CN103403980A - 改进的电旋转接头设计 - Google Patents

Abstract

高压旋转接头（4），包括静止体（8）和旋转体（7），所述静止体和旋转体是围绕纵向轴线同轴可旋转的，其中，所述静止体和旋转体与彼此电接触，以便允许静止体和旋转体之间的电力和/或数据的传输，静止体和旋转体各自具有用于允许静止体和旋转体之间的电接触的接触面（14，16），其中，静止体和旋转体的接触面之间的电接触通过使用导电流体（15）来获得。

Description

改进的电旋转接头设计

发明领域

本发明涉及包括静止体和旋转体的高压旋转接头（swivel），所述静止体和旋转体是围绕纵向轴线同轴可旋转的，其中，所述静止体和旋转体与彼此电接触，以便允许静止体和旋转体之间的电力和/或数据的传输，所述静止体和旋转体各自具有用于允许所述静止体和旋转体之间的电接触的接触面。

发明背景

电旋转接头是一种机电装置，其允许电力和电信号从固定结构到传输到旋转结构。电旋转接头可用在任何在传输电力和/或数据时需要无限制的、间歇或连续的旋转的机电系统中。高压（HV）旋转接头在近海处被使用，以便在静止部分（通常该部分系泊在海底）和旋转部分（其与单点系泊周围的船舶一起运动）之间输送电力。

从本申请人的美国专利号7,137,822中，这样的高压旋转接头是已知的。已知的旋转接头是一种用于近海应用的高压旋转接头，其例如用于将在随风向改变方位的浮式生产储油船舶（FPSO）上生成的电力分配给海底电缆，该FPSO通过转塔固定到海底。

对地静止的碳氢化合物或煤气立管从井源向上延伸到船舶上的发电厂，其中，碳氢化合物或煤气被转化为电能。旋转的船舶与通往海岸的固定的海底电缆的电连接由高压旋转接头实现，在高压旋转接头中，定子（stator）通过船舶上的对地静止的旋转接头部分连接到海底电缆，且转子被连接到船舶上的发电厂。

该已知的旋转接头具有该缺点，即，在系统已经操作使用了一段时间且导体开始显示出一些磨损后，存在短路的危险。当来源于磨损的碎片悬浮在介电油或悬浮在导体和绝缘环之间的狭窄的空间中时，能够引起短路，导致旋转接头发生故障。在环形导体的接触面处的弹簧元件磨损时，固体绝缘环和导体以及旋转接头的外壳需要被拆除，以便获得对电极的检修。

另外，电旋转接头设置有HV电缆，该HV电缆具有非常高的弯曲半径且需要被弯曲的空间。

在直流（DC）中，电通过液体的通路通常伴随着电解质的化学分解。电流通过其进入和离开电解质的金属导体被称为电极。高电位处的电极称为阳极，而在较低电位处的另一电极称为阴极。实际上，电流通过电解质的通路被认为是通过移动带电粒子（离子）（使正离子向阴极移动，而负离子向阳极移动）产生。

在交流（AC）中，这些反应被电流方向的周期性反转抑制，这导致了正、负电流随时间的平衡。

本发明提出了一种解决方案，该解决方案提供了一种适合于近海使用的优化的电旋转接头，其具有轻且紧凑的设计、具有效率高且需要低维护的特点，且在当使用DC电流时的地方，电解的问题被强烈限制。

发明概述

本发明的目的是提供一种高压旋转接头，其包括静止体和旋转体，所述静止体和旋转体是围绕纵向轴线同轴可旋转的，其中，所述静止体和旋转体与彼此电接触，以便允许所述静止体和旋转体之间的电力和/或数据的传输，所述静止体和旋转体各自具有用于允许所述静止体和旋转体之间的电接触的接触面，其中，静止体和旋转体的接触面之间的电接触通过使用导电流体来获得。

根据本发明，可能的是导电流体包括电解质或者是金属液体。

电解质是含有使其导电的自由离子的任何物质。最典型的电解质是离子溶液，但熔融电解质和固体电解质也是可能的。当将电极放在电解质中并施加电压时，该电解质将导电。电解导体被用在电子装置中，其中，金属/电解质界面处的化学反应产生有益效果（即，在电池、燃料电池等中）。电解质用作电导体的可选方案是液体金属，例如在专利US4623514中所描述的。

根据本发明，可能的是静止体和旋转体中第一个的接触面包括容纳导电流体的环形容器。

根据本发明，可能的是静止体和旋转体中第二个的接触面包括电极，所述电极与容纳在所述环形容器中的导电流体接触。

根据本发明，固定的导体元件的接触面是容纳包括电解质或金属液体的物质的导电环，且旋转导体元件的接触面是浸入包括电解质或金属液体的物质中的电极。

根据本发明，可能的是，通过用绝缘材料填充可用空间，导电流体上方以及静止体和旋转体之间的空间是绝缘的，且所述绝缘材料包括玻璃、陶瓷、塑料或树脂基片或者所述绝缘材料包括流体，例如介电油。

本发明的另一优点是静止体和旋转体之间的绝缘通过使用绝缘材料例如塑料片材或使用介电油填充空间来实现，介电油的连续供给借助放置在旋转接头上方的储存器来确保且通过重力来填充该储存器。

根据本发明，可能的是静止体和旋转体中的至少一个包括以管的形式、以板的形式或以环的形式的电极。

根据本发明，电极可以是管、板或环的形状，但其它形状也可以实现导电功能。

根据本发明，可能的是导电流体由高密度和低电导率液体层覆盖。

本发明的另一优点是通过使高于介电油的密度且低电导率的液体层覆盖包含在固定的导体元件的接触面中的所述物质，避免了绝缘材料和包括电解质或金属液体的物质之间的污染。

根据本发明，可能的是静止体和旋转体中的至少一个的接触元件被连接到具有导电芯的电压线，所述导电芯包括由柔性绝缘缆包围的导电流体。

根据本发明，每个导体元件通过至少一个连接器连接到电压线，所述电压线是已填充有电解质或金属液体的柔性绝缘缆。

根据本发明，可能的是静止体和旋转体的接触面设置有同步开关，且所述同步开关被放在旋转接头之前和之后，以便交换每个导体中的正、负电位。

为了避免使用DC电流时电解的问题，本发明提出了一种基于同步开关的解决方案。此外，也为了避免地线上的电解问题，由摩擦轨道环制成的电旋转接头的静止和动态部分之间的电接触部被标准轴承或滚动元件替代。在本申请中提出的解决方案的目的是获得更轻、更紧凑的电旋转接头设计。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种布置并设计成被安装在转塔上的旋转接头堆叠组件，所述转塔通过轴承组件承载在船舶的船身中的垂直开口内，所述转塔具有耦合到其上用于从海底运输产品的立管，其中所述旋转接头堆叠组件包括：

-多个垂直间隔开的产品旋转接头，每个产品旋转接头具有旋转体芯和安装在所述旋转体芯上的静止体；所述产品旋转接头的所述旋转体芯连接在一起以形成旋转体堆叠芯，所述旋转体堆叠芯具有中心孔和在最上面的产品旋转接头上方的上端部，

-轴承装置，其用于将所述旋转体堆叠芯可旋转地耦合到所述转塔，用于与所述船舶一起绕所述转塔和所述静止体旋转，

-在所述转塔上与所述立管流体连通的多个进给产品线，每一进给产品线耦合到所述垂直堆叠的产品旋转接头的所述静止体中的至少一个，

-多个输出产品线，其耦合到所述旋转体芯并与所述进给产品线中的至少一个流体连通；所述输出产品线中的每一个在所述中心孔内向上延伸并延伸出所述旋转体堆叠芯的所述上端部及延伸到其所述最上面的产品旋转接头上方，用于将产品输送到所述船舶的储存区域，以及

-高压旋转接头。

根据本发明，可能的是所述旋转接头堆叠组件包括一种连接到其上的非产品类型，例如水注入旋转接头和/或气举旋转接头和/或测试旋转接头，与产品旋转接头形成旋转体堆叠芯。

根据本发明的第三方面，本发明涉及一种被布置和设计成包括根据本发明的旋转接头堆叠的近海结构。

附图简述

本发明将在下面结合参照附图的示例性实施方式来进一步描述，其中：

-图1示出了根据本发明的可能的总的系统实施方式的剖视图，

-图2示出了根据本发明的电旋转接头的第一实施方式的剖视图，其中导电环是同心的并且在同一水平面上，

-图3示出了根据本发明的电旋转接头的另一实施方式的剖视图，其中导电环是同心的并与放置在各个环之间的绝缘支撑件在同一垂直平面上（即，堆叠），

-图4示出了根据本发明的电旋转接头的另一实施方式的剖视图，其中导电环是同心的并与放置在每个环和旋转体之间的绝缘支撑件在同一垂直平面上（即，堆叠），

-图5a和图5b示出了设置在导体元件中的同步开关的布置的示意性电气图，

-图6示出了来自于图2的另一实施方式的剖视图，其中整个旋转接头主体是绝缘的并且具有充满电解质的同心圆槽，以及

-图7示出了根据本发明的一种实施方式的电旋转接头的旋转接头堆叠，其中HV旋转接头被集成在旋转接头堆叠的底部。

图1示出了由系泊系统2系泊到位的FPSO船舶1的剖视图。FPSO船舶1包括在其船身内和上方的转塔3，以及在转塔3上的流体旋转接头5和电旋转接头4。电力从旋转接头4通过电源线6供给到潜在用户。供电可以在相反的方向上，即，从海岸到船舶上。

图2示出了根据本发明的电旋转接头4的第一实施方式的剖视图，其中导电环是同心的并且在同一水平面上。旋转接头4包括旋转上盖7和静止壳体8，静止壳体8优选为形成用于电连接的腔9的金属壳体。上盖7和静止壳体8由任何类型的密封件10、10'密封，例如U形或V形可弹性变形的密封环。另外，上盖7位于轴承11上，以能够相对于静止壳体8旋转。

在图2中示出了三个连接器12，其用于将电缆13插入到上盖7中，这些连接器12用来避免甚至在处理非常高的张力、温度或压力时电弧的形成。电缆13优选具有电解质作为芯导体。电缆是更柔韧的，而且包括绝缘管，在该绝缘管内，有介电液体或柔性聚合物，例如XLPE，且在绝缘管中，芯填充有电解质或金属液体。这样的好处将是特别短的弯曲半径，并且因此在旋转接头堆叠内和在转塔3中需要更少的空间。电流通过其进入或离开所述腔9的金属导体元件或电极14（其是旋转接头4的旋转部分7的一部分）被浸入物质15中，物质15包括包含在固定导体元件或导电环16的接触面即具有沟槽形状的圆槽中的电解质或金属液体。优选地，导电环16由铜制成。电极14可以是任何形状的，例如管或板或环。

电解质是含有自由离子的任何物质，所述自由离子使该物质导电，且电解质可以是以下公知组合物中的一种：硫酸铜溶液、硫酸银溶液、硫酸锌溶液。

作为理论上理想的定义，电解质应是液体的、导电的、低电阻率的、低磁导率的、质量足够大的（密度在2以上，以避免与旋转接头中的其它流体混合）、非磁性的、相对于环境和时间化学性质稳定的。所述电解质还可以是由表面活性剂和纳米粒子制成的胶体。

表面活性剂的性质将主要用作对导电粒子的物理吸力的支撑，其保持了溶液随时间的稳定（悬浮液中的混合物）。纳米粒子的好处是高导电性和低颗粒重量（限制了磁的和电磁的影响），并允许将粒子保持在液体中的悬浮液中。

所述电解质可以是温度范围在-200度至200度之间的任何金属的液体或胶体残留液体，如汞、镓合金或

溴化物、钫、铯、铷、铅、伍德合金（Wood’s metal）或具有低熔点的任何合金。

类似于电缆13的电缆17通过类似于连接器12的连接器18连接到导电环16。在图6所示的实施方式中，旋转接头主体由绝缘材料制成，如玻璃或陶瓷，或塑料或树脂基。各种电相位分别被密封物质和腔9中的截留量的介电油19隔离，其可能处于相对于电路径微微过压。这样的旋转接头具有有限数量的主要项：固定部分和具有一个或两个轴承的旋转部分。

介电油而非绝缘材料片材的使用避免了电解质的晃动。另外，如所示，优选在包括电解质的物质上面具有较高密度的液体层21（比电解质的密度更高），以避免与介电油的施加混合。其也能够确保良好的绝缘。另外，可能的是使用储存器（未示出）维持介电油的连续供给。因此，维护是容易的，而且不需要旋转接头的任何拆卸，因为将电解质或介电油排出、供给电解质或介电油以及只通过管道（未示出）疏散可能的气体是可能的。

可选地，液体形式的电解质可由凝胶或粉末替代。

图3示出了根据本发明的电旋转接头的另一实施方式的剖视图，其中导电环16是同心的且与放置在每个环16之间的绝缘支撑件20在同一垂直平面上（即堆叠）。在本实施方式中，连接器18不直接接触导电环16，但通过可由例如铜制成的导电杆22连接到后者。注意，导电杆22可以是导电电缆。

图4示出了根据本发明的电旋转接头的另一实施方式的剖视图，其中导电环16是同心的并与放置在每个环16和静止体8之间的绝缘支撑件23在同一垂直平面上（即堆叠）。在本实施方式中，电极14是倒置的U形管的形状，其中的一个腿部被连接到连接器12，而另一腿部浸在包括电解质或金属液体的物质15中。

图5a和图5b示出了设置在导体元件中的同步开关的布置的示意性电气图。当用在DC中时，根据本发明具有包括电解质或金属液体的物质15作为导体的旋转接头显示了随时间电解的风险。避免该问题发生的一种解决方案是为导体元件提供同步开关32和33。

在图5a中，来自电缆30和31的DC供电提供了创建或为电解质中的离子放电所需的必要的能量。电流由外部电路中的电子传送。实际上，当直流电流通过物质15时，化学反应发生在电路和物质之间的接触面处。通常，还原发生在阴极（未示出），而氧化发生在阳极（未示出），这意味着，氧气基本上将形成在阳极。这导致了阳极消耗殆尽，而阴极变重。如果电极被切换成使得电极有时是阳极而有时是阴极，则可被认为是特定类型的电解的总结果的侵蚀在阳极上可被限制。根据本发明，导体元件设置有同步开关，该同步开关被放置在旋转接头之前和之后，以便交换每个导体中的正、负电位，使得每个导体随时间经受等量的正电荷和负电荷。

在图5b中，清楚地显示了开关之后的电极是阴极（而不是如图5a所示的阳极）。因此，侵蚀将有时发生在一个电极上，而有时发生在另一电极上。由于可能没有用于地线E的开关（如果开关被安装在电极之间）来避免地线上的侵蚀，所以电解质接触面可以由标准轴承替代。以这种方式，地线不与物质15接触，且当电旋转接头的静止和动态部分之间的电接触面由轴承或滚动元件制成时，地线被保护免受电解以及因此免受侵蚀。接触面是轴承轨道上的滚子的线性接触且还有轨道的侧面上的滚子的侧面的平坦表面。其它轴承布置也提供了大量接触面，如球轴承和滚针轴承等。根据定义来看，这些接触面被均匀展开在圆周上。此外，可为这些轴承供给滚子，所述滚子被机械地预先约束在内环和外环之间。在轴承的内环和外环上可以进行等间距加工，以安装某些支撑和接触接线片。如果所述支撑由内环制成，那么外环只需要驱动系统和一些电缆或接触接线片来传送电流。

根据本发明，固定和旋转的导体元件的接触面之间的电接触仅由标准轴承或滚动元件确保，不使用包括电解质的物质。

实现旋转接头的内部和外部部分之间的接触的另一方法是使用环（其优选与旋转接头堆叠轴线同心）、导电带（截面为圆形或平的）和小齿轮。

这也提供了用于电接触的高的交换表面，且因为它是转动元件，所以没有磨损和碎屑。如果我们假设内部部分和内环被固定，则当外壳旋转时，安装上的小齿轮将围绕内环转动，导致所述带也转动。小齿轮应具有导电轴承。电流然后从静止环传递到动态小齿轮。这能够减小组件的磨损，同时增加具有均匀的机械约束（高机械约束为电接触面提供了更小的电阻）的旋转接头的内部部分和外部部分之间的接触面。因此，根据本发明的旋转接头无磨损、无碎片且随运行时间具有恒定的性能。

图7示出了电旋转接头的旋转接头堆叠，其中HV旋转接头集成在旋转接头堆叠的底部。所述旋转接头堆叠非常相似于已知的旋转接头堆叠，其被布置和设计成通过轴承组件安装在承载在船舶的船身中的垂直开口内的转塔上，所述转塔具有耦合到其上用于从海底运输产品的立管。所述旋转接头堆叠组件包括：

-至少多个垂直间隔开的产品旋转接头，每个产品旋转接头具有旋转体芯和安装在所述旋转体芯上的静止体；所述产品旋转接头的所述旋转体芯连接在一起以形成旋转体堆叠芯，所述旋转体堆叠芯具有中心孔和在最上面的产品旋转接头上方的上端部；

-轴承装置，其用于将所述旋转体堆叠芯可旋转地耦合到所述转塔，用于与所述船舶一起绕所述转塔和所述静止体旋转，

-在所述转塔上与所述立管流体连通的多个进给产品线，每一进给产品线耦合到所述垂直堆叠的产品旋转接头的所述静止体中的至少一个；以及

-多个输出产品线，其耦合到所述旋转体芯并与所述进给产品线中的至少一个流体连通；所述输出产品线中的每一个在所述中心孔内向上延伸并延伸出所述旋转体堆叠芯的所述上端部及延伸到其所述最上面的产品旋转接头上方，用于将产品输送到所述船舶的储存区域。

过去常见的是将来自转塔的产品线通过旋转接头堆叠的底部放置在旋转接头堆叠的内部芯内。在这样的现有布置中，旋转接头堆叠的内部芯相对于转塔被固定；与船舶一起转动的外壳具有其延伸到船舶的储存货仓的产品线。在典型的旋转接头堆叠中，电力和信号旋转接头被定位在煤气（上升及导入）旋转接头、测试旋转接头、石油输出旋转接头和产品旋转接头上方的旋转接头堆叠的顶部。在这种特定的实施方式中，电力旋转接头或高压旋转接头被定位在旋转接头堆叠的底部，因此，电缆的连接在旋转接头堆叠的底部产生，这避免了使电缆穿过整个堆叠到达顶部。

HV旋转接头的集成在旋转接头堆叠的底部产生，这提供了许多优点，例如，其简化了电缆的安装，其避免在安装期间损坏电缆的风险，其能够在使用期期间改变HV电缆，其也避免了由于旋转接头堆叠内部温度在HV电缆上应用降低额定值。因此，根据本发明的旋转接头更小且更轻，其上部旋转接头的密封直径减小。

虽然本文已描述和示出了本发明的特定实施方式，但应意识到，对于本领域那些技术人员，修改和变型可以容易地发生，而且因此，旨在权利要求被解释为涵盖这样的修改和等价。

Claims (20)

1.高压旋转接头，其包括静止体和旋转体，所述静止体和所述旋转体是围绕纵向轴线同轴可旋转的，其中，所述静止体和所述旋转体与彼此电接触，以便允许所述静止体和所述旋转体之间的电力和/或数据的传输，所述静止体和所述旋转体各自具有用于允许所述静止体和所述旋转体之间的电接触的接触面，其中，所述静止体和所述旋转体的所述接触面之间的电接触通过使用导电流体来获得。

2.根据权利要求1所述的高压旋转接头，其中所述导电流体包括电解质，或者所述导电流体是金属液体。

3.根据权利要求1所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中第一个的所述接触面包括环形容器，所述环形容器包含所述导电流体。

4.根据权利要求3所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中第二个的所述接触面包括电极，所述电极与包含在所述环形容器中的所述导电流体接触。

5.根据前述权利要求中的一项所述的高压旋转接头，其中所述导电流体上方及所述静止体和所述旋转体之间的空间通过使用绝缘材料来填充可用空间而被绝缘。

6.根据权利要求5所述的高压旋转接头，其中所述绝缘材料包括玻璃、陶瓷、塑料或树脂基片。

7.根据权利要求5所述的高压旋转接头，其中所述绝缘材料包括流体，例如介电油。

8.根据权利要求7所述的高压旋转接头，其中所述旋转接头设置有介电油的供给，以便使用介电油连续地填充绝缘材料可用的所述空间。

9.根据权利要求4所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中的至少一个包括以管的形式的电极。

10.根据权利要求4所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中的至少一个包括以板的形式的电极。

11.根据权利要求4所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中的至少一个包括以环的形式的电极。

12.根据前述权利要求中的一项所述的高压旋转接头，其中所述导电流体被高密度且低导电率的液体层覆盖。

13.根据前述权利要求中的一项所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体中至少一个的接触元件被连接到具有导电芯的电压线，所述导电芯包括由柔性绝缘缆包围的导电流体。

14.根据权利要求13所述的高压旋转接头，其中所述柔性绝缘缆包括柔性聚合物。

15.根据前述权利要求中任一项所述的高压旋转接头，其中所述静止体和所述旋转体的所述接触面设置有同步开关。

16.根据权利要求15所述的高压旋转接头，其中所述同步开关放置在所述旋转接头之前和之后，以便交换每个导体中的正电位和负电位。

17.根据前述权利要求中任一项所述的高压旋转接头，其中所述高压旋转接头被集成在旋转接头堆叠的底部。

18.一种布置并设计成被安装在转塔上的旋转接头堆叠组件，所述转塔通过轴承组件承载在船舶的船身中的垂直开口内，所述转塔具有耦合到其上用于从海底运输产品的立管，其中所述旋转接头堆叠组件包括：

-多个垂直间隔开的产品旋转接头，每个产品旋转接头具有旋转体芯和安装在所述旋转体芯上的静止体；所述产品旋转接头的所述旋转体芯连接在一起以形成旋转体堆叠芯，所述旋转体堆叠芯具有中心孔和在最上面的产品旋转接头上方的上端部；

-轴承装置，其用于将所述旋转体堆叠芯可旋转地耦合到所述转塔，用于与所述船舶一起绕所述转塔和所述静止体旋转；

-在所述转塔上与所述立管流体连通的多个进给产品线，每一进给产品线耦合到所述垂直堆叠的产品旋转接头的所述静止体中的至少一个；

-多个输出产品线，其耦合到所述旋转体芯并与所述进给产品线中的至少一个流体连通；所述输出产品线中的每一个在所述中心孔内向上延伸并延伸出所述旋转体堆叠芯的所述上端部及延伸到其所述最上面的产品旋转接头上方，用于将产品输送到所述船舶的储存区域；以及

-根据前述权利要求中任一项所述的高压旋转接头。

19.根据权利要求18所述的旋转接头堆叠组件，其中所述旋转接头堆叠组件包括一种连接到其上的非产品类型，例如水注入旋转接头和/或气举旋转接头和/或测试旋转接头，与所述产品旋转接头形成旋转体堆叠芯。

20.一种近海结构，其被布置并设计成包括如权利要求18或19中任一项所述的旋转接头堆叠。

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