[发明专利]无润滑离心压缩机

说明书

一种紧凑型气体压缩装置，包括：a)一个或多个离心压缩机；b)高速轴流式永磁同步电机。电机和压缩机直接联接在单个轴上，并由无润滑剂的无源磁浮轴承和电动轴承支承。该设备不使用机械密封，因为转子被放置在气体的压力容器内。该设备不需要用于冷却、过滤、分离或供给润滑剂的辅助系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求于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

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

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。