CN115552124A - 涡轮机的具有控制轴向接合处相对增长的特征的转子结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于涡轮机、比如离心式压缩机的转子结构。所公开的实施方式利用了结构和/或操作关系(例如，相应的叶轮本体的径向内部轮廓中的不同的轴向延伸区域构造成平衡绕转子轴线的质量分布)，所述结构和/或操作关系设计成控制沿着转子轴线在对应的接合位置之间的相对径向和/或轴向增长，在所述对应的接合位置处，相应的端齿盘联接件的对应的面彼此啮合。控制对应的接合位置之间的相对径向和/或轴向增长的能力可以有效地减少转子振动并且/或者建立更可靠的接触模式和端齿盘联接件接合处的机械应力和变形(例如，角度变形)的降低的水平。

Description

涡轮机的具有控制轴向接合处相对增长的特征的转子结构
背景
1.技术领域
所公开的实施方式总体上涉及涡轮机械领域，并且更具体地，涉及用于涡轮机的转子结构，并且甚至更具体地，涉及下述转子结构，该转子结构具有设计成适应或以其他方式控制相对增长、比如对应的轴向接合位置之间的径向和/或轴向增长的结构特征。
2.背景技术
涡轮机械广泛用于石油和天然气工业中，比如用于执行过程流体的压缩、热能向机械能的转换、流体液化等。这种涡轮机械的一个示例是压缩机、比如离心式压缩机。
附图说明
图1图示了公开的转子结构的一个非限制性实施方式的局部横截面图，该转子结构如可以在涉及涡轮机械的工业应用、比如但不限于离心式压缩机中使用。
图2和图3分别图示了图1中所示的转子结构的部分的放大视图，图2和图3可以用于图示和描述与所公开的转子结构有关的某些非限制性的结构和/或操作关系。
具体实施方式
如本领域技术人员将理解的，涡轮机械、比如离心式压缩机可以涉及拉紧螺栓构造(在本领域中也称为贯穿螺栓或拉杆构造)的转子，其中，拉紧螺栓支承多个叶轮本体，并且其中，相邻叶轮本体可以通过弹性平均技术、比如涉及端齿盘联接件或弯曲联接件而彼此互相连接。如技术人员将理解的，这些联接件类型使用不同形式的面齿轮齿(分别为直的和弯曲的)来形成两个部件之间的联接。如技术人员将进一步理解的，这些联接件和相关联的结构在涡轮机的运行期间通常承受变化的力(例如，离心力)。
本发明人已经认识到的是，在已知的涡轮机械的运行期间、比如从为零的每分钟转数(RPM)的初始转子速度到最大转子速度(例如，可能涉及每分钟数万转)，在轴向接合位置处可能产生不同的偏转(例如，涉及相对径向和/或轴向增长)，但是该相对增长是不期望的。例如，在轴向接合位置处的高的相对径向和/或轴向增长可能导致转子振动的增加，并且可能进一步导致在轴向接合位置处的角度未对准，这可能潜在地导致接触模式受损以及端齿盘联接件接合处的机械应力和变形的水平提高。
鉴于前述考虑，所公开的实施方式利用了创新性结构特征，该创新性结构特征设计成可靠地且成本有效地适应或者以其他方式控制或调节对应接合位置之间的相对径向和/或轴向增长，这可以有效地减少在给定涡轮机的寿命内的转子振动。控制对应接合位置之间的相对径向和/或轴向增长的能力可以进一步有效地减少轴向接合位置处的角度未对准，这又将有效地建立可靠的接触模式和端齿盘联接件接合处的机械应力和变形(例如，角度变形)的降低的水平。
在以下详细描述中，阐述了各种具体细节，以便提供对这样的实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式，本发明的各方面不限于所公开的实施方式，并且本发明的各方面可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，没有详细描述本领域技术人员将很好理解的方法、程序和部件，以避免不必要且繁琐的解释。
此外，可以将各种操作描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有指示，否则描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按照其被呈现的顺序来执行，也不应被解释为这些操作甚至是依赖于顺序的。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定指相同的实施方式，尽管它可能指相同的实施方式。应当注意的是，所公开的实施方式不需要被解释为相互排斥的实施方式，这是因为这些公开的实施方式的各方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要适当地组合。
图1图示了公开的转子结构100的一个非限制性实施方式的局部横截面图，该转子结构100如可以在涉及涡轮机械的工业应用、比如但不限于压缩机(例如，离心式压缩机等)中使用。
在一个公开的实施方式中，拉紧螺栓102在拉紧螺栓102的第一端部与第二端部之间沿着转子轴线103延伸。拉紧螺栓102的第一端部可以固定有第一转子轴1041。拉紧螺栓102的第二端部可以固定有第二转子轴1042。转子轴1041、1042在本领域中可以被称为转子轴。在转子轴1041、1042之间可以设置有多个叶轮本体106、比如叶轮本体1061至106n。在所图示的实施方式中，叶轮本体的数目是六个，并且因此n＝6；将理解的是，这仅仅是一个示例并且不应被解释为对于可以在所公开的实施方式中使用的叶轮本体的数目而言具有限制性意义。图1中所图示的实施方式涉及背对背叶轮级的中央悬挂构型；将理解的是，这仅仅是一个示例构型并且不应被解释为对于所公开的实施方式的适用性而言具有限制性意义。
多个叶轮本体106由拉紧螺栓102支承并且通过多个端齿盘联接件、比如端齿盘联接件1081至108n-1沿着转子轴线彼此机械地联接。在所图示的实施方式中，由于如上所述，叶轮本体的数目是六个，因此端齿盘联接件的数目将是五个。将理解的是，两个附加的端齿盘联接件1091和1092可以用于将分别靠近拉紧螺栓102的第一端部和第二端部的叶轮本体106n、1061分别机械地联接至转子轴1041、1042。
在所公开的实施方式中，如在非限制性代表性叶轮本体1065和1062的相应的放大视图114和116中可以更好地在概念上理解的，多个叶轮本体中的叶轮本体106的径向内部轮廓的特征可以在于至少两个不同的轴向延伸区域(例如，Z1、Z3)，这些轴向延伸区域各自具有相应的几何形状，该几何形状构造成控制沿着转子轴线的对应接合位置之间的相对径向和/或轴向增长，在所述对应接合位置处，相应的端齿盘联接件108的对应的面110(图1)彼此啮合或以其他方式彼此接合。在一个非限制性实施方式中，可以涉及三个不同的轴向延伸区域比如第一轴向延伸区域Z1、第二轴向延伸区域Z3和设置在第一轴向延伸区域Z1与第二轴向延伸区域Z3之间的中间轴向延伸区域Z2。
在一个非限制性实施方式中，至少两个轴向延伸区域的相应几何形状的特征可以在于不同的孔径尺寸(例如，D1、D2、D3)。也就是说，区域Z1、Z2、Z3的相应孔径可以相对于彼此各自具有不同的尺寸。在另一非限制性实施方式中，至少两个轴向延伸区域(例如，区域Z1、Z2、Z3)的相应几何形状的特征可以在于不同的轴向长度(例如，L1、L2、L3)。也就是说，区域Z1、Z2、Z3的相应轴向长度可以相对于彼此各自具有不同的长度。在又一非限制性实施方式中，至少两个轴向延伸区域的相应的几何形状的特征可以在于以下各者中的至少一者：不同的孔径尺寸；以及不同的轴向长度。也就是说，不同的孔径尺寸、或不同的轴向长度、或不同的孔径尺寸和不同的轴向长度两者。
由于横截面形状的相似性，非限制性地，第一轴向延伸区域Z1在概念上可以类比于细高跟型鞋的鞋头部段；第二轴向延伸区域Z3在概念上可以类比于鞋的鞋鞋跟段；并且中间轴向延伸区域Z2在概念上可以类比于设置在鞋的鞋头部段与鞋跟部段之间的鞋胫部段。
因此，鉴于上述形状相似性，第一轴向延伸区域Z1可以被称为叶轮鞋头部段；第二轴向延伸区域Z3可以被称为叶轮鞋跟部段；并且中间轴向延伸区域Z2可以被称为叶轮鞋胫部段。这样的鞋头、鞋胫和鞋跟叶轮部段的相应几何形状可以各自构造成控制相对径向和/或轴向增长，例如，可以在某些相邻叶轮的叶轮鞋跟部段与鞋头部段之间、比如在叶轮本体1065的鞋头部段与叶轮本体106n的鞋跟部段之间产生相对径向和/或轴向增长；或者，在另一示例中，可以在拉紧螺栓102的中跨处的相邻叶轮的相应叶轮鞋跟部段之间、比如在叶轮本体1063的鞋跟部段与叶轮本体1064的对应的鞋跟部段之间产生相对径向和/或轴向增长。
非限制性地，叶轮本体的这些部段的相应几何形状可以被适当地构造成适当地平衡质量分布，并且有效地平衡绕叶轮本体的旋转轴线的质量惯性矩，继而使得相应地在鞋头、鞋胫和鞋跟叶轮部段中产生的合成离心力被适当地平衡(例如，在放大视图114中图示的叶轮本体中，相应的合成离心力由箭头Fz1、FZ2和FZ3示意性地表示)。
在所公开的实施方式中，以下结构和/或操作关系有助于控制可以沿着转子轴线在对应接合位置之间产生的相对径向和/或轴向增长，在所述对应接合位置处、比如在某些相邻叶轮本体的对应的叶轮鞋跟部段与鞋头部段之间，相应的端齿盘联接件108的对应的面110彼此啮合或以其他方式彼此接合。
将理解的是，图1中所示的叶轮本体106的放大视图114和116图示了与区域Z1、Z2、Z3有关的恒定孔径；将理解的是，这些区域不需要具有恒定孔径。例如，中间区域Z2的相应几何形状的特征可以在于沿着转子轴线103的变化的孔径。在一个非限制性实施方式中，中间区域Z2的变化的孔径的最大值相对于第一轴向延伸区域Z1和第二轴向延伸区域Z3的相应孔径D1、D3可以更大。也就是说，如果使中间区域Z2的径向内部轮廓绕旋转轴线(例如，转子轴线103)旋转，则所得到的旋转表面不必是筒形表面，而是非限制性地，可以是至少一个锥形表面或另一非筒形旋转表面或这些表面的组合。
作为示例，叶轮本体的径向内部轮廓的第二轴向延伸区域Z3可以相对于叶轮本体106的径向内部轮廓的第一轴向延伸区域Z1并且相对于叶轮本体106的进入孔112在轴向上位于下游。
如在图2中可以更好地理解的，相邻叶轮本体106的第一轴向延伸区域Z1和第二轴向延伸区域Z3的相互相对的轴向侧部可以限定相应的凹口120，所述相应的凹口120构造成接纳相应的端齿盘联接件108的彼此啮合的对应的面的径向向外部分130。由于由相邻叶轮本体106的第一轴向延伸区域Z1和第二轴向延伸区域Z3的相互相对的轴向侧部限定的相应的凹口120经受受控的相对径向和/或轴向增长，因此该特征有效地抑制了否则可能在相应的端齿盘联接件的对应的面之间产生的未对准和/或机械应力。
如上所述，靠近拉紧螺栓102的第一端部的叶轮本体106n的第一轴向延伸区域Z1的轴向侧部通过另一端齿盘联接件(例如，端齿盘联接件1091)机械地联接至第一转子轴1041。在这种情况下，如图3中所示，叶轮本体106n的第一轴向延伸区域Z1的轴向侧部和第一转子轴1041的对应的轴向面限定了相应的凹口140，所述相应的凹口140用于支承另一端齿盘联接件1091的对应的面的径向向外部分150。由于由叶轮本体106n的第一轴向延伸区域的轴向侧部和第一转子轴1041的对应的轴向面限定的相应的凹口经受受控的相对径向和/或轴向增长，因此该特征有效地抑制了否则可能在端齿盘联接件1091的对应的面之间产生的未对准和/或机械应力。
前述结构和/或操作关系同样适用于叶轮本体1061的第一轴向延伸区域Z1的轴向侧部，叶轮本体1061靠近拉紧螺栓的第二端部并且通过另一端齿盘联接件(例如，端齿盘联接件1092)机械地联接至第二转子轴1042。因此，为了使读者免于枯燥和繁琐的重复性细节，前述结构和/或操作关系将不再公开。
在操作中，所公开的实施方式包括结构和/或操作关系(例如，相应的叶轮本体的径向内部轮廓中的不同的轴向延伸区域构造成平衡绕转子轴线的质量分布)，结构和/或操作关系设计成控制对应接合位置之间的相对径向和/或轴向增长，由此在给定涡轮机的寿命内减少转子振动。此外，在操作中，所公开的实施方式提供了优良且可靠的接触模式以及减少的端齿盘联接件接合处的环形变形。
虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施方式，但是对于本领域的技术人员而言将明显的是，在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明及其等同物的范围的情况下，可以在本公开的实施方式中进行许多修改、添加和删除。

Claims (15)

1.一种用于压缩机的转子结构，所述转子结构包括：
拉紧螺栓，所述拉紧螺栓在所述拉紧螺栓的第一端部与第二端部之间沿着转子轴线延伸；
第一转子轴，所述第一转子轴固定至所述拉紧螺栓的所述第一端部；
第二转子轴，所述第二转子轴固定至所述拉紧螺栓的所述第二端部；
多个叶轮本体，多个所述叶轮本体设置在转子轴之间，多个所述叶轮本体由所述拉紧螺栓支承并且通过多个端齿盘联接件沿着所述转子轴线彼此机械地联接，
其中，多个所述叶轮本体中的叶轮本体的径向内部轮廓的特征在于不同的至少两个轴向延伸区域，所述至少两个轴向延伸区域各自具有相应的几何形状，所述相应的几何形状构造成平衡绕所述转子轴线的质量分布并且控制沿着所述转子轴线的对应接合位置之间的相对径向和/或轴向增长，在所述对应接合位置处，所述多个端齿盘联接件中的相应的端齿盘联接件的对应的面彼此啮合。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述至少两个轴向延伸区域的所述相应的几何形状的特征在于不同的孔径尺寸。
3.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述至少两个轴向延伸区域的所述相应的几何形状的特征在于不同的轴向长度。
4.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述至少两个轴向延伸区域的所述相应的几何形状的特征在于以下各者中的至少一者：不同的孔径尺寸；以及不同的轴向长度。
5.根据权利要求1所述的转子结构，其中，所述叶轮本体的所述径向内部轮廓包括第一轴向延伸区域、第二轴向延伸区域和中间轴向延伸区域，所述中间轴向延伸区域设置在所述第一轴向延伸区域与所述第二轴向延伸区域之间。
6.根据权利要求5所述的转子结构，其中，所述叶轮本体的所述径向内部轮廓的所述第二轴向延伸区域相对于所述叶轮本体的所述径向内部轮廓的所述第一轴向延伸区域并且相对于所述叶轮的进入孔在轴向上位于下游。
7.根据权利要求6所述的转子结构，其中，所述叶轮本体的所述径向内部轮廓的所述第一轴向延伸区域和所述第二轴向延伸区域的相互相对的轴向侧部限定了相应的凹口，所述相应的凹口构造成接纳所述相应的端齿盘联接件的彼此啮合的所述对应的面的径向向外部分。
8.根据权利要求7所述的转子结构，其中，经受受控的相对径向和/或轴向增长的由所述叶轮本体的所述径向内部轮廓的所述第一轴向延伸区域和所述第二轴向延伸区域的所述相互相对的轴向侧部限定的所述相应的凹口有效地抑制所述相应的端齿盘联接件的彼此啮合的所述对应的面之间的未对准。
9.根据权利要求5所述的转子结构，其中，靠近所述拉紧螺栓的所述第一端部的叶轮本体的径向内部轮廓的第一轴向延伸区域的轴向侧部通过另外的端齿盘联接件机械地联接至所述第一转子轴，其中，靠近所述拉紧螺栓的所述第一端部的所述叶轮本体的所述第一轴向延伸区域的所述轴向侧部和所述第一转子轴的对应的轴向面限定了用于支承所述另外的端齿盘联接件的彼此啮合的对应的面的径向向外部分的相应的凹口。
10.根据权利要求9所述的转子结构，其中，经受受控的相对径向和/或轴向增长的由靠近所述拉紧螺栓的所述第一端部的所述叶轮本体的所述第一轴向延伸区域的所述轴向侧部和所述第一转子轴的所述对应的轴向面限定的所述相应的凹口有效地抑制所述另外的端齿盘联接件的所述对应的面之间的未对准。
11.根据权利要求9所述的转子结构，其中，靠近所述拉紧螺栓的所述第二端部的叶轮本体的径向内部轮廓的第一轴向延伸区域的轴向侧部通过另一端齿盘联接件机械地联接至所述第二转子轴，其中，靠近所述拉紧螺栓的所述第二端部的所述叶轮本体的所述第一轴向延伸区域的所述轴向侧部和所述第二转子轴的对应的轴向面限定了用于接纳所述另一端齿盘联接件的彼此啮合的对应的面的径向向外部分的相应的凹口。
12.根据权利要求11所述的转子结构，其中，经受受控的相对径向和/或轴向增长的由靠近所述拉紧螺栓的所述第二端部的所述叶轮本体的所述第一轴向延伸区域的所述轴向侧部和所述第二转子轴的所述对应的轴向面限定的所述相应的凹口有效地抑制所述另一端齿盘联接件的所述对应的面之间的未对准。
13.根据权利要求5所述的转子结构，其中，所述中间区域的相应的几何形状的特征在于沿着所述转子轴线的变化的孔径，其中，所述中间区域的所述变化的孔径的最大值相对于所述第一轴向延伸区域和所述第二轴向延伸区域的相应的孔径更大。
14.根据权利要求5所述的转子结构，其中，所述叶轮本体的所述径向内部轮廓包括第一轴向延伸区域、第二轴向延伸区域和中间轴向延伸区域，其中，由所述第一轴向延伸区域、所述第二轴向延伸区域和所述中间轴向延伸区域中的相应的轴向延伸区域限定的相应的旋转表面选自由以下各者组成的组：筒形旋转表面、锥形旋转表面以及筒形旋转表面和锥形旋转表面中的两者或更多者的组合。
15.一种离心式压缩机，包括前述权利要求中的任一项所述的转子结构。
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