CN102400948A - 涡轮机械促动系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机械促动系统和方法。具体而言，一种促动系统包括传动环、至少一个连杆和至少一个杆臂，该传动环配置成用以旋转并在面向传动环的中心点的内部面上具有凹槽；该至少一个连杆利用第一端附连至凹槽的内部；并且该至少一个杆臂附连至该至少一个连杆的第二端。当传动环旋转时，该至少一个连杆的至少一部分保持在凹槽内。

Description

涡轮机械促动系统和方法

技术领域

本文所公开的主题的实施例大体上涉及方法和装置，并且更具体而言，涉及用于促动可变入口导叶系统的一个或多个静叶的机构和技术。

背景技术

用于调整导叶的促动系统被用在涡轮机械设备中，涡轮机械设备包括(但不限于)压缩机、泵和扩张器。具体而言，可变入口导叶(IGV)可被用于压缩机应用中以调整进入第一压缩机转子的进气的入射角并控制进气量，以确保合适的纵荡(surge)，以及最大限度地提高效率。

促动系统可被用于例如回收甲烷、天然气和/或液化天然气(LNG)。回收的气体可以气化气体(BOG)的形式源自导堤管道(jettypipeline)。这种气体的回收将减少排放，并在将LNG装载到船舶上期间减少突然燃烧操作。促动系统的其它应用是本领域中已知的。

可变IGV系统提供带有更大容量控制的压缩机，并基于操作条件通过改变进入压缩机的空气和/或流体的流量和压力比而减少能量损失。在这方面，应当注意，压缩机在起动时应轻载，而后随着压缩机变成满负荷操作而逐渐加载。IGV系统有助于在这些阶段期间控制气流。可变IGV系统设置在压缩机的入口处，并且静叶叶片可围绕其空气动力学中心旋转以促进涡流。此外，通过使静叶叶片旋转而关于压缩机叶轮的前缘具有最佳入射角，可最大限度地降低入口损失。

图1中显示了可调整的IGV系统的一个示例，其复制于出自美国机械工程师学会涡轮博览会2008：为陆海空提供动力(2008年6月9日-13日)的论文集“用于工业涡轮压缩机的可调整的入口导叶的模拟和优化”(M.Hensges)，其全部内容通过引用而被包括在本文中。图1显示了一种可调整的IGV促动系统100，其包括直接连接至第一静叶104的促动杆102。第一静叶104经由驱动臂106连接在传动环108上。第一静叶104可旋转地附连至导叶托架110。多个其它静叶112可旋转地附连至导叶托架110。所述多个静叶112被连接至传动环108的多个连杆114促动。因而，当促动杆102旋转时，其确定第一静叶104的旋转以及传动环108的移位，这导致所述多个连杆114的运动以及所述多个静叶110的旋转。

在操作中，当促动力被施加至促动杆102时，该力被传递至传动环108，作为导致传动环108偏心地旋转的非对称力。这由于所述多个连杆114在传动环的单侧链接至传动环108而发生，其使得传动环108的相对侧没有任何作用力，并因而失衡。非对称的力产生弯曲扭矩，其可导致静叶组件变形，使其容易错位和振动。另外，需要高的促动力来驱动促动杆102以使传动环108旋转，其加剧弯曲扭矩。

另一方法是在传动环和导叶托架之间具有齿轮传动配置，即，齿轮传动机构。然而，这种方法是不受用户偏爱的，因为其需要高精密的机械加工、高的促动力以及考虑齿的温度变化的设计。

在传统IGV中发现的还有另一问题是，在静叶组件经受低温的应用中关于可调整静叶的卡住问题。这发生在当传动环与其壳之间的间隙较小并且传动环和壳的热膨胀不同时。

所发现的还有另一问题是，促动杆102在可变IGV的侧面上的定位会增加组件的整体宽度，从而使它们不适合于应用和安装在压缩机的第一级之外。

因此，需要提供避免之前所述问题和缺陷的方法和装置。

发明内容

根据一个示例性实施例，涡轮机械包括：壳体；附连至壳体的导叶托架，该导叶托架具有配置成用以容纳轴的孔；传动环，其面向导叶托架并配置成用以相对于导叶托架旋转，该传动环在面向轴的面上具有凹槽；至少一个连杆，其利用第一端附连至凹槽的内部；至少一个杆臂，其附连至该至少一个连杆的第二端；以及，至少一个静叶，其被导叶托架支持，其被附连至该至少一个杆臂并配置成用以在传动环旋转时相对于导叶托架旋转。当传动环旋转时，该至少一个连杆的至少一部分保持在凹槽内。

根据还有另一示例性实施例，促动系统包括传动环、至少一个连杆和至少一个杆臂，该传动环配置成用以旋转并在面向传动环的中心点的内部面上具有凹槽；该至少一个连杆利用第一端附连至凹槽的内部；并且该至少一个杆臂被附连至该至少一个连杆的第二端。当传动环旋转时，该至少一个连杆的至少一部分保持在凹槽内。

根据还有另一示例性实施例，提供了一种用于组装促动系统的方法。该方法包括：将至少一个连杆的第一端附连至形成于传动环中的凹槽的内部，传动环配置成用以旋转，凹槽位于面向传动环的中心点的内部面上；以及，将至少一个杆臂连接至该至少一个连杆的第二端。当传动环旋转时，该至少一个连杆的至少一部分保持在凹槽内。

附图说明

附图被包括在说明书中并构成说明书的一部分，其显示了一个或多个实施例，并与描述一起解释这些实施例。在图中：

图1是常规IGV促动系统的透视图。

图2是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的分解图。

图3是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的选定部分的侧视图。

图4是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的选定部分的透视图。

图5A是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的传动环的透视图。

图5B是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的传动环的前视图。

图6是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的传动环中的凹槽的示意图。

图7是根据一个示例性实施例的IGV促动系统的传动环的透视图。

图8是根据一个示例性实施例的附连至传动环的杆臂和连杆的示意图；

图9是常规装置中的附连至环的臂的示意图；

图10是根据一个示例性实施例的压缩机的侧向截面图。

图11是根据一个示例性实施例的组装IGV促动系统的示意图。

图12是根据一个示例性实施例的用于组装IGV促动系统的方法的流程图。

具体实施方式

示例性实施例的下述描述参照了附图。不同图中的相同标号指示相同或相似的元件。下述详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。出于简单起见，下述实施例关于促动系统并且尤其是用于进气静叶组件的促动系统的术语和结构而论述。然而，接下来要论述的实施例并不限于该系统，而是可应用于控制流体或气体的入流的其它系统。

整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参考意指结合一个实施例所述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在整个说明书的不同位置中的出现并不一定指相同的实施例。此外，该特定特征、结构或特性可以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。

根据一个示例性实施例，在用于油和气体类型的应用的压缩机中可采用促动系统。如由本领域技术人员理解的那样，所论述的促动系统可在用于其它应用的压缩机中或在另一涡轮机械(例如泵、扩张器等)中实现。

根据图2中所示的一个示例性实施例，促动系统200可包括促动底板202、传动环204、导叶托架206和促动杆208。当然，促动系统200可包括更多或更少的上述构件。底板202可具有带中间孔203的圆形形状，中间孔203用于容纳涡轮机械的轴205。底板202可被螺栓连接至内壳或涡轮机械的中间隔板。如图3中详细示出的那样，导叶托架206支撑多个静叶209。所述多个静叶209可旋转地连接至导叶托架206。杆臂210一端连接至相应的静叶209，并且相对的端连接至连杆212。连杆212可枢转地连接至传动环204。底板202可附连至内壳214。随后还可将覆盖物218安装在壳体216内以用于密封压缩机内部(包括促动系统200)。

促动杆208可通过壳体216中的孔219插入，并在连接点220处通过紧固手段连接至传动环204，该紧固手段可包括(但不限于)销、螺钉和螺栓。促动杆208可连接至促动装置300(见图3)，其可提供用于使传动环204旋转的促动力。促动装置300可以是电动装置、气动装置、手动装置等等，其被用户和/或计算装置控制。

通过提供与传动环204的周向边缘相互作用的促动杆208，与常规IGV促动系统相比，减小了所呈现的合成弯曲力。另外，因为促动杆208在轴向方向上位于底板202和导叶托架206之间，可减小促动系统的整体宽度。

如图4中所示，促动杆208在连接点220处连接至传动环204。连接点220可包括用于容纳促动杆208的一端的凹槽并且包括紧固孔，该紧固孔垂直于促动杆208(一旦被安装)而定位。促动杆208可包括至少一个末端，该末端具有至少两个基本平坦的表面以用于插入连接点220的凹槽中。促动杆还可包括孔或紧固件定位机构，其与连接点的紧固孔轴向地对准。通过使促动杆208朝着传动环204的横向中心定位，可最大限度地减小或消除扭矩弯曲变形。图4还显示了静叶209。

根据图5A和5B中所示的一个示例性实施例，杆臂210可与传动环204的平坦的侧表面204a基本平行。另外，杆臂210可附连至可旋转的轴或叶柄500(其至少部分地穿过导叶托架206的宽度而延伸)。杆臂210和轴500可以是通过紧固手段联接的两个单独的构件，紧固手段可包括(但不限于)销、螺钉和螺栓，或者这两个构件可整体地形成。

杆臂210和轴500可被导叶托架206直接支撑，或者其可通过轴承502而支撑，轴承502例如(但不限于)衬套或滚珠轴承。杆臂210和轴500还可通过紧固手段附连至静叶209，该紧固手段可包括(但不限于)粘接、焊接、销、螺钉和螺栓。

类似地，杆臂210还可通过紧固手段附连至连杆212，该紧固手段可包括(但不限于)销、螺钉和螺栓。杆臂210可包括杆紧固孔504以容纳用于附连至静叶209和/或连杆212的紧固手段。连杆212还可包括连杆紧固孔512以容纳用于与杆臂210和/或传动环204附连的紧固手段。传动环204还可包括相应的紧固孔512a，以容纳用于与连杆212附连的紧固手段。

根据如图5A至图6中所示的一个示例性实施例，杆臂210和连杆212至少部分地容纳在传动环204中。图5A和5B显示，连杆212可完全容纳在传动环204的内部，而图6显示，连杆212可部分地容纳在传动环204的内部。连杆212通过紧固手段附连至传动环204，该紧固手段可包括(但不限于)销、螺钉和螺栓。在这方面，连杆212的第一端212a被固定在形成于传动环204中的凹槽508内，而连杆212的第二端212b(与第一端相反)被连接至相应的杆臂210。图5B中显示了连杆212和杆臂210之间的连接或接头213。接头213可连杆和杆臂中的每一个中包括孔以及连接这两个元件的销。还如图5B中所示，当静叶209完全打开时，连杆212可被完全容纳在传动环204的凹槽508内。

根据如图5A至图6中所示的另一示例性实施例，杆臂210和连杆212至少部分地容纳在传动环切口506中。在该示例性实施例中，传动环切口506允许杆臂210在朝着传动环204的中心的方向上具有较长的延伸而不增加传动环204的整体大小。利用较长的杆臂210，可获得更大的机械优点，并且最终减少使静叶209旋转所需的促动力。另外，通过将连杆212容纳在传动环204内，与现有装置相比，减小促动机构的整体大小。

根据如图5A和图5B中所示的还有另一示例性实施例，传动环切口506在形状上可以是半圆形的。在还有另一示例性实施例中，传动环切口可具有非对称的形状，以便在传动环旋转时适应由连杆212和杆臂210所展现的运动范围。

根据如图5A至图7中所示的一个示例性实施例，传动环204可包括用于容纳连杆212的凹槽508。在一个应用中，凹槽508在横向方向上位于传动环204的中心。凹槽508形成于传动环204的面向轴205的面509上。通过在传动环204的中心或中心附近提供凹槽508，连杆212在静叶209的促动期间在传动环204上施加减小的弯曲扭矩或不施加弯曲扭矩，并且，因此，这种新颖的装置减小或消除传动环204所经历的变形。

在这方面，图8显示了与图9中所示的传统促动系统100并列比较的新颖的促动系统200。应当注意，图8中的凹槽508在图9中消失，并且由于这个原因，图9中的臂114设置在环108的侧面108a上。臂114利用销116连接至环108。然而，图8中的连杆212利用第一端212a连接到凹槽508的内部(例如利用销520)。连杆212的第二端212b连接至杆臂210。

如图8中所示，施加于连杆212上的力F确定传动环204上的扭矩，该扭矩与所施加的力离传动环204的中心轴线Z的距离成比例。然而，因为力F沿着轴线Z或接近轴线Z，所以该扭矩为零或接近于零。相反，图9显示，所施加的力F’与相应轴线Z’之间的距离r’不为零。正是图9中的这个扭矩确定传统装置中的环108的弯曲。

凹槽508可包括沿着传动环204的内径向表面509延伸的周向通道。根据另一示例性实施例，凹槽508可包括沿着传动环204的内径向表面延伸的不连续的分段通道，例如，存在没有凹槽的表面509部分。根据还有另一示例性实施例，凹槽508可包括不随着传动环204的圆周延伸的通道，但成形为用以容纳连杆212所需的全部运动范围以促动杆臂210。

根据一个示例性实施例，如图5A中所示，杆臂210可具有用于与连杆212联接的叉形末端。在另一示例性实施例中，杆臂可具有用于与连杆212联接的单个末端。在还有另一实施例中，连杆可具有用于与杆臂210联接的叉形末端，杆臂210可包括单个末端和叉形末端的其中一种。

如图3、图5A和图5B中所示，静叶209可被促动至打开位置(如图所示)或关闭位置(未显示)。为了调整静叶209的位置，通过促动装置300在促动杆208上施加力以相对于壳体216将杆208推动或缩回。该动作被传递至传动环204以产生旋转运动，并最终改变静叶209的位置。当传动环204围绕其中心轴线旋转时，连杆212随其后并在杆臂210上施加推力或拉力。由于所应用的力的缘故，杆臂210旋转以改变静叶209的位置。

根据一个示例性实施例，促动杆208可具有100mm至140mm的行进行程。传动环204可具有10度至18度的旋转范围。杆臂210以及静叶209可具有高达120度的旋转范围，并且优选地可具有大约90度的旋转范围。

在如图10中所示的一个示例性实施例中，完成的组件可被安装在压缩机装置300中。图2中所示的覆盖物218可包括入口800，其将流入的空气和/或流体引向导叶209。一旦空气和/或流体通过促动系统200，其然后被传送至压缩机叶轮入口802、叶轮叶片804和扩散器806。

现在参照图11论述用于组装促动系统的方法。在用于组装促动系统的第一步骤中，静叶209、杆臂210、导叶托架206、连杆212和传动环204被安装在一起以形成第一单元600。在下一步骤中，第一单元600被附连至促动底板202和内壳214以形成组装件(bundle)602。然后，在下一步骤中，组装件602被插入壳体216中以形成部分完成的组件。在下一步骤中，促动杆208也被插入壳体216并在连接点220处与传动环204连接。在最后的步骤908中，组装至入口(800)的覆盖物218被安装到壳体216中以完成压缩机组件。应当注意，通过这种方式，促动杆208的插入是在组装过程结束时执行的，并且连接点220(例如引入销而将促动杆208附连至传动环204)容易被位于压缩机的开口处的人员接触到。

现在参照图12论述一种用于组装传动环的方法。该方法包括：步骤1200，将至少一个连杆的第一端附连至形成于传动环中的凹槽的内部，传动环配置成用以旋转，凹槽位于面向传动环的中心点的内部面上；以及，步骤1202，将至少一个杆臂连接至所述至少一个连杆的第二端。

所公开的示例性实施例提供了一种用于调整涡轮机械中所使用的导叶的促动系统。然而，应当理解，该描述并不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖被包括在如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的备选方案、变型和等效物。此外，在示例性实施例的详细描述中，为了提供对要求权利保护的本发明的完整理解，阐述了许多特定细节。然而，本领域技术人员应当理解，可在没有这样的特定细节的情形下实践各实施例。

虽然以特定组合在实施例中描述了示例性实施例的特征和元件，但是，各特征或元件可不带有实施例的其它特征和元件而被单独使用，或者以带有或不带有本文所公开的特征和元件的不同组合而被使用。

该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮机械，包括：

壳体；

导叶托架，所述导叶托架被附连至所述壳体，所述导叶托架具有配置成用以容纳轴的孔；

传动环，所述传动环面向所述导叶托架并配置成用以相对于所述导叶托架旋转，所述传动环在面向所述轴的面上具有凹槽；

至少一个连杆，所述至少一个连杆利用第一端附连至所述凹槽的内部；

至少一个杆臂，所述至少一个杆臂附连至所述至少一个连杆的第二端；以及

至少一个静叶，所述至少一个静叶被所述导叶托架支持，所述至少一个静叶附连至所述至少一个杆臂并配置成用以在所述传动环旋转时相对于所述导叶托架旋转，

其中，当所述传动环旋转时，所述至少一个连杆的至少一部分保持在所述凹槽内。

2.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述凹槽居中地位于所述传动环的横向方向上。

3.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，还包括：

入口，所述入口附连至覆盖物；和

至少一个轴或叶柄，所述至少一个轴或叶柄配置成用以穿过所述导叶托架并将所述至少一个静叶连接至所述至少一个杆臂。

4.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述至少一个杆臂是叉形物。

5.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述导叶托架包括切口，所述切口配置成用以容纳所述至少一个杆臂与所述至少一个连杆之间的接头。

6.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述至少一个连杆配置成使得，当所述至少一个静叶完全打开时，所述至少一个连杆完全处于所述凹槽内。

7.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，还包括：

附连至所述轴的叶轮；和

与所述叶轮处于流体连通的入口，

其中，所述至少一个静叶配置成用以控制从所述入口流向所述叶轮的流体量。

8.一种促动系统，包括：

传动环，所述传动环配置成用以旋转并且在面向所述传动环的中心点的内部面上具有凹槽；

至少一个连杆，所述至少一个连杆利用第一端附连至所述凹槽的内部；和

至少一个杆臂，所述至少一个杆臂附连至所述至少一个连杆的第二端；

其中，当所述传动环旋转时，所述至少一个连杆的至少一部分保持在所述凹槽内。

9.根据权利要求8所述的促动系统，其特征在于，还包括：

导叶托架，所述导叶托架面向所述传动环并配置成用以固定地附连至涡轮机械的壳体；和

至少一个静叶，所述至少一个静叶被所述导叶托架支持，所述至少一个静叶附连至所述至少一个杆臂并配置成用以在所述传动环旋转时相对于所述导叶托架旋转。

10.一种用于组装促动系统的方法，所述方法包括：

将至少一个连杆的第一端附连至形成于传动环中的凹槽的内部，所述传动环配置成用以旋转，所述凹槽位于面向所述传动环的中心点的内部面上；以及

将至少一个杆臂连接至所述至少一个连杆的第二端，

其中，当所述传动环旋转时，所述至少一个连杆的至少一部分位于所述凹槽内。

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