，流过压缩机出口5的工作介质的一部分沿
导管7经
过热交换器9抽出和转移，其中转移的输送压缩工作介质的一部分冷却。例如，热交换器9可为气体/空气或气体/水热交换器。然后，冷却的工作介质可流过减压部件，例如，节流阀11，且经过导管13又引入一个或多个压缩机级中。在其它实施例中，减压部件可为膨胀器。
[0036] 流过节流阀11的工作介质的压力从高压P1减小至低压P2。穿过节流阀11的压降取决于压缩机出口处的流体的压力和冷却的工作介质再注入压缩机中的点中的流体的压力。在未示出的其它实施例中，工作介质可从主流在沿工作介质通路的不同位置转移，例如，在中间压缩机级的出口处。
[0037] 在工作介质的一些可能的应用中，工作介质为空气，且在压缩机出口5处的空气温度可为大约650℃，而热交换器9的出口处的工作介质的温度可为大约450℃。这些值仅通过举例的方式给出，且它们不应当看作是限制本公开内容的范围。在工作介质流过节流阀11时，可实现进一步的降温。在一些实施例中，足够的冷却可仅通过节流来实现，或仅通过热交换来实现。
[0038] 图3中示出了压缩机组件的改变的实施例。相同的参考标号指出了与图2中相同或等同的部分。在该实施例中，冷却介质由压缩机的出口处转移的工作介质的一部分代表，但从未示出的不同来源输送。取决于冷却介质将注入压缩机中的操作压力，压缩装置14可提供成在所需的压力下泵送冷却介质。
[0039] 图2的实施例目前是优选的，因为其不需要单独的泵送布置，即使用于冷却目的的工作介质的部分的抽出将降低压缩机的总体效率。
[0040] 图2和3中所示的示意图仅通过举例的方式，且应当理解的是，可提供不同布置，例如，直至相关的冷却介质源，或直至相关的流体冷却和/或其膨胀。
[0041] 流过导管13且在压缩机中注入的冷却介质用于冷却压缩机1的一个或多个叶轮的一些区域，这将具体参照图4到7而在下文中公开。在示例性实施例的以下描述中，将参照根据图2的实施方式，即，其中通过将其从主流转移且将其在适合的温度和压力下再引入压缩机中的工作介质的一部分用作冷却介质。然而，如上文所述，冷却介质可由外部源提供。
[0042] 参看图4到7，现在参照多级离心压缩机的压缩机末级。应当理解的是，关于压缩机末级的叶轮描述的一些特征还可在多级压缩机的附加级中提供。还应当理解的是，如果需要，本文参照多级压缩机公开的特征还可在单级压缩机中实施。
[0043] 在图4中，压缩机1的一部分在沿包含压缩机转子的轴线A-A的平面的垂直区段中示出。压缩机末级包括由
旋转轴23支承的叶轮21。图5中隔离示出了叶轮。在本文公开的实施例中，叶轮21包括叶轮毂23和叶轮护罩25。叶轮27在叶轮毂23与叶轮护罩25之间沿径向延伸，在其间形成了叶轮导叶29。叶轮护罩25包括在叶轮入口33周围延伸的叶轮进口31。
[0044] 叶轮进口31可设有外部环形齿35，其与安装在压缩机外壳41中的叶轮进口密封布置39的
密封唇部37协作。叶轮进口密封布置39提供包含叶轮21的压缩机级与上游压缩机级(未示出)之间的密封。
[0045] 由叶轮21处理的工作介质从形成在外壳41中的扩散器43中的导叶29沿径向排出，且进入蜗壳45中，蜗壳45与压缩机出口5流体连通。
[0046] 平衡鼓47布置在鼓23后方，即，在叶轮进口31相对的叶轮21侧上。平衡鼓47与密封布置49协作，其密封叶轮21相对于压缩机的后部收纳的空间。在图4的分解截面中，还示出了与旋转轴22协作的密封布置51。
[0047] 在一些实施例中，一个或多个冷却介质端口53在叶轮进口31周围布置。冷却介质端口53与导管13流体连通，通过导管13，从主压缩机出口5抽出的适当冷却的工作介质的一部分再引入压缩机外壳中，以用于冷却叶轮进口31。在一些实施例中，多个冷却介质端口23优选在叶轮进口密封布置39的环形发展周围布置。例如，可提供2到20个端口53。在一些实施例中，可提供在8到15之间且优选在10到14之间的冷却介质端口53。通
过冷却介质端口53，退出压缩机的总出口工作介质流的例如大约2%的百分比可再引入压缩机外壳中。
[0048] 流过各个冷却介质端口53的冷却介质进入叶轮进口密封布置39的密封唇部37与叶轮进口31之间的间隙。经过冷却介质端口53输送的冷却介质具有压力，该压力高于相关压缩机级的入口压力。例如，如果叶轮入口处的工作介质压力为大约55Bar，则冷却介质可通过冷却介质端口53在大约60Bar下输送。结果，冷却介质被迫
泄漏出唇部37与叶轮进口31之间的间隙。冷却介质的小部分将根据箭头fA泄漏出间隙，且冷却介质流的另一部分将沿箭头fB泄漏出间隙。例如，流过压缩机的总工作介质的大约1.2%到1.3%的冷却介质的第一部分根据箭头fA将泄漏出，且进入上游压缩机级，同时其余部分将沿叶轮21的护罩25的外表面，沿压缩机外壳41与叶轮护罩25之间的间隙57流动，最终进入扩散器43。
[0049] 冷却介质流冷却叶轮进口31的外表面。经历特别高的机械
应力的叶轮进口区的温度因此将减小，从而改善叶轮的蠕变寿命。
[0050] 根据本文公开的主题的另一个改进方案，涡轮进口31设有多个孔61。在优选实施例中，至少一个孔提供成用于各个叶片27。图6和7中提供了一个此类孔的清楚图示。这些图示出了叶轮21的一部分的截面。在这些图中，示出了叶轮进口31、毂23和护罩25的片段，以及一个叶片27。各个孔61从叶轮进口31的外表面上的入口延伸至叶轮进口31的内表面上的出口。在一些实施例中，如图6和7中所示，孔61通向大致在对应的叶片27的前缘27A的前部的叶轮进口61的内表面上。
[0051] 利用该布置，经过冷却介质端口53输送的冷却介质的至少一部分进入孔61中。各个孔61生成冷却介质流，其沿相应的叶片27的两侧流动。冷却介质流从叶片前缘和叶片27连接到叶轮进口31上的区域除去热。该区域经历高
热应力和机械应力。从该区域除去热降低温度且减轻蠕变，因此进一步延长了叶轮的蠕变寿命。
[0052] 在一些实施例中，过热和蠕变问题的附加减小可通过也在毂23区域中提供冷却介质流来实现。这在图4中示意性示出。可提供一个或多个辅助端口71，其将导管13连接到密封布置49上。从压缩机入口5抽出、在热交换器9中冷却且在节流阀11中膨胀的工作介质的一部分流过端口71，进入密封布置49与平衡鼓47之间的间隙中。该冷却介质流泄漏出密封布置49与平衡鼓47之间的间隙，且所述流的至少一部分根据箭头fC进入压缩机外壳41的静止部分与叶轮21的后壁之间的空间中。冷却介质流的该部分最终将进入扩散器67中。在一些实施例中，密封布置49与平衡鼓47之间的间隙中输送的冷却介质可为全部压缩机出口流的大约2.0%到2.2%，且该冷却介质流的大约1/3将进入叶轮23后方的空间中，且最终到达扩散器57，同时其余部分将泄漏出相对侧处的密封布置49与平衡鼓47之间的间隙。
[0053] 尽管本文所述的主题的公开实施例已经在附图中示出且在上文中结合若干示例性实施例具体地且详细地完整描述，但本领域的技术人员将清楚的是，许多改型、变化和省略是可能的，而不会实质上脱离新颖的交到内容，本文阐明的原理和构想，以及所附权利要求中叙述的主题的优点。因此，公开的创新方案的适当方位应当仅由所附权利要求的最宽解释来确定，以便涵盖所有此类改型、变化和省略。因此，任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施例变化或重新排列。
