具有布置成沿相反的旋转方向旋转的叶片排的多级压缩机组件的制作方法

1.本公开涉及流体的压缩，并且更具体地，涉及具有布置成沿相反的旋转方向旋转的叶片排的多级压缩机组件，并且甚至更具体地，涉及在一个非限制性应用中可以用于有效地压缩诸如氢之类的具有低分子量和低密度的气体的压缩机组件。


背景技术：

2.许多国家和行业目前将氢视为未来可持续能源基础设施的一个重要要素。氢可持续经济的发展和建立将需要解决与当前氢气压缩能力相关的技术挑战。
附图说明
3.为了容易地识别对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中的一个或多个最高位数字指该元件被首次引入时所在的图号。
4.图1是所公开的压缩机组件的一个示例实施方式的等距视图，该压缩机组件包括双旋转动力源，每个旋转动力源各自驱动具有多个小齿轮的相应齿轮箱，该多个小齿轮进而驱动压缩机组件的多个压缩级，该多个压缩级例如设置在齿轮箱的相应面上。
5.图2是局部示出了压缩机组件的多个压缩级的相应压缩级中的第一排可旋转叶片和第二排可旋转叶片的一个实施方式的截面等距视图，其中叶片排中的每排叶片均布置成相对于彼此在相反的旋转方向上旋转。
6.图3是示出了齿轮箱的一个示例实施方式的概念细节的示意图，该齿轮箱与另一个这种齿轮箱组合可以用于驱动压缩机组件中的多个压缩级。
7.图4是所公开的压缩机组件的另一个实施方式的等距视图，该压缩机组件包括单个旋转动力源。
8.图5是示出了另一示例实施方式的概念细节的示意图，该实施方式包括与旋转反向器装置连接的可以用于包括单个旋转动力源的压缩机组件中的齿轮箱。
9.图6是局部示出了布置成在相反的旋转方向上旋转的第一排可旋转叶片和第二排可旋转叶片的截面图，其中可旋转叶片排中的每排可旋转叶片具有各自的径向堆叠的排段，并且进一步示出了围绕径向堆叠的排段流动的过程流体的示例流动路径。
10.图7局部示出了布置成分别在第一轴和第二轴上沿相反的旋转方向旋转的第一排可旋转叶片和第二排可旋转叶片，其中第一排可旋转叶片设置在附加排可旋转叶片的下游且各自安装在第一轴上，并且其中第二排可旋转叶片设置在附加排可旋转叶片的上游且各自安装在第二轴上。
11.图8是所公开的压缩机组件的又一实施方式的等距视图，该压缩机组件包括相应的附加排可旋转叶片，例如设置在相应齿轮箱的相应相反的面上的附加排可旋转叶片。
具体实施方式
12.在详细解释所公开的任何实施方式之前，应当理解的是，所公开的概念在其应用中不限于以下描述中阐述的或以下附图中图示的部件的构造和布置的细节。所公开的概念能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被视为限制性的。
13.现在将参照附图对关于系统和方法的各种技术进行描述，其中相似的附图标记始终表示相似的元件。本专利文件中的以下讨论的附图以及用于描述本公开的原理的各种实施方式仅作为说明，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以以任何适当布置的设备实现。应当理解的是，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件执行。类似地，例如，元件可以构造成执行被描述为由多个元件实施的功能。将参照示例性非限制性实施方式来描述本技术的许多创新性教示。
14.应当理解的是，除非在一些示例中明确限制，否则本文中使用的词或短语应当被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其衍生词意味着包括而非限制。除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一种”和“该”也意在包括复数形式。此外，本文中使用的术语“和/或”指代并且涵盖相关联的所列项目中的一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。除非上下文另有明确指示，否则术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与......相关联”和“与此相关联”以及其衍生词可以意味着包括、被包括在......内、与......相互连接、包含、被包含在......内、连接至或与......连接、联接至或与......联接、能够与......通信、与......配合、交错、并置、接近、结合至或与......结合、具有、具有......的特性等。此外，尽管本文可能描述了多个实施方式或结构，但是关于一个实施方式所描述的任何特征、方法、步骤、部件等在没有相反的特别说明的情况下同样适用于其他实施方式。
15.此外，尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应当受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分。例如，在不偏离本公开的范围的情况下，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能或第二动作，并且类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作。
16.另外，除非上下文另有明确指示，术语“与......邻近”可以意味着元件相对接近另一元件但不与该另一元件接触、或者元件与其他部分接触。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在意指“至少部分基于”。术语“大约”或“大致上”或类似术语旨在涵盖在用于该尺寸的正常工业制造公差范围内的值的变化。如果没有可用的行业标准，除非另有说明，否则百分之二十的变化将落入这些术语的含义之内。
17.本发明人已经认识到在各种工业领域中对能够产生相对高的比功的压缩机的需求。也就是说，以成本有效的方式且具有紧凑的占用区域的压缩机有效地提高了被处理的每单位质量的过程流体在旋转轴与过程流体之间交换的比功。一个非限制性应用是压缩具有低分子量和低密度的气体比如氢或富氢流体混合物，以用于低碳能源经济中的使用或分配。所公开的实施方式利用布置成沿相反的旋转方向旋转的两排可旋转叶片，以在受到所涉及的叶片材料的结构限制的情况下提供每级更大的比功。也就是说，所公开的实施方式
有助于在中等叶尖速度下提供相对高的压力比和高的流量，并且因此不必使用相对较昂贵的金属或金属合金，否则将需要这些金属或金属合金来承受较高的叶尖速度。通过示例的方式，与在涉及低分子量气体的应用中通常产生低于1.05的压力比的已知的多级离心压缩机相比，在所公开的实施方式的各个压缩级中可以实现从1.1至1.5范围内的压力比。预期的是，所公开的实施方式可以容易地应用于涉及从8m3/s至30m3/s范围内的体积流量的应用中。通过示例的方式，在所公开的实施方式中，在不超过370m/s的叶尖速度的情况下可以产生1.5的压力比。
18.图1是所公开的压缩机组件100的一个示例实施方式的等距视图，其中旋转动力源包括分开的双旋转动力源102、104，比如可以包括相应的电动马达或相应的涡轮机。在该示例中，每个动力源连接成驱动相应的齿轮箱106、108。每个齿轮箱具有多个小齿轮110(例如，小齿轮传动装置)，该多个小齿轮110进而驱动压缩机组件100的多个压缩级112中的可旋转叶片。为了减少图1中复杂的视觉混乱，未示出压缩级之间的互连管道。还应当注意的是，图1中所示出的小齿轮的具体数目(例如，四个)和相关的压缩级的数目应当被解释为示例而非限制，因为该数目可以基于给定应用的需要进行调整。
19.在实际实施方式中可以实现的压缩级的示例范围可以是从四个压缩级到十六个压缩级，或者可以是从四个压缩级到八个压缩级。如在图1中可以理解的，通过示例的方式，压缩级112可以设置在齿轮箱106、108的相互面对的侧部(面)114上。下面的描述继续在图2的上下文中描述可以用于所公开的实施方式的相应压缩级112中的叶片布置的一个示例。
20.图2是局部地示出了压缩机组件的多个压缩级112的相应压缩级中的第一排可旋转叶片202和第二排可旋转叶片204的一个示例的截面等距视图。两排叶片202、204中的每一排叶片布置成相对于彼此在相反的旋转方向上旋转，如由箭头206示意性地指示的。各排叶片被设计成改变通过各排叶片的过程流体的流动的角动量。将理解的是，在一般情况下，叶片排可以布置成提供轴向流动、径向流动或限定经向流动的混合流动。
21.叶片排后可以设置有固定扩散器装置，以便于将输入的动能转化为过程流动的内部能量。通过示例的方式，叶片排可以包括低反作用叶片，以提高叶片效率。下面的描述继续在图3的背景下描述可以用于所公开的实施方式的齿轮箱106、108中的齿轮布置的一个示例。
22.图3是示出了齿轮箱106、108的相应齿轮箱的一个示例的概念细节的示意图，齿轮箱106、108组合起来可以用于比如在涉及双旋转动力源102、104的实施方式中驱动相应压缩级中的可旋转叶片，如上文在图1的背景下所讨论的。在该示例中，大齿轮302从旋转动力源102、104中的一个旋转动力源接收旋转动力，并且大齿轮302进而向小齿轮304(在该示例中为四个小齿轮)提供旋转动力，从而为驱动相应压缩级112中的相应排叶片提供旋转动力。
23.例如，第一齿轮箱106(图1)可以布置成将第一压缩级的第一排可旋转叶片202(图2)以可旋转的方式连接至第二压缩级的第一排可旋转叶片202，并且连接至附加压缩级的相应的附加第一排可旋转叶片，附加压缩级可以作为所公开的压缩机组件的给定实施方式的一部分。在包括四个压缩级的该示例中，这将意味着第三压缩级和第四压缩级的各自的第一排可旋转叶片。类似地，第二齿轮箱108(图1)可以布置成将第一压缩级的第二排可旋转叶片204(图2)以可旋转的方式联接至第二压缩级的第二排可旋转叶片204上，并且联接
至可以是压缩机组件的给定实施方式的一部分的附加压缩级的相应的附加第二排可旋转叶片。在包括四个压缩级的该示例中，这将意味着第三压缩级和第四压缩级的各自的第二排可旋转叶片。
24.在一个示例实施方式中，可以将轴组件布置成联接旋转动力源，以向第一齿轮箱和第二齿轮箱中的至少一者施加旋转动力。如在图1中可以理解的，在一个示例实施方式中，轴组件可以具有沿第一旋转方向旋转的用以将第一旋转动力源102联接至第一齿轮箱106的第一转子轴120，并且还可以具有沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转的用以将第二旋转动力源104联接至第二齿轮箱108的第二转子轴122。更具体地，在该示例中，第一转子轴120将连接至第一齿轮箱106中的相应大齿轮302(图3)，并且第二转子轴122将连接至第二齿轮箱108中的相应大齿轮302。
25.图4是所公开的压缩机组件的另一个示例的等距视图，其中单个旋转动力源402、比如可以包括相应的电动马达或相应的涡轮机的单个旋转动力源402联接至齿轮箱106、108中相应的一个齿轮箱，在图中该相应的一个齿轮箱为齿轮箱108。在该示例中，轴组件包括用以联接单个旋转动力源402的第一转子轴122，从而围绕第一旋转方向将旋转动力提供至齿轮箱108。如图5所示，在一个示例实施方式中，在齿轮箱106与齿轮箱108之间连接有旋转反向器装置404，并且第二转子轴406可以用于围绕与第一旋转方向相反的第二旋转方向将旋转动力从旋转反向器装置404传递至齿轮箱108，使得成排的叶片202、204中的每排叶片在压缩机组件的相应压缩级112中沿相反的旋转方向旋转(为了简化说明，图5中仅示出了两个压缩级)。
26.图6是可以用于所公开的实施方式的各个压缩级中的叶片布置的另一个示例的截面图。图6局部地示出了第一排可旋转叶片602和第二排可旋转叶片604，其中每排可旋转叶片602、604布置成在相反的旋转方向上旋转。在该示例中，第一排可旋转叶片602具有相应的径向堆叠的排段6021、6022。也就是说，在第一排可旋转叶片602中，排段6021构成径向向内的排段，并且排段6022构成径向向外的排段。类似地，在第二排可旋转叶片604中，排段6041构成径向向内的排段，并且排段6042构成径向向外的排段。与没有叶片排段的堆叠布置的等效压缩级相比，这种堆叠布置有效地增加了在给定压缩级中可能产生的压力比(大约两倍)。
27.图6进一步示出了流过相应的径向堆叠的排段的过程流体的示例流动路径(由箭头606示意性地表示)，其中可以理解的是，第一排可旋转叶片602的径向向内的排段6021流体联接至第二排可旋转叶片604的径向向内的排段6041。在该示例中，径向向内的排段6021、6041用作相对于在相应压缩级中由成排的可旋转叶片602、604所处理的过程流体的入口。
28.在图6中还可以理解的是，第二排可旋转叶片604的径向向外的排段6042流体联接至第一排可旋转叶片602的径向向外的排段6022。扩散器608布置成将径向向内的排段6021、6041流体联接至径向向外的排段6022、6042。在这种情况下，径向向外的排段6022、6042用作由成排的可旋转叶片602、604处理的过程流体的出口。
29.图7是可以用于所公开的实施方式的各个压缩级中的叶片布置的另一个示例的示意图。图7局部地示出了第一排可旋转叶片702和第二排可旋转叶片704，其中每排可旋转叶片702、704布置成在相反的旋转方向上旋转。图7还示出了安装在与第一排可旋转叶片702共用的第一轴708上的第三排可旋转叶片706。在图7中示出了流过各排可旋转叶片的过程
流体的示例性流动路径(由箭头714示意性地表示)。如图7所示，第三排可旋转叶片706相对于第一排可旋转叶片702设置在上游。
30.图7示出了第四排可旋转叶片710，第四排可旋转叶片710安装在与第二排可旋转叶片704共用的第二轴712上并且相对于第二排可旋转叶片704设置在下游。与没有相应的附加排可旋转叶片的等效压缩级相比，相应的附加排可旋转叶片与反向旋转的叶片702、704配合的这种布置有效地增加了可能在给定压缩级中产生的压力比。第一扩散器716布置成将第三排可旋转叶片706流体联接至第一排可旋转叶片702。第二扩散器718布置成将第二排可旋转叶片704流体联接至第四排可旋转叶片710。
31.图8是所公开的压缩机组件的另一个实施方式的等距视图，该压缩机组件包括相应的附加排可旋转叶片，例如设置在相应的齿轮箱108、106的相应相反的面116上的相应的附加排可旋转叶片。这种布置在概念上等同于上面在图7的背景下讨论的包括附加排可旋转叶片的叶片布置。也就是说，布置成在相反的旋转方向上旋转的各排可旋转叶片设置在齿轮箱106、108的相互面对的侧部114上(如在图1的上下文中所讨论的)，并且附加排可旋转叶片在该示例中将布置在齿轮箱106和齿轮箱108的相应的相反的面116上。
32.在操作中，所公开的实施方式有效地提供了相对高的比功、高流量的氢压缩或具有低分子量或低密度的任何其它气体。如本领域技术人员现在将理解的，所公开的实施方式对于下述应用是有效的：这些应用可以包括但不限于氢可持续经济中的氢分配系统，并且提供了缺乏这种能力的已知压缩模式、比如倾向于具有相当大的流量限制的正排量模式或者倾向于具有相当大的压力比限制的离心压缩模式的成本有效且高效的替代方案。
33.尽管已经详细描述了本公开的示例实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的最宽形式的范围的情况下，可以对本文所公开的内容做出各种改型、替代、变型和改进。
34.本技术内容中的任何描述均不应被解读为暗示任何特定的元素、步骤、动作或功能是必须包含在权利要求范围内的必要元素。专利主题的范围仅由允许的权利要求来限定。此外，除非确切的词语“用于......的装置”后面是分词，否则这些权利要求都不意在援引装置加功能的权利要求结构。

技术特征：
1.一种压缩机组件，包括：第一压缩级，所述第一压缩级包括第一排可旋转叶片和第二排可旋转叶片；第二压缩级，所述第二压缩级包括第一排可旋转叶片和第二排可旋转叶片；第一齿轮箱，所述第一齿轮箱连接成将所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片以可旋转的方式联接至所述第二压缩级的所述第一排可旋转叶片；第二齿轮箱，所述第二齿轮箱连接成将所述第一压缩级的所述第二排可旋转叶片以可旋转的方式联接至所述第二压缩级的所述第二排可旋转叶片；旋转动力源；轴组件，所述轴组件布置成联接所述旋转动力源以将旋转动力施加至所述第一齿轮箱和所述第二齿轮箱中的至少一者，其中，所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片和所述第二压缩级的所述第一排可旋转叶片布置成沿第一方向旋转，并且其中，所述第一压缩级的所述第二排叶片和所述第二压缩级的所述第二排叶片布置成沿与所述第一方向相反的第二方向旋转。2.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述旋转动力源包括第一旋转动力源和第二旋转动力源。3.根据权利要求2所述的压缩机组件，其中，所述轴组件包括用以将所述第一旋转动力源连接至所述第一齿轮箱的第一转子轴，并且其中，所述轴组件还包括用以将所述第二旋转动力源连接至所述第二齿轮箱的第二转子轴。4.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述旋转动力源包括联接至所述齿轮箱中的相应一个齿轮箱的单个旋转动力源。5.根据权利要求4所述的压缩机组件，其中，所述轴组件包括用以将所述单个旋转动力源连接至所述齿轮箱中的所述相应一个齿轮箱的第一转子轴。6.根据权利要求5所述的压缩机组件，还包括连接在所述齿轮箱中的所述相应一个齿轮箱与所述齿轮箱中的另一个齿轮箱之间的旋转反向器装置。7.根据权利要求6所述的压缩机组件，其中，所述轴组件包括用以将所述旋转反向器装置连接至所述齿轮箱中的所述另一个齿轮箱的第二转子轴。8.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片由径向向内的排段和径向向外的排段形成，并且所述第一压缩级的所述第二排可旋转叶片包括径向向内的段和径向向外的段，其中，所述第一排可旋转叶片的所述径向向内的排段流体联接至所述第二排可旋转叶片的径向向内的排段，并且所述径向向内的排段用作所述第一压缩级中的入口。9.根据权利要求8所述的压缩机组件，其中，所述第一排可旋转叶片的所述径向向外的排段流体联接至所述第二排可旋转叶片的径向向外的排段，并且所述径向向外的排段用作所述第一压缩级中的出口。10.根据权利要求8所述的压缩机组件，还包括扩散器，所述扩散器布置成将所述径向向内的排段流体联接至所述径向向外的排段。11.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述第一压缩级还包括第三排可旋转叶片，所述第三排可旋转叶片安装在与所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片共用的轴上
并且相对于所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片设置在上游。12.根据权利要求11所述的压缩机组件，其中，所述第一压缩级包括第四排可旋转叶片，所述第四排可旋转叶片安装在与所述第一压缩级的所述第二排可旋转叶片共用的轴上并且相对于所述第一压缩级的所述第二排可旋转叶片设置在下游。13.根据权利要求12所述的压缩机组件，还包括第一扩散器，所述第一扩散器布置成将所述第一压缩级的所述第三排可旋转叶片流体联接至所述第一压缩级的所述第一排可旋转叶片。14.根据权利要求13所述的压缩机组件，还包括第二扩压器，所述第二扩压器布置成将所述第一压缩级的所述第四排可旋转叶片流体联接至所述第一压缩级的所述第二排可旋转叶片。15.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述压缩级中的每个压缩级的所述第一排可旋转叶片和所述第二排可旋转叶片中的所述叶片中的每个叶片均具有低反作用力轮廓。16.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，由所述压缩机组件处理的过程流体是氢流体和富氢流体混合物中的一者。17.根据权利要求16所述的压缩机组件，具有四个至十六个压缩级。18.根据权利要求17所述的压缩机组件，具有四个至八个压缩级。19.根据权利要求16所述的压缩机组件，其中，所述过程流体的体积流量在介于8m3/s至30m3/s的范围内。20.根据权利要求16所述的压缩机组件，其中，所述第一压缩级和所述第二压缩级中的各个压缩级具有在介于1.1至1.5的范围内的压力比。21.根据权利要求20所述的压缩机组件，其中，所述第一排可旋转叶片和所述第二排可旋转叶片的叶尖速度在所述压力比为1.5时不超过370m/s。

技术总结
公开了一种多级压缩机组件。压缩机组件的级(112)中的每一级具有布置成沿相反的方向旋转的叶片排(202，204)，并且这对于在中等叶尖速度下在紧凑的占用区域中产生相对高的比功和高的流量是有效的。在一个非限制性应用中，压缩机组件可以用于压缩诸如氢之类的具有低分子量和低密度的气体。分子量和低密度的气体。分子量和低密度的气体。


技术研发人员：威廉
受保护的技术使用者：西门子能源全球有限两合公司
技术研发日：2022.02.03
技术公布日：2023/10/7