CN113056610A - 用于抽空超大体积的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种目标体积排空系统包括涡轮压缩机和真空泵，该系统在第一配置中可操作以将目标体积压力从环境压力减小到例如在200mbar与50mbar之间的第一中间压力，并且在第二配置中可操作以将压力从例如10mbar的第二中间压力进一步减小到例如在0.1mbar与1mbar之间的目标局部真空。涡轮压缩机可以电力驱动或通过燃料燃烧驱动，并且可以是常规的或改进的涡轮喷气发动机。多个涡轮压缩机可从并联运行过渡到串联运行。通过将目标体积排出到吊杆罐体积和/或通过将涡轮压缩机系统配置成提供对真空泵送系统的支持，压力可从第一中间压力降低到第二中间压力。本发明适用于超级高铁运输系统。

Description

用于抽空超大体积的设备和方法

相关申请

本申请要求提交于2018年11月15日的美国临时申请62/767,862的权益，其全文以引用方式并入本文中以用于所有目的。

技术领域

本发明涉及真空系统，更具体地说，涉及用于抽空非常大的体积的设备和方法。

背景技术

长距离输送人群的传统方法可以分为四种基本类型：铁路、公路、水路和航空。通过道路和水路的运输往往相对便宜，但是相对较慢。通过空中旅行要快得多，但是昂贵。铁路运输人员可能既慢又昂贵。

已经提出了用于在长距离上快速且经济地输送大量人员的若干替代方案，例如通过高度抽空的地下管道的磁悬浮乘客座舱的超音速运输。然而，由于隧道效应、超导磁体的冷却以及维持所需超高真空的高成本，这些提议在实践中并未证明是可行的。

然而，存在一种新的方法，通常称为“超级高铁”(hyperloop)，其似乎克服了先前概念的问题，并且其可能成为货物和人在高达约900英里的距离上快速、廉价地大量运输的新范例。根据超级高铁概念，座舱将被推动通过被升高并安装在塔架上的运输管道而长距离。将管道抽空到局部真空，该局部真空可以是0.1毫巴(mbar)至1mbar之间的压力，由此压力将足够低以减小经过座舱的空气摩擦，同时还足够高以允许座舱在磁悬浮不是优选的情况下空气动力学地骑在气垫上。将管道分成部分(section)，例如分成每部分10-20英里的长度，使得可以在不排放整个管道的情况下对各个部分进行排放以进行维护。

超级高铁概念的一个关键方面是在管道中使用“局部”真空，而不是超高真空(ultra-high vacuum)，这大大降低了在管道内产生和保持真空的难度。即使对于这种局部真空，估计由于管的长度、所需的许多互连以及系统的非常大的体积，不可避免的泄漏将需要以通常20,000-50,000实际立方英尺每分钟(ACFM)/英里管道的速率连续地抽吸管道，以保持局部真空。虽然这是一个重要的要求，但是预期足够数量的传统真空泵将能够满足该要求。

然而，直到本发明，对于最初将管道中的压力从环境压力降低到操作局部真空，还没有找到令人满意的解决方案。不幸的是，这种“初始”抽空不会是一次性事件。由于维护、修理和其它要求，将需要定期对管的部分重新加压，然后将它们再次从环境降低到操作局部真空。

一种方法是简单地通过增大泵的尺寸和/或通过提供更多的泵来“加大”真空泵送系统，使得系统具有足够的容量来从环境压力抽空管道。现有的提议建议实施多级真空系统，其包括增压泵，例如干式螺杆泵或任何几种类型的“罗茨”(root)鼓风机，其具有从第一真空级到最后级到大气的高分级比。这些建议通过加大真空系统中的大气级或降低级比来解决启动时的高质量流量泵送的问题。

然而，即使当包括增压泵时，这些方法也倾向于非常慢，并且也倾向于显著地增加泵送系统的功率消耗和成本，即使一旦实现局部真空就关闭初始泵送所需的附加泵。例如，根据一些估计，预期将需要50兆瓦的功率来操作真空泵，这将需要维持典型的超级高铁管道内的局部真空。这些提出的解决方案的高功率消耗是有问题的，这不仅是因为能量成本，而且因为提供超大功率源、电缆和耦合以满足在抽气期间的过大功率要求的成本。

在抽空期间，这种增加的成本大部分是由于真空泵在接近环境压力下操作时的低效率。在接近环境压力下空气的有效抽吸需要能够在小压差上产生高质量流的系统。然而，真空泵被优化用于泵送低质量流穿过高压差。结果，真空泵在接近环境压力下不能有效地工作，而传统的环境压力泵不能像真空泵那样很好地工作。为此，如果需要从处于环境压力下的管道泵送高质量流，则对于将管道维持在一mbar或更低的局部真空有效的泵(或泵送系统)将是非常低效的或无效的，使得能量需求过大，并且管道返回到真空所需的时间不切实际地长。

因此，需要一种高效、具有成本效益的系统和方法，用于将非常大体积内的压力从环境快速降低到局部真空，例如0.1mbar与1mbar之间的局部真空，优选地不需要电力消耗的大的喘振(surge)。

发明内容

本发明是一种具有成本效益的系统和方法，用于快速和有效地将非常大体积内的压力从环境减压到局部真空，在实施方式中，局部真空在0.1mbar和1mbar之间。实施方式提供了所需的压力降低，而不需要电力消耗的大的喘振。尽管本发明有时在此参照超级高铁质量运输系统进行描述，但是应当注意，本发明不限于与超级高铁系统一起使用，而是适用于需要快速排空非常大量的空气或气体的任何系统。

本发明通过实施包括至少一个涡轮压缩机的涡轮压缩机系统，在“抽空”的初始阶段期间提供了目标体积内的大量空气或气体的大质量流排空。涡轮压缩机通常不被认为适用于真空应用，因为它们仅在有限的压力差范围内可操作，并且如果它们以过小的质量流量操作，则由于“喘振”而遭受故障。即使对于例如抽空用于测试航天器的大腔室的应用，其可以具有超过10,000立方米的体积，涡轮压缩机也被认为是不合适的，因为它们将仅在泵送过程的初始、接近环境阶段期间操作非常短的时间，并且将因此仅提供抽空时间的最小减少。

因此，在本发明的时候，将涡轮压缩机应用于排空系统与本领域公认的知识相反。然而，甚至可以是10-30英里长的超级高铁管道的单个部分，预期具有可以在数百万立方米的体积。因此，本发明人认识到，超级高铁代表了一种新的范例，这导致本发明人与本领域公认的知识相反地进行，并且将涡轮压缩机实现为排空系统的一部分。

在实施方式中，本发明的涡轮压缩机系统可操作以将目标体积内的压力从环境压力降低到200mbar以下。在这些实施方式的一些中，涡轮压缩机系统可操作以将目标体积中的压力降低到低于100mbar，或甚至低于50mbar。一旦达到目标体积中的该中间压力，涡轮压缩机系统与目标体积隔离，并且更传统的真空泵送系统用于将目标体积内的压力降低到最终目标局部真空。

在一些实施方式中，一个或多个涡轮压缩机的叶轮由电动马达驱动。在其它实施方式中，涡轮压缩机的叶轮通过由气流驱动的涡轮旋转，在实施方式中，气流通过燃料的燃烧产生。并且在这些实施方式中的一些实施方式中，涡轮驱动的涡轮压缩机被修改，或者在一些实施方式中，为常规的涡轮喷气发动机。在实施方式中，另外的常规涡轮喷气发动机通过调整其输出喷嘴而被修改，从而与常规操作相比，减小推力并且提高允许压力比，同时减小噪声。

本发明减少了对过量电源和电缆的需求，因为涡轮压缩机系统比在接近环境压力下的常规真空泵送系统更有效。涡轮喷气发动机实施方式和结合了由燃料燃烧驱动的涡轮驱动涡轮压缩机的其它实施方式进一步减少或消除了在泵送期间对过量电力的任何需要，因为泵送能量在泵送的初始阶段主要或完全由燃料燃烧而不是电力提供。结果，特别是在乡村地区，安装要求可以显著降低。

在各种实施方式中，真空泵送系统包括至少一个真空泵，其中至少一个真空泵可包括至少一个多级泵，其包括作为第一级和/或第二级的一个或多个螺杆式和/或“罗茨”型真空鼓风机，与作为次级的一个或多个油密封或干式运行的真空泵和/或液环泵组合，以提供抵抗周围环境中的大气压力的压缩。

实施方式包括阀和控制系统，一旦已经达到第一中间压力，该控制系统就操作以将涡轮压缩机系统与目标体积隔离。在实施方式中，控制系统和阀还操作以在涡轮压缩机系统的操作期间将真空泵送系统与目标体积隔离。

值得注意的是，本发明的实施方式主要或专门适用于大体积的初始“抽空”。对于一些系统，例如超级高铁运输管道，可能需要在多个单独的大体积中保持局部真空。例如，当需要对该部分进行排气以便维护、升级或出于任何其它原因时，超级高铁运输管道的每个区段(segment)将代表可以与剩余部分隔离的单独的非常大的体积。合理的是，预期这种要求将是不经常发生的，并且将在不同的时间发生在管道的不同区段。

因此，本发明的实施方式提供了一种车辆上的涡轮压缩机系统，其适于在多个目标体积之间运输涡轮压缩机系统，以用于根据需要向下泵送各种目标体积。一些实施方式包括合适的运输基础设施，例如平行于超级高铁管道延伸的铁路系统。在其它实施方式中，车辆能够并适于在常规道路上运输。

在实施方式中，适于连接和附接车载涡轮压缩机系统的配件被提供为目标体积中的每一个的一部分。在一些实施方式中，补充真空泵送系统也设置在车辆上，并且用于补充与目标体积中的每一个永久地相关联的局部真空维持真空泵送系统，以便进一步加速抽空时间。在各种实施方式中，车辆、涡轮压缩机系统和/或辅助真空泵送系统被远程监测和/或控制。

根据本发明的方法实施方式，涡轮压缩机系统和真空泵送系统两者都与目标体积协作，并且在“抽空”期间操作以将目标体积内的压力从环境压力降低到目标局部真空。在实施方式中，涡轮压缩机系统和真空泵送系统单独地连接到目标体积，和/或通过合适的阀彼此互连。

在抽空的初始阶段，涡轮压缩机系统主要负责将目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力。在一些实施方式中，第一中间压力足够高以直接支持涡轮压缩机的高效操作而没有喘振，使得(一个或多个)涡轮压缩机可在整个初始阶段期间直接在目标体积上操作。

在其它实施方式中，初始泵送阶段被分成第一初始阶段和第二初始阶段。在第一初始阶段期间，涡轮压缩机直接在目标体积上操作，直到压力下降到维持涡轮压缩机的适当操作而没有喘振所需的最小入口压力，其可以在700mBar和400mBar之间。此时，阀被激活以便重新配置涡轮压缩机系统，以能够继续降低目标体积压力，直到其达到第一中间压力，该第一中间压力可以在200mbar与50mbar之间。在这些实施方式的一些中，一个或多个气体喷射器被插入到系统中，其将额外的入口气体引入到涡轮压缩机入口中，使得它们可以继续有效地操作并且没有喘振，同时目标体积压力继续下降。

在提供多个涡轮压缩机的其它实施方式中，涡轮压缩机在第一涡轮压缩机阶段期间并联操作。一旦达到700mBar至400mBar之间的最小入口压力，就操作阀以将涡轮压缩机置于一组或多组涡轮压缩机中，其中每组内的涡轮压缩机串联连接。这些实施方式中的一些还将气体喷射器结合到泵送系统中。目标体积压力由此进一步降低到第一中间压力，同时每个涡轮压缩机上的压力差保持在操作极限内。

在最终排空阶段期间，真空泵送系统操作以进一步将目标体积内的压力从第二中间压力降低到目标局部真空，在实施方式中，目标局部真空在0.1mbar与1mbar之间。在这些实施方式的一些中，涡轮压缩机系统在最终排空阶段期间与目标体积隔离，而在其它实施方式中，至少一个涡轮压缩机与真空泵送系统的至少一个真空泵串联地操作。

在一些实施方式中，第一和第二中间压力相等，由此排空过程直接从涡轮压缩机阶段过渡到最终排空阶段。在其它实施方式中，当达到第一中间压力时，目标体积被排放至单独的、预排空的“吊杆-罐”(boom-tank)体积，在实施方式中，该“吊杆-罐”体积甚至大于目标体积。目标体积内的压力由此通过目标体积与吊杆-罐体积之间的局部或完全压力均衡而从第一中间压力降低至第二中间压力。然后，真空泵送系统重新开始将目标体积从第二中间压力排空到目标局部真空，在实施方式中，目标体积保持与吊杆-罐体积通气。

在实施方式中，吊杆-罐体积比目标体积大至少5-10倍，并且第二中间压力比第一中间压力低至少5-10倍。在这些实施方式的一些中，第一中间压力在大约200mbar与大约50mbar之间，并且第二中间压力在50mbar与10mbar之间。在各种实施方式中，吊杆罐真空泵送系统与吊杆罐体积气体连通，并且与目标体积真空泵送系统一起操作以将组合的目标体积和吊杆罐体积的压力从第二中间压力降低至目标局部真空。

实施方式适用于超级高铁系统，其中目标体积是超级高铁系统的多区段运输管道的单个区段，并且其中运输管道被配置为使得能够在区段之间隔离，例如当需要排出区段之一以执行维护时。在这些实施方式的一些中，所述吊杆罐体积包括所述超级高铁运输管道的与所述目标体积区段相邻的至少一个附加区段。

本发明的第一总体方面是一种用于在目标体积内建立目标局部真空的设备。该系统包括涡轮压缩机系统，该涡轮压缩机系统包括第一涡轮压缩机、真空泵送系统和互连系统，该第一涡轮压缩机系统在第一排空阶段期间可操作以将目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力，该互连系统在控制器的控制下可操作以在涡轮压缩机系统和目标体积之间以及在真空泵送系统和目标体积之间建立气体连通。

在实施方式中，真空泵送系统在最终排空阶段期间可操作以将目标体积内的压力从第二中间压力降低到目标局部真空。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统可包括离心式涡轮压缩机。

在上述实施方式中的任一个中，涡轮压缩机系统可包括轴向涡轮压缩机。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统可包括具有由电动马达旋转的叶轮的涡轮压缩机。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统可包括具有叶轮的涡轮驱动的涡轮压缩机，叶轮由气体驱动的涡轮旋转，气体驱动的涡轮由燃料燃烧产生的气体驱动。在这些实施方式的一些中，涡轮喷气发动机在设计上与可操作用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本上相同。并且在这些实施方式的一些中，包括在涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机在设计上与可操作用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本相同，除了包括在涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机不包括出口喷嘴。

在上述实施方式的任一个中，真空泵送系统可包括至少一个多级泵，其包括螺杆式真空鼓风机、“罗茨”型真空鼓风机、油密封真空泵、干式运行真空泵和液环泵中的至少一个。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统还可包括气体喷射器。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统还可包括中间冷却器。

在上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统还可包括第二涡轮压缩机，并且互连系统可配置成将第二涡轮压缩机从与第一涡轮压缩机并联连接转变成与第一涡轮压缩机串联连接。

在上述实施方式的任一个中，互连系统可被配置为将第一涡轮压缩机从第一涡轮压缩机与目标体积直接气体连通的第一配置转换到第一涡轮压缩机与真空泵送系统气体连通并且被配置为向真空泵送系统提供支持的第二配置。

在上述实施方式的任一个中，目标体积可以是超级高铁运输系统的多区段运输管道的区段，其中多个区段中的每一个包括用于与其连接到涡轮压缩机系统的配件，并且其中涡轮压缩机系统安装在车辆上，该车辆能够在区段之间输送涡轮压缩机系统以用于在其抽空期间连接。在这些实施方式的一些中，抽空真空泵送系统也安装在车辆上，并且可操作用于在最终排空阶段期间提高抽空速率。并且在这些实施方式的任何一个中，车辆可适于在传统的高速公路上运输压缩机系统。

本发明的第二总的方面是一种用于将目标体积中的压力从环境压力降低到目标局部真空的方法。该方法包括以下步骤：

A)提供根据前述权利要求中任一项所述的设备；

B)将所述互连系统配置在第一配置中，由此所述涡轮压缩机系统与所述目标体积直接气体连通；

C)在初始排空阶段期间操作涡轮压缩机系统，直到目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力。

D)以第二配置互连系统；以及

E)在最终排空阶段期间操作所述设备，直到所述目标体积中的压力从第二中间压力降低到所述目标局部真空。

在实施方式中，在第二配置中，涡轮压缩机系统与目标体积的直接气体连通隔离，并且真空泵送系统与目标体积直接气体连通。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，步骤B)还可包括在最终排空阶段期间将涡轮压缩机系统与目标体积的直接气体连通隔离。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，涡轮压缩机系统可包括第一涡轮压缩机和第二涡轮压缩机；初始阶段可以包括第一初始阶段和第二初始阶段；并且该方法还可包括在第一初始阶段期间将第一和第二涡轮压缩机配置成并联，以及在第二初始阶段期间将第一和第二涡轮压缩机配置成串联。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，目标局部真空可以是0.1mbar与1mbar之间的压力。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，第一中间压力可以在200mbar与50mbar之间，并且第二中间压力在50mbar与10mbar之间。

在该总体方面的上述实施方式的任一个中，该方法还可包括在步骤C)和D)之间，使互连系统将涡轮压缩机系统与目标体积的直接气体连通隔离，并使互连系统将目标体积与吊杆-罐体积以气体连通的方式连接，所述吊杆罐体积在所述连接之前具有低于第二中间压力的内部吊杆罐压力，从而将目标体积内的压力从第一中间压力降低到第二中间压力。在这些实施方式的一些中，目标体积可以是超级高铁运输系统的多区段运输管道的一个区段，并且其中，吊杆罐体积包括运输管道的与目标体积相邻的至少一个区段。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，该方法还可包括在步骤C)和D)之间，将真空泵送系统连接成与目标体积直接气体连通，将涡轮压缩机系统与目标体积的直接气体连通隔离，同时将涡轮压缩机系统配置成提供对真空泵送系统的支持，以及操作该设备，直到目标体积内的压力从第一中间压力降低到第二中间压力。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，第二中间压力可等于第一中间压力。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，在第二配置中，真空泵送系统可与目标体积直接气体连通。

在该一般方面的上述实施方式的任一个中，在第二配置中，涡轮压缩机系统可与目标体积直接气体连通。

本文所述的特征和优点并非包括一切，且明确地说，所属领域的技术人员将鉴于图式、说明书和权利要求书而明白许多额外特征和优点。此外，应当注意，在说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性的目的而选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。

附图说明

图1是示出本发明的设备实施方式的框图；

图2A是离心式涡轮压缩机的立体图；

图2B是图2A的涡轮压缩机的转子的立体图；

图3是现有技术的离心式涡轮喷气发动机的侧剖视图；

图4是现有技术的轴向涡轮喷气发动机的侧剖视图；

图5是包括吊杆-罐体积的设备实施方式的框图；

图6是示出本发明的方法实施方式的流程图；

图7是在涡轮压缩机系统中结合气体喷射器的设备的框图；

图8是一种设备的框图，其中涡轮压缩机系统包括两个可以并联或串联运行的涡轮压缩机。

图9A是其中涡轮压缩机可通过中间冷却器提供对真空泵送系统的支持的设备的框图；

图9B是类似于图9A的设备的框图，其中涡轮压缩机可通过气体喷射器提供对真空泵送系统的支持；

图10是类似于图9B的设备的框图，该设备配置成使得涡轮压缩机可直接或通过气体喷射器为真空泵送系统提供备用；

图11是一种设备的框图，其中涡轮压缩机系统包括两个涡轮压缩机，这两个涡轮压缩机可以直接在目标体积上并联或串联操作，或者用于提供对真空泵送系统的支持；以及

图12是类似于图11的设备的框图，但是其中涡轮压缩机系统负责抽空的最后阶段，其中一旦达到目标压力，真空泵送系统仅负责维持目标体积内的局部真空。

具体实施方式

本发明是一种高效、成本有效的系统和方法，用于快速和有效地将非常大体积内的压力从环境降低到目标局部真空，在实施方式中，目标局部真空在0.1mbar和1mbar之间。实施方式提供了所需的压力降低，而不需要电力消耗的大的喘振。尽管本发明有时在此参照超级高铁质量运输系统进行描述，但是应当注意，本发明不限于与超级高铁系统一起使用，而是适用于需要快速排空非常大量的空气或气体的任何系统。

参考图1，本发明是一种系统和方法，其通过实施包括至少一个涡轮压缩机的涡轮压缩机系统102与包括传统真空泵的真空泵送系统104的组合，来提供目标体积100内的大量空气或气体的高质量流排空。涡轮压缩机系统102和真空泵送系统104在“抽空”期间操作，以将目标体积100内的压力从环境压力降低到目标局部真空。在抽空的初始阶段，涡轮压缩机系统102主要负责将目标体积100内的压力从环境压力降低到第一中间压力，并且在抽空的最终阶段期间，真空泵送系统104主要负责将目标体积100内的压力从第二中间压力降低到最终目标压力，在实施方式中，最终目标压力在0.1mbar与1mbar之间。在实施方式中，涡轮压缩机系统102和真空泵送系统104分别连接到目标体积100，和/或通过合适的阀106彼此互连。

在实施方式中，涡轮压缩机系统102可操作以将目标体积100内的压力从环境压力降低到200mbar以下。在这些实施方式的一些中，涡轮压缩机系统102可操作以将目标体积100中的压力降低到100mbar以下。

参照图2A、2B、3和4，如本领域已知的，涡轮压缩机200、300、400包括叶轮202，也称为转子，其通常安装在轴302上并在壳体204内旋转。图2A和2B示出了离心式涡轮压缩机200，其中气体通过入口206轴向进入壳体204，朝向叶轮202的外圆周离心压缩，并通过出口208沿与入口206成直角的方向喷出。

在一些实施方式中，至少一个涡轮压缩机的叶轮轴302由电动马达旋转。参照图3和图4，在其它实施方式中，涡轮压缩机102是涡轮驱动的涡轮压缩机300、400，其中，叶轮轴302由涡轮304旋转，涡轮由气流驱动，气流在实施方式中由燃料306的燃烧产生。在这些实施方式中的一些实施方式中，涡轮驱动的涡轮压缩机是涡轮喷气发动机300、400，在一些实施方式中，它们的实施没有实质上的修改，如图3和4所示，在类似的实施方式中，另外的传统涡轮喷气发动机300、400通过重新设计它们的输出喷嘴308而被修改，从而与传统涡轮喷气发动机相比，减小了推力，增加了压力比，并且减小了噪音。

图3示出了离心式涡轮喷气发动机300，其中叶轮202径向向外驱动进入气体206，之后发动机300的壳体204改变气体的方向以轴向排出发动机300。图4示出了轴向涡轮喷气发动机400，其中叶轮202驱动入口气体206轴向地朝向出口208。实施方式结合了离心和/或轴向涡轮压缩机，其可以是涡轮喷气发动机。

本发明减少了对过量电源和电缆的需求，因为涡轮压缩机系统102在接近环境压力下比常规真空泵送系统104更有效。涡轮喷气发动机实施方式和结合了由燃料燃烧驱动的涡轮泵300、400的其它实施方式进一步减少或消除了在泵送期间对过量电力的任何需求，因为泵送能量在泵送的初始阶段主要或完全由燃料燃烧而不是电力提供。

在各种实施方式中，真空泵送系统104包括至少一个真空泵，其中至少一个真空泵可包括至少一个多级泵，其包括一个或多个螺杆和/或“罗茨”型真空鼓风机作为第一级和/或第二级，与一个或多个油封或干式运行真空泵和/或液体环式泵作为次级组合，以提供抵抗周围环境中的大气压力的压缩。

本发明的实施方式提供了一种车辆上的涡轮压缩机系统，其适于在多个目标体积之间运输涡轮压缩机系统，以用于根据需要向下泵送各种目标体积。一些实施方式包括合适的运输基础设施，例如平行于超级高铁管道延伸的铁路系统。在其它实施方式中，车辆能够并适于在常规道路上行驶。实例包括牵引拖车或平板卡车，如通常用于在传统公路上运输重负载的。

在实施方式中，适于连接和附接车载涡轮压缩机系统的配件被提供为目标体积中的每一个的一部分。在一些实施方式中，补充真空泵送系统也设置在车辆上，并且用于补充与目标体积中的每一个永久地相关联的局部真空维持真空泵送系统，以便进一步加速抽空时间。在各种实施方式中，车辆、涡轮压缩机系统和/或辅助真空泵送系统被远程监测和/或控制。

如上所述，涡轮压缩机系统102和真空泵送系统104在“抽空”期间操作，以将目标体积100内的压力从环境压力降低到目标局部真空，例如在目标体积100已经被通风到环境压力以便修理和维护并且然后重新密封600之后。在抽空的初始阶段，涡轮压缩机系统102主要负责将压力从环境压力降低到第一初始压力，并且在抽空的最终阶段期间，真空泵送系统104主要负责将压力从第二中间压力降低到最终目标压力。

参考图5，实施方式包括阀500和控制系统502，其操作以在抽空的最后阶段期间将涡轮压缩机系统102与目标体积100隔离。在实施方式中，控制系统502和阀500还操作以在抽气的初始阶段期间在涡轮压缩机系统102的操作期间将真空泵送系统104与目标体积100隔离。

参考图5和6，在实施方式中，涡轮压缩机系统102和真空泵送系统104通过合适的阀500单独地连接到目标体积100。根据图6的方法实施方式，在抽空的初始阶段，涡轮压缩机系统102主要负责将目标体积100内的压力从环境压力降低到第一中间压力602。在实施方式中，在该初始阶段期间，真空泵送系统104通过阀500与目标体积100隔离。在抽空的最后阶段期间，真空泵送系统104承担将目标体积100内的压力从第二中间压力进一步降低到目标局部真空608的主要责任，在实施方式中，该目标局部真空在0.1mbar与1mbar之间。在图6的实施方式中，涡轮压缩机系统102与目标体积100隔离，并且在最终抽气阶段期间停用604。

在一些实施方式中，第一和第二中间压力相等，由此抽空的初始阶段之后紧接着抽空的最终阶段，从而省略图6中的步骤606(虚线)。在其它实施方式中，当实现604第一中间压力时，目标体积100被排放606到单独的、预抽空的“吊杆-罐”体积502，其在实施方式中与目标体积100尺寸相同或甚至更大，由此通过目标体积100和吊杆-罐体积606之间的局部或完全压力均衡，目标体积100内的压力从第一中间压力降低到第二中间压力。在实施方式中，在抽空的最后阶段期间，目标体积100保持与吊杆罐体积502通气。

在实施方式中，吊杆-罐体积502比目标体积100大至少5-10倍，并且第二中间压力比第一中间压力低至少10倍。在这些实施方式的一些中，第一中间压力在大约200mbar与大约50mbar之间，并且第二中间压力在50mbar与10mbar之间。在各种实施方式中，吊杆罐真空泵送系统504与吊杆罐体积502气体连通，且与目标体积真空泵送系统104一起操作以将组合的目标体积100和吊杆罐体积502的压力从第二中间压力减小到目标局部真空608。一旦达到608目标局部真空，真空泵送系统104、504继续操作610以便将组合的目标和吊杆-罐体体积100、502保持在目标局部真空。

实施方式适用于超级高铁系统，其中目标体积100是超级高铁系统的多区段运输管道的单个区段，并且其中运输管道被配置成使得能够例如在需要使区段100中的一个通气以执行维护时通过设置在区段100、502之间的可闭合分区506隔离区段100、502。在这些实施方式的一些中，吊杆罐体积502包括超级高铁运输管道的与目标体积区段100相邻的至少一个附加区段。

在一些实施方式中，第一中间压力足够高以直接支持涡轮压缩机的有效操作而没有喘振，使得(一个或多个)涡轮压缩机可在抽气的整个初始阶段期间直接在目标体积100上操作。在其它实施方式中，初始泵送阶段被分成第一初始阶段和第二初始阶段。在第一初始阶段期间，涡轮压缩机直接在目标体积上操作，直到压力下降到维持涡轮压缩机的适当操作而没有喘振所需的最小入口压力，其可以在700mBar和400mBar之间。此时，阀被激活以便重新配置涡轮压缩机系统，以能够继续降低目标体积压力，直到其达到第一中间压力，该第一中间压力可以在200mbar与50mbar之间。

参考图7，在这些实施方式的一些中，一个或多个气体喷射器700被包括在涡轮压缩机系统102中，其将额外的气体引入到涡轮压缩机704的入口702中，使得它们可以在第二初始阶段期间继续有效地操作而没有喘振，同时目标体积100中的压力继续下降。

在图7的实施方式中，在第一初始阶段期间，阀V2和V3打开，而图7中的所有其它阀关闭。这种配置允许涡轮压缩机704直接作用于目标体积，同时隔离真空泵送系统104和气体喷射器700。一旦目标体积100中的压力达到涡轮压缩机704的最小操作入口压力，例如在600mBar和400mBar之间的压力，涡轮压缩机系统通过关闭阀V3并打开阀V4转换到第二初始阶段，使得仅阀V2和V4打开。在这种配置中，与防喘振阀706一起，气体喷射器700通过阀V4将额外的气体引入涡轮压缩机704的入口702中，从而确保涡轮压缩机704的入口压力和流量保持足够高以避免喘振，同时目标体积100中的压力继续下降。在最后阶段期间，阀V1打开，而所有其它阀关闭，从而允许真空泵送系统104直接在目标体积100上操作，同时涡轮压缩机704与目标体积100隔离。

参照图8，在提供多个涡轮压缩机704、800的一些实施方式中，涡轮压缩机在第一初始阶段期间并联操作，并且在第二初始阶段期间串联操作。在图8的实施方式中，阀V2、V3和53在第一初始阶段期间打开，而阀V1和V4关闭。一旦达到涡轮压缩机704、800的最小入口压力，例如在700mBar和400mBar之间，阀V4打开，而阀V3和V5关闭，从而将涡轮压缩机704、800设置成彼此串联。通常，如果涡轮压缩机系统102中包括更多数量的涡轮压缩机，则在第二初始阶段期间，它们被分成一组或多组涡轮压缩机，其中每组内的涡轮压缩机串联连接。

通过将图8的两个涡轮压缩机704、800串联放置，涡轮压缩机704、800中的每一个上的压力差保持在操作极限内，而目标体积100中的压力降低到单独或并联操作的涡轮压缩机704、800可以达到的压力的一半。通过串联布置三个或更多个涡轮压缩机，该下限可进一步扩展。这些实施方式中的一些还将气体喷射器结合到泵系统中，如上面参照图7所讨论的，从而在第二初始阶段期间进一步降低目标体积压力，直到目标体积100内的压力达到第一中间压力。

如上所述，在抽空的最后阶段期间，真空泵送系统104操作以进一步将目标体积100内的压力从诸如在约50mBar与约10mBar之间的第二中间压力降低到目标局部真空，在实施方式中，目标局部真空在0.1mbar与1mbar之间。在实施方式中，例如由于气体喷射器的实施和/或涡轮压缩机串联的布置，第一中间压力足够低，例如大约50mbar，以使得真空泵送系统104能够操作。换句话说，第一中间压力等于第二中间压力，并且一旦第一阶段完成，泵送的第二阶段立即开始。在其它实施方式中，如上文参照图5和图6所讨论的，使用吊杆罐将目标体积100的压力从第一中间压力降低到第二中间压力。

在另外的其它实施方式中，真空泵送系统和涡轮压缩机系统的元件一起工作以将压力从第一中间压力降低到第二中间压力，此后真空泵送系统104承担获得目标最终压力的全部责任。如图7和8所示，在实施方式中，真空泵送系统104包括“增压器”真空泵710和前级泵708。这些泵可以包括例如与罗茨或螺杆式鼓风机增压真空泵710结合的螺杆、爪式、罗茨和/或油密封的前级泵708。在图9A的实施方式中，选择增压真空泵P2710，其具有与涡轮压缩机C1704相同数量级的抽吸能力。当靶体积100低于第二中间压力时，前级泵P1708的容量足以支持增压泵710的有效操作。然而，当目标压力处于较高的第一中间压力时，前级泵708的容量不足以支持增压泵710，即使如果提供足够的前级，增压泵也能够在第一中间压力下有效地操作。

因此，在图9A的实施方式中，通过单向阀900在增压真空泵710的出口和涡轮压缩机704的入口之间提供互连。在抽空的初始阶段期间，阀V1关闭，但是真空泵P2和P1(710、708)保持操作，使得在单向阀900的出口(图中编号为“2”)处压力低，从而关闭单向阀900。一旦初始阶段完成，阀V1打开，而阀V2关闭，从而使单向阀900打开，并将涡轮压缩机704配置为增压泵710的辅助前级泵。第二单向阀902确保没有从环境通过真空前级泵708的反向流动。实施方式还包括附加的中间冷却器904，其用于通过在增压泵710的出口气体进入涡轮压缩机704之前冷却该出口气体而将涡轮压缩机704保持在稳定且有效的操作中。

参考图9B，实施方式包括气体喷射器700，其包括在增压泵710的出口和涡轮压缩机704的入口之间。当目标体积100的压力降低到第二中间压力时，气体喷射器700确保涡轮压缩机704和气体喷射器700之间的压力在第一中间压力下保持恒定。该方法可以减少施加在增压泵710上的热负荷和机械负荷，并且可以允许增压泵710向目标体积100施加更高的吸力。应当理解，一些实施方式包括中间冷却器904和气体喷射器700两者，如图9A和9B中分别示出的。

图10示出了类似于图9B的实施方式，但是其中初始抽气阶段可以分为第一初始阶段和第二初始阶段，类似于图7的实施方式，在图10的实施方式中，在第一初始阶段期间，阀V2和V3打开，而所有其他阀关闭。涡轮压缩机704由此被配置成直接泵送目标体积100，同时真空泵送系统保持操作，从而使单向阀900关闭。在第一初始阶段结束时，关闭阀V3并打开阀V4，由此气体喷射器700使得目标体积100的压力能够进一步降低直到其达到第一中间压力，同时在涡轮压缩机704的入口处保持较高的压力。一旦已经达到第一中间压力，阀V2关闭并且阀V1打开，从而允许增压真空泵710进一步降低目标体积100内的压力，其中涡轮压缩机704的支持单独地(V3打开，V4关闭)或者在气体喷射器的辅助下(V3关闭，V4打开)，直到达到第二中间压力。

当然，图7至10中所示的策略可以以各种方式组合，这取决于实现的要求。例如，图11示出了包括两个涡轮压缩机704、800和两个中间冷却器904、1100的实施方式，其使得初始泵送阶段能够被分成第一泵送阶段和第二泵送阶段，并且进一步将涡轮压缩机704、800中的一个或两个配置成当目标体积100中的压力从第一中间压力降低至第二中间压力时向增压真空泵710提供额外的支持。

更具体地，在图11的实施方式中的抽气的第一初始阶段期间，阀V2和V3打开，而阀V1关闭。结果，单向阀1102打开，同时单向阀1104保持关闭，使得两个涡轮压缩机704、800并联配置，并且两者都直接泵送到目标体积100上。在第二初始阶段期间，阀V3关闭，导致单向阀1102关闭，单向阀1104打开，使得两个涡轮压缩机704、800串联配置。当目标体积100的压力从第一中间压力进一步降低到第二中间压力时，阀V1打开，而阀V2和V3关闭，使得增压真空泵710泵送目标体积100，同时由第一涡轮压缩机704提供后退，并且也可能由第二涡轮压缩机800提供后退。中间冷却器904、1100冷却至涡轮压缩机704、800的输入，以提高它们的操作效率。

图12示出了类似于图11的实施方式，但是其中涡轮压缩机系统102负责抽空的最后阶段，其中一旦已经达到目标压力，真空泵送系统104仅负责维持目标体积100内的局部真空。图12的实施方式的抽空的阶段如下：

·第一初始阶段，目标体积压力从1巴降低到约500mbar，阀V2和V3打开，所有其它阀关闭，涡轮压缩机704和800直接并联地泵送到目标体积100上。

·第二初始阶段，目标体积压力从大约500mbar降低到大约250mbar

(第一中间压力)，阀V2和V4打开，所有其它阀关闭，涡轮压缩机704和800串联地泵送到目标体积100上。

·从约250mBar的第一中间压力到约10mBar的第二中间压力的转变，阀V1、V4和V7打开，所有其它阀关闭，增压真空泵710泵送目标体积100，其中两个涡轮泵704、800串联。

·从大约10mBar的第二中间压力到1mBar和0.1mBar之间的目标压力的最终泵送阶段，阀V2、V3、V5和V6打开，所有其它阀关闭，涡轮泵704和800在目标体积100上与辅助真空泵710和辅助真空泵708的辅助并联地泵送，防喘振阀706确保足够的气体被提供到涡轮泵704、800的入口。

·局部真空维持，阀V1打开，所有其它阀关闭，增压真空泵710在具有前级真空泵708的后退的情况下泵送靶体积100。

为了说明和描述的目的，已经给出了本发明的实施方式的上述描述。然而，无论应用程序内的形式或位置如何，该提交的每一页及其上的所有内容被表征、标识或编号，都被认为是本申请的用于所有目的实质性部分。本说明书不是穷举的，也不是要将本发明限制为所公开的精确形式。根据本公开，许多修改和变化是可能的。

尽管本申请以有限数量的形式示出，但是本发明的范围不限于这些形式，而是可以在不脱离本发明的精神的情况下进行各种改变和修改。本文所呈现的公开内容没有明确地公开落入本发明的范围内的特征的所有可能的组合。在不背离本发明的范围的情况下，本文公开的用于各种实施方式的特征通常可以互换并组合成不是自相矛盾的任何组合。特别地，在不背离本公开的范围的情况下，在以下从属权利要求中呈现的限制可以以任何数量和任何顺序与它们相应的独立权利要求组合，除非从属权利要求在逻辑上彼此不兼容。

Claims (28)

1.一种用于在目标体积内建立目标局部真空的设备，所述系统包括：

涡轮压缩机系统，所述涡轮压缩机系统包括第一涡轮压缩机，所述涡轮压缩机系统能够在第一排空阶段期间操作，用以将所述目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力；

真空泵送系统；以及

互连系统，所述互连系统能够在控制器的控制下操作，用以在所述涡轮压缩机系统与所述目标体积之间以及在所述真空泵送系统与所述目标体积之间建立气体连通。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述真空泵送系统在最终排空阶段期间能够操作，用以将所述目标体积内的压力从第二中间压力降低到所述目标局部真空。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括离心式涡轮压缩机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括轴向涡轮压缩机。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括具有由电动马达旋转的叶轮的涡轮压缩机。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括具有叶轮的涡轮驱动的涡轮压缩机，所述叶轮由气体驱动的涡轮旋转，所述气体驱动的涡轮由燃料燃烧产生的气体驱动。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述涡轮喷气发动机在设计上与可操作用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本上相同。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，包括在所述涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机在设计上与用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本相同，除了包括在所述涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机不包括出口喷嘴。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述真空泵送系统包括至少一个多级泵，所述多级泵包括以下中的至少一者：

螺杆式真空鼓风机；

“罗茨”型真空鼓风机；

油密封真空泵；

干式运行真空泵；以及

液环泵。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统还包括气体喷射器。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统还包括中间冷却器。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，涡轮压缩机系统还包括第二涡轮压缩机，并且其中，所述互连系统构造成将所述第二涡轮压缩机从与所述第一涡轮压缩机并联连接转换到与所述第一涡轮压缩机串联连接。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述互连系统配置成将所述第一涡轮压缩机从第一配置转换到第二配置，在所述第一配置中，所述第一涡轮压缩机与所述目标体积直接气体连通，在所述第二配置中，所述第一涡轮压缩机与所述真空泵送系统气体连通并且配置成向所述真空泵送系统提供支持。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述目标体积是超级高铁运输系统的多区段运输管道的区段，其中，多个所述区段中的每个区段包括用于与其连接到所述涡轮压缩机系统的配件，并且其中，所述涡轮压缩机系统安装在车辆上，所述车辆能够在所述区段之间输送所述涡轮压缩机系统以用于在其抽空期间连接。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，抽空真空泵送系统也安装在所述车辆上，并且能够操作用于在所述最终排空阶段期间提高抽空速率。

16.根据权利要求14或15所述的设备，其中，所述车辆适于在常规高速公路上运输所述压缩机系统。

17.一种用于将目标体积中的压力从环境压力降低到目标局部真空的方法，所述方法包括：

A)提供根据前述权利要求中任一项所述的设备；

B)以第一配置配置所述互连系统，由此，所述涡轮压缩机系统与所述目标体积直接气体连通；

C)在初始排空阶段期间操作所述涡轮压缩机系统，直到所述目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力。

D)以第二配置配置所述互连系统；以及

E)在最终排空阶段期间操作所述设备，直到所述目标体积中的压力从第二中间压力降低到所述目标局部真空。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，在所述第二配置中，所述涡轮压缩机系统从与所述目标体积的直接气体连通隔离出，并且所述真空泵送系统与所述目标体积直接气体连通。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，步骤B)还包括在最终排空阶段期间将所述涡轮压缩机系统从与所述目标体积的直接气体连通隔离出。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中：

所述涡轮压缩机系统包括第一涡轮压缩机和第二涡轮压缩机；

所述初始阶段包括第一初始阶段和第二初始阶段；以及

所述方法还包括在所述第一初始阶段期间将所述第一涡轮压缩机和所述第二涡轮压缩机配置成并联，并且在所述第二初始阶段期间将所述第一涡轮压缩机和所述第二涡轮压缩机配置成串联。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述目标局部真空的压力是在0.1mbar与1mbar之间。

22.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，其中，所述第一中间压力在200mbar与50mbar之间，并且所述第二中间压力在50mbar与10mbar之间。

23.根据权利要求17-22中任一项所述的方法，其中，所述方法在步骤C)和D)之间还包括：

使所述互连系统将所述涡轮压缩机系统从与所述目标体积的直接气体连通隔离出；以及

使所述互连系统将所述目标体积与吊杆罐体积以气体连通方式相互连接，所述吊杆罐体积在所述连接之前具有低于所述第二中间压力的内部吊杆罐压力，从而将所述目标体积内的压力从所述第一中间压力降低到所述第二中间压力。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述目标体积是超级高铁运输系统的多区段运输管道的区段，并且其中所述吊杆罐体积包括所述运输管道的与所述目标体积相邻的至少一个区段。

25.根据权利要求17-22中任一项所述的方法，其中，所述方法在步骤C)和D)之间还包括：

将所述真空泵送系统与所述目标体积直接气体连通地连接；

将所述涡轮压缩机系统从与所述目标体积的直接气体连通隔离出，同时将所述涡轮压缩机系统配置为向所述真空泵送系统提供支持；以及

操作所述设备，直到所述目标体积内的压力从所述第一中间压力降低到所述第二中间压力。

26.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，其中，所述第二中间压力等于所述第一中间压力。

27.根据权利要求17-26中任一项所述的方法，其中，在所述第二配置中，所述真空泵送系统与所述目标体积直接气体连通。

28.根据权利要求17-27中任一项所述的方法，其中，在所述第二配置中，所述涡轮压缩机系统与所述目标体积直接气体连通。

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