CN108204254A - 用于旋转式机械的安装系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于将旋转式机械支撑在离岸设备的支撑结构上的安装系统，所述系统包括：基座框架，其具备用于安装所述旋转式机械的上侧和下侧；至少四个支撑组件的集合，其被布置在所述基座框架的所述下侧处且适于放置在所述支撑结构上以在安装条件中充当所述基座框架与所述支撑结构之间的中间层或框架。所述支撑组件包括在经受负载时产生反作用力的弹性元件，且被配置成同样在所述支撑结构的变形的状况下将低于可允许的界限的应力和/或应变传送到所述基座框架；所述基座框架具有硬度以便保证例如用于旋转式机械对准、端点或接口点位移、动态特性或相似参数的设计验收准则。

Description

用于旋转式机械的安装系统
技术领域
本文中所公开的主题的实施例大体上涉及用于例如燃气涡轮发动机、电动机、发电机、涡轮压缩机等旋转式机器的安装装置和系统。
背景技术
已针对不同技术领域中的各种机械布置开发出专用安装系统。已发现，对于相对大的巨型机器，例如燃气涡轮机、大发电机和涡轮压缩机，必须常常开发安装系统，所述安装系统可向机械部件提供稳固支撑和稳定性，同时根据具体机器设计进行定制。安装策略必须常常进一步考虑到将供特定机器操作的环境条件。
油气行业提供数个示范性情形，其中极其大的旋转式机器的特定操作条件需要特殊安装系统。旋转式机器布置通常包括原动机，例如燃气涡轮机或电动机，其驱动由例如发电机或涡轮压缩机等旋转式机器组成的负载。在本发明描述和随附权利要求书的上下文中，术语“涡轮压缩机”用于指代动态类型的压缩机，例如轴向或离心式压缩机。
旋转式机器常常布置在底板或基座框架上，从而形成单个模块布置。基座框架又安装在支撑结构上，例如一般安装在离岸平台或船舶的甲板或任何其它钢结构上。
油气行业中的大的旋转式机器的典型应用包括天然气液化设施。出于运输目的，冷却且液化从离岸天然气田提取的天然气。在冷却过程中处理制冷剂以用于冷却和液化天然气。由燃气涡轮发动机驱动的涡轮压缩机用于在制冷循环中处理制冷剂。燃气涡轮发动机还用于电能产生目的，用于驱动发电机。大的旋转式涡轮压缩机还用于油气田中以用于注气和气举应用。
归因于旋转式机器的负载以及其操作，用于此类旋转式机器的底板必须设计成抵抗高静电和动态负载。动态负载包括与机器的正常操作相关的操作负载以及偶然及环境负载。前者归因于旋转式机器的异常操作条件，例如归因于涡轮机中的叶片丢失引起的不平衡或归因于例如爆炸等极端事件。
后者可例如归因于船舶或离岸平台上的波浪或风力作用，或者在旋转式机器安装在固定平台中的状况下与地震有关。
另外平坦通常是平面的船舶甲板可在波浪作用或其它振动及机械应力的影响下经历扭转运动，且继而可将扭转运动传输到上面安装旋转式机器的底板。
虽然在岸上应用中，旋转式机器通常借助于多点超静定系统(也称为静态不可确定或静态不确定系统)安装在地面上，但归因于例如波浪作用等上述动作，通常认为超静定安装在离岸应用中不合适。
举例来说，船舶甲板归因于波浪作用的扭动可能引起超静定多点系统的安装点实际上从最初既定的安装平面移开。这继而引起安装在基座框架或底板上的一系列旋转式机器的旋转轴的未对准。在装备具有用于部件的未对准的低容差的状况下，以上情形可能是致命的。
为了试图解决以上问题，已开发出三点安装系统。三点安装系统包括底板或基座框架，所述底板或基座框架具有其中安装有旋转式机器的上表面和其中布置有三个支撑组件的下表面。支撑组件将基座框架连接到船舶的甲板或离岸平台，或将基座框架连接在任何其它支撑结构上。支撑组件位于三角形的顶点处，所述三角形可以底板的中心线或布置在底板的顶部上的旋转式机器的轴线或重心轴线为中心。
支撑组件的设计使得在底板与支撑结构之间提供均衡连接。出于此目的，每一支撑组件提供约束以便允许所有旋转移动。两个支撑组件在一个方向上滑动而一个支撑组件也保持平移移动，归因于涡轮机械在操作期间产生的热量，由两个滑动支撑部件中的每一个留下的单个自由度允许例如基座框架相对于甲板或其它支撑结构的热生长。此均衡连接适应基座框架与支撑结构之间的任何位移，而不会在基座框架中诱发将不利地影响旋转式机器的对准的额外偏转。此外，使用三点均衡连接简化支撑结构的设计，因为其不修改支撑结构的全局硬度。
通常，平衡架，即安装在枢转销上的球形接头，或防振动支架可用作此类三点均衡安装布置中的支撑组件。
然而，三点均衡连接系统具有一些缺陷。具体来说，由于全部静态和动态负载必须仅由三个支撑组件支撑，因此这三个支撑组件常常具有大尺寸。此外，其中安装有一系列涡轮机械的船舶的甲板或离岸平台上的动态及静态负载集中在三个点。
负载集中需要支撑组件和甲板的尺寸被设定成能承受正常操作负载以及紧急或偶然负载，如例如归因于烃爆炸的爆炸负载。
这些方面在极其大的机器部件的状况下变得特别重要。需要使用三点安装系统以便避免多点超静定系统的劣势限制可使用的旋转式机器的尺寸。
同样，环绕安装在底板上的旋转式机器的包装可由底板支撑且为系统的总重量做出贡献。因此，使用三点安装系统在重的包装由底板支撑的状况下可能是困难的，或可能限制包装的最大尺寸和重量。
本发明是针对上文所阐述的问题或缺点中的一个或多个。
发明内容
根据第一示范性实施例，存在一种用于将旋转式机械支撑在离岸设备的支撑结构上的安装系统，所述系统包括：
基座框架，其具有用于安装所述旋转式机械的上侧和下侧；
至少四个支撑组件的集合，其被布置在所述基座框架的所述下侧处且适于放置在所述支撑结构上以在安装条件中充当所述基座框架与所述支撑结构之间的中间层或框架；
其中所述支撑组件包括在经受负载时产生反作用力的弹性元件；
其中所述系统具有硬度，以适于保证例如关于旋转式机械对准或最小化所述机械上的点与相对于所述支撑结构位于固定位置中的绝对参考点之间的位移或最小化所述基座框架的动态特性的设计验收准则；
其中所述支撑组件被配置成同样在所述支撑结构的变形的状况下将低于可允许的界限的应力和/或应变传送到底板。
在实践中，尽管处理离岸应用，但本发明人出人意料地意识到如果灵活地设计基座框架和支撑组件的尺寸，那么可使用岸上设备特有的超静定(hyperstatic)系统。支撑组件硬度减小(从典型5·108N/m下降到5·107N/m)以便改进底板性能，而不增加其硬度。这允许在操作负载及如爆炸等偶然负载的状况下保证底板的线性和从支撑结构传输到底板或反之亦然的缩减的扭转。实际上，柔性支架不仅允许针对支撑结构的减振增加，而且还改进底板的扭转性能，从而将较低负载传送到支撑结构，因此产生较轻结构。
支撑组件可以是任何类型和形状的简单弹簧，因为归因于支撑组件的数目相对于均衡解决方案过大，免除了硬度要求。这允许使用比衬垫AVM便宜的弹簧AVM。这不是唯一的优点。使用具有增加的柔性的多于三个支撑组件还允许：
-较均一的负载分佈；
-归因于缩减的底板扭转影响的底板设计的进一步优化；
-用于甲板的支撑结构硬度的要求的降低(通常下降到5·107N/m)；
-到支撑结构的较低振动传输；
-抗爆炸性能的增加，减小由于支撑结构上的爆炸所导致的基础负载。
附图说明
从与附图结合考虑的示范性实施例的以下描述将更加了解本发明，在附图中：
图1说明根据现有技术的基座框架的侧视图，所述基座框架具有安装于其上的相关旋转式机械和三个支撑组件。
图2说明图1的底部基座框架的示意性平面图。
图3说明根据本文中的实施例的具有支撑组件的基座框架的示意性平面图。
图4说明根据本发明的用于安装系统中的支撑组件的示范性实施例。
具体实施方式
示范性实施例的以下描述参考附图。不同图式中的相同参考数字标识相同或类似的元件。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”或“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”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的方式组合。
图1示意性地说明涡轮机系统的侧视图，所述涡轮机系统可安装在离岸平台、船舶等类似实施上。在一些实施例中，整体标注为1的涡轮机系统可包括由压缩机区段3A和涡轮机区段3B组成的燃气涡轮发动机3。燃气涡轮发动机3可驱动负载，例如涡轮压缩机或涡轮压缩机系、发电机或任何其它旋转负载。在图1的示范性实施例中，燃气涡轮发动机3的驱动轴4通过齿轮箱5将旋转运动传输到负载7的驱动轴6，所述负载7例如涡轮压缩机，例如也就是用于液化天然气的LNG系统制冷系统的离心涡轮压缩机。
在其它实施例中，两个或多于两个涡轮压缩机可在同一系列中串联布置且可由同一燃气涡轮发动机3驱动。
在一些实施例中，可省去齿轮箱5且燃气涡轮发动机可直接连接到负载。
额外的旋转式机器可以驱动地连接到燃气涡轮发动机3的热端或冷端，例如，可以根据旋转式机械系的需要和操作条件作为起动机，辅助机或发电机工作的可逆电机，或者旋转式机器可以驱动地连接到作为发动机工作的电动机。
旋转式机器被支撑在基座框架或底板9的上表面9A上。在图1的示范性示意图中，旋转式机器直接安装在基座框架9上。在其它实施例中，中间垫木(skid)或框架可被布置在一个或多个旋转式机器与基座框架9之间。
基座框架9可安装在支撑结构上，通常在11处展示。通常，支撑结构11可以是船舶的甲板，或者是离岸平台。包括支撑组件的安装布置被提供在基座框架9的下表面9B与支撑结构11之间。安装布置被配置且布置成使得支撑结构11例如归因于波浪作用而发生的弯曲变形不会引起安装在基座框架9上的旋转式机器的未对准，如下文将更详细地描述。
在如图2中所展示的现有技术系统中，安装布置包括被布置在三角形T的顶点处的三个防振动支架13。三角形T又可基本上以基座框架9的中心线CL或CoG为中心。
三角形T的顶点Vx大致位于燃气涡轮发动机3的中心下方。三角形T的基线B位于压缩机7下方，所述基线B横向于旋转轴线而延伸或以其CoG轴线为中心且相对于后者大致成90°。因此，此布置在安装在基座框架9上的旋转式机器3、5、7中的较重一个下方提供两个防振动支架13。
双端箭头指示由所说明的三个防振动支架13中的两个给定的自由度。第三个防振动支架13是固定的且不允许水平面中的任何自由度。其它两个防振动支架13所允许的移动考虑到基座框架9需要经历例如热膨胀和收缩。
三个防振动支架13安装在基座框架9与支撑结构11之间，使得基座框架9均衡地连接到支撑结构11，且每一防振动支架13的运动能力允许归因于例如热膨胀而发生基座框架9相对于支撑结构11的相对移动。在图2中，相应双向箭头fl3表示每一支架13所允许的移动。举例来说，布置在压缩机7下方的两个支架13允许横向于中心线CL且因此横向于涡轮机布置的轴线的移动。位于燃气涡轮发动机3下方的防振动支架13允许在平行于轴线且因此平行于中心线CL的方向上的平移移动。
设计三个防振动支架13以便承受负载，所述负载可出现在安装在基座框架9上的装备的正常操作期间。正常操作应被理解为在标称条件下的机械的操作，所述标称条件是不存在归因于例如旋转机器中的任一个发生故障和/或例如在离岸应用的状况下的异常风力或波浪活动等外部环境因素的偶然负载，所述偶然负载与机器的操作无关。
参考图3，根据现有技术的安装系统由通常运用数字1到4指示的四个支撑组件代替，所述四个支撑组件被布置在基座框架9与支撑结构11之间且彼此相互连接。
每一支撑组件1到4被设计成提供支撑反作用力，所述支撑反作用力在基本上竖直方向上定向，也就是基本上正交于基座框架9而定向。在水平方向上的反作用力与在竖直方向上的反作用力可为相同数量级。有利的是，在正常操作条件下，支撑组件1到4具有在竖直方向上的硬度，所述硬度大大低于用于现有技术的三点均衡配置中的防振动支架的硬度。在一些实施例中，支撑组件1到4的硬度比此类防振动支架的硬度(通常为5·108N/m)至少小约一个数量级。支撑组件的硬度约为107N/m，通常从2·107N/m到7·107N/m，更通常是5·107N/m。
图4说明可使用的支撑组件15的示范性实施例的示意图。在此示范性实施例中，支撑组件15包括多个弹性元件。举例来说，可提供三个弹性元件21、23、25。在图4的示意图中，弹性元件21、23、25表示为压缩弹簧，例如螺旋状压缩弹簧。在其它实施例中，可使用贝氏弹簧(Belleville spring)。在另外其它实施例中，可提供例如螺旋状弹簧和贝氏弹簧等不同弹簧的组合。减振系统(典型粘性类型)也可包括在支架中。
作为实例，在图4中，弹簧21、23、25安装在顶部法兰27与底部法兰29之间。顶部法兰27被配置成连接到基座框架9，且底部法兰29被配置成连接到模具支撑结构11，或反之亦然。连接可通过螺栓、焊接、旋拧或采用任何其它合适的方式。在图4中，提供螺栓36，其使两个法兰27及29彼此连接。
弹簧21、23、25可容纳于保护性外壳31、33、35中。保护性外壳31、33、35可以是可伸缩的，以允许弹簧的伸展及压缩。弹簧23可通过螺栓36预装载。初始位移是预装载条件下的位移且通过旋拧螺栓36获得。
如图4中示意性地展示，弹簧21、23、25长度全部相等，但所述弹簧也可具有不同长度以展示差分硬度特性从而组成实现最大灵活性的所要力相对于位移曲线。
此外，支撑组件中的一些或部分可属于AVM，例如根据现有技术的衬垫AVM，但其并不定位在典型三点均衡布置中。事实上，在离岸设备中提供超静定解决方案是本发明的关键。
支撑组件可放置在任何合适的位置中，例如其可呈两个组件在基座框架的相对长侧上的对称配置，如图3中所展示。
在一些实施例中，支撑组件甚至可多于四个，其例如相对于基座框架9的中心线CL或相对于安装在基座框架9上的旋转式机器的轴线对称地布置。
可通过模拟基座框架上的所有负载的有限元分析来有利地确定支撑组件的最佳定位以及硬度。
上文所描述的支撑系统提供均衡三点支撑系统的优点，且不具有其限制性。具体来说，支撑系统变得能够支撑重的旋转式机械而不需要设计尺寸过大的三点支撑组件。
虽然本文中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，但对于所属领域的一般技术人员来说将显而易见的是，在未实质上脱离本文中所阐述的新颖教示、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，许多修改、改变及省略是可能的。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 (11)

1.一种用于将旋转式机械支撑在离岸设备的支撑结构上的安装系统，所述系统包括：
基座框架，其具有用于安装所述旋转式机械的上侧和下侧；
至少四个支撑组件的集合，其被布置在所述基座框架的所述下侧处且适于放置在所述支撑结构上；
其中所述支撑组件包括在经受负载时产生反作用力的弹性元件；
其中所述系统具有硬度，以适于保证旋转式机械对准，或最小化所述机械上的点与相对于所述支撑结构位于固定位置中的绝对参考点之间的位移，或最小化所述基座框架的动态特性；
其中所述支撑组件被配置成同样在所述支撑结构的变形的状况下将低于可允许的界限的应力和/或应变传送到底板。
2.根据权利要求1所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件被布置成形成四边形特别是矩形的顶点。
3.根据权利要求1到2中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件形成超静定安装。
4.根据权利要求1到3中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件呈对称配置，其中所述基座框架的每相对长侧有两个组件。
5.根据权利要求1到4中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件中的多于四个相对于所述基座框架的中心线或相对于安装在所述基座框架上的所述旋转式机器的轴线或相对于重心CoG轴对称地布置。
6.根据权利要求1到5中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件包括安装在顶部法兰与底部法兰之间的弹簧元件，其中所述顶部法兰被配置成连接到所述基座框架，且所述底部法兰被配置成连接到所述支撑结构或反之亦然，以便产生基本上正交于所述底板和/或所述支撑结构的反作用力。
7.根据权利要求1到6中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件具有不同硬度。
8.根据权利要求7所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件中的一个或多个具有针对不同位移范围具有不同陡度的力相对于位移曲线，此特性通过使用同一支撑组件内的具有不同长度以便经受不同负载且依序地接合的多个弹簧元件获得。
9.根据权利要求1到8中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件包括一个或多个防振动支架，特别是衬垫AVM，和/或一个或多个平衡架。
10.根据权利要求1到9中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件包括减振系统，所述减振系统通常属于粘性类型。
11.根据权利要求1到10中一项或多项所述的安装系统，其特征在于：所述支撑组件的所述硬度约为107N/m，通常从2·107N/m到7·107N/m，更通常为5·107N/m。
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