Конфигурация многоступенчатой турбомашины (компрессора-детандера)

Изобретение предназначено для использования в области энергетики. Предложена турбомашина 1, содержащая корпусную конструкцию и вал, поддерживаемый в ней с возможностью вращения. Вал поддерживается с возможностью вращения первым и вторым блоками 25, 27 подшипников. В корпусной конструкции установлены первая и вторая секции компрессора 5А, 5В. Первая секция компрессора содержит первое рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним, а вторая секция компрессора содержит второе рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним. Турбомашина дополнительно содержит первый турбодетандер и второй турбодетандер 13, 15, установленные на валу с возможностью вращения вместе с ним в корпусной конструкции. Рабочие колеса турбодетандеров 13, 15 и секций компрессора 5А, 5В выполнены как единое целое с соответствующим участком вала. Участки вала размещены последовательно друг за другом, а их концы соединены друг с другом с образованием вала. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность работы турбомашины. 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее описание относится к турбомашинам. В частности, варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, относятся к выполненным за одно целое системам компрессор-детандер.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В некоторых сферах промышленного применения существует потребность в повышении давления потока газа. Динамические компрессоры, такие как, в частности, центробежные компрессоры, часто применяют для сжатия потока газа. Компрессор приводится в действие механической энергией, которую подают с помощью привода, такого как электрический двигатель. На некоторых промышленных предприятиях потоки сжатого газа необходимо расширять. Для рекуперации механической энергии расширение выполняют в детандере. В некоторых известных конфигурациях детандер и компрессор объединены в выполненную за одно целое систему компрессор-детандер, которая также может включать в себя электрическую машину. Когда механическая энергия, генерируемая детандером, уравновешена механической энергией, требуемой для приведения в действие компрессора, такая конфигурация представляет собой так называемый детандер-компрессор. Электрическая машина выполнена с возможностью работы в режиме электрического генератора, когда энергия, генерируемая детандером, превышает энергию, требуемую для приведения в действие компрессора, и избыточная механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Если энергия, генерируемая детандером, меньше энергии, требуемой для приведения в действие компрессора, электрическая машина приводится в действие в режиме двигателя для обеспечения дополнительной энергии, требуемой для приведения в действие компрессора.

[0003] Выполненный за одно целое детандер-компрессор такого типа описан, например, в US 2013/0091869.

[0004] Важным аспектом конструкции конфигураций объединенных систем компрессор-детандер является эффективная рекуперация энергии и оптимальное функционирование ступеней компрессора. Разработчики постоянно ищут пути повышения эффективности и надежности работы этих машин.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В описанных в настоящем документе вариантах осуществления предложена турбомашина, которая содержит корпусную конструкцию и вал, поддерживаемый с возможностью вращения в корпусной конструкции. Вал поддерживается с возможностью вращения по меньшей мере первым блоком подшипника и вторым блоком подшипника, выполненными с возможностью поддержания вала с возможностью вращения в корпусной конструкции. В корпусной конструкции установлены первая секция компрессора и вторая секция компрессора. Первая секция компрессора содержит первое рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним, а вторая секция компрессора содержит второе рабочее колесо компрессора, установленное на валу с возможностью вращения вместе с ним. Турбомашина также содержит первый турбодетандер и второй турбодетандер, установленные на валу с возможностью вращения вместе с ним в корпусной конструкции и выполненные с возможностью генерации механической энергии за счет расширения проходящего через них потока газа и приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора.

[0006] В очень предпочтительных вариантах осуществления турбодетандеры обеспечивают всю энергию, требуемую для приведения в действие секций компрессора, так что внешняя электрическая машина не требуется и вал может быть герметично размещен внутри корпусной конструкции. При этом не требуются прокладки или уплотнения на роторных компонентах машины для уменьшения утечек в окружающую среду. Таким образом, корпус полностью герметизирован.

[0007] В некоторых вариантах осуществления турбодетандеры расположены последовательно таким образом, что частично расширенный газ, поступающий от расположенного выше всех по потоку турбодетандера, дополнительно расширяется в расположенном ниже всех по потоку турбодетандере. Таким образом, снижение энтальпии в турбомашине разделено на две стадии. Это позволяет использовать турбомашину с ограниченными скоростями вращения. Для обеспечения более надежного функционирования рабочие колеса турбодетандеров и секций компрессора могут иметь многоступенчатую конфигурацию, а не в конфигурацию, образованную путем посадки с натягом, благодаря чему обеспечивается более безопасное функционирование даже при высоких скоростях вращения ротора. Таким образом, высокие значения номинальной мощности могут быть достигнуты без ограничений, связанных с риском ослабления соединения рабочего колеса с валом из-за действия центробежных сил. Комбинация последовательно расположенных турбодетандеров и вала, состоящего из множества участков, расположенных один за другим, позволяет создавать турбомашины с высокой номинальной мощностью, в которых допустимы значительные перепады давления в турбодетандерах. Это позволяет обеспечить эффективную рекуперацию энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0008] Описанные варианты осуществления изобретения и многие сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми чертежами, причем:

на Фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 2 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 3 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 4 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 5 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 6 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 7 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 8 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 9 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 10 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием;

на Фиг. 11 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием; и

на Фиг. 12 представлена схема дополнительного варианта осуществления турбомашины в соответствии с настоящим описанием.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0009] Турбомашина в соответствии с настоящим описанием содержит один вал, на котором установлены несколько рабочих колес. Рабочие колеса включают два рабочих колеса турбодетандера и два рабочих колеса компрессора. Турбодетандеры обеспечивают всю энергию, требуемую для приведения в действие рабочих колес компрессора, так что вращающиеся компоненты секций компрессора и турбодетандеров могут быть размещены в герметичной корпусной конструкции без необходимости вывода вращающегося вала за пределы корпуса, таким образом, отсутствует необходимость в применении уплотнений и предотвращении утечек. В некоторых вариантах осуществления вал состоит из множества участков, расположенных один за другим, таким образом, благодаря отсутствию соединения, образованного путем посадки с натягом, могут быть достигнуты более высокие скорости вращения.

[0010] На Фиг. 1 на виде в поперечном сечении вдоль плоскости сечения, содержащей ось A-A вращения турбомашины 1, представлен первый вариант осуществления турбомашины 1, имеющей конфигурацию выполненной за одно целое системы компрессор-детандер.

[0011] Турбомашина 1 содержит корпусную конструкцию 3. В контексте настоящего документа термин «корпусная конструкция» означает единый корпус, вмещающий вращающийся вал, или множество отделений, соединенных друг с другом с помощью вращающегося вала, проходящего через эти отделения. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, корпусная конструкция 3 содержит первое центральное отделение 3A и в боковые отделения 3B, 3C. Центральное отделение 3A вмещает секции компрессора турбомашины 1. Секции компрессора, имеющие общее обозначение 5, могут включать первую секцию 5А компрессора и вторую секцию 5B компрессора. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, каждая из первой секции 5A компрессора и второй секции 5B компрессора содержит одну ступень компрессора с одним рабочим колесом. Другие варианты осуществления могут включать в себя большее число секций, и/или одна секция, некоторые или все секции компрессора могут включать в себя более одного рабочего колеса.

[0012] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, первая секция 5A компрессора включает в себя рабочее колесо 7A компрессора, а вторая секция 5B компрессора включает в себя рабочее колесо 7B компрессора.

[0013] Как показано на Фиг. 1, секции 5A, 5B компрессора расположены на одной линии таким образом, что один поток газа, поступающий в расположенную выше всех по потоку секцию 5A компрессора, сжимается в ней и частично сжатый поток газа подают во вторую, расположенную ниже всех по потоку секцию 5B компрессора для дополнительного сжатия. Таким образом, корпусная конструкция 3 имеет одно впускное отверстие 9 компрессора и одно выпускное отверстие 11 компрессора.

[0014] Турбомашина 1 также содержит первый турбодетандер 13, размещенный в отделении 3B, и второй турбодетандер 15, размещенный в отделении 3C. Каждый турбодетандер 13, 15 имеет, соответственно, впускное отверстие 13.1, 15.1 для газа и выпускное отверстие 13.2, 15.2 для газа. Турбодетандер 13 содержит рабочее колесо 19 турбодетандера, а турбодетандер 15 содержит рабочее колесо 21 турбодетандера.

[0015] В предпочтительных вариантах осуществления один или оба рабочих колеса 19, 21 турбодетандера размещены в консольной конфигурации, т. е. они поддерживаются на соответствующих первом и втором концах вращающегося вала 23, который свободно выступает за пределы соответствующих блоков 25, 27 подшипников. Благодаря консольной конфигурации турбодетандеров облегчается подача потока расширенного газа. Кроме того, упрощается доступ к рабочим колесам 19, 21 турбодетандера, например, для их технического обслуживания или ремонта.

[0016] Блоки 25, 27 подшипников могут включать в себя активные магнитные подшипники. Как правило, блоки 25, 27 подшипников обеспечивают радиальную и осевую опору для вала 23. Например, каждый блок 25, 27 подшипника может содержать радиальный подшипник, соответственно, 25.1 и 27.1. По меньшей мере один из блоков 25, 27 подшипников может дополнительно содержать осевой подшипник, как показано в качестве примера позицией 25.2. В случае применения одного осевого подшипника он является двунаправленным осевым подшипником. В других вариантах осуществления каждый блок подшипника может включать в себя полуосевой подшипник, причем каждый из двух полуосевых подшипников обеспечивает осевую опору только в одном направлении.

[0017] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, турбодетандеры 13, 15 представляют собой центростремительные турбодетандеры, т. е. поток газа поступает на соответствующее рабочее колесо в радиальном направлении из впускного отверстия рабочего колеса и выходит из рабочего колеса в осевом направлении в выпускное отверстие рабочего колеса. Впускные отверстия рабочих колес 19, 21 турбодетандера показаны, соответственно, позициями 19.1 и 21.1, а выпускные отверстия рабочего колеса турбодетандера показаны, соответственно, позициями 19.2 и 21.2. Газ протекает в радиальном направлении вовнутрь от впускного отверстия по направлению к оси A-A вращения и отклоняется рабочим колесом в по существу осевом направлении на выходе турбодетандера. Регулируемые входные направляющие лопасти (IGV), схематически показанные позициями 13.5 и 15.5, могут быть установлены между соответствующей впускной камерой 13.4 и 15.4 и рабочим колесом 19, 21 турбодетандера. Регулируемые входные направляющие лопасти повышают гибкость турбомашины, поскольку угол отклонения потока газа, поступающего на соответствующее рабочее колесо 19, 21 турбодетандера, может быть адаптирован в зависимости от условий эксплуатации, в частности от скорости вращения турбомашины.

[0018] Турбомашина 1 может иметь многоступенчатую конфигурацию, в которой оба рабочих колеса 19, 21 турбодетандера и оба рабочих колеса 7A, 7B компрессора составляют единое целое с соответствующим участком вала 23, а участки вала размещены последовательно друг за другом с образованием вала 23. Более конкретно, как показано на Фиг. 1, вал 23 включает в себя шесть участков вала, обозначенных 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5 и 23.6. Участок 23.1 вала составляет единое целое с рабочим колесом 19 турбодетандера. Участок 23.2 вала проходит через первый блок 25 подшипника и соединен с возможностью вращения на одном конце с первым участком 23.1 вала, а на противоположном конце — с первым концом третьего участка 23.3 вала. Третий участок вала составляет единое целое с первым рабочим колесом 7А компрессора. Второй конец третьего участка 23.3 вала соединен с возможностью вращения с первым концом четвертого участка 23.4 вала, который, в свою очередь, составляет единое целое со вторым рабочим колесом 7B компрессора. Второй конец четвертого участка 23.3 вала соединен с возможностью вращения с первым концом пятого участка 23.5 вала, который проходит через второй блок 27 подшипника. Второй конец пятого участка 23.5 вала соединен с возможностью вращения с шестым участком 23.6 вала, который составляет единое целое с рабочим колесом 21 турбодетандера.

[0019] За счет образования каждого рабочего колеса за единое целое, т. е. монолитно, с соответствующим участком вала, получают ротор турбомашины, способный вращаться с более высокими скоростями вращения, чем ротор, в котором рабочие колеса установлены путем посадки с натягом.

[0020] Каждые два из присоединенных с возможностью вращения участков валов соединены друг с другом с помощью стяжной шпильки и пары взаимозацепляющихся передних зубьев, например, с помощью соединения с V-образными зубьями, содержащего конусовидные зубья, которые зацепляются друг с другом на торцевых гранях каждого из двух взаимозацепляющихся участков вала. Стяжные шпильки, соединяющие различные участки вала, схематически показаны позициями 31.1, 31.2 и 31.3.

[0021] Различные секции турбодетандера и компрессора турбомашины 1 могут быть соединены по текучей среде в соответствии с различными конфигурациями. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 2 схематически показана первая конфигурация гидравлических соединений. В этом варианте осуществления турбодетандеры 13, 15 расположены последовательно таким образом, что поток сжатого газа частично расширяется в первом турбодетандере 13, а затем дополнительно расширяется во втором турбодетандере 15. Выпускное отверстие 13.2 для газа первого турбодетандера 13 соединено по текучей среде с впускным отверстием 15.1 для газа второго турбодетандера 15. Такая конфигурация является особенно предпочтительной, поскольку снижение энтальпии разделено на два последовательно расположенных турбодетандера 13, 15 и можно поддерживать более низкие значения скорости вращения вала 23.

[0022] Секции 5A, 5B компрессора также расположены один за другим, т. е. последовательно, так что один и тот же поток газа последовательно обрабатывается в первой секции 5A компрессора и во второй секции 5B компрессора.

[0023] В других вариантах осуществления турбодетандеры 13, 15 могут быть расположены параллельно, а не последовательно. Это может быть предпочтительным, например, если перепад давления газа, расширенного в турбодетандерах, относительно невелик, но расход газа является высоким. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 3 схематически показан вариант осуществления с параллельно расположенными турбодетандерами 13, 15. Для обозначения одинаковых деталей или компонентов на Фиг. 3 используются те же самые номера позиций, что и на Фиг. 1. В конфигурации, представленной на Фиг. 3, поток сжатого газа, подлежащий расширению, в турбодетандерах 13, 15 разделяется на два частичных потока, которые расширяются в двух турбодетандерах 13, 15, расположенных параллельно. Секции 5A, 5B компрессора, представленные на Фиг. 3, расположены последовательно, как показано на Фиг. 1 и 2.

[0024] В некоторых вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут иметь промежуточное охлаждение. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 4 схематически показана турбомашина 1 с компрессором с промежуточным охлаждением. Одинаковые номера позиций обозначают те же элементы, детали или компоненты, которые уже описаны со ссылкой на Фиг. 1. В варианте осуществления, схематически показанном на Фиг. 4, корпусная конструкция 3 содержит первое впускное отверстие 9А компрессора, соединенное по текучей среде с первой секцией 5А компрессора. Частично сжатый газ подают со стороны нагнетания первой секции 5A компрессора через первое выпускное отверстие 11A компрессора, которое соединено по текучей среде со стороной впуска теплообменника промежуточного охладителя, имеющего общее обозначение 12. Выходная сторона теплообменника соединена по текучей среде со вторым впускным отверстием 9B для газа, через которое частично сжатый и охлажденный газ подают во вторую секцию 5B компрессора. Корпусная конструкция также содержит второе выпускное отверстие 11B компрессора, через которое подают сжатый газ.

[0025] Турбодетандеры 13, 15 турбомашины 1, представленной на Фиг. 4, могут быть расположены последовательно или параллельно в соответствии с любой из описанных выше конфигураций систем.

[0026] Хотя на схеме, представленной на Фиг. 4, секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно, в других вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут быть расположены параллельно.

[0027] Секции компрессора и турбодетандера турбомашины 1 могут быть расположены в соответствии с другими возможными конфигурациями, некоторые из которых описаны в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 5–12. Основные компоненты турбомашины 1, показанные на Фиг. 5–12, обозначены теми же номерами позиций, которые были использованы на Фиг. 1. Различные компоненты машины могут быть сконфигурированы так, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1, если в приведенном ниже описании не указано иное.

[0028] На Фиг. 5 представлена схема дополнительной конфигурации турбомашины 1, в которой две секции 5A, 5B компрессора расположены параллельно. Поток газа, подлежащего сжатию, разделяют на два частичных потока, которые подают на сторону всасывания двух секций 5A, 5B компрессора через первое и второе впускные отверстия 9A, 9B компрессора. Каждая секция 5A, 5B компрессора соединена по текучей среде с соответствующим выпускным отверстием 11A, 11B компрессора. Аналогично показанному на Фиг. 1–4, в варианте осуществления, представленном на Фиг. 5, секции 5A, 5B компрессора также имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно двумя блоками 25 и 27 подшипников. Турбодетандеры расположены на наружных сторонах турбомашины, причем соответствующие рабочие колеса турбодетандеров в консольной конфигурации, как подробно показано на Фиг. 1, поддерживаются на свободных концах вала 23, которые проходят за пределы блоков 25, 27 подшипников. На схеме, представленной на Фиг. 5, секции 5A, 5B компрессора расположены с конфигурацией «задняя часть к задней части», т. е. две стороны нагнетания (выпускные отверстия 11A, 11B компрессора) секций 5A, 5B компрессора обращены друг к другу и расположены между сторонами всасывания (впускными отверстиями 9A, 9B компрессора) секций компрессора.

[0029] На Фиг. 6 представлена конфигурация, которая отличается от конфигурации, показанной на Фиг. 5, системой 40 герметизации, расположенной между двумя секциями 5A, 5B компрессора. Таким образом, две секции 5A, 5B компрессора выполнены с возможностью обработки различных потоков газа, подаваемых отдельно друг от друга. В качестве примера секции 5A, 5B компрессора имеют обратное расположение по сравнению с расположением, показанным на Фиг. 5, т. е. стороны всасывания (впускные отверстия 9A, 9B компрессора) обращены друг к другу, а стороны нагнетания (выпускные отверстия 11A, 11B компрессора) обращены в направлении друг от друга. Секции 5A, 5B компрессора опять же имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, в то время как турбодетандеры 13, 15 имеют консольную конфигурацию, причем соответствующие рабочие колеса поддерживаются концами вала, консольно выступая за пределы соответствующих блоков 25, 27 подшипников.

[0030] В продолжение ссылок на Фиг. 1–6 на Фиг. 7 показана дополнительная конфигурация турбомашины 1 в соответствии с настоящим изобретением. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или эквивалентные детали, которые уже описаны выше. Турбомашина 1, показанная на Фиг. 7, содержит две секции 5A, 5B компрессора, которые могут быть расположены передней частью к передней части или задней частью к задней части и между подшипниками. На Фиг. 7 показана конфигурация «передняя часть к передней части», но секции компрессора могут быть расположены задней частью к задней части, как показано на Фиг. 5, с промежуточной системой 40 герметизации или без нее. В конфигурации, показанной на Фиг. 7, секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно. Поток газа, обрабатываемый с помощью компрессора 5, всасывается первой секцией 5A компрессора через первое впускное отверстие 9A компрессора и подается через первое выпускное отверстие 11 компрессора. В примере осуществления, показанном на Фиг. 7, первое выпускное отверстие 11A компрессора соединено по текучей среде со вторым впускным отверстием 9B компрессора посредством промежуточного охладителя, который опять же обозначен позицией 12. Газ, имеющий конечное давление, подают через второе выпускное отверстие 11B компрессора. Первый и второй турбодетандеры 13, 15 могут иметь консольную конфигурацию расположения, причем соответствующие рабочие колеса турбодетандеров консольно поддерживаются на концах вала 23, который консольно выступает из систем 25, 27 подшипников. Два турбодетандера 13, 15 могут быть расположены последовательно, причем компонент, обеспечивающий подачу к первому турбодетандеру 13, соединен по текучей среде с впускным отверстием второго турбодетандера 15, так что поток сжатого газа последовательно расширяется в два этапа.

[0031] На Фиг. 8 показана та же система, что и на Фиг. 7, но в данном случае турбодетандеры 13, 15 имеют параллельную конфигурацию взаимного расположения.

[0032] В описанных выше вариантах осуществления турбодетандеры расположены по бокам турбомашины 1, а секции 5A, 5B компрессора расположены между подшипниками на промежуточном участке турбомашины. Эта конфигурация особенно предпочтительна как в отношении доступности компонентов турбодетандера, так и в отношении динамической эффективности текучей среды. По существу с одной стороны, облегчается доступ к рабочим колесам 19, 21 турбодетандеров. Кроме того, облегчается доступ к регулируемым входным направляющим лопастям 13.5 и 15.5 и соответствующим исполнительным механизмам. С другой стороны, поскольку рабочие колеса 19, 21 турбодетандеров обычно представляют собой центростремительные рабочие колеса, обеспечение выходного потока отходящего (расширенного) газа упрощается, если имеется свободное пространство в осевом направлении со стороны подачи рабочего колеса. Для отклонения направления потока не требуются дополнительные диффузоры. Динамические потери текучей среды сводятся к минимуму.

[0033] Однако в менее предпочтительных в настоящее время вариантах осуществления может быть применена и другая система из турбодетандеров и секций компрессора. В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 9 показан вариант осуществления, в котором секции 5A, 5B компрессора расположены на терминальных концах турбомашины 1, а турбодетандеры 13, 15 имеют конфигурацию с расположением между подшипниками в центральной зоне турбомашины 1 между секциями 5A, 5B компрессора. Газ, обрабатываемый в секциях 5A, 5B компрессора, поступает в турбомашину 1 через первое впускное отверстие 9A компрессора и частично сжимается первой секцией 5A компрессора, из которой частично сжатый газ через первое выпускное отверстие 11А компрессора подают по направлению ко второму впускному отверстию 9В компрессора. Газ, поступающий во второе впускное отверстие 9B компрессора, дополнительно сжимают во второй секции 5B компрессора и подают через второе выпускное отверстие 11B компрессора. Между первым выпускным отверстием 11A компрессора и вторым впускным отверстием 9B компрессора может быть установлен промежуточный охладитель 12 для отвода тепла от частично сжатого газа до того, как он будет дополнительно сжат во второй секции 5B компрессора.

[0034] Рабочие колеса 7A, 7B компрессора могут опираться в консольной конфигурации на концы вала 23, которые консольно выступают за пределы первого и второго блоков 25, 27 подшипников.

[0035] Рабочие колеса 19, 21 турбодетандера могут иметь конфигурацию с расположением между подшипниками на центральном участке вала 23 между блоками 25, 27 подшипников. Два турбодетандера 13, 15 могут быть расположены последовательно или параллельно, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1–8.

[0036] В продолжение ссылок на Фиг. 1–9 на Фиг. 10 показан дополнительный вариант осуществления. Турбомашина 1, показанная на Фиг. 10, также содержит первый и второй турбодетандеры 13, 15, первую и вторую секции 5A, 5B компрессора и общий вал 23, поддерживаемый с возможностью вращения в корпусной конструкции 3 (не показана на Фиг. 10). Вал 23 может представлять собой вал, состоящий из множества участков, расположенных один за другим, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1. Такая многоступенчатая конфигурация предпочтительно может быть использована и в вариантах осуществления, представленных на Фиг. 2–9.

[0037] В отличие от показанного на Фиг. 1–9 на Фиг. 10 показано, что как рабочие колеса 7A, 7B компрессора, так и турбодетандеры 19, 21 имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, поскольку как секции 5A, 5B компрессора, так и турбодетандеры 13, 15 расположены между блоками 25, 27 подшипников.

[0038] Соединение по текучей среде между секциями 5A, 5B компрессора может быть обеспечено таким образом, чтобы секции 5A, 5B компрессора были расположены последовательно или параллельно. Кроме того, хотя на схеме, показанной на Фиг. 10, секции 5A, 5B компрессора показаны в конфигурации с расположением на одной линии, в других вариантах осуществления секции 5A, 5B компрессора могут быть расположены, например, передней частью к передней части или задней частью к задней части, как показано на Фиг. 5 или 6. Любая из указанных различных конфигураций может быть предпочтительной в зависимости от различных факторов. В частности, конфигурация «передняя часть к передней части» или «задняя часть к задней части» может быть более предпочтительной в отношении уравновешивания гидравлического давления, поскольку усилия в осевом направлении, создаваемые во время работы двумя рабочими колесами компрессора на валу 23, ориентированы в противоположных направлениях и, таким образом, по меньшей мере частично уравновешены. Конфигурация с расположением на одной линии может быть предпочтительной в отношении упрощения обеспечения каналов для потока, как видно из Фиг. 1. Если промежуточное охлаждение не требуется, конфигурация с расположением на одной линии может позволить устранить необходимость в обеспечении двойных впускных и выпускных патрубков в корпусе.

[0039] Хотя на Фиг. 10 показано, что секции 5A, 5B компрессора расположены смежно друг с другом и, аналогичным образом, турбодетандеры 13, 15 расположены с конфигурацией «задняя часть к задней части» один рядом с другим, возможны и другие конфигурации, когда секции компрессора и турбодетандеры располагают в конфигурации с перемежением, т. е. одну секцию компрессора располагают между двумя турбодетандерами. Кроме того, турбодетандеры могут быть расположены на одной линии, а не в конфигурации «задняя часть к задней части».

[0040] В продолжение ссылок на Фиг. 1–10 на Фиг. 11 представлен еще один дополнительный вариант осуществления турбомашины 1. В этом варианте осуществления второй турбодетандер 15 и первая секция 5A компрессора имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно между блоками 25, 27 подшипников. Первый турбодетандер 13 расположен в консольной конфигурации на одном конце вала 23, который консольно выступает за пределы блока 25 подшипника, а вторая секция 5B компрессора расположена в консольной конфигурации на другом конце вала 23, который консольно выступает за пределы блока 27 подшипника. В качестве примера два турбодетандера 13, 15 расположены последовательно. В других вариантах осуществления турбодетандеры 13, 15 могут быть расположены параллельно. Секции 5A, 5B компрессора могут работать параллельно или последовательно с промежуточным охлаждением или без него.

[0041] И наконец, в продолжение ссылок на Фиг. 1–11 на Фиг. 12 показан еще один дополнительный вариант осуществления турбомашины 1 в соответствии с настоящим описанием. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 12, отличается от варианта осуществления, показанного на Фиг. 11, главным образом тем, что турбодетандеры 13, 15 расположены параллельно. Секции 5A, 5B компрессора расположены последовательно с промежуточным охладителем 12 между ними.

[0042] Во всех вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, вал может поддерживаться двумя радиальными подшипниками и одним или двумя упорными подшипниками. В частности, в случае применения двух упорных подшипников можно использовать так называемые половинные упорные подшипники, каждый из которых обеспечивает упор для оси только в одном направлении. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления могут применять два блока подшипников: каждый блок подшипника выполняет функцию радиального подшипника, и оба указанных блока также выполняют функцию осевого подшипника (упорного подшипника), однако каждый из них — только в одном направлении. В других вариантах осуществления каждый блок подшипника выполняет функцию радиального подшипника, и лишь один из них выполняет функцию упорного подшипника (осевого подшипника) в обоих направлениях.

[0043] В предпочтительных вариантах осуществления каждый блок подшипника может содержать один или более активных магнитных подшипников.

[0044] Хотя настоящее изобретение описано применительно к различным конкретным вариантам осуществления, для специалистов в данной области будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и исключения без отступления от сущности и объема формулы изобретения. Кроме того, если не указано иное, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа можно варьировать или переупорядочивать в соответствии с альтернативными вариантами осуществления. В частности, в каждой из описанных выше конфигураций две секции компрессора могут быть расположены либо последовательно, либо параллельно, если не указано иное. Кроме того, два турбодетандера альтернативно могут работать последовательно или параллельно, если не указано иное.

1. Турбомашина, содержащая:

корпусную конструкцию;

вал, поддерживаемый с возможностью вращения в указанной корпусной конструкции;

по меньшей мере первый блок подшипника и второй блок подшипника, выполненные с возможностью поддержания вала с возможностью вращения в корпусной конструкции;

первую секцию компрессора и вторую секцию компрессора в указанной корпусной конструкции, причем первая секция компрессора содержит по меньшей мере первое рабочее колесо компрессора, установленное на указанном валу с возможностью вращения вместе с ним, а вторая секция компрессора содержит по меньшей мере второе рабочее колесо компрессора, установленное на указанном валу с возможностью вращения вместе с ним; и

первый турбодетандер и второй турбодетандер, установленные на валу с возможностью вращения вместе с ним в указанной корпусной конструкции и выполненные с возможностью генерации механической энергии за счет расширения проходящего через них потока газа и приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора,

причем рабочие колеса турбодетандеров и секций компрессора выполнены как единое целое с соответствующим участком вала, и эти участки вала размещены последовательно друг за другом, а их соответствующие концы соединены друг с другом с образованием указанного вала.

2. Турбомашина по п. 1, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер выполнены с возможностью генерации всей механической энергии, требуемой для приведения в действие первой секции компрессора и второй секции компрессора.

3. Турбомашина по п. 1 или 2, в которой первый турбодетандер расположен в консольной конфигурации на первом конце вала.

4. Турбомашина по п. 3, в которой второй турбодетандер расположен в консольной конфигурации на втором конце вала.

5. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первая секция компрессора и вторая секция компрессора имеют конфигурацию с расположением между подшипниками, а именно между первым блоком подшипника и вторым блоком подшипника.

6. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой указанный вал представляет собой вал, состоящий из множества участков, расположенных один за другим.

7. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первый турбодетандер представляет собой центростремительный турбодетандер.

8. Турбомашина по п. 7, в которой второй турбодетандер представляет собой центростремительный турбодетандер.

9. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер расположены последовательно, причем выпускное отверстие одного из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера соединено по текучей среде с впускным отверстием другого из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера, так что в процессе работы поток газа сначала частично расширяется в одном из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера, а затем дополнительно расширяется в другом из указанного первого турбодетандера и второго турбодетандера.

10. Турбомашина по любому из пп. 1-8, в которой первый турбодетандер и второй турбодетандер расположены параллельно таким образом, что в процессе работы поток сжатого газа разделяют и подают частично в первый турбодетандер и частично во второй турбодетандер для его расширения в них.

11. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой первая секция компрессора и второй компрессор расположены последовательно.

12. Турбомашина по п. 11, в которой промежуточный охладитель расположен между первой секцией компрессора и второй секцией компрессора.

13. Турбомашина по любому из пп. 1-10, в которой первая секция компрессора и вторая секция компрессора расположены параллельно.

14. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой вал герметично размещен в корпусной конструкции.

15. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой корпусная конструкция содержит отдельные отделения корпуса для каждого из указанных первого турбодетандера, второго турбодетандера, первой секции компрессора и второй секции компрессора, причем отделения корпуса отделены друг от друга системами герметизации вдоль вала.

16. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один из указанного первого блока подшипника и указанного второго блока подшипника содержит активный магнитный подшипник.

17. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой каждый из указанного первого блока подшипника и второго блока подшипника содержит соответствующий половинный упорный подшипник.

18. Турбомашина по любому из предшествующих пунктов, в которой концы упомянутых участков вала соединены друг с другом с помощью стяжной шпильки и взаимозацепляющихся зубьев на торцевых гранях каждого из двух взаимосоединяемых участков вала.