CN107787412A - 一体化涡轮机械与轴向锁定装置 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种一体化涡轮机械(1)，其包括：壳体(3)；容纳在壳体(3)中的电动马达(5)和从动涡轮机械部件(7)；旋转轴(15)，其驱动地连接电动马达(5)和从动涡轮机械部件(7)；推力轴承(27)和径向轴承(21，23，25)，其旋转地支撑轴(15)；轴向锁定装置(51)，其容纳在壳体(3)内部，用于向轴(15)施加平行于轴的旋转轴线(Λ‑Λ)的推力，并且由致动器构件(57)构成，致动器构件(57)被构造成选择性地启动和/或停用轴向锁定装置。

Description

一体化涡轮机械与轴向锁定装置

技术领域

本公开涉及马达-压缩机单元，其包括容纳在壳体中的电动马达和由电动马达驱动的压缩机。本说明书公开的实施例具体涉及用于海底应用的马达-压缩机单元。更具体地，本说明书公开的实施例涉及包括一个或多个磁性轴承的马达-压缩机单元，磁性轴承支撑驱动轴，驱动轴连接电动马达和压缩机。

背景技术

一体化涡轮机械是通常包括容纳在外部壳体或多个壳体中的旋转设备的旋转机械。旋转设备包括旋转地容纳在(多个)壳体中并且通常不突出到(多个)壳体外部的轴。一旦一体化涡轮机械连接到外部管道，内部旋转轴就不能从(多个)壳体的外部进入。

典型的一体化涡轮机械由诸如电动马达的马达和诸如离心泵或离心式压缩机的从动涡轮机械构成，两者都容纳在一个或多个相互连接的外部壳体中。

马达-压缩机单元是一体化涡轮机械的典型例子。这些单元通常包括外部壳体，其容纳通过驱动轴彼此连接的电动马达和压缩机。轴通过多个轴承旋转地支撑在壳体中。在一些应用中，具体地在海底应用中，壳体包括容纳电动马达的马达隔室和容纳压缩机的压缩机隔室。两个隔室都密封封闭，以防止海水渗透。一些海底马达-压缩机单元通常采用油润滑轴承来支撑驱动轴。最近，在这种机械中已经引入了磁性轴承或主动磁轴承，以避免由于壳体中润滑油的存在而产生的某些缺点。

其它一体化涡轮机械包括水动力、水静力或混合(水静力/水动力)轴承，其使用液体或气体的流体来生成径向地或轴向地支撑旋转驱动轴的力。

主动磁轴承在无机械摩擦的情况下操作，但需要连续供电。在没有电力供应或主动磁轴承的任何其它有缺陷的操作的情况下，轴需要由所谓的着陆轴承支撑，该轴承有时也称为辅助轴承、应急轴承或备用轴承。当主动磁轴承例如由于缺乏电力供应而不可操作时，着陆轴承支撑轴。

着陆轴承提供机械冗余，并且需要正确地设计和加工尺寸，以防止在主动磁轴承失效的情况下损坏机器。着陆轴承还应确保在排除决定主动磁轴承暂时失效的原因后立即恢复机器运行。

着陆轴承由高精度机械轴承组成，其可在轴向和径向方向上稍微预加载。滚动轴承通常用作带有主动磁轴承的旋转机械中的着陆或辅助轴承。通常，使用成对安装并且可以轴向地预加载的角接触球轴承或深沟球轴承。这些着陆轴承具有轴向和径向承载能力。

海底马达-压缩机单元设计用于在海水下较大深度处操作。它们通常安装在放置在海面下几百米处的海底的模块上。即使马达-压缩机模块被小心操纵并以低速潜水，也不能避免对海底的冲击。这可能损坏着陆轴承。

在其它情况下，每当涡轮机械器潜在地受到冲击时，都可能会出现类似的问题。

轴向锁定装置是已知的，其适于轴向地锁定涡轮机械的转子，从而防止损坏轴承，轴承是磁轴承、水动力轴承、水静力轴承、混合轴承或滚动轴承或其组合。这些已知的轴向锁定装置需要接近涡轮机械的内部旋转轴，并且通常放置在轴端和闭合构件之间，闭合构件临时封闭壳体的小孔。一旦涡轮机械被安装例如在海底模块上，盖就被移除，并且管道通过小孔流体地连接到壳体的内部。在涡轮机械连接到管道之前，必须移除轴向锁定装置。一旦轴向锁定装置被移除，就不再有对机械轴承的防止意外冲击的保护。

因此，所述布置是期望的，目的在于防止或减少由于碰撞等引起的冲击而对涡轮机械(例如，一体化涡轮机械)的轴承的损坏，所述轴承例如但不排它地为着陆轴承。

发明内容

根据本说明书公开的实施例，一体化涡轮机械包括容纳电动马达和从动涡轮机械部件的壳体。在本公开和所附权利要求的上下文中，壳体可由一个或多个壳体部件形成。轴通过至少一个径向轴承和一个轴向或止推轴承旋转地支撑在壳体中，其驱动地连接电动马达和从动涡轮机械部件。如通常在一体化涡轮机械中所提供的那样，轴的端部布置在壳体内，并且不能从壳体的外部进入。轴向锁定装置还被容纳在壳体的内部，并且被布置和构造成用于在平行于轴的旋转轴线的方向上向轴施加推力。轴向锁定装置由致动器构件构成，该构件被构造成选择性地启动和/或停用轴向锁定装置。

因此，即使轴从壳体的外部不可接近，轴向锁定装置也可以轴向地锁定和解锁轴。因此，一体化涡轮机械可例如组装在诸如海底模块的模块上，并且连接到相应的管道。一旦一体化涡轮机械连接到管道，则无法进入内部轴。轴向锁定装置可由致动器操作，以选择性地锁定和解锁轴，例如，以防止或减少由于例如在运输或安装涡轮机械期间造成的冲击而导致的轴承损坏。

在海底一体化涡轮机械，例如典型地海底马达-压缩机单元中，涡轮机械模块可被放置在海底上，且轴由轴向锁定装置轴向地锁定。从而防止了由于模块对海底的冲击而导致的轴承损坏。一旦涡轮机械模块被正确放置在海底上，致动器就可停用轴向锁定装置，以允许涡轮机械开始操作。

特征及实施例在下文公开且进一步在所附权利要求书中阐述，所附权利要求书形成本说明书的组成部分。上文的简要说明阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可以更好地理解以下详细描述，且便于更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，这将在下文描述且在所附权利要求书中阐述。就此而言，在详细解释本发明的若干个实施例之前，应理解，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节，也不限于以下描述中阐述或图式中示出的组件的布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式实践或执行。此外，应理解，本文中所采用的措词及术语是用于描述的目的，且不应被视为是限制性的。

由此，所属领域的技术人员应了解，本发明所基于的概念可易于用作设计用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法及/或系统的基础。因此，重要的是，在等效构造并不脱离本发明的精神及范围的情况下，权利要求书应被视为包括此类等效构造。

附图说明

通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，在附图中：

图1示出了根据本公开的马达-压缩机单元的示意性截面图；

图2和图3分别示出了布置在马达-压缩机轴的底端处的处于非活动状态和活动状态的轴向锁定装置的放大图。

具体实施方式

示范性实施例的以下详细描述参考附图。不同图式中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，所述图式未必按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书界定。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的提及意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。

在本说明书中使用的术语“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“竖直”、“水平”等是指当放置在操作的最终位置时的马达-压缩机单元的取向。

在下面的描述中，将具体参考涉及具有主动磁轴承和着陆轴承的海底马达-压缩机单元的实施例来描述本说明书公开的主题。然而，应当理解，本说明书公开的新颖特征也可有利地应用于其它种类的涡轮机械，具体地，在涡轮机械的旋转轴线不能从壳体的外部接近的情况下，例如就一体化涡轮机械而言，只要对轴承的防冲击保护是可取的。

参看图1，马达-压缩机单元1包括容纳电动马达5和从动涡轮机械的壳体3。在一些示例性实施例中，从动涡轮机械包括气体压缩机7。电动马达5可容纳在形成于壳体3内的马达隔室9中。压缩机7可容纳在形成于壳体3内的压缩机隔室11中。参考标号7A和7B分别表示压缩机入口和压缩机出口。在一些实施例中，壳体3可由多个壳体或壳体部分3A、3B、3C形成。壳体部分可彼此密封地连接。在图1所示的示例性实施例中，马达隔室9和压缩机隔室11形成在由壳体部分3A、3B、3C形成的壳体3的上部部段中。

马达隔室9和压缩机隔室11可通过分隔壁13彼此分离。围绕旋转轴线A-A旋转的轴15驱动地连接电动马达5和压缩机7，使得压缩机7可被电动马达5驱动至旋转。在图1的示意图中，马达-压缩机单元1布置成使轴15竖直地定向，并且压缩机7放置在电动马达5的下方。在其它实施例中，可以预见马达-压缩机单元1的不同构型或取向，例如，压缩机7布置在电动马达5的顶部上的布置。在另外的实施例中，轴可被水平地而不是竖直地定向。

电动马达5可由固定地布置在壳体3中的定子5S和安装成在轴15上旋转的转子5R构成。压缩机7可由固定地容纳在壳体3内的隔膜7D和安装在轴15上以与其一起旋转的旋转的叶轮7I构成。

轴15延伸通过分隔壁13。在一些实施例中，可在分隔壁13处围绕轴15设置密封布置17，以防止或减少从一个隔室到另一隔室，特别是从压缩机隔室到马达隔室的过程气体泄漏。

轴15通过多个轴承旋转地支撑在壳体3中。在一些实施例中，第一径向轴承21可布置在轴15的第一下端或底端15A处或附近。第二径向轴承23可设置在轴15的第二上端或顶端15B处或附近。第三中间径向轴承25可沿着轴15设置在中间位置，例如在电动马达5和压缩机7之间。在一些实施例中，可进一步提供一个或多个轴向轴承或推力轴承。在图1的示例性实施例中，轴向轴承或推力轴承27设置在邻近第二径向轴承23的轴15的上端15B处或附近。另外或备选的轴向轴承可设置在电动马达5和压缩机7之间的中间位置和/或在压缩机7的下方，靠近轴15的底端15A处。轴承21、23、25和27可为主动磁轴承。

如果使用主动磁轴承21、23、25、27，则轴可进一步由着陆轴承或辅助轴承支撑，与主动磁轴承21、23、25和27组合。当主动磁轴承变得不可操作时，着陆轴承支撑轴15以及转子5R和压缩机7的叶轮7I。

在图1的示例性实施例中，提供了三个着陆轴承布置31、33、35。第一着陆轴承布置31布置在轴15的上端15B处或附近；第二着陆轴承布置33布置在电动马达5和压缩机7中间的位置，例如邻近中间主动磁轴承25；并且第三着陆轴承布置35位于轴15的下端15A处或附近。每个着陆轴承布置31、33、35可由两个滚动轴承构成，例如，以面对面的关系布置的两个角接触球轴承，例如以适应组合的载荷，即同时作用的径向和轴向载荷。图2和图3示出了在轴15的底端15A处的着陆轴承布置35的两个滚珠轴承35A，35B的放大图。代替角接触球轴承，可提供其它滚动轴承，其能够支撑轴向以及径向载荷。

在一些实施例中，球轴承35A、35B或其它着陆或辅助轴承布置在设置在轴15的底端15A处的轴向腔体15C中，参见图2和图3。球轴承35A、35B的外座圈37与轴向腔体15C的侧壁接触，而内座圈39安装在与轴15同轴的销41上。销41可安装在盖43上或与盖43一体形成，盖43密封地封闭底座45，在底座45中容纳有主动磁轴承21。

为了防止在马达-压缩机单元1安装在海底上时损坏着陆轴承，在轴15的底端15A处设置有轴向锁定装置。轴向锁定装置整体上标记为51，并在图2和图3的放大图中详细地示出为分别处于不可操作状态和操作状态。在一些实施例中，轴向锁定装置51可容纳在壳体3的底部部分3C中。

轴向锁定装置51可包括推杆53，推杆53被构造和布置成用于抵靠轴15施加轴向的向上定向的推力F。在一些实施例中，推杆53可包括心轴，心轴与轴15基本上同轴并且与拉杆55的末端底端55A以面对面的关系布置，拉杆55形成轴15的一部分，并将两个轴部分15X、15Y彼此连接。

推杆53可由致动器构件作用。在一些实施例中，致动器构件可包括单作用气缸-活塞57。气缸-活塞57可包括气缸57C和滑动地布置在气缸57C中的活塞57P。活塞57P将气缸57C的内部分成第一腔室59和第二腔室61。第一腔室59可容纳弹性构件，例如一叠蝶形弹簧63。第二腔室61可填充有加压流体，优选可压缩流体，例如具有一定程度的压缩性的气体或液体。在一些实施例中，可使用诸如氮气的惰性气体来填充第二腔室61。

推杆53被限制到活塞57P并延伸穿过盖43和销41。

从图2和图3可了解，活塞57P可在气缸57C中在上部活动位置(图3)和下部非活动位置(图2)之间滑动。活塞57P通过蝶形弹簧63或其它弹性构件朝向下部非活动位置偏压，并且可通过增加底部腔室61中的流体压力来抵抗弹簧63的力而提升。在下部非活动位置(图2)中，推杆53远离轴15并且不与其一起作用。在上部活动位置(图3)中，推杆53被推靠在轴15的下端15A上，并且更具体地抵靠将轴部分15X、15Y保持在一起的内拉杆55的底端。推杆53抵靠轴15施加的轴向推力F取决于腔室61中的流体压力和面向腔室61的活塞57P的表面的面积。在一些实施例中，为了下文所述的目的，腔室61中的流体压力可使得推杆53的主轴在轴15上产生提升力F，该力是轴和安装在其上的相关旋转部件，即转子5R和压缩机叶轮7I，的重量的大约两倍。

加压流体可通过加压流体导管71在底部腔室61中输送。在一些实施例中，加压流体导管71可流体地联接到加压流体箱73(图1)。可沿着加压流体导管71设置受控的阀布置，使得腔室61可被加压流体填充，并且可根据需要从腔室61排出流体。在一些实施例中，止回阀或减压阀75和三通阀77可沿加压流体导管71依次布置。参考标号79示意性地表示阀控制装置。在其它实施例中，仅可提供三通阀77。三通阀77可被控制，以允许加压流体从加压流体箱73流到腔室61，或者在排出管线78中从腔室61流出。

在一些实施例中，加压流体箱73的体积和其中的流体压力可使得即使在存在流体泄漏的情况下，也可在一段给定的时间内在腔室61中保持所需的流体压力。可控制阀75、77，以便在腔室61中保持低于箱73中的压力的基本上恒定的流体压力，并且在需要时从腔室61排出加压流体。

使用可压缩流体与加压流体箱组合，即使存在从加压流体导管71和/或从腔室61泄漏的一些流体，腔室61中的压力也可保持恒定达一段相对长的时间。

利用上述轴向锁定装置51，马达-压缩机单元1的旋转部件，即电动马达5的转子5R、压缩机7的叶轮7I和轴15，可利用向上定向的锁定力F(图3)被锁定在轴向位置，该力可以是旋转部件的重量的例如大约两倍，所述力由腔室61中的加压流体产生。锁定力F被维持直到马达-压缩机单元1已经安装在海底上所需的时间。以这种方式，可由马达-压缩机单元1或其上安装有马达-压缩机单元1的模块在海底上的着陆引起的对马达-压缩机单元1的壳体3的任何冲击不会传递到辅助或着陆轴承布置31、33、35。如果使用可压缩流体对腔室61加压，则确保附加的减震效果。

当马达-压缩机单元1已经到达其在海底的最终位置时，轴15可被轴向地解锁，从而可开始马达-压缩机单元1的操作。通过从腔室61排出加压流体来实现解锁。加压流体可通过阀77在海中排放，例如，如果加压流体的性质允许，例如，如果使用氮气或其它惰性气体。或者，加压流体可在低于腔室61的压力的压力下收集在单独的收集箱中。

一旦通风阀例如阀77打开，并且腔室61被设置成与环境或低压箱流体连通，在与由腔室61中的流体压力产生的力的方向相反的方向上作用在活塞57P上的蝶形弹簧63或任何其它合适的弹性装置将立即解锁装置51，推动活塞57P和推杆53的主轴远离轴15。

如果将从海底回收马达-压缩机单元1，则通过利用阀75、77将腔室61与加压流体箱73流体联接，并因此再次对腔室61加压，可再次启动轴向锁定装置51。

使用加压流体和气缸-活塞致动器来启动轴向锁定装置具有几个优点，包括易于控制和维护，以及装置的低成本和高可靠性。可压缩流体的使用在轴向锁定装置的可靠性方面具有另外的优点，因为可压缩流体在流体泄漏的情况下也确保轴向锁定装置的可操作性，例如，如果合适的加压流体箱与轴向锁定装置结合。由于加压流体箱的体积和流体的压缩性，可将足够的压力和因此足够的轴向推力保持在马达-压缩机单元1的轴上一段时间。

在其它实施例中，可使用不同的致动器来代替流体致动的气缸-活塞装置。例如，可使用电动千斤顶。

虽然本文所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本文所阐述的新颖教示、原理及概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变及省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以便涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。

Claims (19)

1.一种一体化涡轮机械(1)，包括：

壳体(3)；

电动马达(5)，其容纳在所述壳体(3)中；

从动涡轮机械部件(7)，其容纳在所述壳体(3)中；

旋转轴(15)，其驱动地连接所述电动马达(5)和所述从动涡轮机械部件(7)，所述轴(15)容纳在所述壳体(3)中并具有纵向旋转轴线(A-A)；

至少一个推力轴承(27)和至少一个径向轴承(21，23，25)，其旋转地支撑所述轴(15)；

轴向锁定装置(51)，其容纳在所述壳体(3)内部，被布置和构造成用于向所述轴(15)施加平行于所述轴的旋转轴线(A-A)的推力，并且由致动器构件(57)构成，所述致动器构件(57)被构造成选择性地启动和/或停用所述轴向锁定装置；

其中所述致动器构件包括由加压流体操作的气缸-活塞致动器(57)。

2.根据权利要求1所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述轴向锁定装置(51)包括由所述致动器构件(57)控制的推杆(53)，所述推杆与所述轴(15)基本上同轴。

3.根据权利要求1或2所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述致动器构件(57)布置在所述壳体(3)内部并且从所述壳体的外部被控制。

4.根据权利要求1、2或3所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述至少一个径向轴承布置在所述轴(15)的端部(15A)处或附近。

5.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述至少一个推力轴承布置在所述轴(15)的端部(15B)处或附近。

6.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述至少一个推力轴承包括主动磁轴承(27)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述至少一个径向轴承包括主动磁轴承(21，23，25)。

8.根据权利要求6或7所述的一体化涡轮机械(1)，还包括至少一个着陆轴承布置(31，33，35)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，还包括至少第二径向轴承和优选地第三径向轴承。

10.根据权利要求9所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述第二径向轴承和优选地所述第三径向轴承是主动磁轴承。

11.根据权利要求1所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述气缸-活塞致动器(57)是单作用气缸-活塞致动器。

12.根据权利要求1所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述气缸-活塞致动器(57)包括气缸(57C)和活塞(57P)，所述活塞(57P)滑动地容纳在所述气缸中，并将所述气缸分成第一腔室(59)和第二腔室(61)；其中所述第一腔室(59)容纳在远离所述一体式涡轮机械(1)的所述轴(15)的方向上偏置所述活塞的弹性构件(63)，并且其中所述第二腔室(61)包含所述加压流体。

13.根据权利要求11或12所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述加压流体是可压缩流体。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，还包括：加压流体箱(73)，其流体联接到所述气缸-活塞致动器(57)并且布置在所述壳体(3)外部；至少一个导管，其将所述加压流体箱(73)流体地连接到所述气缸-活塞致动器(57)，所述导管延伸穿过所述壳体(3)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其被构造为竖轴涡轮机械，并且其中所述轴向锁定装置(51)布置在所述轴(15)的底端(15A)处。

16.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其中所述从动涡轮机械部件包括离心式压缩机(7)。

17.根据前述权利要求中任一项所述的一体化涡轮机械(1)，其被构造为海底马达-压缩机单元(1)。

18.一种操纵一体化涡轮机械(1)的方法，所述一体化涡轮机械(1)包括电动马达(5)、从动涡轮机械部件(7)和驱动地连接所述电动马达和所述从动涡轮机械部件的轴(15)，所述电动马达(5)、所述从动涡轮机械部件(7)和所述轴容纳在所述壳体(3)中；所述方法包括以下步骤：提供容纳在所述壳体(3)内部的轴向锁定装置(51)，所述轴向锁定装置包括气缸-活塞致动器(57)，所述气缸-活塞致动器(57)由加压流体操作并被构造为选择性地启动和/或停用所述轴向锁定装置(51)；启动所述轴向锁定装置(51)以将所述轴(15)轴向地锁定在所述壳体中；将所述一体化涡轮机械从第一位置移动到第二位置；停用所述轴向锁定装置(51)。

19.一种用于将海底马达-压缩机单元(1)安装在海底的方法，所述海底马达-压缩机单元(1)由在壳体(3)中旋转地支撑轴(15)的轴承(21，23，25，27，31，33，35)构成，所述方法包括以下步骤：将轴向锁定装置布置在所述轴(15)的底端(15A)处；通过所述轴向锁定装置抵靠所述轴施加向上定向的推力；将所述海底马达-压缩机单元(1)放置在海底；停用所述轴向锁定装置。