CN106949308A - 一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，为旋转设备的进出口管道提供了径向限位，并通过螺栓调节各向限位与管道之间的距离，通过摩擦副以极低的摩擦系数解决了旋转设备的进出口管道的轴向位移产生的摩擦力问题，大幅减小旋转设备管嘴承受的应力及各向的扭矩，减少管道三个维度应力对旋转设备产生的影响，保证了旋转设备的稳定可靠运行。

Description

一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置

技术领域

本发明涉及一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，可以减少管道由于受到三个维度应力而对旋转设备产生的负荷。

背景技术

管道在运行期间，由于其承载的内压和外部荷载以及环境温度等多种因素，会引起管道的应力过大，导致与其连接的设备由于应力过大而变形。故在工业应用中，管道受力复杂，要求限制除轴向外所有方向的位移，并防止各向应力作用造成的管道弯曲扭转。

目前，在管道设计中，管道在支吊点处有X、Y、Z、RX、RY、RZ六个方向的自由度，三个线位移{u，v，w}和三个角位移{θx，θy,θz}，对应的应力边界条件是线力{Fx，Fy，Fz}和力矩{Mx，My，Mz}。通常根据管道设计的需要，选择不同的支吊架来约束其中某个自由度或某几个自由度，来达到管道安全、经济运行的目的。一般限制轴线位移，用限位管架或支撑来防止管道位移过大，保持管道与其连接的设备同心；限制水平非轴线位移，用导向架；弹簧支架可用来增加管道柔性，卸载应力，避免对周围管道及设备产生影响。

透平膨胀机是一种旋转式叶片机械，在深冷空气分离装置中用来产生冷量，是一种用于低温条件下的透平。透平膨胀的进出口与流体管道采用法兰螺栓连接，法兰安装的好坏直接影响到透平膨胀机组的安全运行。进、出口流体管道与透平膨胀机相接时，弯管、变径方、圆管等管道的重量不得作用于透平机，流体管道上的膨胀节必须将热胀冷缩产生的作用力消除，绝对不允许作用于透平机组。旋转设备进出口管嘴的负荷要小，即外部管道对设备应力影响要小，一般以下几种方式改善：1)增加机器壁厚，加强设备载荷；2)增加管道柔性；3)在管嘴附近加膨胀节等，但每种方式都各有优缺点。因此旋转设备特别需要合适的支撑装置，降低旋转设备进出口管嘴的负荷，避免进出口管道的应力过多作用于机器，造成损坏。

美国专利申请US3963205A公开了一种能够用于不同负载及管道尺寸的管道支撑系统，允许管道沿着轴向自由运动或基于支撑基座做受控运动。中国专利申请CN103047483A提供了一种用于透平机的组合弹簧支架，包括两个弹簧支架、立管弯头支架、上刚性体、下刚性体和立管弯头支架；所述的下刚性体包括下底板和两个垂直设置在下底板上的下立板，两个弹簧支架对称分布在下刚性体的两侧，弹簧支架并设置在下底板上，所述的上刚性体包括上支撑板和设置在上支撑板的上立板，上支撑板的两端压在弹簧支架的荷重板上，在荷重板与上支撑板的接触面上设有上摩擦副，上立板伸入至下刚性体中两个下立板的缝隙之间。满足了透平机进、出口管道的垂直热位移支撑，也以极低的摩擦系数解决了水平管道的轴向热位移问题，大幅减小了透平机组承受的水平摩擦力，同时还能消除跨临界转速时发生的震动，保证了透平机的稳定可靠运行。中国发明专利申请CN106151686A公开了一种热力管道用旋转限位支座。它包括管夹，旋转轴，支撑系统；所述支撑系统包括支撑架，支撑板；所述支撑架包括横向支撑架，纵向支撑架；所述旋转轴包括上旋转轴和下旋转轴，所述上旋转轴下端焊接于管道的上端，所述下旋转轴上端焊接于管道的下端；有旋转轴槽位于所述支撑系统上，所述旋转轴套在所述旋转轴槽内。它克服了现有技术只能限制某一个方向或两个方向的线位移，在限制支点位置线位移的前提下限制其角位移的缺点；具有在管夹上增加转动轴，并设计限位支撑，使管道在受热状态下，限制其线位移，在某一平面上允许角位移，释放部分膨胀应力的优点。

发明内容

本发明提供一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，为旋转设备的进出口管道提供了径向限位，并通过螺栓调节各向限位与管道之间的距离，通过摩擦副以极低的摩擦系数解决了旋转设备的进出口管道的轴向位移产生的摩擦力问题，大幅减小旋转设备管嘴承受的应力及各向的扭矩，减少管道三个维度应力对旋转设备产生的影响，保证了旋转设备的稳定可靠运行。

本发明提供了下述的技术方案：一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，包含四个支撑杆，调节螺栓，调节螺母，四个摩擦副，固定钢结构，其特征在于，所述四个支撑杆分为两对，每对支撑杆的一端沿管道径向对称固定在管道外壁上，两对支撑杆互相垂直；所述四个摩擦副均由两个滑动连接的构件组成，其中一个构件固定在对应的支撑杆远离管道方向的另一端，另一个构件连接调节螺栓，并由调节螺栓固定在固定钢结构上，两个构件之间的接触面为滑动接触面；所述调节螺栓由调节螺母限定位置，调节各摩擦副的滑动接触面之间的间隙距离。

优选地，所述摩擦副的滑动接触面的材料为光滑的不锈钢板或碳钢板。

优选地，所述摩擦副的滑动接触面之间设有平板状的滑动组件。

优选地，所述滑动组件的材料选自聚四氟乙烯(PTFE)或聚四氟乙烯基复合材料。

优选地，所述滑动组件可由沉头螺钉固定在摩擦副任意一个构件的滑动摩擦面上。

优选地，所述滑动组件可镶嵌固定在摩擦副任意一个构件的滑动摩擦面上的凹槽内。

优选地，滑动组件为两片，分别固定在摩擦副的两个构件的滑动摩擦面上。

优选地，旋转设备的进出口管道管嘴密封面与支撑杆在管道外壁的固定处之间的距离为500-600mm。

优选地，支撑杆可以是空心圆管或实心圆管。

优选地，四个支撑杆管径相同。

优选地，连接每个摩擦副构件和固定钢结构的调节螺栓可以为2个或4个，且对称分布。

本发明还提供了一种技术方案：一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，包含两个支撑杆，调节螺栓，调节螺母，两个连接于支撑杆的摩擦副，坐式弹簧和悬挂式弹簧，固定钢结构，其特征在于，所述两个支撑杆，支撑杆的一端分别沿水平方向对称固定在管道外壁的两端；所述两个摩擦副均由两个滑动连接的构件组成，其中一个构件固定在对应的支撑杆的一段，另一个构件连接调节螺栓，并由调节螺栓固定在固定钢结构上，两个构件之间的接触面为滑动接触面；所述调节螺栓由调节螺母限定位置，调节各摩擦副的滑动接触面之间的间隙距离；所述坐式弹簧下端固定在周围的固定钢结构上，上端固定有一个上平板，所述上平板与固定在管道底部的下平板滑动连接形成一个连接于弹簧的摩擦副；所述悬挂式弹簧上端固定在周围的固定钢结构上，下端通过一个连接杆与管道上部连接。

优选地，所述连接于支撑杆的摩擦副和连接于弹簧的摩擦副的滑动接触面的材料为不锈钢板、碳钢板、聚四氟乙烯(PTFE)或聚四氟乙烯基复合材料。

优选地，所述摩擦副的滑动接触面之间设有平板状的滑动组件。

优选地，滑动组件的材料选自聚四氟乙烯(PTFE)或聚四氟乙烯基复合材料。

优选地，旋转设备的进出口管道管嘴密封面与支撑杆在管道外壁的固定处之间的距离为500-600mm。

上述两个技术方案中旋转设备包含但不限于涡轮机、汽轮机、透平机，离心压缩机。

本发明的有益效果是：一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，其结构新颖，既满足了旋转设备进、出口管道的垂直位移支撑，也以极低的摩擦系数解决了水平管道的轴向位移产生的摩擦力问题，大幅减小旋转设备承受的应力及各向扭矩，保证了旋转设备的稳定可靠运行。

(1)本发明提供的用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，通过摩擦副的面接触，控制管道沿径向的位移和三个维度的扭矩，管路只在轴向上有位移。

(2)本发明提供的用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，可通过管道水平方向的两个摩擦副之间的面接触，控制管道沿水平径向的位移，同时通过连接于管道竖直方向的两个弹簧，控制管道沿竖直方向的位移，同时为管道提供支撑。结合减振装置和摩擦副技术，既满足了旋转设备进、出口管道的垂直位移支撑，也卸载了管道竖直方向位移造成的应力，大幅减小旋转设备承受的应力，保证了旋转设备的稳定可靠运行。

(3)在本发明中，摩擦副由刚性的内支撑板和外支撑板组合而成，在其接触面固定滑动组件，可选自聚四氟乙烯(PTFE)或聚四氟乙烯基复合材料，极大地降低摩擦副的摩擦系数，当水平管道沿轴向移动时，减小旋转设备承受的应力。

(4)在本发明中，调节螺栓由调节螺母限定位置，可调节各对内外支撑板之间的间隙，保证摩擦副的滑动接触面紧贴，进一步降低应力对管道的影响。

(5)在本发明中，所述支撑杆的管径相同，但长度可以不一，根据待支撑的管路周围现有的固定钢结构来设计和调整支撑杆的长短，有效地利用现有设备资源进行固定。

附图说明

图1是透平膨胀机的进出口管道示意图。

图2是本发明一个实施例的剖面结构示意图。

图3是本发明另一个实施例的剖面结构示意图。

图4(a)是嵌入式固定的滑动组件的剖面结构示意图。

图4(b)是沉头螺钉固定的滑动组件的剖面结构示意图。

1-固定钢结构；2-摩擦副构件；3-摩擦副构件；4-支撑杆；5-调节螺栓；6-调节螺母；7-管道；8-悬挂式弹簧；9-坐式弹簧；10-上平板；11-下平板；12-连接杆；13-滑动组件；14-沉头螺钉；15-套筒；16-下固定连接座；20-连接于支撑杆的摩擦副；21-连接于支撑杆的摩擦副；22-连接于弹簧的摩擦副；30-进口管道；31-出口管道；32-进口法兰；33-出口法兰；34-透平膨胀机；35-减少旋转设备管嘴负荷的装置。

具体实施方式

如图1所示的一台透平膨胀机，是一种空气分离装置中常用的旋转设备，其进口管道30通过进口法兰32连接透平膨胀机34，出口法兰33连接出口管道31和透平膨胀机34。进、出口管道均水平于地面设置，这台机器的出口管道31在膨胀机运行过程中仅沿其轴向有位移，进口管道31除了沿其轴向有位移外，由于低温下的金属材料收缩，进口管道30还沿其竖直径向有位移。

本发明的一个实施例提供了一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置35，在该实施例中，透平膨胀机的出口管道在轴向有位移，在径向没有位移(dx≠0，dx约为10-20mm，dy＝0，dz＝0)。支撑装置可以卸载来自管道的应力，通过控制三个方向的力矩{Mx,My,Mz}和两个方向的线力{Fy,Fz}使管道的收缩方向与透平膨胀机一致，保持管道与透平膨胀机同心，减小透平膨胀机管嘴的负荷。本发明的另一个实施例针对在Y轴方向(竖直方向)和轴向有位移的旋转设备提供了一种减小设备管嘴负荷的装置，可以控制两个方向的力矩{Mx,My}和两个方向的线力{Fy,Fz}，为管道提供竖直方向的支撑，也卸载了管道竖直方向位移造成的应力，使管道的收缩方向与透平膨胀机一致，极大地减小了透平膨胀机管嘴的负荷。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，适用于旋转设备沿管道径向无位移，仅轴向有位移的情况，通过摩擦副的滑动面接触，可以控制除了沿管道轴向(X向)外两个方向的位移以及控制三个方向(X，Y，Z)的扭矩。本实施例中透平膨胀机的管嘴出口管道沿水平方向分布，管嘴仅在沿管道轴向(X向)有位移，在径向(Y，Z向)无位移，管道直径为323mm，在-196℃时有3‰的收缩率。可使用CAESARII管道应力分析软件(CAESARII 2014:美国鹰图公司Intergraph)计算出管道对钢结构支架的载荷。本实施例中，透平膨胀机的出口的载荷如下，Fx＝-1157N、Fy＝-4308N、Fz＝7261N、Mx＝-1335N·m、My＝-19317N·m、Mz＝-10131N·m。用STAAD STAAD.pro V8i计算软件(STAAD STAAD.pro V8i:Bentley软件公司)对钢结构参数进行计算，如图2所示，该装置包含直径为89mm，长度为200mm的空心圆管支撑杆4，M20*100mm调节螺栓5，光滑的不锈钢摩擦副构件3和摩擦副构件2组成的一个摩擦副，所述支撑杆4为四个，管径相同，支撑杆4一端沿管道径向分别固定在管道7外壁沿垂直径向对称的两端和沿水平径向对称的两端；四个摩擦副构件3分别固定在对应的支撑杆4的另一端，摩擦副构件2和两个对称分布的调节螺栓5固定，且摩擦副构件3和摩擦副构件2之间为滑动连接；所述调节螺栓5一端连接摩擦副构件2，另一端连接周围的透平膨胀机所处的冷箱内壳的固定钢结构1，固定钢结构1为100*50*6的槽钢，长度1000mm；边长170mm、厚度10mm的正方形PTFE平板状滑动组件嵌入或粘入摩擦副构件3的滑动接触面上预先挖好的槽中(见图4(a))，并使每个PTFE平板状滑动组件的线膨胀量都在嵌入的安装公差范围内，嵌入PTFE平板状的滑动组件的内支撑板与光滑的不锈钢外支撑板偶对结合。如图4(b)所示，PTFE平板状的滑动组件也可以通过沉头螺钉14固定在摩擦副构件3或摩擦副构件2的中心位置，PTFE平板状滑动组件可降低内磨擦副之间的干滑动摩擦系数，减小管路沿轴向位移时受到的应力。所述调节螺栓5由M20mm调节螺母6限定位置，拧紧调节螺母6，调节摩擦副之间的间隙距离，使摩擦副间隙接近0mm。旋转设备的出口管道的管嘴密封面(法兰连接处)与支撑杆在管道外壁的固定处之间的距离与膨胀机自身结构，管道载荷及钢结构支架的设计有关，本实施例中支撑杆在管道外壁的固定处与透平膨胀机的出口管道管嘴密封面法兰之间的距离L为600mm(见图1)。

本发明的另一个实施例提供了一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置35，适用于旋转设备沿管道轴向有位移，径向一个方向(一般是竖直Y方向)有位移，另一个径向(一般是水平方向)无位移的情况。本实施例中，透平膨胀机的管嘴进口管道沿水平方向分布，管嘴沿管道轴向(X向)有位移，在竖直径向(Y向)上有位移，但在水平径向无位移(Z向)。管道直径为323mm。使用CAESARII管道应力分析软件(CAESARII 2014:美国鹰图公司Intergraph)计算出管道对钢结构支架的载荷。本实施例中，透平膨胀机的进口的载荷如下，Fx＝-397N、Fy＝-244N、Fz＝4658N、Mx＝5652N·m、My＝-23750N·m、Mz＝0N·m、悬挂式弹簧吊架载荷为13000N、坐式弹簧支架载荷为13000N。根据受力情况，运用STAADSTAAD.pro V8i计算软件(STAAD STAAD.pro V8i:Bentley软件公司)进行计算，如图3所示，该装置包含两个支撑杆4，支撑杆4为直径89mm，长度200mm的空心圆管，M20*100mm调节螺栓5，摩擦副构件3和摩擦副构件2组成的两个摩擦副20和21，坐式弹簧9和悬挂式弹簧8，所述支撑杆4一端分别固定在管道7外壁沿水平径向对称的两端；两个摩擦副构件3固定在对应的支撑杆4的另一端，摩擦副构件2和调节螺栓5固定，且摩擦副构件3和摩擦副构件2之间为滑动连接；所述调节螺栓5一端连接摩擦副构件2，另一端连接在透平膨胀机所处的冷箱内壳的固定钢结构1上，固定钢结构1为100*50*6的槽钢，长度1000mm；所述调节螺栓5由M20mm调节螺母6限定位置，调节两对摩擦副20和21之间的间隙；所述坐式弹簧9下端固定在周围的固定钢结构上1，上端固定有一个上平板10，所述上平板10与固定在管道底部的下平板11滑动相连形成一个摩擦副22，在上平板10上嵌有边长170mm、厚度22mm的正方形PTFE平板状滑动组件；所述悬挂式弹簧8上端通过套筒15固定在周围的固定钢结构1上，悬挂式弹簧8下端通过一个M24*300mm的带螺纹的连接杆12固定在管道上部的固定连接座16上。两块边长170mm、厚度10mm正方形的PTFE平板状滑动组件通过沉头螺钉分别固定在摩擦副20和21的摩擦副构件2的滑动接触面上，固定有PTFE平板状滑动组件的摩擦副构件2与镜面不锈钢材质的摩擦副构件3滑动接触。通过坐式弹簧9和悬挂式弹簧8，以及通过摩擦副的面接触，控制管道径向(Y向)位移，同时支撑管道7，管道在轴向(X向)可移动，管道在径向(Z向)上有扭矩，可旋转(即握牢Z轴可转)，Ry和Rx不能旋转，互相限位。通过本装置的限位作用，来对管线起到导向作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明所作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施所作的任何简单修改，变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。例如，在实施例1中，两对支撑杆4互相垂直即可，不一定要沿水平径向和垂直径向设置，可与水平/垂直径向呈一定角度。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (17)

1.一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，包含四个支撑杆(4)，调节螺栓(5)，调节螺母(6)，四个摩擦副，固定钢结构(1)，其特征在于，

所述四个支撑杆(4)分为两对，每对支撑杆(4)的一端沿管道(7)径向对称固定在管道(7)外壁上，两对支撑杆(4)互相垂直；

所述四个摩擦副均由两个滑动连接的构件组成，其中一个构件(3)固定在对应的支撑杆(4)远离管道(7)方向的另一端，另一个构件(2)连接调节螺栓(5)，并由调节螺栓(5)固定在固定钢结构(1)上，两个构件之间的接触面为滑动接触面；

所述调节螺栓(5)由调节螺母(6)限定位置，调节各摩擦副的滑动接触面之间的间隙距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦副的滑动接触面的材料为光滑的不锈钢板或碳钢板。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦副的滑动接触面之间设有平板状的滑动组件(13)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滑动组件(13)的材料选自聚四氟乙烯或聚四氟乙烯基复合材料。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滑动组件(13)可由沉头螺钉(14)固定在摩擦副任意一个构件的滑动摩擦面上。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滑动组件(13)可镶嵌固定在摩擦副任意一个构件的滑动摩擦面上的凹槽内。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，滑动组件(13)为两片，分别固定在摩擦副的两个构件的滑动摩擦面上。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转设备的进出口管道管嘴密封面与支撑杆(4)在管道(7)外壁的固定处之间的距离为500-600mm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，支撑杆(4)为空心圆管或实心圆管。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，四个支撑杆(4)管径相同。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连接每个摩擦副构件和固定钢结构(1)的调节螺栓(5)为2个或4个，且对称分布。

12.一种用于减少旋转设备管嘴负荷的装置，包含两个支撑杆(4)，调节螺栓(5)，调节螺母(6)，两个连接于支撑杆(4)的摩擦副(20，21)，坐式弹簧(9)和悬挂式弹簧(8)，固定钢结构(1)，其特征在于，

所述两个支撑杆(4)，支撑杆(4)的一端分别沿水平方向对称固定在管道(7)外壁的两端；

所述两个摩擦副(20，21)均由两个滑动连接的构件组成，其中一个构件(3)固定在对应的支撑杆(4)的一段，另一个构件(2)连接调节螺栓(5)，并由调节螺栓(5)固定在固定钢结构(1)上，两个构件之间的接触面为滑动接触面；

所述调节螺栓(5)由调节螺母(6)限定位置，调节各摩擦副的滑动接触面之间的间隙距离；

所述坐式弹簧(9)下端固定在周围的固定钢结构(1)上，上端固定有一个上平板(10)，所述上平板(10)与固定在管道(7)底部的下平板(11)滑动连接形成一个连接于弹簧的摩擦副(22)；

所述悬挂式弹簧(8)上端固定在周围的固定钢结构(1)上，下端通过一个连接杆(12)与管道(7)上部连接。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述连接于支撑杆(4)的摩擦副(20，21)和连接于弹簧的摩擦副(22)的滑动接触面的材料为不锈钢板、碳钢板、聚四氟乙烯或聚四氟乙烯基复合材料。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述摩擦副的滑动接触面之间设有平板状的滑动组件(13)。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，滑动组件(13)的材料选自聚四氟乙烯或聚四氟乙烯基复合材料。

16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，旋转设备的进出口管道管嘴密封面与支撑杆(4)在管道(7)外壁的固定处之间的距离为500-600mm。

17.根据权利要求1或12所述的装置，其特征在于，旋转设备包含但不限于涡轮机、汽轮机、透平机，离心压缩机。