CN105940223A - 具有集成在马达转子中的级叶轮的马达压缩机 - Google Patents

Abstract

公开了一种无轴马达压缩机(1)，其包括壳(3)和布置在壳中的至少一个压缩机级(9A,9B)。各个压缩机级包括布置用于在壳(3)中围绕旋转轴线(A‑A)旋转的相应的叶轮(11A,11B)。各个叶轮(11A,11B)与收纳在壳(3)中并且包括马达定子(15A,15A)和马达转子(17A,17B)的嵌入的电动机(13A,13B)组合。各个压缩机级(9A,9B)的马达定子(15A,15B)沿周向包绕叶轮(11A,11B)和与叶轮集成的马达转子(17A,17B)。各个级(9A,9B)的马达转子(17A,17B)布置在相应马达定子内。

Description

具有集成在马达转子中的级叶轮的马达压缩机

技术领域

本文中公开的主题涉及马达压缩机，具体涉及离心马达压缩机，并且更具体地涉及多级马达压缩机，特别是多级离心马达压缩机。

背景技术

马达压缩机广泛用于若干工业应用中来升高气体的压力。马达压缩机通常包括壳，转子轴可旋转地支承在其中。一个或更多个叶轮安装在可旋转的轴上用于与其一起旋转。气体在入口歧管处进入压缩机，并且在较高压力下通过出口歧管输送。升高气体的压力所需的工作由原动机提供，例如，电动机，其马达轴机械地连接于压缩机的转子轴。在已知布置中，电动机可布置在压缩机的壳外或者集成在也收纳压缩机级的同一个壳中。在多级压缩机中，马达驱动马达压缩机的所有叶轮旋转。

图1示出了现有技术的压缩机100，其由布置在压缩机的壳外并且未示出的电动机驱动。压缩机包括压缩机壳101，其具有入口歧管103和出口歧管105。转子轴107在轴承109与111之间旋转地支承在壳101中。

图1的压缩机100为两级离心压缩机，其包括安装在轴107上并且在壳101中与其一起旋转的第一叶轮113和第二叶轮115。与第一叶轮113相关联的第一扩散器117和与第二叶轮115相关联的第二扩散器119设在压缩机100的壳101中的静止位置。带叶片的返回通道121使由第一叶轮113输送的气体通过扩散器117朝第二叶轮115的入口返回。由第二叶轮115输送的气体由蜗壳123收集，并且最终通过出口歧管105排放。

返回通道121以及扩散器117和导管119形成在布置在壳101中的静止隔板125中。

例如，转子轴107通过变速箱108联接于未示出的电动机。密封布置必须设在轴107上，以防止由压缩机处理的气体逸出壳101。

平衡鼓116可安装在轴107上或者与其集成地形成，以便至少部分地补偿由在轴107上处理的气流生成的轴向推力。

为了消除对压缩机的转子轴上的密封布置的需要和减小马达压缩机布置的占地面积，建议嵌入的电动机与离心压缩机的压缩机级组合。

美国专利5547350公开了一种模块化无轴马达压缩机，其中各个单叶轮由嵌入的电动机驱动而旋转，该嵌入的电动机具有支承在壳的固定部分上并且包绕与叶轮同轴的第一气体入口室的马达定子。马达转子围绕马达定子布置，与叶轮集成地旋转，并且包绕气体入口室。马达转子还设有轴承，其旋转地支承静止壳中的马达转子和叶轮。根据该已知的现有技术的无轴马达压缩机的各个模块具有轴向延伸部，其超过了叶轮的轴向延伸部，因为嵌入的马达布置在叶轮前方，并且增大了级的总体轴向大小。扩散器静止地布置在压缩机壳中，并且从叶轮的出口沿径向向外并且朝相应的返回通道延伸。

发明内容

提供了一种无轴马达压缩机，其包括壳和布置在壳中的至少一个压缩机级，其中各个级包括嵌入的电动机，即，收纳在压缩机壳中的电动机。在一些实施例中，马达压缩机可包括单个压缩机级和因此单个叶轮。然而，优选地，马达压缩机为多级马达压缩机，包括多个串联布置的叶轮，其均设有其自身的嵌入的电动机。各个嵌入的电动机包括马达定子，其静止地安装在壳中并且有利地至少部分地包绕相关压缩机级的叶轮，即，至少部分地围绕叶轮布置。各个嵌入的电动机还包括与叶轮集成并且与其一起旋转的电动机。各个级的电动机的直径大于相应的马达转子和相应的叶轮的直径，以使叶轮和马达转子可至少部分地定位在马达定子内。因此获得了紧凑的设计，因为各个嵌入的电动机可部分地或完全地容纳在相应的叶轮的轴向延伸部中。

在一些实施例中，各个叶轮包括多个叶片，其围绕旋转轴线布置并且形成用于过程气体流的导叶，其从所述叶片的前缘延伸至后缘。相应的马达定子沿径向向外布置，并且至少部分地围绕相应叶轮的叶片布置。

在一个或更多个实施例中，各个压缩机级包括扩散器布置，其与叶轮一起旋转并且形成其集成部分。扩散器布置可定位在叶片与相应的叶轮的马达转子之间。

特征和实施例在这里在下文中公开，并且在形成本描述的组成部分的所附权利要求中进一步提出。以上简要描述提出了本发明的各种实施例的特征，以便以下详细描述可被更好理解，并且以便可更好认识到对本领域的当前贡献。当然，存在将在下文中描述并且将在所附权利要求中提出的本发明的其它特征。在该方面，在详细阐释本发明的若干实施例之前，理解的是，本发明的各种实施例不限于其应用于以下描述中提出或附图中示出的构造细节和构件布置。本发明能够有其它实施例，并且以各种方式实践和执行。另外，将理解的是，本文中使用的措词和用语出于描述目的，并且不应当认作是限制性的。

就此而言，本领域的技术人员将认识到，本公开所基于的构想可容易用作设计其它结构、方法和/或系统用于执行本发明的若干目的的基础。因此，重要的是，权利要求认作是包括此类等同的构造，在它们并未脱离本发明的精神和范围的程度上。

附图说明

本发明的公开实施例和其伴随的优点中的许多个的更完整的认识将容易获得，因为其在连同附图考虑时，通过参照以下详细描述变得更好理解，在该附图中：

图1示出了沿现有技术的多级压缩机的轴向平面的截面；

图2示出了沿根据本公开的集成的马达压缩机的旋转轴线的局部截面；

图3示出了图2的细节的放大。

具体实施方式

示例性实施例的以下详细描述参照了附图。不同图中的相同附图标记识别相同或类似的元件。此外，图不一定按比例绘制。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。

说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"或"一些实施例"意思是连同实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，在遍及说明书的各个位置出现的短语"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(多个)实施例。此外，特定特征、结构或特性可在一个或更多个实施例中以任何适合的方式组合。

图2示出了根据本公开的沿集成的马达压缩机1的轴向平面的截面。马达压缩机1包括外壳3，其具有入口歧管5和出口歧管7。入口歧管5和出口歧管7可沿马达压缩机1的轴线A-A对准，其还代表如下文所述的压缩机叶轮的旋转轴线。

在附图中公开的示例性实施例中，马达压缩机1包括两个级9A和9B。级的该数量仅经由实例，并且应当理解的是，不同数量的级可设在马达压缩机1的相同的壳3中。

各个级9A,9B包括相应的叶轮11A和11B，其支承在壳3中用于围绕轴线A-A旋转。叶轮在壳中由轴承布置支承，如将随后公开的，而不需要中心轴。马达压缩机1因此为无轴的马达压缩机。

此外，各个级9A,9B包括嵌入的马达13A,13B。各个电动机13A,13B包括马达定子15A,15B，其静止地布置在壳3中。各个电动机13A,13B还包括马达转子17A,17B。各个马达转子17A,17B约束于相应的叶轮11A,11B，与其集成地旋转，并且由相应的马达定子13A,13B包绕。

在一些实施例中，各个马达定子15A,15B包括多个环形地布置的电磁体，其均包括电绕组19，电绕组19围绕相应的铁磁芯21缠绕，形成面对相应的马达转子17A,17B的至少一个极扩张部。在一些实施例中，各个马达转子17A,17B可包括多个环形地布置的永磁体23，其面对相应马达定子15A,15B。

各个叶轮11A,11B包括多个叶片29A,29B，其围绕旋转轴线A-A布置，并且限定中间导叶31A,31B，过程气体流过该处，同时由相应的叶轮的旋转加速。各个叶片29A,29B从布置在叶轮入口处的前缘29L延伸至布置在相关叶轮的导叶31A,31B的出口处的后缘29T。

在一些实施例中，各个叶轮11A,11B还包括围绕导叶31A,31B的出口在外周布置的相应的扩散器33A,33B。

在有利实施例中，叶片29A,29B和相应的扩散器33A,33B作为围绕旋转轴线A-A的单个本体旋转。各个叶轮11A,11B的扩散器33A,33B可从相应的流动导叶31A,31B的出口朝叶轮11A,11B的外周延伸，相应的马达转子17A,17B布置在该处。

因此，扩散器33A,33B形成相关叶轮的集成部分，并且与其坚固地旋转。

因此，在图2和3中所示的实施例中，各个叶轮11A,11B包括多个叶片29A,29B、相应的扩散器33A,33B和相应的马达转子17A,17B。叶轮的这些元件或构件沿径向方向从旋转轴线A-A开始朝叶轮的外周按顺序布置，并且作为单个单元集成地旋转。

各个叶轮11A,11B可设计为旋转盘35A,35B，其可由单个整体构件形成，例如，通过铸造制成。叶片29A,29B和流导叶31A,31B以及扩散器33A,33B可在单个整体盘35A,35B中生成，例如，通过使用适合地定形的电极的放电机加工。旋转盘35A,35B因此可形成相应的叶轮11A,11B的毂和护罩。

盘的径向最外区域可收纳嵌入电动机的马达转子17A,17B。在一些实施例中，马达转子17A,17B可包括永磁体，其安装在包绕扩散器33A,33B和叶片29A,29B的外周或圆周区域上。相应的马达定子15A,15B可定位成以便沿周向包绕相应的盘35A,35B的外周或圆周区域。

因此，不同于现有技术的压缩机，扩散器与叶轮的对应叶片集成地旋转，并且不必围绕叶轮孔眼提供密封。

中间隔板37可布置在按顺序布置的叶轮11A,11B之间。隔板37静止地安装在壳3中。返回通道布置39可设在隔板37中。在一些实施例中，返回通道布置39可带叶片，即，设有沿返回通道布置39的至少中间部分延伸的静止叶片41，其继而从布置在扩散器出口的前方的返回通道入口39I朝布置在随后的叶轮11B的入口的前方的返回通道出口39O延伸。

返回通道布置39收集离开第一叶轮11A的扩散器33A的气体，并且使部分地压缩的气体朝第二叶轮11B的入口返回。

又一个返回通道布置43可设在布置在第二叶轮11B下游的又一个隔板45中。第二返回通道布置43继而可带叶片，并且设有一组静止叶片47，其沿第二返回通道布置43的至少中间部分在返回通道入口43I与返回通道出口43O之间延伸。

在图2和3中所示的示例性实施例中，马达压缩机1仅包括两个级，并且因此第二返回通道布置43并未通向又一个叶轮的入口，而是朝出口室49，出口室49与马达压缩机1的出口歧管或输送歧管7流体连通。在一些实施例中，出口室49和输送歧管7可大致同轴，即，沿轴向对准。因此，出口室49可直接地连接于输送歧管7，输送歧管7使压缩机输送侧与管路连接。出口室49因此可形成输送歧管7的延伸部。因此，压缩气体流可从返回通道布置43的出口43O直接地输送到管路中。如现有技术的压缩机中通常提供的蜗壳不是所需的。

在包括两个以上的叶轮的其它实施例中，第二返回通道布置43可与串联布置的第三叶轮的入口流体连通。另外附加的返回通道和对应的叶轮可串联地布置，以形成具有大量级的多级压缩机，不由如当前梁式压缩机中的任何转子动力考虑限制。

第一叶轮11A的入口与入口室20流体连通，进入入口歧管5的气体流过该处，并且气体从该处进入第一叶轮11A。在一些实施例中，入口歧管5和入口室20可大致同轴，即，沿轴向对准。气流因此可直接地从管路进入到第一叶轮中。入口室20可形成入口歧管5的延伸部。

入口歧管5、入口室20、出口室49和出口歧管7的布置允许马达压缩机1与管路同轴地安装，因为不需要压缩机外的驱动轴和马达。

马达压缩机1的各个叶轮11A,11B可借助于适合的轴承旋转地支承在壳3中。在一些实施例中，第一叶轮11A可由一个或更多个轴承51A,53A支承，一个或更多个轴承51A,53A可布置在布置于壳3中的叶轮11A与静止构件55之间。轴承51A和53A可具有轴向轴承功能，即，它们提供用于耐受在相应的叶轮11A上生成的轴向推力，同时后者旋转并且处理流过气流导叶31A的气体。轴承51A,53A可包括主动磁轴承、滚子轴承或它们的组合。在一些实施例中，轴承51A,53A还可具有径向轴承功能，即，它们可沿径向支承叶轮。在其它实施例中，径向支承可由围绕叶轮11A布置的马达定子15A和马达转子17A提供。在又一些实施例中，一个或两个轴承51A,53A可包括辅助径向滚子轴承，其在电动机的磁性轴承效果不足够或缺乏时支承叶轮。

在一些实施例中，第二叶轮11B可通过例如布置在叶轮11B与静止隔板37之间的相应轴承51B和53B旋转地支承。类似于轴承51A和53A，轴承51B和53B也可具有轴向轴承功能，因此支承由通过叶轮11B处理的气体生成的轴向推力。轴承51B,53B可包括主动磁轴承、滚子轴承或它们的组合。在一些实施例中，轴承51A,53A还可具有径向轴承功能，即，它们可沿径向支承叶轮11B。在其它实施例中，径向支承可由围绕叶轮11B布置的马达定子15B和马达转子17B提供。在又一些实施例中，一个或两个轴承51B,53B可包括辅助径向滚子轴承，其在电动机的磁性轴承效果不足够或缺乏时支承叶轮11B。

关于该布置，各个叶轮由相应轴承沿轴向支承，因此将轴向负载分配在多个轴承布置上。平衡鼓可省去。此外，叶轮11A和11B因此传动地支承在壳3中，而不需要如现有技术的压缩机中的中心轴向轴和相关的轴承和密封布置，例如，图1中所示的一个。

密封布置可设在各个叶轮11A,11B与支承叶轮的静止构件(即，例如隔板37和构件55)之间。在图3的示意性截面中，第一密封件57A布置在静止构件55与叶轮11A之间，并且第二密封件57B设在第二叶轮11B与隔板37之间。密封件57A和57B可围绕相应的叶轮的入口布置，并且防止或限制朝相同叶轮的入口离开相应叶轮的压缩气体的回流，因此改进各个压缩机级的效率。

叶片29A,29B的前缘29L处的叶轮入口和位于相应的扩散器33A,33B的径向外端处的叶轮出口由延伸部与彼此间隔，该延伸部超过通常提供用于现有技术的压缩机中的叶轮出口与叶轮入口之间的距离。叶轮入口与叶轮出口之间的较大距离由为旋转叶轮的集成部分的扩散器确定。相反，在现有技术的压缩机中，扩散器形成压缩机的静止构件的一部分，并且叶轮出口因此在向外布置的静止扩散器的入口上游布置在叶轮叶片的后缘处。

因此，叶轮出口与叶轮入口之间的密封较容易并且较不关键。

在未示出的另外的实施例中，附加的密封布置可除密封布置57A和57B外或作为其备选设在沿相应的旋转盘35A,35B的径向发展的不同位置，例如，在轴承53A和53B的径向外侧的位置。

迄今为止描述的集成的马达压缩机1操作如下。待处理的气流F通过入口歧管5进入马达压缩机1，流过入口室20，并且进入由此吸气的第一叶轮11A。后者通过第一嵌入电动机13A旋转，引起穿过流导叶31A和扩散器33A的气体的加速和压缩。气体接着通过第一返回通道布置39从旋转扩散器33A的出口朝第二叶轮11B的入口返回。

由第二嵌入电动机13B驱动的第二叶轮11B的旋转引起气体流过导叶31B和第二扩散器33B，气体穿过该处进一步加速和压缩，并且随后由第二返回通道布置43收集，并且沿径向向内朝出口室49返回。

设有嵌入的马达13A,13B的叶轮的使用消除了对将叶轮和相关轴承和密封布置支承在转子轴上以防止气体从压缩机的内部逸出至环境的压缩机轴的需要。

通过围绕相应的叶轮布置嵌入的电动机13A,13B，并且特别是为了沿周向包绕叶片29A和29B，导致了非常紧凑的机械布置。

此外，通过提供与相应的旋转叶轮11A,11B的叶片集成地旋转的扩散器33A和33B，实现了穿过压缩机的更稳定的流，其扩展了操作范围的低流动端处的可操作性。

尽管本文中描述的主题的公开实施例已经在附图中示出并且在上文具体并且详细地结合若干示例性实施例完整描述，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，许多改型、变化和省略是可能的，而不实质地脱离本文中提出的新颖教导、原理和构想，以及所附权利要求中叙述的主题的优点。因此，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最宽解释来确定，以便包含所有此类改型、变化和省略。此外，任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据备选实施例改变或重排。

Claims (13)

1. 一种无轴马达压缩机，包括壳和布置在所述壳中的至少一个压缩机级，各个压缩机级包括布置用于在所述壳中围绕旋转轴线旋转的相应的叶轮；其中各个叶轮与收纳在所述壳中并且包括马达定子和马达转子的嵌入的电动机组合；其中所述马达定子沿周向包绕所述叶轮，并且所述马达转子与所述叶轮集成，各个压缩机级的所述马达转子布置在相应的马达定子内。

2. 根据权利要求1所述的马达压缩机，其特征在于，所述马达压缩机包括多个压缩机级，各个级包括相应的叶轮和相应的嵌入的电动机。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的马达压缩机，其特征在于，各个叶轮包括围绕所述旋转轴线布置并且形成用于过程气体流的导叶的多个叶片，所述导叶从所述叶片的前缘延伸至后缘，并且其中所述马达定子沿径向向外布置并且至少部分地围绕所述相应叶轮的叶片布置。

4. 根据权利要求3所述的马达压缩机，其特征在于，各个叶轮的所述马达转子位于所述马达定子与所述叶片之间。

5. 根据权利要求3或权利要求4所述的马达压缩机，其特征在于，各个叶轮还包括包绕所述叶片并且与其一起旋转的扩散器布置。

6. 根据权利要求5所述的马达压缩机，其特征在于，所述扩散器布置定位在所述叶片与所述相应叶轮的马达转子之间。

7. 根据权利要求6所述的马达压缩机，其特征在于，各个压缩机级包括旋转盘，其中形成所述叶片和所述扩散器布置，所述盘具有包绕所述叶片和所述扩散器布置并且收纳所述相应的马达转子的周向区域。

8. 根据权利要求7所述的马达压缩机，其特征在于，各个马达转子包绕相应旋转盘的所述周向区域。

9. 根据权利要求7或权利要求8所述的马达压缩机，其特征在于，所述叶片和所述扩散器布置整体地形成在相应的旋转盘中。

10. 根据权利要求9所述的马达压缩机，其特征在于，所述旋转盘形成所述叶轮的毂和护罩。

11. 根据前述权利要求中任一项所述的马达压缩机，其特征在于，静止隔板布置在包括上游叶轮和下游叶轮的各对串联布置的叶轮之间，并且其中返回通道布置设在各个静止隔板中，使所述上游叶轮的出口处输送的气体朝所述下游叶轮的入口返回。

12. 根据前述权利要求中任一项所述的马达压缩机，其特征在于，各个叶轮包括布置在所述叶轮与连接于所述壳的静止构件之间的至少一个轴向轴承。

13. 根据前述权利要求中任一项所述的马达压缩机，其特征在于，各个叶轮由相关电动机沿径向支承。