CN108223242B - 一种flng液力透平的轴向力平衡机构及计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海上天然气田技术领域，公开了一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构，包括：叶轮前盖板、叶轮后盖板、密封环和平衡盘，形成密封环轴向间隙、密封环径向间隙、密封环平衡腔、平衡盘轴向间隙、平衡盘平衡腔以及泄漏流道顺次连接。本发明还公开一种轴向平衡间隙内流体流动路径长度的计算方法。本发明实现平衡液力透平的轴向力，能够改善液力透平泄漏量大的问题，减小平衡机构的轴向尺寸，减小推力轴承的轴向载荷，实现自动平衡轴向力的功能，有助于提高液力透平的效率，提升转子系统的可靠性，延长轴承的寿命，从而为FLNG液力透平的安全有效运行提供保障；并且为平衡盘轴向间隙内的流体流动过程中受到了旋转壁面的影响提供了修正公式。

Description

一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构及计算方法
技术领域
本发明涉及海上天然气田技术领域，特别是涉及一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构及计算方法。
背景技术
近年来，随着海上天然气液化的发展，用于海上天然气田开发的浮式生产装置也得到了快速发展。其中，浮式液化天然气生产储卸装置(简称FLNG，又称LNG-FPSO)作为海上液化天然气开采、处理、液化、储存和装卸的主要装置，与液化天然气船搭配使用，实现海上天然气田的开采和天然气运输。
液力透平作为FLNG中节流设备的替代装置，其在生产液化天然气的过程中不仅能够起到良好的降压效果，同时可以减少天然气的闪蒸汽，提高液化天然气产量，并可以产生效益可观的附加产品，如电能、旋转动能等。但FLNG液力透平在运行中，由于转子所受液化天然气的压力的不同，会产生数千牛顿的轴向力，轴向力会加重止推轴承的工作负荷，同时易使FLNG液力透平的转子发生窜动，不仅影响液力透平的压降效率，降低运行稳定性，甚至有可能造成震动并可能加速叶轮调整环磨损，损害液力透平的安全运行。
液力透平的轴向力对于透平的稳定运行有着各种不利的影响，如何平衡掉轴向力也一直是液体旋转机械研究领域的主要问题之一。传统的平衡轴向力方法除了使用推力轴承外，还主要有平衡孔和平衡管、平衡鼓、平衡盘、平衡鼓和平衡盘的联合结构等方法。
目前，对于轴向力平衡机构的设计和研究工作主要集中在离心泵方面，而对于多级FLNG液力透平的轴向力平衡机构的计算和设计方面的研究较少，且局限于行业公司内部。
因此，为了配合FLNG液力透平的应用，亟待研究设计出一种适用于FLNG液力透平的高效、合理轴向力平衡机构，来提升FLNG液力透平结构运行稳定性，延长使用周期。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构及计算方法，解决现有技术中对于多级FLNG液力透平的轴向力平衡机构的设计方面的研究较少，解决现有技术中的平衡机构结构复杂，尺寸过大，平衡效率低、稳定性差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，包括：叶轮前盖板、叶轮后盖板、密封环和平衡盘；其中，所述叶轮前盖板和所述叶轮后盖板之间形成供液体流动的通道，所述叶轮后盖板的后端具有第一延伸部和第二延伸部，所述叶轮后盖板径向端壁与所述密封环径向端壁之间形成密封环轴向间隙，所述第一延伸部轴向端壁与所述密封环轴向端壁之间形成密封环径向间隙，所述第一延伸部、所述第二延伸部、所述平衡盘与所述第一延伸部和所述第二延伸部之间的部分形成密封环平衡腔，所述第二延伸部径向端壁与所述平衡盘径向端壁之间形成平衡盘轴向间隙，所述平衡盘为中空，形成平衡盘平衡腔，所述平衡盘设有泄漏流道，所述泄漏流道与所述平衡盘平衡腔连通，所述密封环轴向间隙、所述密封环径向间隙、所述密封环平衡腔、所述平衡盘轴向间隙、所述平衡盘平衡腔以及泄漏流道顺次连接。
其中，所述叶轮前盖板为中空盘状结构。
其中，所述叶轮后盖板为中空盘状结构；所述第一延伸部靠近所述叶轮后盖板外侧，并沿轴向延伸；所述第二延伸部设于所述叶轮后盖板靠近所述叶轮后盖板中心，并沿轴向延伸。
其中，所述密封环为圆环状实体结构，所述密封环内表面前端设有迷宫密封间隙齿，所述密封环内表面后端为平直壁面，所述第一延伸部轴向端壁与所述迷宫密封间隙齿形成所述密封环径向间隙。
其中，所述平衡盘为中空圆台状结构。
其中，所述泄漏流道与轴向相倾斜。
其中，所述泄漏流道与电机室连接。
本发明还公开一种轴向平衡间隙内流体流动路径长度的计算方法，其特征在于，利用本发明的的FLNG液力透平的轴向力平衡机构计算轴向平衡间隙内流体流动路径长度L0的修正公式为：
其中，Rw为平衡盘轴向间隙的外径，Rn为平衡盘轴向间隙的内径，b0为轴向间隙值，q为用于轴向力平衡机构的流量，π为圆周率，n为沿半径方向将在半径方向流体流动的距离等分数，且n≥1，k为第k个等分点。
(三)有益效果
本发明提供的一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构及计算方法，实现平衡液力透平的轴向力，能够改善液力透平泄漏量大的问题，减小平衡机构的轴向尺寸，减小推力轴承的轴向载荷，实现自动平衡轴向力的功能，有助于提高液力透平的效率，提升转子系统的可靠性，延长轴承的寿命，从而为FLNG液力透平的安全有效运行提供保障；并且为平衡盘轴向间隙内的流体流动过程中受到了旋转壁面的影响提供了修正公式。
附图说明
图1为本发明一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构的整体剖视图；
图2为本发明一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构的上半部分细节图；
图3为本发明前盖板轴向剖面示意图；
图4为本发明后盖板轴向剖面示意图；
图5为本发明密封环轴向剖面示意图；
图6为本发明平衡盘轴向剖面示意图。
图中，1、密封环轴向间隙；2、密封环径向间隙；3、密封环平衡腔；4、平衡盘轴向间隙；5、泄漏流道；6、平衡盘平衡腔；7、叶轮前盖板；8、叶轮后盖板；9、密封环；10、第一延伸部；11、第二延伸部；12、平衡盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明公开一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，包括：叶轮前盖板7、叶轮后盖板8、密封环9和平衡盘12；其中，叶轮前盖板7和叶轮后盖板8之间形成供液体流动的通道，叶轮后盖板8的后端具有第一延伸部10和第二延伸部11，叶轮后盖板8径向端壁与密封环9径向端壁之间形成密封环轴向间隙1，第一延伸部10轴向端壁与密封环9轴向端壁之间形成密封环径向间隙2，第一延伸部10、第二延伸部11、平衡盘12与第一延伸部10和第二延伸部11之间的部分形成密封环平衡腔3，第二延伸部11径向端壁与平衡盘12径向端壁之间形成平衡盘轴向间隙4，平衡盘12为中空，形成平衡盘平衡腔6，平衡盘12设有泄漏流道5，泄漏流道5与平衡盘平衡腔6连通，所述密封环轴向间隙1、所述密封环径向间隙2、所述密封环平衡腔3、所述平衡盘轴向间隙4、所述平衡盘平衡腔6以及泄漏流道5顺次连接。
具体的，液力透平首级叶轮进口泄漏的流体，流经密封环轴向间隙1和密封环径向间隙2，进入密封环平衡腔3。密封环轴向间隙1和密封环径向间隙2具有一定的降压效果，密封环平衡腔3的流体的压力会低于透平叶轮前盖板7腔内流体的压力，由于叶轮后盖板8两侧压力不相等，因此产生一部分指向叶轮出口反方向的力；同理，流体流经平衡盘轴向间隙4，进入平衡盘平衡腔6，由于平衡盘轴向间隙4的降压作用，平衡盘平衡腔6内流体压力会低于透平叶轮出口流道内压力，并产生一部分指向叶轮出口反方向的力；密封环轴向间隙1内的流体压力会低于透平叶轮前盖板腔内流体的压力，产生一部分指向叶轮出口反方向的力。平衡盘轴向间隙4内流体压力会低于透平叶轮出口流道内压力，并产生一部分指向叶轮出口反方向的力。这四部分力构成了液力透平轴向力平衡机构的平衡力，实现平衡液力透平的轴向力。本发明泄漏流体流经流体域的顺序依次为：密封环轴向间隙1、密封环径向间隙2、密封环平衡腔3、平衡盘轴向间隙4、平衡盘平衡腔6及泄漏流道5。
本发明提供的一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构，实现平衡液力透平的轴向力，能够改善液力透平泄漏量大的问题，减小平衡机构的轴向尺寸，减小推力轴承的轴向载荷，实现自动平衡轴向力的功能，有助于提高液力透平的效率，提升转子系统的可靠性，延长轴承的寿命，从而为FLNG液力透平的安全有效运行提供保障。
其中，如图3所示，叶轮前盖板7为中空盘状结构。
其中，如图4所示，叶轮后盖板8为中空盘状结构；第一延伸部10靠近叶轮后盖板8外侧，并沿轴向延伸；第二延伸部11设于叶轮后盖板8靠近叶轮后盖板8中心，并沿轴向延伸。具体的，叶轮前盖板7的内侧端壁具和叶轮后盖板8外侧端壁均具有弧度，形成供液体流动的通道。第一延伸部10和第二延伸部11的横截面均为圆环。叶轮前，后盖板直径略小于首级中段内径，形成泄漏间隙入口。
其中，如图5所示，密封环9为圆环状实体结构，密封环9内表面前端设有迷宫密封间隙齿，密封环9内表面后端为平直壁面，第一延伸部10轴向端壁与迷宫密封间隙齿形成密封环径向间隙2。
其中，如图6所示，平衡盘12为中空圆台状结构。
其中，泄漏流道5与轴向相倾斜，也可以为水平方向流道或其他弯曲流道。
其中，泄漏流道5与电机室连接，用于实现冷却电机的功能，也可以利用其他方式间接连接电机室。
在FLNG液力透平轴向力平衡机构设计中，首先根据FLNG液力透平的设计流量来初步确定通过轴向力平衡机构的流体流量；然后根据平衡盘设计尺寸，密封环设计尺寸，流体物性及流体流动参数来确定平衡盘轴向间隙的压降，密封环轴向间隙压降及其径向间隙压降；再根据各个部分的压降值来计算出对应的平衡力大小；最后由计算的FLNG液力透平轴向力平衡机构轴向总平衡力与FLNG液力透平产生的总轴向力进行比较，若在一定的误差范围以内，则符合设计要求，否则重新确定通过轴向力平衡机构的流量和各零件的结构尺寸，重新计算。
考虑到轴向平衡间隙内流体受到旋转壁面的影响，本发明还公开一种轴向平衡间隙内流体流动路径长度的计算方法，其特征在于，利用本发明的FLNG液力透平的轴向力平衡机构计算轴向平衡间隙内流体流动路径长度L0的修正公式为：
其中，Rw为平衡盘轴向间隙的外径，Rn为平衡盘轴向间隙的内径，b0为轴向间隙值，q为用于轴向力平衡机构的流量，π为圆周率，n为沿半径方向将在半径方向流体流动的距离等分数，且n≥1，k为第k个等分点。
本发明公开的一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构及计算方法具有以下优点：
1.通过对透平的首级叶轮进行设计，叶轮前，后盖板直径略小于首级中段内径，形成泄漏间隙入口，并利用泄漏设计间隙产生压降，形成上述四部分与轴向力反方向的平衡力来平衡液力透平总体的轴向力，有效地减小了推力轴承的轴向载荷，延长轴承寿命，保证了透平的运行安全。
2.与一般计算相比，本发明考虑轴向平衡间隙内流体受到旋转壁面的影响，对计算进行了修正。
3.轴向力平衡机中的平衡盘轴向间隙，能够通过根据首级叶轮两侧的受力情况，自动改变轴向间隙的数值，进而改变平衡盘前后的压力降，因此轴向力平衡机构能够实现自动平衡液力透平所产生的轴向力。
4.轴向力平衡机构可通过改变平衡盘轴向间隙值而改变流量，当泄漏量过大时，又反过来通过轴向力作用，减小轴向间隙，减少泄漏流量，解决液力透平泄漏量大的问题。
5.泄漏通道连接电机室，实现冷却电机的功能。
6.后盖板实现多功能，不仅与前盖板形成叶轮流体主通道，还分别与密封环的齿型密封结构部分和平衡盘径向端壁构成了密封环径向间隙和平衡盘轴向间隙。此外，还与平衡盘形成平衡盘平衡腔。使得本发明FLNG液力透平的轴向力平衡机构结构精简，紧凑，减小平衡机构轴向尺寸。
7.本发明无需外加动力设备，平衡灵活，效率高，安全可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，包括：叶轮前盖板(7)、叶轮后盖板(8)、密封环(9)和平衡盘(12)；其中，所述叶轮前盖板(7)和所述叶轮后盖板(8)之间形成供液体流动的通道，所述叶轮后盖板(8)的后端具有第一延伸部(10)和第二延伸部(11)，所述叶轮后盖板(8)径向端壁与所述密封环(9)径向端壁之间形成密封环轴向间隙(1)，所述第一延伸部(10)轴向端壁与所述密封环(9)轴向端壁之间形成密封环径向间隙(2)，所述第一延伸部(10)、所述第二延伸部(11)、所述平衡盘(12)与所述第一延伸部(10)和所述第二延伸部(11)之间的部分形成密封环平衡腔(3)，所述第二延伸部(11)径向端壁与所述平衡盘(12)径向端壁之间形成平衡盘轴向间隙(4)，所述平衡盘(12)为中空，形成平衡盘平衡腔(6)，所述平衡盘(12)设有泄漏流道(5)，所述泄漏流道(5)与所述平衡盘平衡腔(6)连通，所述密封环轴向间隙(1)、所述密封环径向间隙(2)、所述密封环平衡腔(3)、所述平衡盘轴向间隙(4)、所述平衡盘平衡腔(6)以及泄漏流道(5)顺次连接；其中，利用所述FLNG液力透平的轴向力平衡机构计算平衡盘轴向间隙内流体流动路径长度L0的修正公式为：
其中，Rw为平衡盘轴向间隙的外径，Rn为平衡盘轴向间隙的内径，b0为轴向间隙值，q为用于轴向力平衡机构的流量，π为圆周率，n为沿半径方向将在半径方向流体流动的距离等分数，且n≥1，k为第k个等分点。
2.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述叶轮前盖板(7)为中空盘状结构。
3.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述叶轮后盖板(8)为中空盘状结构；所述第一延伸部(10)靠近所述叶轮后盖板(8)外侧，并沿轴向延伸；所述第二延伸部(11)设于所述叶轮后盖板(8)靠近所述叶轮后盖板(8)中心，并沿轴向延伸。
4.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述密封环(9)为圆环状实体结构，所述密封环(9)内表面前端设有迷宫密封间隙齿，所述密封环(9)内表面后端为平直壁面，所述第一延伸部(10)轴向端壁与所述迷宫密封间隙齿形成所述密封环径向间隙(2)。
5.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述平衡盘(12)为中空圆台状结构。
6.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述泄漏流道(5)与轴向相倾斜。
7.如权利要求1所述的FLNG液力透平的轴向力平衡机构，其特征在于，所述泄漏流道(5)与电机室连接。
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