CN101803151A - 空隙管和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空隙管(39)及其制造方法。当在电动机中在转子与定子之间通过一个管状构件，亦即所谓的空隙管(39)实施隔离时，流体机械和电动机便可以安装在一个外壳中。所述空隙管(39)必须足够大，不导电和稳定。为此建议：它至少部分由陶瓷或玻璃状材料组成，或它至少部分由借助纤维增强的聚合物基体组成，或它借助下列步骤制成：用粉末充填一个容器；将所述容器抽成真空；在温度和压力下压制所述容器，使粉末颗粒烧结或互相熔合，此时容器成形。

Description

空隙管和制造方法
技术领域
本发明涉及一种空隙管及其制造方法。
背景技术
流体机械和它的电动机大多装在分开的外壳内。因此在流体机械中需要轴密封装置，它应防止输送的流体外泄。
流体机械和电动机可以在没有轴密封装置的情况下装在一个外壳内，只要电动机中在接触流体的转子与定子之间通过管状构件进行隔离。这一构件由于它位于空气间隙中，故称之为“空隙管”。
迄今使用的空隙管有下列一个或多个缺点：
a)导电性：空隙管被涡流加热。热量必须排出以及机器总功率受很大限制。
b)强度低：空隙管只能承受低的内外压差。这种技术不适用于高压机器。
c)在加工技术上只允许制造小结构尺寸的空隙管，由此限制了机器的结构尺寸。
迄今只制造具有空隙管或空隙罐的较低功率的小型机器(尤其泵)。为此迄今使用下列材料：
a)金属的特种或超级高温合金，如哈斯特合金或因科镍合金。(缺点：导电性诱发涡流，它们不可接受地导致降低大功率压气机的效率)
b)CFK，碳纤维增强塑料。(缺点：碳纤维仍有过高的导电性，基于诱发涡流，它们过多地降低大功率压气机的效率)
c)颗粒或玻璃纤维增强和不增强的大功率聚合物(例如Ticona公司的FORTRON)。(缺点：对于在高压压气机中的使用而言，能达到的刚度和强度太低)
d)整体的工程陶瓷，如氧化锆(例如Friatec公司的FRIALIT)。(缺点：在制造空隙罐时迄今首先恒冷地挤压陶瓷粉(基体)以及接着烧结。烧结过程引起收缩18-25％以及造成降低强度的组织缺陷。此外在烧结如高压压气机所需的尺寸很大的空隙管时，还导致由质量引起的变形，直至形成裂纹。由于这些原因，迄今不能制造长度明显超过300mm的整体式空隙管或空隙罐。此外，借助这种制造方法能达到的在至150bar压力时的容许破坏极限过小)。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提供一种空隙管及其制造方法，这种空隙管有能力承受高的压差。
为了解决上述技术问题本发明建议，空隙管至少部分由陶瓷或玻璃状材料组成。
在这里，陶瓷/玻璃状材料可以是整体的，或由纤维增强的陶瓷或玻璃基体组成。整体材料以及纤维复合材料的基体，在这里可以或有晶态(亦即陶瓷的)结构，或有非晶态(亦即玻璃状)结构，或有一种由两者组成的混合组织(亦即玻璃陶瓷)。空隙管可以这样制造：将相应地适用的陶瓷/玻璃粉末充填在一个容器内，接着将容器抽成真空直至高真空度，然后将其气密地封闭，以及，在这之后在恒热的挤压设备(HIP)中在高压和恰当温度条件下压制，使容器成形和陶瓷/玻璃颗粒烧结或熔化，从而使空隙管获得一种接近最终尺寸的结构，以及在机器中产生的所有压力下对于流体机械的流体能可靠密封。
与之不同地，可以用热喷射法在旋转的实心芯棒上涂敷陶瓷粉末，接着被容器包围。
与之不同地，空隙管也可以这样制造：将相应地适用的陶瓷纤维在添加粘结剂的情况下按恰当定向卷绕在芯棒上，其中粘结剂是陶瓷粉末或玻璃状粉末或由陶瓷粉末或玻璃状粉末组成的泥釉构成，以及通过接着的可以在大气或空气或在HIP设备中进行的热处理，使粘结剂烧结或熔化。在这里可将此过程控制为，或卷绕的纤维体起先仅获得一种基本的机械强度以及还可以机械加工，或使空隙管直接获得应用时要求的强度和密封性。
与之不同地，密封性可以这样达到：接着上述过程将经热处理的纤维体的微孔封闭。这例如通过高压浸润液态玻璃，或通过浸入液态泥釉(Fritte)中的涂釉过程，以及接着通过表面燃烧或上釉，或通过其他适用的过程实现。
借助上述HIP方法，与迄今使用的分成两个阶段的恒冷压制/烧结法相反，可以按针对高压压气机所需要的尺寸和强度，制造接近最终结构的整体式陶瓷空隙管。因为在这里压制和烧结过程同时进行，所以使组织缺陷和收缩减少到最低程度，避免由质量引起的变形和形成裂纹的危险。此外，借助恒热挤压设备也可以由陶瓷纤维增强的玻璃基体制造空隙管。
除此之外，按本发明为上述技术问题还建议了一种制造空隙管的方法，此方法实施下列步骤：
-用粉末充填一个容器，
-将容器抽成真空，
-在温度和压力下压制容器，使粉末颗粒烧结或互相熔合，此时容器成形。
若用粉末制造空隙管是特别困难的，因为毛坯难以处理。此外，空隙管尺寸比较大而且必须制成有足够尺寸精度的空隙管。所建议的方法能满足相应的规范，因为粉末充填在一个尺寸稳定的容器内作为毛坯，以及这一容器通过相宜的成形在压力下减小了其体积，从而得到一个足够接近最终结构的空隙管。所提供的空隙管不仅有足够的尺寸精度，而且有足够的稳定性。在精度要求更高时，空隙管可以后续机械加工。可以采用不同的粉末，尤其玻璃状或陶瓷粉末。加热可简单地在恒热挤压设备中在空气环境或在真空条件下进行。若制成的空隙管没能满足密封性的要求，则微孔可以借助高压浸润和用液态玻璃封闭，或通过浸入液态泥釉中涂釉并接着燃烧或上釉封闭。
此外，按本发明为上述技术问题还建议，空隙管至少部分由借助纤维增强的聚合物基体组成。
若采用由陶瓷纤维增强的聚合物基体组成的空隙管，便可以避免迄今空隙管结构的缺点。在这里尤其可以使用碳化硅纤维或高纯的氧化铝纤维或氧化锆纤维，或也可以使用模来石纤维。所有这些纤维均提供高的拉伸强度。若优化纤维的复合方式，尤其若使用短纤维或无定向纤维或连续纤维或纤维束(粗纱)以及纤维网(机织织物、非织造织物等)，则可以进一步提升承载能力。可以有利地提高聚合物基体的耐磨性，只要空隙管表面还附加地掺入陶瓷颗粒或用陶瓷颗粒涂层。
作为用于空隙管的纤维也可以采用高级聚合物纤维。
恰当地属于高级聚合物纤维例如：PBO纤维或Zylon纤维(商标名)或Poly(p-phenylen-2，6-benzobisoxazol)纤维或PB(Z)t纤维或Poly(p-phenylen-2，6-benzobisthiazol)纤维或PIPD纤维(商标名M5)或Polypyridobisimidazol纤维。
借助高级聚合物纤维增强的聚合材料达到非常高的强度和刚度，它们处于大模量碳纤维复合材料的水平以及它们是为了在高压机器中使用所需要的。然而与碳纤维不同，这些纤维的特征在于它们非常大的电阻。因此用这种通过高级聚合物纤维增强的聚合物基体制成的空隙管，不会引起降低效率的涡流损失，并因而特别适合在高压机器中使用。
附图说明
下面参见附图借助一种特殊的实施例详细说明本发明。其中：
图1示意性示出了通过具有按本发明的空隙管的压气机单元的纵剖视图。
具体实施方式
图1示意性示出了压气机单元1的纵剖面，作为重要的结构部分它具有在气密结构的外壳4内的电动机2和压气机3。外壳4内有电动机2和压气机3。在从电动机2到压气机3的过渡区内，所述外壳4设有进口6和出口7，其中，通过进口6借助吸气接管8吸入要压缩的流体，经压缩的流体经出口7流出。
压气机单元1运行时垂直布置，在这种情况下电动机2的电动机转子15通过压气机3的压气机转子9联合成公共的轴19，它绕共同的垂直旋转轴线60旋转。
电动机转子15支承在电动机转子15上端的第一径向轴承21中。压气机转子9借助处于下部位置的第二径向轴承22支承。在公共轴19的上端，亦即在电动机转子15上端，设止推轴承25。
设计为离心式压缩机的压气机3有三个压气机级11，它们分别借助一个溢流装置33连接。
电磁轴承21、22、25借助冷却系统31冷却到工作温度，冷却系统31在压气机3的溢流装置中设抽头32。借助管道从抽头32将部分输送介质，优选为天然气，导引通过过滤器35，接着通过两个分离的管道导向各外部支承点(第一径向轴承21和第四径向轴承24以及止推轴承25)。借助冷的输送介质80进行冷却，省去附加的供应管。
电动机转子15被定子16围绕，定子16在内径上具有一个设计为空隙管39的容器，所以腐蚀性的输送介质80不会损伤定子16的绕组。空隙管39在这里设计为，使它能承受满负荷时的工作压力。之所以能如此，还因为定子设有单独的冷却装置40，一种自己的冷却剂56在其中循环。在这里，泵42保证经过热交换器43的循环。空隙管39设计为，使至少在定子16与电动机转子15之间延伸的区段尽管有薄的壁厚，但在定子冷却装置40借助冷却剂56完全充填时仍有能力承受设计压力。以此方式避免在此区域内较大的涡流损失，以及提高整个装置的效率。

Claims (30)

1.一种空隙管(39)，其特征为：它至少部分由陶瓷或玻璃状材料组成。
2.按照权利要求1所述的空隙管(39)，其特征为，所述空隙管(39)的材料是整体的。
3.按照权利要求1所述的空隙管(39)，其特征为，所述材料是纤维增强材料。
4.按照权利要求1至3之一所述的空隙管(39)，其特征为，所述材料是非晶态的。
5.按照权利要求1至3之一所述的空隙管(39)，其特征为，所述材料是晶态的。
6.按照前列诸权利要求1至3之一所述的空隙管(39)，其特征为，所述材料是由非晶态与晶态成分组成的混合组织。
7.一种空隙管(39)，其特征为：它至少部分由借助纤维增强的聚合物基体组成。
8.按照权利要求7所述的空隙管(39)，其特征为，所述聚合物基体借助高级聚合物纤维增强。
9.按照权利要求8所述的空隙管(39)，其特征为，所述聚合物纤维包括Poly(p-phenylen-2，6-benzobisoxazol)纤维和/或Poly(p-phenylen-2，6-benzobisthiazol)纤维和/或Polypyridobisimidazol纤维。
10.按照权利要求7所述的空隙管(39)，其特征为，它至少部分由陶瓷纤维增强的聚合物基体组成。
11.按照权利要求10所述的空隙管(39)，其特征为，纤维至少部分由碳化硅组成。
12.按照权利要求10所述的空隙管(39)，其特征为，纤维至少部分由氧化铝组成。
13.按照权利要求10所述的空隙管(39)，其特征为，纤维至少部分由氧化锆组成。
14.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维设计为尤其长度在0.1mm至1mm之间的短纤维。
15.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维互相构成一种无定向复合物。
16.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维设计为尤其长度至少30mm的连续纤维。
17.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维设计为纤维束，尤其设计为粗纱。
18.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维设计为纤维网。
19.按照权利要求7至13之一所述的空隙管(39)，其特征为，纤维设计为纤维束，尤其设计为粗纱。
20.按照权利要求7至19之一所述的空隙管(39)，其特征为，所述空隙管(39)的表面掺入陶瓷颗粒。
21.一种制造空隙管(39)的方法，其特征在于下列步骤：
-用粉末充填容器，
-将所述容器抽成真空，
-在温度和压力下压制所述容器，使粉末颗粒烧结或互相熔合，此时容器成形。
22.一种制造空隙管(39)的方法，其特征在于下列步骤：
-用热喷射法在芯棒上喷涂陶瓷粉末，
-喷射层封装在容器内，
-将容器抽成真空，
-在温度和压力下压制所述容器，使粉末颗粒烧结或互相熔合，此时容器成形。
23.一种制造空隙管(39)的方法，其特征在于下列步骤：
-陶瓷纤维在添加粘结剂的情况下卷绕在芯棒上成为毛坯，
-加热所述毛坯，使粘结剂烧结或粘结剂的颗粒熔化。
24.按照权利要求23所述的方法，其特征为，所述粘结剂是陶瓷粉末或玻璃状粉末或由陶瓷粉末或玻璃状粉末组成的泥釉。
25.按照权利要求23或24所述的方法，其特征为，所述加热在空气环境下进行。
26.按照权利要求23或24所述的方法，其特征为，所述加热在真空条件下在恒热的挤压设备中进行。
27.按照前列诸权利要求21至26之一所述的方法，其特征为，对所述空隙管(39)进行后续机械加工。
28.按照权利要求21至27之一所述的方法，其特征为，对所述空隙管(39)的微孔进行封闭。
29.按照权利要求28所述的方法，其特征为，微孔通过高压浸润用液态玻璃封闭。
30.按照权利要求28所述的方法，其特征为，通过浸入液态泥釉中的涂釉，以及通过对所述空隙管(39)表面接着的燃烧或上釉来封闭微孔。
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