阅读说明：本技术 超音速超高压二氧化碳压缩机机组 (Supersonic speed super-pressure carbon-dioxide gas compressor unit ) 是由 何备荒 魏宗胜 魏绍峻 宋赞 罗幼如 罗志 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超音速超高压二氧化碳压缩机机组,属于激波压缩领域。本发明针对现有技术存在的三项技术难题,主要解决两级压缩出口压力不能达到50MPa的缺陷,并在此基础上进一步解决超高压级起动期间用回流到压缩机进口,造成的能量浪费以及超高压力、超高转速转子的轴向力平衡和轴承型式。本发明采用三级超音速激波压缩,两组第二级向一组第三级供气,压缩机起动期间无需回流。因超音速压缩单级压比大,第一级和第二级的排气温度很高,设置換热器,避免后一级进气中的音速增高,不能产生激波的问题。本发明可促进低成本、超高压二氧化碳压缩机在《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》的工业化应用。(The invention discloses a kind of supersonic speed super-pressure carbon-dioxide gas compressor units, belong to shock wave compression field.The present invention is directed to three technology problem of the existing technology, the defect of 50MPa cannot be reached by mainly solving two stages of compression outlet pressure, and further solve superelevation on this basis and arbitrarily downgrade during starting with flowing back into compressor inlet, caused by energy dissipation and hyperpressure, the axial force balance of ultrahigh rotating speed rotor and bearing type.The present invention uses three-level supersonic speed shock wave compression, and two groups of second level are supplied to one group of third level, without reflux during compressor start.Because supersonic compression single-stage pressure ratio is big, the delivery temperature of the first order and the second level is very high, and heat exchanger is arranged, avoids the velocity of sound in rear stage air inlet from increasing, cannot lead to the problem of shock wave.The present invention can promote low cost, super-pressure carbon-dioxide gas compressor " carbon capture with seal up for safekeeping " and " raising oil recovery factor " industrial applications.)

超音速超高压二氧化碳压缩机机组

技术领域

本发明渉及超音速压缩机，具体涉及一种应用激波压缩技术的超高压二氧化碳压缩机。

背景技术

中国的能源特色是以煤为主，二氧化碳气体的年排放总量已居世界第二位，必须加快实施“碳捕集与封存”技术(简称CCS技术Carbon dioxide Capture and Storage)的步伐，以期实现温室气体的大幅减排。洁净的空气是人类赖以生存的自然环境。

2017年中国石油对外依存度升至67.4％，石油安全问题关系到我国的经济、军事的安危。对策之一是“提高原油采收率”技术(简称EOR技术Enhanced Oil Recovery)，我国目前的EOR技术主要用多级离心泵串联注入高压或超高压水驱油。由于我国面临着愈来愈严峻的水问题，很多油田又分布在缺水的沙漠地区，注水驱油的H₂O-EOR技术受到限制。

美国上世纪八十年代就开始了“CO₂-EOR”的研究和工业化应用。随着油田开采的进行，油藏压力在不断降低，为了采油生产的正常进行，必须维持油藏的压力。美国上世纪50年代以前，用高压注水泵向地壳灌注高压水，保持地层压力，用20～40MPa的高压水驱油。美国后来用二氧化碳驱油成为提高采收率的重要方法。据“Gerald L.Boner,DavidP.Gall，EOR应用中CO₂的压缩[J].国外油田工程,2003,(6),5-6”，油层中注入27.6～41.4MPa的CO₂溶于油后，使原油体积膨胀，黏度降低，油水界面张力降低，大大增加了采油速度。但大流量高压CO₂往复压缩机，价格昂贵，占用空间大，湿二氧化碳气体又含H₂S有腐蚀性，压缩机寿命不长。现有离心式CO₂压缩机出口压力最高15MPa，多变效率低，不能满足“CO₂-EOR”项目对50MPa超高压CO₂压缩机的需求。

本世纪初，美国一家小型高科技公司Ramgen公司借鉴超音速战斗机进气道激波压缩空气的原理发明的“超音速压缩机”，突破了当今离心压缩机理论规定的进气最大马赫数(气速与音速之比)不得超过0.90的基本准则，反而将进气的相对马赫数提高到2左右，利用激波来压缩气体，单级压比从1.6～1.8剧增到10，相同压差压缩机的级数从12级减为两级，压缩效率有所提高，制造成本大降。这是对传统离心压缩机理论颠覆性的创新，如用于CO₂气体压缩，可满足《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》项目对高压比、低成本CO₂气体压缩机的急需。

为了占领中国市场，Ramgen公司和美国通用电气公司先后向我国申请了一批有关超音速压缩机的专利。为了便于准确理解这项崭新技术，将分散在美、中专利和技术资料上的精华，以下整理出“激波压缩的核心要点”。

见本说明书附图1转子示意图(Ramgen公司US 7,334“超音速压缩机”专利的图6)和附图2转子气体流道及旁路回流示意图(拉姆金公司CN 101,918,719B“起动超音速压缩机的方法和装置”发明专利的图1)。

如附图1所示，转子1是一个空心圆盘，在圆盘的轮缘(rim)的外表面有三片螺旋形隔板(strake)2，从圆盘的进气侧端面，以5°～10°的斜角，斜伸到圆盘的排气侧端面。按圆周上的角度：每片隔板为160度，进气端隔板的头部与排气端隔板的尾部相距40度，在此区间圆盘的轮缘上，布置压缩斜面(compression ramp)4和亚音速扩压器(subsonicdiffuser)5。

如附图2所示，圆盘两侧的隔板(图2不便表示，见附图1的件号2)的内表面、转子轮缘3的外表面和机壳6的内表面，形成矩形断面的空腔，作为在圆周方向上均布的三段气体通道。

前后隔板的头部相距120度是敞开的，无隔板挡住，作为气体的进入口(在进气端)和排出口(在排气端)，圆盘进气端旁边设置一圈静止的进口导叶，将轴向进气转90度变成圆周方向后进入气体通道。排出口的气流经机壳上的通道进入蜗壳，将部分动能变成压力能。

如说明书附图2转子气体通道图所示，转子的外圆上有三段气体通道，每段通道占据120度，分为收缩段1和扩张段8。机壳5的内表面为圆筒形，收缩段1的截面积逐步缩小，扩张段8的截面积逐步扩大，两段交接处截面积最小，此处称为喉部4。

因收缩段1的横截面逐步缩小，气速逐步升高，而转子轮缘3向外倾斜，半径突然变大，切向圆周速度突然增高。因气流方向与转子转向相反，气流与转子的相对速度是气速与压缩斜面切向速度的矢量和。当气流的相对速度超过此处气体状态下的音速时，压缩斜面处产生斜激波束(oblique shock system)2，对气流进行激波压缩，气流压力急剧增高，温度急剧升高。

气流经过喉部4进入气体通道的扩张段8后，气速逐步减慢，又因为气体温度急剧升高，气体中的音速也大幅度升高，气流相对速度与音速的比值(相对马赫数)小于1，气流速度转变为亚音速，气流的部分动能又转变为压力能，气体的排出压力进一步升高。

根据激波压缩的上述基本原理，超音速压缩机的气流方向应与转子转向相反，使气流与转子的相对速度是气流速度与转子圆周速度的矢量和(因两者不在同一条直线上，矢量和略小于代数和)。如果气流方向与转子转向相同，气流与转子的相对速度就是两者的矢量差，使气流相对速度减慢，可能影响到气流相对速度是否能达到或超过压缩斜面处气体状态下的音速。

关于气体作用在转子上的轴向力：转子的外圆上气体通道内部，隔板内侧面受到的气体压力是自平衡的，但转子排气端，隔板外侧面受到的气体轴向力，是转子外侧面的受力面积乘以排气压力；转子进气端，隔板外侧面受到的气体轴向力，是转子外侧面的受力面积乘以进气压力；两者之差即为气体作用在转子上的轴向力。

超音速压缩机的美国专利和中国专利主要由美国Ramgen公司和通用电气公司(简称GE)所有。

目前超音速压缩机技术面临三大技术难题待解决：

一是如何实现超音速压缩机的出口压力达到50MPa；

二是起动超音速压缩机的方法和装置；

三是超高压力、超高转速转子的轴向力平衡和轴承型式。

Ramgen公司“超音速压缩机”专利US 7,334,990，2008.2.26授权，图16，将两个转子并联在一根轴上，两个转子的轴向力得到平衡，减轻每分钟数万转的轴承负荷。两个完全相同的转子并联在同一根轴上，流量加倍，但压缩机为一级压缩，压比有限，完全不能满足“CCS”和“CO₂-EOR”项目的要求。另一个缺陷是，因轴伸处要联接驱动机，压缩机的进气从两个径向接管进入，转子进气分布不均，效率有所降低。

拉姆金公司的中国专利“超音速压缩机”CN 102,865,234A，2013.1.9公布，说明书末页图34，增加了两级超音速压缩机简图，但存在缺陷：

1.因第一级408的压比很大，排气温度很高，气体中的音速随之升高，如果第二级414气流与转子的相对速度与音速之比值，即相对马赫数小于1，就不能产生激波，不具备出现激波压缩的条件。可见第一级的出口应设置换热器。

2.两个转子受到气体的轴向力方向相同，都是指向增速齿轮箱404，轴向力之和很大，要由齿轮箱的小齿轮轴上的推力轴承来承受，而小齿轮轴的转速高达数万RPM，增加了超高速、重负荷推力轴承选型的难度。

上述中国专利图34在拉姆金公司的美国专利US 7,334,990超音速压缩机和US 7,293,955超音速气体压缩机中都不存在，似乎有误导中国仿制者之嫌。

GE公司“超音速压缩机”中国发明专利CN 101,813,094B，2013.8.14授权,权利要求1：....至少两个反向旋转的超音速压缩机转子配置成串联。(这表示两级压缩)。

权利要求2：....第一和第二超音速压缩机转子本质上相同，具有相同的形状、重量和直径，有相同类型和相同数量的轮缘表面特征，....彼此呈镜像。

如果要使第一级转子出口气流方向与第二级转子压缩斜面220处的圆周速度方向相反，两级转子之间就需增加笫二级的进口导叶，使笫一级的排气转180度进入笫二级，但此专利说明书附图1上未表示出第二级的进口导叶。

GE公司发明人以为两级转子反转，第二级转子的相对速度与第一级转子的相对速度可以相加，因此，只好将两个转子的尺寸设计成完全相同。

第二级转子200压缩斜面220处的圆周速度是由该级转子压缩斜面220处的半径和转速决定的，与第一级转子100无关，并非反转的两个转子相撞；并且，气体在两级转子流道中的流动，好比高速公路上相对行驶的汽车，各行其道，不会相撞。

两级转子气体的重量流量相同，GE说明书上，将第一级的压比取得较小，压比是5，计入第一级排气温度升高，第二级进气的体积流量只有第一级的1/3.41，因两个转子的尺寸相同，气流速度就只有第一级的1/3.41。

为什么超音速压缩机的级间必须设置气体换热器，关于气体中的音速计算：

C＝(k.R.T/M)^0.5

式中：C一音速，m/s；

k一气体的绝热指数，或称比热比Cp/Cv；

R一气体常数；

T一绝对温度，K；

M一气体的分子量。

CO₂气体的绝热指数k＝1.29，分子量M＝44，标准状态(1bar.A，20℃)的音速C＝268.2m/s。

常规离心压缩机一级叶轮的压比1.5左右，压缩后气体温升有限，只能设置段间冷却器，压缩热进入冷却水，经循环水凉水塔将压缩热排到大气中。而超音速CO₂压缩机一级叶轮的压比10左右，还可达到18，压缩后气体出口温度248℃至328℃，因此传热温差很大，换热器传热面积可以减小，级间设置气体换热器，回收压缩热用于锅炉给水预热等工业生产中的液体加热。

更为关键的是，如级间无换热器，后级的进气温度高，气体中的音速大幅度上升，如果气速与转子压缩斜面的相对速度低于音速，即相对马赫数小于1，就不能产生激波，不具备实现激波压缩的条件。

从上式可知，气体中的音速与气体绝对温度的平方根成正比，因同一气体的绝热指数和气体常数变化小。例如，出口温度255℃的CO₂气不降温就进入下一级转子，温度(273+255＝528)K的CO₂气的音速C＝(528÷293)^0.5×268.2＝360m/s。如出口的CO₂气用来加热工业生产中的液体后，温度降为60℃，CO₂气的音速将降低，C＝(333÷293)^0.5×268.2＝285.9m/s，即音速降低了74.1m/s，不仅有利于超音速压缩机的顺利启动，还因为马赫数增大，相同条件下的转子压缩比增加。

GE公司的上述专利，因两级转子靠在一起，无中间冷却器，第二级进气温度很高，气体中的音速将升高，而第二级气流与转子的相对速度又减慢了很多，它与音速之比值，即相对马赫数，如小于1，就不能产生激波，不具备实现激波激波压缩的条件。

GE公司发明专利CN 101,813,094B，权利要求8，“根据权利要求1所述的超音速压缩机，其特征在于，包括至少三个超音速压缩机转子”。转子是否是三级压缩？无图可判断。查询GE公司超音速压缩机相应的美国专利US 8,137,054，2012.3.20授权，才知中国专利上未公布美国专利的图4B。从图4B才确认了这三个转子仍然是两级压缩，该美国专利的图4B也有缺陷：

(1)“权利要求8，根据权利要求1所述的超音速压缩机，包括至少三个超音速压缩机转子”。图4B上表示出三个超音速压缩机转子：第一级转子100是一个，第二级转子200是两个。一个第一级转子气体压缩后体积缩小，又要供两个第二级转子，第二级转子气速很低，影响斜激波是否能产生；

(2)两级转子的转向相反，两级转子之间无进口导叶，无法实现气体流向应转变180度。

(3)三个转子要设置三台増速齿轮箱和三台电动机。

如上所述，Ramgen公司的发明专利只公开了一级压缩的超音速压缩机，中国专利“超音速压缩机”增加了两级超音速压缩机简图，存在缺陷。GE公司的两级超音速压缩机存在以上所述的缺陷。因此，目前超音速压缩机出口压力如何达到50MPa的技术难题尚待解决。

待解决技术难题之二是起动超音速压缩机的方法和装置。

产生激波压缩的前提条件是，进气通道中的气流相对速度应达到或超过音速，而压缩机起动期间不具备这个条件，超音速压缩机的起动是关键性的技术难题之一。拉姆金公司的“起动超音速压缩机的方法和装置”CN 101,918,719B，中国发明专利2013.10.2授权，更准确的是Ramgen公司的美国专利US 8,152,439“Method and apparatus forstarting supersonic compressors”，2012.4.10授权。本说明书附图2是将美国专利是US8,152,439的图1和图6合并，提练出关键件号和图形而成，以便于理解超音速压缩机的起动方法。该专利采用的方法是：压缩机进气道收缩段压缩斜面之前的机壳上设置旁路抽气装置，在压缩机加速期间，将压缩后的部分气体经旁路气汇集腔5、旁路9、回流调节阀10，回流到压缩机进口，增加进气流量，提高气流速度，以实现超音速激波的建立。一旦在所选的进口相对马赫数和压比下，斜激波系稳定后，用旁路回流控制系统11将回流调节阀10关闭，正常运行时无需回流。采用旁路抽气的另一好处是将气体流道壁上的附面层抽走，减弱了附面层与激波的相互干扰。

此方法的缺点是，将部分中压气体经旁路回流到压缩机进口，造成起动期间的能量浪费。

拉姆金公司发明专利CN101,918,719B“起动超音速压缩机的方法和装置”，图3是入口相对马赫数与启动时抽气与进气重量流量比值的关系，图4是不同入口相对马赫数可达到的压缩比，将这两幅图合并为表格形式如下。从此表可看出，超音速压缩机启动时，抽气回流量越大，表示转子进气流道中气体的速度能尽快升高，入口相对马赫数就越大，相应地能达到越高的压缩比，提高了超音速压缩机的性能。

GE公司“超音速压缩机启动支持系统及相关启动方法”CN 103,620,226B,2016.8.17授权。

此专利说明书附图8，用液压机构推动长方块178轴向伸缩，使压缩机启动期间，喉部124面积加大，减小喉部处的流动阻力，以便增加进气流量，提高气流速度；正常运行时，液压机构推动长方块178垂直于气流方向伸入喉部，缩小喉部面积，长方块178不是流线形，长期在气体流道中有压力损失。因压缩机供气流量变化小，用此方案来增加进气流道的流量很有限。液压机构(液压油储罐182、液压缸184、液压活塞190等)要与转子158高速同步旋转，又要轴向伸缩，转子动平衡精度将大变，引起强烈振动。此方案结构复杂，技术上不可行。

待解决技术难题之三是超高压力、超高转速转子的轴向力平衡和轴承型式。

美国和中国的超音速压缩机专利上都未涉及，也许是将其作为技术秘密不予公开，但这是超音速压缩机要在工业上能否安全可靠运转，必须解决的技术问题。

超音速压缩机转子排气端，隔板外侧面受到的气体轴向力，是转子外侧面的受力面积乘以排气压力；转子进气端，隔板外侧面受到的气体轴向力，是转子外侧面的受力面积乘以进气压力；两者之差即为气体作用在转子上的轴向力。对超高压力的转子而言，此轴向力很大。Ramgen公司“超音速压缩机”专利US 7,334,990图16，将两个转子背对背安装在同一根轴上，两个转子的轴向力得到平衡。高转速转子的径向滑动轴承不能承受任何轴向力，必须设置流体动压止推轴承，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有超音速压缩机存在的技术问题，提供一种能够满足超深油藏开采应注入压力高达50MPa的CO₂气体的需求，以促进低成本、超高压CO₂压缩机在《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》项目上工业化应用的超音速超高压二氧化碳压缩机机组早日问世。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：超音速超高压二氧化碳压缩机机组，包括进气机壳、预旋叶轮、进口导叶、转子、排气机壳、增速齿轮箱、联轴器和电动机，其特征在于：采用三级超音速激波压缩，由次高压的第一级激波压缩组件、高压的第二级激波压缩组件以及超高压的第三级激波压缩组件组成，所述次高压的第一级激波压缩组件由对称布置在第一小齿轮轴端部的两组次高压激波压缩单元组成且并联运转，所述高压的第二级激波压缩组件由对称布置在第二小齿轮轴端部的两组高压激波压缩单元组成且并联运转，所述超高压的第三级激波压缩组件由设置在第三小齿轮轴远离电动机一侧对应端部的一组超高压激波压缩单元组成。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其所述次高压的第一级激波压缩组件和高压的第二级激波压缩组件之间以及高压的第二级激波压缩组件与超高压的第三级激波压缩组件之间均设置有气体换热器。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其所述次高压的第一级激波压缩组件和高压的第二级激波压缩组件的进气道收缩段压缩斜面之前的机壳上设置旁路抽气装置，在压缩机起动期间将压缩后的部分气体回流到压缩机进口，建立超音速激波，一旦斜激波系稳定后，通过旁路回流控制系统将回流调节阀关闭，正常运行时无需回流；而第三级是一组超高压激波压缩单元，由两组第二级高压激波压缩单元向其供气，机壳上不设置旁路抽气装置。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其三个级的激波压缩组件对应激波压缩单元中的转子分别与对应小齿轮轴端部连接，所述三个级的激波压缩组件的气流方向与其对应转子的转向相反。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其三个级的激波压缩组件对应激波压缩单元中的进气机壳、转子机壳和机体用螺栓联接在一起，再固定到增速齿轮箱的外壁上。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其整个超音速超高压二氧化碳压缩机机组采用一台电动机、一台增速齿轮箱和一套膜片联轴器。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其所述次高压的第一级激波压缩组件和高压的第二级激波压缩组件均采用两个对称布置的转子并联，且背对背安装在对应小齿轮轴的两端部，所述超高压的第三级激波压缩组件的一个转子安装在对应小齿轮轴的端部，五个转子均为轴向进气。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其所述三级激波压缩组件中，从第一级到第三级的激波压缩组件中的转子直径逐渐递减且转速递增，在三级激波压缩组件中的小齿轮轴上分别设置有小齿轮，所述三级激波压缩组件中的三个小齿轮分别与增速齿轮箱内的大齿轮啮合，通过一个大齿轮同时驱动三个小齿轮。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其所述大齿轮和各级小齿轮的齿数比为非整数，各对啮合齿轮的齿数互为质数。

本发明所述的超音速超高压二氧化碳压缩机机组，其在所述大齿轮与对应小齿轮相对速度为零的节圆附近设置有双向推力盘，三根小齿轮轴上设置有六个推力盘，所述推力盘的侧面有2°～3°的小斜度。

本发明与现有技术相比，带来的有益效果是：

1.目前国内外采用激波压缩技术的超音速压缩机结构只有一级压缩，而两级压缩的超音速压缩机存在技术缺陷，不能满足“CO₂-EOR”项目对50MPa超高压CO₂压缩机的需求。本发明在一台齿轮箱上安装5个转子的超音速超高压CO₂压缩机，组成三级激波压缩，末级出口CO₂气体的压力可以达到50MPa左右，转子的圆周速度为428～439m/s，比机械极限允许的转子圆周速度730～914m/s(取决于转子的材料)足够低，安全性很高。满足超深油藏开采应注入压力高达50MPa的CO₂气体的需求，促进低成本、超高压CO₂压缩机在《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》项目上的工业化应用。

2.为解决超音速压缩机起动困难的技术难题，次高压的第一级和高压的第二级转子的起动，借鉴Ramgen公司发明的旁路抽气回流技术，在压缩机加速期间，将压缩后的部分气体回流到压缩机进口，增加进气流量，提高气流速度，以实现超音速激波的建立。一旦斜激波系稳定后，用旁路回流控制系统将回流调节阀关闭，正常运行时无需回流。为避免超高压的第三级起动用回流方案，造成起动期间的能量浪费，由两组第二级高压激波压缩单元向其供气。

3.五个转子均安装在小齿轮轴的端部，拆装转子方便，轴向进气均匀，克服了现有结构中因轴伸处要联接驱动机，压缩机的进气要从两个径向接管进入，转子进气分布不均，效率有所降低的缺陷。

4.在大齿轮与小齿轮相对速度为零的节圆附近设置双向推力盘，将高转速或超高转速的小齿轮轴上未平衡的轴向力传到大齿轮的两个侧面上，再传到中速大齿轮轴的推力轴承上，因此，取消了所有小齿轮轴的次高速、高速和超高速推力轴承，减少推力轴承的功耗，并且只需在中速大齿轮轴上设置轴位移监测器，提高了超音速压缩机运转的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的

具体实施方式

及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术的超音速压缩机转子示意图(Ramgen公司“超音速压缩机”专利US7,334,990)。

图1中的标记：1为转子；2为隔板strakes；3为进气道表面；4为压缩斜面compression ramp；5为亚音速扩压器subsonic diffuser。

图2为现有技术的转子气体流道及旁路回流示意图(拉姆金公司CN 101,918,719B“起动超音速压缩机的方法和装置”发明专利的图1)。

图2中的标记：1为进气道的收缩段；2为斜激波束oblique shock system；3为转子轮缘rim；4为喉部；5为旁路气汇集腔；6为机壳；7为正激波normal shock；8为进气道的扩张段；9为旁路；10为回流调节阀；11为旁路回流控制系统。

图3为本发明的三级超音速CO₂压缩机组平面图。

图3中的标记：1为第一级进气机壳；2为第一级预旋叶轮；3为第一级进口导叶；4为第一级转子；5为第一级转子机壳；6为第一级机体及排气蜗壳；7为第一小齿轮轴；8为增速齿轮箱；9为第一径向轴承滑动；10为第一小齿轮；11为第一级推力盘；12为第一换热器；13为第二级进气机壳；14为第二级预旋叶轮；15为第二级进口导叶；16为第二级转子；17为第二级转子机壳；18为第二级机体及排气蜗壳；19为第二小齿轮轴；20为第二径向滑动轴承；21为第二小齿轮；22为第二级推力盘；23为第二换热器；24为第三级进气机壳；25为第三级预旋叶轮；26为第三级进口导叶；27为第三级转子；28为第三级转子机壳；29为第三级机体及排气蜗壳；30为第三小齿轮轴；31为第三径向滑动轴承；32为第三小齿轮；33为第三级推力盘；34为大齿轮；35为径向滑动轴承；36为止推轴承；37为大齿轮轴；38为联轴器；39为电动机。

图4为本发明的三级超音速CO₂压缩机三维图。

图4中的标记：1为第一级进气机壳；5为第一级转子机壳；6为第一级机体及排气蜗壳；8为增速齿轮箱；13为第二级进气机壳；17为第二级转子机壳；18为第二级机体及排气蜗壳；24为第三级进气机壳；28为第三级转子机壳；29为第三级机体及排气蜗壳；32为第三小齿轮；33为第三级推力盘；34为大齿轮。

具体实施方式

为了更清楚定量深入理解本发明，现以本说明书附图3作为实例，给出采用本发明的详细技术方案。

某海上采油平台超深油藏采油，需注入52MPa.A压力的CO₂气，压缩机进口压力为0.13MPa.A。采用三级超音速CO₂压缩机组方案，两个中间冷却器的压降按0.32MPa，相当于末级出口压力为52.32MPa.A，总压比为402.46。关于各级压比的分配方案，为了使末级转子的直径不至于太小，将首级的压比取得偏小，末级的压比取得较大，各级压比依次为：6.8、7.3、8.11。

如附图3所示的超高压超音速CO₂压缩机，包括进气机壳、预旋叶轮、进口导叶、转子、排气机壳、增速齿轮箱、联轴器和电动机，其采用三级超音速激波压缩，由次高压的第一级激波压缩组件、高压的第二级激波压缩组件以及超高压的第三级激波压缩组件组成，前两级均由两组激波压缩组件并联运转，超高压的第三级是一组激波压缩组件，即本发明的超高压超音速CO₂压缩机是用五组激波压缩组件组成三级激波压缩的压缩机组，通过用两组第二级向一组第三级供气，避免了超高压级转子起动期间用高压气回流造成的能量浪费。

其中，所述次高压的第一级激波压缩组件由对称布置在第一小齿轮轴7端部的两组次高压激波压缩单元组成且并联运转，每组次高压激波压缩单元包括第一级进气机壳1、第一级预旋叶轮2、第一级进口导叶3、第一级转子4、第一级转子机壳5和第一级机体及排气蜗壳6。所述第一级进气机壳1、第一级转子机壳5和第一级机体及排气蜗壳6用螺栓连接为一体，再用双头螺柱固定在增速齿轮箱8的外壁上，所述第一级预旋叶轮2和第一级转子4固定在第一小齿轮轴7的端部，所述第一级进口导叶3是静止件，固定在第一级转子机壳5的进气端。

所述高压的第二级激波压缩组件由对称布置在第二小齿轮轴19端部的两组高压激波压缩单元组成且并联运转，每组高压激波压缩单元包括第二级进气机壳13、第二级预旋叶轮14、第二级进口导叶15、第二级转子16、第二级转子机壳17和第二级机体及排气蜗壳18。所述第二级进气机壳13、第二级转子机壳17和第二级机体及排气蜗壳18用螺栓连接为一体，再用双头螺柱固定在增速齿轮箱8的外壁上，所述第二级预旋叶轮14和第二级转子16固定在第二小齿轮轴19的端部，所述第二级进口导叶15是静止件，固定在第二级转子机壳17的进气端。

所述超高压的第三级激波压缩组件由设置在第三小齿轮轴30远离电动机39一侧对应端部的一组超高压激波压缩单元组成，所述超高压激波压缩单元包括第三级进气机壳24、第三级预旋叶轮25、第三级进口导叶26、第三级转子27、第三级转子机壳28和第三级机体及排气蜗壳29。所述第三级进气机壳24、第三级转子机壳28和第三级机体及排气蜗壳29用螺栓连接为一体，再用双头螺柱固定在增速齿轮箱8的外壁上，所述第三级预旋叶轮25和第三级转子27固定在第三小齿轮轴30的端部，所述第三级进口导叶26是静止件，固定在第三级转子机壳28的进气端。

在本实施例中，所述次高压的第一级激波压缩组件和高压的第二级激波压缩组件之间设置有第一换热器12，所述高压的第二级激波压缩组件与超高压的第三级激波压缩组件之间设置有第二换热器23。从两组第一级机体及排气蜗壳6排出的次高压CO₂气体汇总为一条管路后进入第一换热器12，因超音速CO₂压缩机单级压比大，排气温度比传统的离心式压缩机高得多，必须降低气体的温度，否则高温气体中的音速将升高，不利于产生激波；另外，因为排气温度高，可用来预热锅炉给水，回收压缩热，因传热温差大，可减少换热器的传热面积。经第一换热器12降温后的次高压CO₂气体进入第二级进气机壳13，从两组第二级机体及排气蜗壳18排出的高压CO₂气体汇总为一条管路后进入第二换热器23，因超音速CO₂压缩机单级压比大，排气温度比传统的离心式压缩机高得多，必须降低气体的温度，否则高温气体中的音速将升高，不利于产生激波；另外，因为排气温度高，可用来预热锅炉给水，回收压缩热，因传热温差大，可减少换热器的传热面积。经第二换热器23降温后的高压CO₂气进入进入第三级进气机壳24。

本发明的整个超音速压缩机机组只用一台电动机39、一台增速齿轮箱8和一套膜片联轴器38。所述三级激波压缩组件中，从第一级到第三级的激波压缩组件中的转子直径逐渐递减且转速递增，使后面级的气流速度足够高，在三级激波压缩组件中的小齿轮轴上分别设置有小齿轮，所述三级激波压缩组件中的三个小齿轮分别与增速齿轮箱内的大齿轮啮合，通过一个大齿轮同时驱动三个小齿轮。具体地：所述电动机39经过膜片联轴器38驱动大齿轮34，再驱动第一小齿轮10、第二小齿轮21和第三小齿轮32，所述第一小齿轮轴7的两端连接第一级转子4和第一级预旋叶轮2；所述第二小齿轮轴19的两端连接第二级转子16和第二级预旋叶轮14；所述第三小齿轮轴30的一端连接第三级转子27和第三级预旋叶轮25。

其中，所述次高压的第一级激波压缩组件和高压的第二级激波压缩组件均采用两个对称布置的转子并联，且背对背安装在对应小齿轮轴的两端部，轴向力平衡，所述超高压的第三级激波压缩组件的一个转子安装在对应小齿轮轴的端部，所述三个级的激波压缩组件的气流方向与其对应转子的转向相反，使气流与转子的相对速度是气流速度与转子圆周速度的矢量和，五个转子均安装在对应小齿轮轴的端部，拆装转子方便，且五个转子均为轴向进气，使其进气均匀，克服了现有结构中因轴伸处要联接驱动机，压缩机的进气要从两个径向接管进入，转子进气分布不均，效率有所降低的缺陷。

所述第一小齿轮轴7、第二小齿轮轴19和第三小齿轮轴30的两端均分别支撑在两个流体动压型式的第一径向轴承滑动9、第二径向轴承滑动20和第三径向轴承滑动31上，由于径向滑动轴承完全不能承担轴向力，为了避免在次高速、高速和超高速轴上采用流体动压止推轴承，在三个小齿轮与大齿轮相对速度为零的节圆附近分别设置第一级推力盘11、第二级推力盘22和第三级推力盘33，为承受双向未平衡的轴向力，三根小齿轮轴上共设置六个推力盘，从而将小齿轮轴未平衡的轴向力传到大齿轮34的两个侧面上，再传到中速大齿轮轴37的止推轴承36上，因此，取消了所有次高速、高速和超高速小齿轮轴的推力轴承，减少推力轴承的功耗，并且只需在中速大齿轮轴37上设置轴位移监测器，提高了超音速压缩机运转的可靠性，所述推力盘的侧面有2°～3°的小斜度，以便形成流体动压油楔，提高其承载能力。大齿轮轴37的两端均支撑在两个流体动压径向滑动轴承35上，并由止推轴承36承担第一小齿轮轴7、第二小齿轮轴19和第三小齿轮轴30传来的轴向力。

根据超音速超高压CO₂压缩机机组方案设计计算结果，第一小齿轮10的转速为21,350转/分，第二小齿轮21的转速为32,620转/分，第三小齿轮32的转速为51,050转/分。电动机39的转速选为2980转/分，即大齿轮34的转速为2980转/分，各级的传动比，即各级大小齿轮的齿数比分别为7.164、10.946、17.131。第三小齿轮32的齿数取为23，第二小齿轮21的齿数为36，第一小齿轮10的齿数为55，大齿轮34的齿数为394。各级大小齿轮的齿数比为非整数，各对啮合齿轮的齿数互为质数。使磨损均匀分摊到所有的齿上，利于新齿轮组跑合一段时间后，每个齿的齿形趋于它的理想齿形，保证各齿的均匀磨损和传动的均匀受力，减轻高速齿轮啮合的振动和噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。