CN101694168B - 带有持久位置保持系统的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有持久位置保持系统的涡轮机。安装有转子(10R，110R)和定子(10S)的涡轮机(10，210，310)，包括确保转子径向位置的径向定位装置(40，42；240，242；340，342)；和安装在至少一个叶轮上用于高速时在轴向上平衡转子(10R，110R)的轴向平衡设备(38)。涡轮机包括不同于径向定位装置(40，42；140，142)，用于低速时在轴向上平衡转子，且在高速时与转子不接触的推力轴承(36，136)。此外，径向定位装置是静压轴承，涡轮机包括适合连接上述轴承和压力流体源的静压轴承供给回路(44，46，48)。因此，在高速时获得长寿命的运转是可能的。

Description

带有持久位置保持系统的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种布置有转子和定子的涡轮机，更具体地，本发明涉及对其装置的改进，该装置用于将转子保持在相对于定子的适当位置中。

背景技术

涡轮机包括流体流动部分和电部分，该两部分配合运转使能量在流过该机的流体和电路之间进行转换。

该转换可以在任一方向上发生：因此，这样的涡轮机可以是压缩机，它具有电动机作为它的电部分用以驱动例如泵这样的流体流动部分；涡轮机也可以是发电机，流体流动部分是涡轮用以驱动电部分，这样就构成发电机，例如交流发电机。

这类涡轮机特别以膨胀涡轮或高压泵的形式应用于液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)工业当中。流过涡轮机的流体因此可以是天然气(甲烷，乙烷)，液化石油气(丁烷，丙烷)，或者是被称为混合制冷剂(RM)的其混合物(其还可以包括有限数量的较重的化合物)。

在设计这种机组时的一个永久目标就是使其寿命和性能的最大化。

为了这个目的，需要特别努力来减小转子的旋转摩擦。要想做到这一点，选择合适的用于在径向和轴向上保持转子相对于定子的位置的装置是十分必要的。应该注意到转子通常布置有垂直布置的轴，而保持装置的首要功能就特别是支撑转子的重量，尤其是在静止或低速时。

在美国专利申请2006/0186671中公开了适用于涡轮机的保持装置的不同实施例。

在第一个实施例中(图1)，公开了一种通过滚动轴承保持其径向位置的涡轮发电机。然而，滚珠轴承存在缺陷，包括机械接触和由此在相对表面间产生的摩擦，因此导致磨损和能耗，尤其在高速旋转时；滚珠轴承还对最大可接受旋转速度提出了限制。

在低速时轴向位置通过一个上述的滚珠轴承来保持，在高速时则通过一个布置在叶轮背部的轴向平衡设备来保持。

以上提及的滚珠轴承包括相对于定子在有限范围内滑动地安装的外环。在低速时，位于该范围一端的抵靠阻挡外环，滚珠轴承因此阻挡转子的轴向位置。

在高速时，作用于叶轮上的流体压力向上推动转子，轴向平衡设备替代滚珠轴承使转子在上述范围内实质上保持静止位置。轴向平衡设备组合在第一个叶轮内，它包括布置在叶轮后面的平衡腔室，其与存在轴向间隙并用来调节平衡腔室内的压力的喷嘴相作用以便保持转子的轴向位置。

本实施例的缺陷在于转子的运动驱动滚珠轴承(固定在转子上)的内环和滚珠旋转，因此在滚珠轴承内产生摩擦和磨损。因此，发电机那部分的寿命有限。

为了补救这些缺陷，美国专利申请2006/0186671展示了涡轮发电机的另一个实施例(图7)。

在这个实施例中，为了径向地保持转子，发电机具有可以脱开的滚珠轴承。这些滚珠轴承在低速时使用。它们与在高速时替代使用的静压轴承是并行的。静压轴承利用涡轮机主回路中流体的压力，只要旋转速度(也即流体压力)达到一个足够大的值，它们就会保持转子的径向位置。(在这篇文献中，涡轮机的“主回路”是指所有能够使流体流过涡轮机的流体流动部分的回路。)

为了保持转子的轴向位置，当静止和低速时，其中一个滚珠轴承抵靠在转子轴的圆锥形轴承表面上，因此在垂直方向上支撑转子。

在更高速度时，在叶轮内流体压力的作用下转子上升一点；于是通过轴向平衡设备保持转子的位置。通过转子的平移滚珠轴承于是被脱开，因而打开了与滚珠轴承对齐的相对于转子轴的圆锥形轴承表面的间隙：底部的轴承通过转子的平移(与圆锥体分离)而被脱开，而对于顶部的轴承，正是流体压力的上升反作用给组合至轴承的设备以脱开圆锥体。

这种布置存在复杂，尤其存在可靠性不足的缺陷。因为转子平移而脱开滚珠轴承，并且该移动的幅度很小。在实际情况中，使用大直径的轴可以是毫无疑问的，轴承表面保持很小的锥度，因此在轴承的脱开和冒着在滚珠轴承和静压轴承之间运转时产生强相互作用的风险过程中会产生较差的可靠性。

此外，具有平行径向保持装置(滚珠轴承平行于静压轴承)导致额外的重量并增加机器的体积。

发明内容

本发明的第一个目标就是通过提出一种布置有转子和定子的涡轮机来补救上述缺陷，该涡轮机包括：流体流动部分，其能够使能量在经过其中的流体和转子之间被交换，具体地包括至少一个安装在转子的轴上的叶轮；电部分，适合将电力转换为功或反之亦然；径向定位装置，用于径向地定位转子；和安装在所述叶轮上的非接触轴向平衡设备，在高速时为转子提供轴向平衡；该涡轮机消耗很少的流体并展现良好的容积效率，相对紧凑，有很长的使用寿命，在用于将转子保持在合适位置的界面处的磨损少，并适合在高速下工作。

目标的实现是通过如下的事实：涡轮机包括不同于径向定位装置(或径向支撑装置)的推力轴承，该推力轴承在低速时向转子提供轴向平衡，并且在高速时是不接触的；而且径向定位装置是单独由静压轴承构成的，涡轮机包括静压轴承供给回路，该回路适合于将所述轴承连接至压力流体源。

这些供给回路可以是部分地或完全地不同于涡轮机的主流体回路。

在该涡轮机中，通过不同的装置来保持轴向位置和径向位置，推力轴承不同于径向定位装置。以该方式，高性能的技术可以被用于制造这两种类型的保持装置中的每个，由此，使涡轮机能被优化：首先是推力轴承，与非接触轴向平衡设备相关联用于高速；其次是静压轴承，用于径向地保持位置。

首先应该注意的是，设计涡轮机被放置成转子的轴处于垂直或者倾斜位置，但不是在水平位置。作用在转子上的重力构成了返回力，该返回力限制了转子的向上轴向移动，因此，有助于保持其轴向位置。

在轴向方向上的向下移动由推力轴承限制。其支撑转子在静止和低速时的重量。有利地，由于推力轴承没有径向位置保持功能，其可以被定尺寸成小尺寸的。由于其在高速时(高于预定速度)是不接触的，轴向抵靠(abutment)不妨碍转子在高速时的运转，由此有利于可以将转子的运转范围扩展至高速。推力轴承不同于轴向平衡设备。

在高速时，通过轴向平衡设备来保持轴向位置。有利地，轴向平衡设备被合并在(多个)叶轮中并随着流过流体流动部分的流体来运转，因此可以避免无意义的流体消耗。该合并的配置有助于涡轮机具有高容积效率。

径向位置有利地由单个设备来保持，特别是静压轴承。没有涉及接触的滚珠轴承或其它保持设备会涉及保持径向位置。

一旦它们在流体压力下，静压轴承将把转子放置在一位置，在该位置中在转子和轴承之间存在非常小量的间隙(几十个微米)。因此这些轴承可以得到极低的摩擦损失，而且实现起来不需要在转子和其它没有固定于转子的部分之间移动机械零件。

此外，由于静压轴承有它们自己的供给回路，使它们能在转子静止或低速转动时被供给，它们可以被用于将转子径向地定位而不必考虑其旋转速度，这与上述现有技术中的与滚珠轴承平行的静压轴承不同。因此静压轴承用于在涡轮机的所有速度上来保持转子的径向位置。

更特别地，当涡轮机用处于低或非常低的压力的流体(如用液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)或混合制冷剂(RM))来使用时，使用与用于静压轴承的供给回路联合的压力下的外部流体源，作为优先，使得能够降低具有非常小的间隙和位于该机的核心的温度，也使得能够对轴承的温度有精确的控制。由于轴承中的径向间隙非常小，在启动时温度下降过程中经常有静压轴承堵塞的风险。控制轴承供给流体的温度使得能够降低该风险并保持控制。

依据本发明，用于将转子保持于合适位置的界面在高速(高于某一预定速度)时是不接触的。(这里使用的术语“有接触”是指在两个固体之间有机械接触。)这些界面是在转子和机器的其余部分之间、在径向定位装置处、推力轴承和轴向平衡设备的机械界面。

这样，在高速时，流体膜将转子与没有被固定于转子的机器的部分分开；在转子的表面和没有被固定于转子的一些其它部分的表面之间没有机械接触。结果是，摩擦损失和磨损被最小化。

在一个实施例中，推力轴承包括轴承表面，该轴承表面相对于转子的轴线形成大于10度的角度，并且优选地接近90度。结果是，避免了推力轴承堵塞的以及在推力轴承与静压轴承之间相互作用的任何风险。

特别地，对于推力轴承可以设想两个实施例。

在第一个实施例中，推力轴承是静压轴承。该实施例引人注意，用于以持久的方式来确保精确的定位，由于用静压轴承来保持径向位置。供给回路用于静压轴承轴向地和径向地动作可以部分地是普通的，但它的功能表面(轴承表面)仍然是不同的。

在第二个实施例中，推力轴承是滚珠轴承。该滚珠轴承被设计成在高速旋转时是不接触的。

作为实例，为达到该目的，滚珠轴承包括内环，该内环具有实质上为圆筒形的径向内表面，有形成在所述内表面和转子的外表面之间的间隙。由于该径向的间隙，当转子旋转时并没有驱动滚珠轴承的任何部分旋转。结果是，结果是，转子磨损和故障的风险被最小化。相反地，需要轴承的轴向端部处的表面来传递力以执行推力轴承的功能。

在一个实施例中，涡轮机还包括位于静压轴承供给上游的过滤器。利用它，任何可能损坏静压轴承的大直径颗粒都在其上游被清除，由此增加了轴承的寿命。

在一个实施例中，在高速时，为了将转子轴向地保持于合适位置的目的，轴向平衡设备单独使用流过叶轮的流体。这优化了涡轮机的容积效率，并且使轴向平衡设备的结构保持简单。

本发明的第二个目标是提供涡轮机设备，它包括之前定义类型的涡轮机并表现出高容积效率、长寿命，尤其在高速时，还包括内部装置，该内部装置用于向涡轮机的静压轴承供给压力流体。

该目标通过如下事实可以实现：该设备包括如上所述的、适合被连接至压力流体源的涡轮机，和用于选择向涡轮机的静压轴承供给的装置，所述供给既或者是所述压力流体源，或者是涡轮机的主流体回路。

因此，因为选择压力流体源的可能性，可以最小化更具惩罚性的流体的消耗(即，在实际情况中，最小化机器使用外部流体源运转的时间长度)。压力流体源可以是流体罐，带有适合将流体压缩至需要压力的压缩机。它可以同等地是流体缓冲器，该流体缓冲器在静止时实质上是充满压力流体，适合在要求压力下传输给定量的流体，以启动涡轮机；一旦涡轮机已经启动，缓冲器被重新充满。

通过优化用于静压轴承的压力流体源的选择，优化了涡轮机的整体能量效率。

附图说明

通过阅读下面作为非限制性实例给出的实施例的详细描述，可以更好地理解本发明和展现它的优点。该描述参考附图，其中：

图1A和2A是本发明两个实施例中的涡轮机的轴向剖面视图，用于其的推力轴承分别是滚珠轴承抵靠和静压抵靠。

图1B和1C是分别对应低速时推力轴承和高速时轴向平衡设备附近的第一实施例中的涡轮机的轴向剖面视图；

图2B和2C是分别对应低速时推力轴承和高速时轴向平衡设备附近的第二实施例中的涡轮机的轴向剖面视图；以及

图3A和3B是用于显示依据本发明，分别包括被涡轮驱动的发电机和被电力驱动的涡轮泵的两个涡轮机设备的简图。

当元件在多个附图中出现时，它在不同图中保持相同的标记，而且参照其出现的第一个图对其进行描述。

具体实施方式

根据图1，本发明中的涡轮机如下所述：

涡轮机10是由涡轮驱动的发电机。它包括由涡轮构成的流体流动部分20，和构成发电机的电部分50。

涡轮机10被布置成处于转子10R在定子10S内关于其轴12旋转的形式。

定子10S实质上包括由14、15、16和17四部分制成的机壳30。这些部分是静止的并且通过螺钉18彼此紧固。定子还包括发电机的静止或定子部分54。

转子10R实质上包括叶轮22，它通过螺钉24、转子轴12本身和发电机50的转子部分52被紧固于轴12的一端(轴12上较大直径的中心部分如图1所示，细节并未在图中示出)。

涡轮机10工作情况如下：

流体在压力下经由口34进入涡轮机10，该口穿入轴12的轴线上的机壳部分17。

通过机壳17的通道32、机壳16的通道31、机壳15的通道29和机壳14的整合通道27(在叶轮的上游，叶片整合于机壳14)的引导，流体直达叶轮22，其在叶片之间通过叶轮，由此驱动叶轮旋转。因此，转子10R在流体的作用下开始旋转。

发电机50是公知的涡轮机部件，该发电机有转子上的转子部分52和有定子部分54。在转子10R旋转的作用下，发电机传输电力，该电力通过缆线被输送经过通道35(未示出)。

在经过叶轮22后，流体流经机壳14的通道28，该通道28将流体引导至出口26，该出口26布置在机壳部分14中在远离入口34的涡轮机的端部处。

(轴向地和径向地)保持转子10R位置的情况如下：

首先应该注意的是，涡轮机10被设计为在垂直配置情况下工作，即，有在垂直方向上的转子的轴线。

为了支撑沿着转子轴12的轴线A作用的转子重量，涡轮机包括一个由旋转轴承36，特别是滚珠轴承构成的推力轴承。当转子在静止或低速旋转时，滚珠轴承36支撑转子10R的重量。当转子的旋转速度升高时，转子10R稍微升起，它的位置则由轴向平衡设备38调节，该轴向平衡设备38形成在叶轮12的后部。参照图1B和1C来详细描述这些构件的布置。

转子由静压轴承40和42径向地定位。这些静压轴承具有不同于主流体回路29、31的供给回路44、46、48。这些回路的供给口45被设计成连接至压力流体源。涡轮机10还可以包括布置在静压轴承上游的过滤器(未示出)，其设计成除去可能存在于流体中的过大直径的任何颗粒。

在公知的方法中，这些静压轴承40、42中的每个都包括筒状部分，该筒状部分以非常小的间隙围绕轴12的圆柱形轴承表面。轴承供给流体被注入在筒状部分和轴12之间以形成薄膜，将轴与轴承分开并使轴能够没有机械摩擦的旋转，将轴12保持在期望的径向位置中。

下面参照图1B和1C来详细描述轴向保持装置的工作。图1B显示了转子在低速旋转时其占据的位置，而图1C显示了转子在高速旋转时其占据的位置。首先应该注意的是，在滚珠轴承36的内环58与轴12之间存在内部间隙56。由于该间隙56的原因，轴承36只有在其支撑转子10R的重量时才被驱动旋转。环58的顶表面62于是与轴12的肩部64接触。推力轴承36的功能表面或轴承表面相对于转子10R的轴线A形成90°的角度α。

在滚珠轴承36的外侧，外环60将转子的重量传递给环形件61，该环形件61固定于机壳部分15并且通过螺钉65紧固其上。

在高速旋转时(图1C)，转子10R提升轴线A。环58的表面62不再与轴12的肩部64接触。滚珠轴承36没有被驱动旋转，其不起作用。

轴向平衡设备38在图1B和1C的底部示出。在叶轮22的后面、转子10R的旁边形成腔室72。少量流体经由不变截面喷嘴74从涡轮机的主回路流出并且其注入腔室72。流体经由喷嘴76从所述腔室排出，该喷嘴76形成在环形件61的表面66和叶轮22的表面68之间。环形表面66径向地延伸，实质上面对相应的叶轮22的环形表面68。在这两表面之间形成间隙70。间隙70作为转子相对于定子的轴向位置的函数变化，以便调节腔室72中的压力，并且最终，腔室72中的流体压力作用(以公知方式)在叶轮22上，并且从而作用在转子10R上，因此将转子保持在实质上不变的轴向位置。

参考图2A、2B和2C描述第二个实施例。这些图中所示的涡轮机的功能和结构与参考图1A至1C所描述的涡轮机的功能和结构实质上相同。

转子110R的径向定位由两个静压轴承140和142提供，该两个静压轴承140和142实质上布置在转子的端部。

相反地，将转子110R保持在其轴向位置的装置不同于上述实施例中的装置。在静止和低速旋转时，转子110R由静压推力轴承136构成的推力轴承来支撑。该轴承邻近保持径向位置的静压轴承140，因此使用普通的环144就可以方便地制成这两个部件，该环144被紧固在机壳部分115中。然而，部件136和140的功能表面是不同的表面，具有分别被轴向地和径向地指向的法线，而推力轴承136不同于保持径向位置的静压轴承140。

由于静压推力轴承136的原因，流体压力一施加到口45，转子就升起非常小的量并且其可以开始转动。

如图2B和2C所示，与轴向平衡设备38相比，静压推力轴承136的工作与上述实施例中涡轮机的非常相似。

导管148将压力流体输送进入分配导管151和153，该分配导管151和153将流体分别输送至静压推力轴承136和静压轴承140。导管148、151和153在机壳部分115和环144的周边的周围被有规律地间隔开，以便在该周边的周围分配流体。

在静止和低速时，在静态推力轴承136中流体压力的作用下转子110R被提升离开环144，并且其占据靠近其顶部部分162的位置。因此，在所述表面162和对面的转子110R的表面164之间形成了非常小量的间隙，由此避免了在转子110R和定子之间的任何机械摩擦。

在更高速度时，轴向平衡设备138将转子提升了一点(相对于它在静止或低速时的位置)，由此增加了表面162和164之间的轴向间隙165。静压推力轴承136然后被脱开(declutched)，仅通过轴向平衡设备138来保持转子110R的轴向位置。

由于轴向推力轴承(静压推力轴承136)部分地由构成静压轴承140的装置制成，因此发现该布置既非常紧凑、又非常简单而且并不昂贵。

图3A和3B示出本发明的两个涡轮机设备。

第一个设备200(图3A)包括涡轮机210，该涡轮机210包括由涡轮220驱动的发电机250。通过两个静压轴承240和242将涡轮机转子210R保持在径向位置中。

从单个管205向涡轮220以及静压轴承240和242供给压力流体。

第一管215被连接至管205，以经由过滤器219向静压轴承供给，第一管215的流量由阀217控制。

第二管225也被连接至管205，以向涡轮220供应。通过涡轮220的流体的流动由两个阀227和237来控制，该两个阀227和237分别位于管225中和流体排放管235中的上游，流体排放管235在涡轮220的下游。

图3B示出了本发明的涡轮机设备300，用于构成电动泵的涡轮机。设备300包括涡轮机310，该涡轮机310带有驱动泵320的电动机350。除非明确说明，否则与图3A中类似的元件使用相同的附图标记加上100。

通过管315经由过滤器319向静压轴承340和342供给，该管315适合连接至在涡轮机设备300外部的压力流体源(未示出)。该管中的流量由阀317控制。

泵320经由管335供给。供给流量由阀337控制。来自泵的输送经由管325进行，该管中的流量由阀327控制。

此外，管345将管325连接至管315。

止回阀321位于管345中以防止流体经由管325返回，而另一个止回阀311被布置在管315中以防止流体朝着压力流体源(未示出)返回。由于这两个止回阀的原因，静压轴承340、342向那里施加压力，该压力大于由来自泵320的传输压力(管325中压力)和来自压力流体源在出口处的压力所构成的压力。因此，一旦泵输送压力足够高，将中断来自压力下的外部流体源的压力流体的消耗。

另一个实施例在于提供受控的转换设备，例如使用电子控制单元，来选择供给静压轴承的压力流体的来源。

Claims (8)

1.一种布置有转子（10R，110R）和定子（10S）的涡轮机（10，210，310），该涡轮机包括：

流体流动部分（20），其能够使能量在经过其中的流体和转子（10R，110R）之间被交换，包括至少一个安装在转子的轴上的叶轮（22）；

电部分（50，250，350），适合将电力转换为功或反之亦然；

径向定位装置（40，42；240，242；340，342），用于径向地定位转子；和

非接触轴向平衡设备（38），布置在所述叶轮上，在高速时为转子（10R，110R）提供轴向平衡；

该涡轮机的特征在于：

它还包括不同于径向定位装置（40，42；140，142）的推力轴承（36，136），该推力轴承（136）是静压轴承，在低速时该推力轴承提供转子的轴向平衡，并且在高速时是不接触的；以及

径向定位装置单独由静压轴承构成，该涡轮机包括静压轴承供给回路（44，46，48），该回路适合于将所述轴承连接至压力流体源。

2.根据权利要求1的涡轮机，其中推力轴承（36，136）包括轴承表面，该轴承表面相对于转子的轴线（A）形成大于10°的角度。

3.根据权利要求1的涡轮机，还包括在静压轴承供给（240，242；340，342）上游的过滤器（219，319）。

4.根据权利要求1的涡轮机，其中流体流动部分包括泵（320），并且电部分是电动机（350）。

5.根据权利要求1的涡轮机，其中流体流动部分是涡轮（220），并且电部分是发电机（250）。

6.根据权利要求5的涡轮机，其中在高速时，为了将转子（10R，110R）轴向地保持于合适位置的目的，轴向平衡设备单独使用流过一或多个叶轮的流体。

7.根据权利要求1至6中任何一项的涡轮机，该涡轮机采用液化天然气、液化石油气、或者混合制冷剂流体。

8.一种涡轮机设备，包括根据权利要求7的、适合被连接至压力流体源的涡轮机和用于选择向涡轮机的静压轴承（340，342）供给的装置（311，321，315，345），所述供给或者是所述压力流体源，或者是涡轮机的主流体回路（325，335）。

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