NO330659B1 - Lagersystem for hoyhastighetsrotasjonsmaskin, fortrinnsvis i et undervannsmiljo. - Google Patents

Abstract

Gjeldende oppfinnelse redegjør for et lagersystem for en høyhastighets rotasjonsmotor, hvor nevnte lagersystem omfatter en rotoraksel (51) som inkluderer et flertall av aktive magnet- eller hydrostatiske aksiallagre (10,11,12,13,14,15) og i det minste en aktiv magnet eller hydrostatisk aksiallager (16) for understøttelse av rotorakselen (51), aksiallageret (16) er anordnet i en ende av rotorakselen (51), lagersystemet omfatter også en permanentmagnet-(PM)-aksiallager anordnet i den samme ende som i det minste en aktiv magnet eller hydrostatisk aksiallager (16), idet permanentmagnetaksiallageret omfatter i det minste en permanentmagnet (52) anordnet på den roterende akselen (51) og i det minste en permanentmagnet (50) koblet til et kontrollsystem for å variere en avstand eller spalte (67) mellom permanentmagnetene (50, 52), for derved å tilveiebringe en varierende kraft i permanentmagnetaksiallageret for å motvirke i det minste semi-statiske aksialkrefter påtrykt rotorakselen (51).

Description

BESKRIVELSE

Foreliggende oppfinnelse relaterer seg til undervannsprosessering/pumping av hydrokarboner fra et sett av undervannsproduksjonsbrønner, eller pumping av en vannfase for injisering, og spesielt relatert til design og operasjon av kompressorer, pumper og andre prosesseringskomponenterkarakterisert vedroterende bevegelse og høyhastighetsoperasjon. De fleste slike typer maskiner vil typisk være drevet ved hjelp av en høyhastighets elektrisk motor, som i sin tur er drevet av en variabel frekvens og penning i en kraftforsyning.

Mer spesielt relateres gjeldende oppfinnelse til et lagersystem for høyhastighets rotasjonsmotor som beskrevet i introduksjonsdelen av uavhengig krav 1.

Et lagersystem er foreslått bestående av en kombinasjon av et konvensjonelt aktivmagnetisk lagersystem eller et hydrostatisk lagersystem overlagret et i hovedsak passiv permanentmagnetisk (PM) system. I kombinasjon håndterer de to systemene, respektivt et dynamisk, hurtig responderende, konvensjonelt laveffektnivå og et nesten statisk PM system, alle kreftene i en høyspennings- høyhastighetskompressor/pumpe og drivverk, slik for å tilveiebringe et pålitelig og økonomisk lagersystem typisk passende for en undervannsmaskin, og typisk brukt på en vertikalakselmaskin, den sistnevnte med behov for å operere i flere år mellom vedlikeholdsoperasjoner.

Denne kombinasjonen resulterer i de aktive magnetiske kretser (servoer) i lukket sløyfe som kreves for bare å håndtere en brøkdel av den effekten som kreves av et helaktivt system. Det vil også muliggjøre gjennomførlighet og praktikalitet til et hydrostatisk lagersystem for den dynamiske delen av effekten, et alternativ som er tiltalende som følge av dens iboende enkelthet, men som er upraktisk for å håndtere høy hastighet og høye krefter i kombinasjon som forkommer i en stor høyeffektskompressor.

Den påfølgende løsningen som involverer PM-ene montert på et hus med kontrollerbar posisjon (laveffektsservo) er mer kosteffektiv i en undervannskontekst enn det konvensjonelle helaktivte magnetiske systemet og også mer effektivt enn et vanlig hybridsystem (PM-er og aktive kretser blandet) med PM delen montert i en fast posisjon uten innretninger for å bevege magnetene for slik å aktivt kontrollere de magnetiske tiltrekningskreftene.

Kjent teknikk på aktive magnetiske lagersystemer er også omfattende siden produktet har vært på markedet for topside-konstruksjoner i mange år, og er kommersielt godt etablert.

Bakgrunnsinformasjon på lagersystemer er i det hele omfattende og utenfor omfanget av denne søknaden.

Selv om oppfinnelsen relaterer seg både til horisontalakselmaskiner og vertikalakselmaskiner er den mest nærliggende å bruke i den sistnevnte. For en undervanns hurtigroterende maskin (typisk opp til sånn 1200 radianer per sekund) vil alle tre typer hovedklasser av lager tas i betraktning:

1. Rulletype

2. Hydraulisk type (hydrostatisk eller hydrodynamisk eller en kombinasjon, væske-eller gasstyper)

3. Magnetiske lågere

For en stor maskin er, som forstått i en undervannskontekst, for eksempel 10-15 megawatt (MW) nominell effekt, 1 og 2 ovenfor forbundet med relativt enkelhet i design, men også med alvorlige effekttap. Spesielt 2 er slik at størrelsen gjør maskinen mer eller mindre ubrukelig. 1 assosieres med en stor "smøre" enhet, et anlegg for avkjøling og filtrering og sirkulering av en væske for tilveiebringing av en optimal omgivelse for lageret. For tilfellet med et væskehydrostatisk system, virker behovet for små væskespalter i avsatsene (landings) og høyt væsketrykk for å kompensere for aksialkraft kontraproduktivt med tanke på væskeforskyvning og sirkulasjonstap. Et gassbasert hydrostatisk aksiallager vil neppe oppnå tilstrekkelig stivhet. Da gjenstår magnetiske lagre som den best presterende teknologien. De magnetiske lagrene er i denne kontekstenkarakterisert vedkompleksitet i design, høy kost og basert på en krevende kontrollkrets med lukket sløyfe for stabilitet. De tilbyr imidlertid meget moderate effekttap og kan, hvis man lykkes med å bruke dem, være den kjerneteknologien som klarer å oppnå en stor hurtigroterende maskin, slik som typisk kreves for å oppnå effektiv kompresjon av en gassfase på havbunnen ved høye omgivelses-trykk.

Gjeldende oppfinnelse baseres på i hovedsak å balansere den statiske kraften fra tyngdekraften av rotorsammenstillingen og den semistatiske prosessreaksjonskraften fra kompressorbladene kun ved hjelp av permanentmagneter, det vil si et vesentligst statisk og nulleffekt system som hovedaksiallagerenhet. Summen av de 2 refererte kraft-komponentene utgjør størstedelen av systemkreftene som virker på rotorsammenstillingen til enhver tid. Det er anslått at for et gitt design kan summen av disse to kreftene representere så mye som 90 % av den totale lasten på lagrene.

Den grunnlegende ideen er å balansere størstedelen av aksialkreftene, som er statiske eller semistatiske av natur, ved hjelp av passive magneter, og så legge på enten et konvensjonelt hydrostatisk- eller aktivmagnetsystem for å håndtere de raske variasjonene, men moderate kreftene, til den dynamiske lasten, slik som motormagnetiske krefter, vibrasjoner og så videre. Konseptet for å tilveiebringe et hybrid system som blander både passive PM-er og aktivmagnetiske kretser er ikke en nyhet i seg selv. En nyhetsegenskap til gjeldende oppfinnelse er å montere PM-ene til et bevegelig mekanisk arrangement og derved tilveiebringe en variabel kraft for å motvirke de statiske og semi-statiske aksialkreftene til en vertikalakselmaskin.

Krefter assosiert med tilstanden i en kompressor kjent som trykksvingning (surge) kan altså danne variasjoner i aksialkreftene som er relativt dynamiske og krever kontrollsystemer med raskere responstid enn de som assosieres med normale prosessvariasjoner. Trykksvingning er en tilstand som krever umiddelbar handling. Flesteparten av kompressorer er utstyrt med en antitrykksvingningsventil som raskt kobler en kanal mellom utløpssiden og innløpssiden for å minske den uakseptable trykkforskjellen over kompressoren. Avhengig av effektiviteten til arrangementet mot trykksvingninger kan PM-en med variabel kraft som beskrevet ovenfor være mer eller mindre effektiv.

Permanentmagneter (PM-er) har utviklet seg raskt over de siste få årene og slike PM materialer som for eksempel samariumkobolt (for eksempel SmCo5, Sm2Col7) og Neodynjernbor (Nd2Fel4B) fremviser veldig høye verdier av Energiprodukt og Koersitivkraft som tilveiebringer et grunnlag for høye tiltrekningskrefter og langsiktig operasjon uten merkbar reduksjon i yteevnen. De fleste PM materialer med høy ytelse er tilbøyelige til å kreve at det tas hensyn til den begrensede korrosjonsmotstanden og den noe sprø materialbeskaffenheten. Slike begrensninger kan imidlertid bli overvunnet ved passende design slik det er demonstrert i de utstrakte anvendelsene i kjente løsninger av PM baserte elektriske motorer.

Den foreslåtte tilnærmingen og bruken av permanentmagneter på en bevegelig mekanisk anordning vil redusere effektnivåene til det dynamiske systemet til en brøkdel av hva som ellers ville vært nødvendig for et helaktivt magnetsystem eller så menn et hvilket som helst annet kjent lagersystem. Denne reduksjonen i effektnivå er av fundamental viktighet for både aktive magnetiske lågere og hydrostatiske lågere som brukes i en undervannskontekst. Forskjellen trenger ikke være tilsvarende signifikant for en landbasert installasjon, men nylige undersøkelser, designarbeid og kvalifiseringsforsøk har demonstrert de massive anstrengelsene som trengs for å håndtere alle effektnivåene til et helaktivt magnetisk lagersystem i en undervannskontekst, og også reist spørsmål om pålitelighet, vekt, størrelse, modulerbarhet, vedlikeholdbarhet og andre aspekt av vesentlig betydning i undervannsinstallasjoner.

Kombinasjonen av høy omdreiningshastighet og høy last er i seg selv krevende. Når maskinen i tillegg må bli spylt med en viss type fluid med signifikant viskositet, noe som er tilfelle med en undervannsmaskin, er valget av et levedyktig og praktisk lagersystem begrenset sammenlignet med en maskin som opererer i en 1 atmosfære omgivelse.

For en 12 MW maskin som opererer med en hastighet på 1000 radianer per sekund, og for håndtering av en rotorsammenstillingsmasse (både motor og compressor) på 2-3 tonn kombinert med signifikante prosesskrefter i størrelsesordenen 20 kilonewton (kN), eller grovt regnet omtrent 40 000 lbf, er den resulterende totale lasten i størrelsesorden 45 kN. For slike maskiner kreves det en vesentlig akseldiameter for lastkapasitet og -stabilitet, og vil derfor medføre alvorlige begrensninger for enhver roterende hydraulisk pakning i form av trykk-kapasitet. Mange litteraturkilder foreslår den maksimale pv verdien (produkt av lineær hastighet i meter per sekund og trykk i bar) som 1400, og derved begrenser rotasjonshastigheten for en roterende pakning og trykket til for eksempel 14 bar og 100 meter per sekund, noe som ikke er en praktisk kombinasjon. Det er derfor ikke praktisk å balansere kraften ved hjelp av en forseglet hydraulisk motkraft. Det er også viktige problemstillinger rundt levetid og pålitelighet for slike pakninger.

Både et konvensjonelt væskebasert hydrostatisk lager (på tross av motsetningen i forhold til at den er basert på hydrodynamiske effekter, er termen brukt for å foreslå at den er uavhengig av maskinens rotasjonsbevegelse som er grunnlaget for operasjon for hydrodynamiske lager) og et rullelager vil lide massive effekttap for skjærekrefter og sirkulasjon av væske som reduserer total effektivitet og bidrar til et alvorlig avkjølings-problem. En smøreenhet som tilveiebringer væsken som kreves i omgivelsene (renhet og temperatur) vil i seg selv være en signifikant utfordring. Derfor er det massive praktiske problemer assosiert med en hvilke som helst tilnærming basert på håndtering av full aksialkraft ved hjelp av nevnte teknikker.

Tommelfingerregelen er at et fullaktivt magnetisk system krever en effektinnmatning på 1 promille (eller 1000 ppm) av den nominelle effekten til maskinen som den forsyner for å fungere. For eksempelmaskinen på 12 MW klasse vil denne regelen anslå et effektforbruk på omtrent 12 kW for det aktive magnetiske lagersystemet. 11 atmosfære har applikasjonsdesign og konstruksjon av 5-7 servokretser, hver med en gjennomsnittlig effektkapasitet på omtrent 2 kW, vist seg å være en suksessfull operasjon, og har for flere design resultert i pålitelige og høyytelsessystemer. Spesielt turboekspandere har hatt stor fordel av slike innretninger.

I prosessen med å ta i bruk slike servokretser under vann oppstår et antall problemer:

1. Varmeeksporten fra en forseglet, 1 bar, N2-fylt beholder inneholdende semikonduktorer som håndterer 12 kW er ikke på noen måte enkelt (selv om det meste av effekten avledes i de aktive spolene på utsiden av beholderen) og har forårsaket betydelige designproblemer. Dette har en tendens til å drive kostnadene og størrelsen til undervannsmoduler opp. 2. Gjennomføringene som trengs for kabling in/ut av beholderen må ha null lekkasjer.

Forsøk på å få dette til har vist seg å være en veldig krevende og kostnadsdrivende anstrengelse for høye effektverdier. 3. For vedlikehold trenger beholderen å være i en modul separat fra hovedkompressormodulen for slik å redusere intervensjonskostnadene. Dette kravet driver behovet for undervannskoblinger mellom modulene der noen av disse tendere til å være grensetilfeller på godkjent design med tanke på strømverdi. Designanstrengelser i faget har demonstrert at disse problemene kan bli løst, skjønt med betydelig kost, både med tanke på investeringer og operasjon.

Dersom effektkravet for aktive magneter i et kombinert aktiv og passiv magnetisk lagersystem, og derved servokretsen, skulle bli redusert med si 10 % av det fullaktive systemet ville betydelige fordeler oppnås. Bruk av godkjente undervannskomponenter innen hvert av de kritiske områdene listet ovenfor vil være mulig.

En hensikt med gjeldende redegjørelse er å beskrive midler for utførelse av slik reduksjon av effektnivåene til de aktive delene av systemet og derved legge til rette for lav kost og høy pålitelighet til de aktive servoene, og muligens også rede grunnen for hydrostatiske lagre, det sistnevnte kunne redusere kompleksiteten til lagersystemet radikalt (i seg selv stabilt system, ingen servo trengs og mer praktisk kjølesystem).

Lagersystemet i henhold til gjeldende oppfinnelse erkarakterisert vedde egenskapene som beskrevet i den karakteriserende delen av uavhengig krav 1.

Fordelaktige utførelser av oppfinnelsen er beskrevet i de avhengige kravene.

I det følgende er utførelser av oppfinnelsen beskrevet i mer detalj med referanser til tegningene.

Fig. 1 illustrere et 7 aksel magnetisk lagersystem, skjematisert og forenklet.

Fig. 2 illustrerer aksiale krefter i en rotorsammenstilling til en kompressorenhet drevet av

en elektrisk motor eller en hovedkraftkilde.

Fig. 3 illustrerer skjematisk utførelse av en langsom servoenhet for gradvis kontroll av

kreftene utøvd av de permanentmagnetene på rotorsammenstillingen.

Fig. 4 illustrerer utførelse av en skjematisk hurtigresponderende servoenhet for gradvis

kontroll av kreftene som utøves av permanentmagnetene på rotorsammenstillingen.

Fig. 5 er en illustrasjon av en hydrostatisk sirkulær skive- eller aksiallager og de relaterte ligningene kopiert fra "Bearing Design in Machinery" av Abraham Harnoy (Marcel Dekker 2003), chapter 10.

Med referanse til tegningene er 10, 11,12,13,14 og 15 aksiallagre i et 7 aksels magnetisk lagersystem som håndterer veldig raske variasjoner i kraft, men som er gjenstand for relativt moderate krefter. 16 er aksiallageret,karakterisertav veldig store krefter av statisk eller semi-statisk type med relativt små men hurtigvirkende, overlagrede dynamiske krefter. Termen statisk kraft refererer til tyngden hos massen til rotorsammenstillingen som åpenbart er fast i forhold til tid. Termen semi-statisk kraft refererer til de reaktive kreftene til prosessflyten gjennom kompressoren, hovedsakelig rotorbladene som dytter akselen tilbake slik som vist for akselen 51. Disse kreftene er grunnleggende en funksjon av omdreiningshastigheten og differensialtrykket i kompressoren. Disse kreftene varierer med prosessparameterverdier, men bare langsomt, for eksempel med tidskonstanter i multisekund- eller minutt domenet. Termen dynamiske krefter refererer til de mange kilder av forstyrrelser på akselen 51 som ideelt er plassert i senter av lagersammenstillingen slik som 10,11,12,13, 14,15, og inkluderer slike vanlige kilder som magnetiske krefter i motoren, vibrasjoner av forskjellige typer, osv. Disse kreftene må håndtereres ved hjelp av et veldig hurtigresponderende aktiv servosystem i tilfellet med et magnetisk lagersystem og ved hjelp av hydraulisk fluidsjikt i tilfellet med hydrostatisk lagersystem.

I fig 2 representerer y-aksen enheter av kraft (for eksempel Newton) og x-aksen representerer enheter med vinkelhastighet til maskinen (for eksempel i radianer per sekund). 3,4 og 5 er kurver som representerer variasjoner i kraft for en gitt vinkelhastighet som en funksjon av differensialtrykk i kompressoren/pumpen. 2 er en lineær, horisontal kurve som representerer nevnte tyngdekraft av massen til rotorsammenstillingen som er en fast kraft. Fig 2 er en veldig grov representasjon ment for å illustrere et poeng.

I fig. 3 er del 51 akselen til rotorsammenstillingen som med henblikk på denne utførelsen er antatt å bære alle aksiale krefter fra begge rotorene i sammenstillingen. I praksis kunne det være flere måter å konfigurere maskinen. Det er underforstått at selv om denne utførelsen viser en vertikal aksel, så kan lignende metoder benyttes i tilfellet med en horisontal maskin. 52 er en disk laget av magnetisk materiale som består av tynne plater som er elektrisk isolert for å redusere induksjonsstrømstap som normalt finnes i en transformatorkjerne. 50 er en samling av permanentmagneter lokalisert radialt rundt akselen (eller en uavbrutt sirkulær disk) montert på en disk i den statiske delen av maskinen. 67 er "luftgapet" (i en anvendelse under vann er denne mest sannsynlig spylt med en gass, typisk en filtrert versjon av prosessgassen). 53 er et mekanisk arrangement for overføring av kraft fra magnetene 50 til koblingsarmen 66 som roterer rundt omdreiningspunktet 55 og utøver kraft på kontaktpunktene 54 og 56. 49 er typisk en rulleskrueenhet eller en annen rotasjon til lineær omformerenhet. En rulleskrue er foretrukket for dens beviste yteevne for en hvilke som helst kraft av interesse i gjeldende oppfinnelse og nærmest null friksjon som sikrer høy effektivitet. Rulleskruer er katalog-artikler for opp til i det minste 100 tonns kraft. De har vært inkludert i undervanns-aktuatordesign for 5" juletreventiler med en kraftrate på 40 tonn pluss og har demonstrert passende yteevne. 59 er mutteren og 58 er skruede len av rulleskruesammenstillingen. Det bør noteres at en selvlåsende rotasjon-til-lineær omformerenhet kan bli benyttet. Derfor er, for enkelthetens skyld, bremseenheten som vil være påkrevd dersom en rulleskrue er brukt ikke vist. 61 og 62 er hjulene til en roterende tannhjulsforbindelse, hvis drivaksel er koblet til drivmotoren 63. Den sistnevnte kan være en asynkron motor, permanentmagnetmotor eller en trinnmotor (eller, i prinsipp, en hydraulisk motor). Alle tre typene er vanligvis brukt i elektromekaniske posisjonsservosystemer. Motoren vil i alle tilfeller bli drevet av en variabel frekvens- og spenningsenhet 65. For mindre kraftnivåer er slike variable frekvens- og spenningsenheter demonstrert i undervannssammenheng (i tilfellet med en elektrohydraulisk kontroller kan teknikkene brukt til å kontrollere juletreaktuatorene bli anvendt).

Operasjonelt ligger huset 53 sammen med PM-ene 50 ved posisjonen til den største spalten 67 når maskinen står stille. Ved oppstart av maskinen, og langsom oppbygging av hastigheten, flyttes huset nærmere disken slik at den magnetiske trekkraften økes mens prosessreaksjonskraften bygges opp. Den omvendte virkningen finner sted ved nedtrapping av hastigheten i operasjonen.

Mekanismen vist i fig 3 er i seg selv bare en tradisjonell posisjonskontrollerkrets av en type som er velkjent for en fagmann innen automasjonsfeltet, men ny i sammenheng med gjeldende redegjørelse. Regulering og operasjon av denne mekanismen adresseres under. Det skal noteres at kretsen opereres kun i 2 kvadranter (med referanse til servotermino-logi), som betyr at bevegelsen er toveis, men kraften er enveis. Dette sikrer at det ikke er noe dødgang eller tapt bevegelse i koblingssystemet, dermed er sløyfestabilitet enkelt oppnådd, og risikoen for oscilleringer (grensesvingninger) i all hovedsak eliminert. For å gi dette aspektet noe margin i operasjon kan en mindre mekanisk fjær (ikke vist) bli tillagt for å sikre forspenningen til den mekaniske koblingen til enhver tid.

Hensikten til denne posisjonsstyreenheten er å variere avstanden, og på denne måten kraften av tiltrekning mellom de permanente magnetene 50 og disken 52. Den magnetiske trekkraften er omvendt proporsjonal til denne avstanden. Dersom for eksempel den magnetiske trekkraften ved 1 millimeter avstand 67 er 50 kilonewton så er den magnetiske trekkraften ved 2 millimeter 12,5 kilonewton. På denne måten kan det bli tilveiebrakt den ønskede trekkraften som er nødvendig for å motvirke vekten av rotorsammenstillingen ved en liten endring av spalten 67 ved hjelp av et passivt magnetsystem og en langsom laveffektservo som opererer eksempelvis i 150-300 watt domenet og bare periodisk. Det gjennomsnittlige effektforbruket til servoen er ubetydelig.

Den langsomme servoen som er foreslått er ment for applikasjoner hvor trykksvingninger kan bli håndtert raskt og effektivt. For applikasjoner hvor slik hurtig respons for trykksvingningsstyring ikke er gjennomførbar kan en mye raskere servo av konvensjonell elektrohydraulisk type brukes, bestående av en hydraulisk aktuator (istedenfor en rotasjon-til-lineær enhet som vist i fig. 3) og en servoventil som hovedkomponentene, matet av en hydraulikkakkumulator. Sammen med en posisjonssensor (for eksempel en lineær variabel differensialomformer (LVDT) og en PD kontroller kan en veldig rask respons servo oppnås som tilveiebringer en mulighet for å posisjonere PM-en i korrekt posisjon for å motvirke en gitt aksialkraft.

Fig 4 illustrerer skjematisk en spesielt egnet styringskrets basert på en kraftservo som benytter en servoventil 85 som produserer et utgangstrykk til aktuatoren som følge av et elektrisk innmatningssignal. 81 er aktuatorstaget, 82 er aktuatorstempelet, 83 er aktuatorsylinderen, 84 er den hydraulikkledningen som kobler servoventilen 85 med aktuatoren, 86 er en hydraulikkakkumulator, 87 er en hydraulikkfilterenhet, 94 er en enkel varmeveksler, 90 er hydraulikkbunnkaret, 88 er hydraulikkpumpen, 89 er drivmotoren for pumpen, 95 er returlinjen til bunnkaret. I kombinasjon med en PID kontroller 91, settpunktinnmatning 93 og en krafttilbakeføringsomformer 92 kan en komplett servokrets oppnås. Denne kretsen kan bli konfigurert på mange måter, og derfor har kretsen bare blitt gitt en generell fremstilling ifølge figur 4. De karakteriserende egenskapene til sammenstillingen på fig 4 er en rask respons servo, som responderer i millisekundsdomenet, bestående av utprøvde komponenter og kretser.

Oppnåelse av en nær null effekt, høy kraft, PM lagerkomponent løser ikke lagerproblemet alene. I beste fall håndterer den høykraftkomponenten. Fortsatt krever en praktisk applikasjon håndtering av den høyfrekvente kraftkomponenten til lave kraftnivåer. Det skal forstås at den foreslåtte servoen for kontroll av PM posisjon i forhold til rotoren ikke er ment å skulle prestere dynamisk yteevne av betydning i millisekundsdomenet.

For å oppnå den foreslåtte rasjonaliseringen av dynamiske deler til lagersystemet kan det være nødvendig å pålegge veldig høye krav til pumpegrenseventilarrangementet (antisurge). Raskt fungerende pumpegrenseventiler er fullstendig gjennomførbart og kan oppnås ved hjelp av kontrollkretser som er godt utprøvd i undervannsapplikasjoner. Spesielt tilbyr kombinasjonen av en hydraulikkakkumulator og en aktuator/returfjær, hvor aktuatoren opereres av en flerstegsventil, reaksjon i millisekundsdomenet.

Både et aktivmagnetisk lagersystem (5 eller 7 aksler som påkrevd) og et hydrostatisk lagersystem kan tillegges (lagt ovenpå) til den foreslåtte statiske og semi-statiske passive lagerkomponenten for å oppnå et komplett og funksjonelt lagersystem. Den høykraft langsomme servoen beskrevet ovenfor kan betjenes på mange måter, for eksempel er metodene som beskrevet under inkludert for fullstendighet.

For fullstendighet, men ikke direkte relatert til gjeldende oppfinnelse er temaet med varmeeksport fra maskinen i korthet beskrevet. Effekttapet i "luftspalten" er:

- proporsjonal til kvadratet av vinkelhastigheten

- proporsjonal til 4:de potensen til diskradien

- proporsjonal til væskeviskositeten

- invers proporsjonal til "luftpalten"

Vinkelhastigheten er et funksjonskrav og kan ikke bli radikalt endret for en kompakt maskin. Diskradien er foreskrevet av den iboende karakteristikken til PM materialene og derfor burde den høyest mulige trekkkraft/m<2>etterstrebes. "Luftspalten", som kan manipuleres, må derfor være så liten som praktisk mulig ved maksimal trekkraft for å utnytte magnetene fullt ut, og viskositeten må være lav som antyder en gass fremfor en væske.

Dersom trekkdisken 52 er plassert i prosessfluid, eller i en annen type gass, vil det fortsatt være en viss motstandskraft fra skjærkreftene i gassen. For en væskefilm kan viskositeten typisk være i størrelsesorden 0,01 Pascalsekunder (Pa sec). For naturgass, derimot, vil viskositeten kunne være i størrelsesorden 10 exp (-5) Pa sec. For en gass er ikke viskositeten mye påvirket av trykk, men den er signifikant avhengig av temperatur. Det er derfor viktig å tilveiebringe gass i en passende temperatur for "luftspalten" 67.1 noen applikasjoner vil gassen være produsert gass som kontinuerlig strømmer gjennom maskinen. Kjøling kan også bli utført i et eksternt rør viklet rundt maskinen. Slike kjølerør har vært implementert på undervannspumpe- eller boosterenheter klassifisert til 2 MW med kjølekapasitet for væske på 300 kW. Det er mange aspekter av varmebalanse i en slik maskin. De aspektene er ikke direkte relevante for gjeldende oppfinnelse. Det er tilstrekkelig å referere til disse aspektene som kjent for ingeniører og av bevist yteevne for det gjeldende applikasjonsområdet.

Enkel "Posisjon" lukket sløyfe:

Den påkrevde PM posisjonen for et gitt sett av parameterverdier kan bli beregnet i en mikroprosessor basert på slike innmatninger som rotormontasjemasse, omdreiningshastighet, differensialtrykk over kompressoren, temperatur, væskeviskositet, osv. Dette kan bli brukt for å beregne settepunktet til servoen, som skal sammenlignes i en PD kontroller (proporsjonelt og differensielt) av tradisjonelt design. En PID kontroller vil mest sannsynlig bli brukt i en praktisk applikasjon siden dette er en standard som setter I (integrasjon) komponenten til nær null for stabilitet.

"Posisjon" lukket sløyfe innenfor en "Kraft" lukket sløyfe servo:

En andre "kraft"-sløyfe kan være lukket på utsiden av "posisjon"-sløyfen og benytte signalet fra en lastcelle lokalisert i den mekaniske installasjonen (for eksempel mellom 51 og 56 eller mellom 54 og 66) ettersom utverdien som skal reguleres til å være så nær den ønskede verdien som mulig ved alle driftsforhold.

En detaljert studie av det foreslåtte systemet vil mest sannsynlig avsløre behovet for andre detaljer i kontrollsystemet.

Dersom effektnivåene til det dynamiske systemet kan senkes betraktelig sammenlignet med gjeldende standarder og dersom de statiske og semi-statiske kreftene kan håndteres ved hjelp av et i hovedsak passivt system, da kan det vurderes å implementere hydrostatiske lagre for det 5-7 akslede dynamiske systemet heller enn magnetiske kretser. Hydrostatiske lagre kan ikke tilveiebringe veldig høye krefter uten å pådra høye effekttap i prosessen (dette er veldig åpenbart fra de formlene som styrer lagerbelastningskapasitet, lagerstivhet og tilhørende effekttap, ref. figur 5 som viser en kopi av en illustrasjon av et dynamisk aksiallager og formler som styrer ytelsen til et slikt kileklosslager. Figuren og formlene er kopiert fra "Bearing Design in Machinery" av Abraaham Harnoy (Marcel Dekker 2003), kapittel 10.

For applikasjoner ved tilfeller med lav kraft tilbyr det konvensjonelle hydrostatiske lageret betydelige fordeler. Mange slike lagre har veldig høy stivhet, (magnetiske lagre har generelt dårlig stivhet). En annen fordel er den iboende stabiliteten og mangel på krav til kontroll. Det hydrostatiske lageret er iboende stabilt innenfor sitt operasjonsfelt (selv om det er påkrevd med teknisk arbeid for å håndtere krysstivhetsfaktorer). Så snart strømmen til fluiden er etablert og vedlikeholdt, er lageret selvregulerende.

Med referanse til fig. 5 er kraftkapasiteten i et hydrostatisk lager i henhold til funksjonene 10-11/12. For å få en høy W er selvsagt en høy p påkrevd, og ved å utforske formel 10-18 er det åpenbart at den første termen (kraft påkrevd for å sirkulere fluiden) og den andre termen (kraft påkrevd av hovedmotoren for å forskyve fluiden i rotasjon) gjør en hvilke som helst høylastbærende hydrostatisk lager av denne typen uøkonomisk. Trykk må være av lave ordre for å holde kraftbehovene realistiske.

Den andre termen indikerer også de uheldige R exp 4 og co exp 2 som begge vil påvirke disken og motvirke permanentmagnetene på en negativ måte, med R som er stor for en stor maskin og co exp 2 godt over en million (radianer/sekund) exp 2 for operasjon på 10 000 omdreininger per minutt. Den eneste måten å redusere strømningskraften synes å være lav viskositet. For en typisk kommersiell hydraulikkolje kan den være i størrelsesorden 0,01 Pa sekund. Å bruke en gass (prosessgass vil være attraktivt) burde viskositeten reduseres betydelig, for eksempel med en faktor på si 1000 til størrelsesorden 10 exp (-5) Pa sekund på bekostning av stivhet.

Det kan dermed konkluderes at et hydrodynamisk lager har begrensninger når det brukes i kombinasjon med veldig rask rotasjon og høye krefter.

Imidlertid er det mulig ved å introdusere servokretsen fra fig 4 (for å bevege klossen, for eksempel PM-ene 50 relativ til den magnetiske disken 52) å kombinere kravet på lave tap og toleransen mot lavere stivhets til operasjon for stabil tilstand med de omvendte egenskapene til en transient situasjon. For eksempel når i tilfelle en trykksvingningssituasjon inntreffer, som pålegger alvorlige aksialtransiente krefter på akselen, er servoen aktivert for å bringe klaringen til klossflatene (for eksempel "luftspalten" 67) til en lavere verdi, for dermed å øke lagerbelastningen og stivheten på bekostning av å generere alvorlige bevegelsesmotstandseffekttap. En slik situasjon med veldig høyviskøse krefter kan tolereres for en transient situasjon, men vil dersom brukt i en stabil tilstand pådra seg uakseptable tap. Det er dermed en parallell mellom de kontrollerbare PM-ene til det hybride systemet som er beskrevet (PM-er og aktive magneter i kombinasjon) og den regulerbare klossen.

Av samme grunn kan et regulerbart radialhydrostatisk lager bli fordelaktig satset på ved å introdusere koniske flater (heller enn de konvensjonelle sylindriske flatene). Igjen ved hjelp av en relativt enkel servo kan de operasjonelle egenskapene til lagersystemet bli tilpasset i millisekund domenet.

Som også indikert ovenfor, selv om det ikke er vist i figurene, er et lagersystem for en høyhastighets rotasjonsmaskin med en horisontal eller hellende rotoraksel 51 innenfor omfanget av de vedlagte krav.

Claims (10)

1. Lagersystem for høyhastighetsrotasjonsmaskin, fortrinnsvis i et undervannsmiljø, hvilket lagersystem omfatter en rotoraksel (51) inkludert et flertall aktive magneter eller hydrostatiske radiallagre (10,11,12,13,14,15) og i det minste et aktivmagnet- eller hydrostatisk aksiallager (16) for understøttelse av rotorakselen (51), aksiallageret (16) er anordnet i en ende av rotorakselen (51),karakterisert vedat lagersystemet også omfatter et permanentmagnet-(PM)-aksiallager anordnet i den samme enden som det i det minste ene aktivmagnet- eller hydrostatiske aksiallager (16), idet permanentmagnetaksiallageret omfatter i det minste en permanent magnet (52) anordnet på rotasjonsakselen (51) og i det minste en permanentmagnet (50) koblet til et kontrollsystem for å variere en avstand eller spalte (67) mellom de permanente magnetene (50,52), for derved å tilveiebringe en variabel kraft i permanentmagnetaksiallageret for å motvirke i det minste semi-statiske aksialkrefter påtrykt rotorakselen (51).

2. Lagersystem i henhold til krav 1,karakterisert vedat rotorakselen (51) er anordnet vertikalt, idet permanentmagnetaksiallageret også motvirker statiske aksialkrefter påtrykt rotorakselen (51).

3. Lagersystem i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat et flertall permanentmagneter (50) er radialt plassert rundt rotorakselen (51) på et hus (53) aksialt bevegelig i forhold til en skiveformet permanentmagnet (52), som derved variere spalten (67), idet bevegelsen bevirkes av kontrollsystemet via en svingbar (55) koblingsarm (66) forbundet med huset i en ende eller kontaktpunkt (54) og med en kontrollsystemaktuator i en annen ende eller kontaktpunkt (56).

4. Lagersystem i henhold til krav 3,karakterisert vedat kontollsystemaktuatoren omfatter en roterende-til-lineær omformerenhet, fortrinnsvis en rulleskrueenhet (49).

5. Lagersystem i henhold til krav 4,karakterisert vedat rulleskrueenheten (49) omfatter en mutter (59) og en skrue (58), idet kontrollsystemet videre omfatter hjul (61,62) til rotasjonsgirsammenstilling forbundet for det første med roterende-til-lineær omformersenheten via en drevet aksel (60), og for det andre med en drivaksel drevet av en drivmotor (63), fortrinnsvis en asynkron motor, en permanentmagnetmotor eller en trinnmotor kontrollert som respons på variasjoner i aksialkraft fra rotorakselen (51) overført via huset (53) og koblingsarmen (66).

6. Lagersystem i henhold til krav 3,karakterisert vedat kontrollsystemaktuatoren omfatter en hydraulisk sylinder (83) og stempel (82), og et aktuatorstag (81).

7. Lagersystem i henhold til krav 6,karakterisert vedat kontrollsystemet videre omfatter en hydraulisk ledning (84) som forbinder aktuatoren med en servoventil (85), en hydraulisk akkumulator (86), en hydraulisk filterenhet (87), en varmeveksler (94), et hydraulisk bunnkar (90), en hydraulisk pumpe (88), en drivmotor (89) for pumpen (88), en returledning (95) til bunnkaret (90), en PID kontroller (91), settpunktinnmating (93) og en krafttilbakekoblingsomformer (92).

8. Lagersystem i henhold til hvilke som helst av de foregående krav,karakterisertv e d at spalten (67) er fylt med N2 eller spylt med prosessgass.

9. Lagersystem i henhold til hvilke som helst av de foregående krav,karakterisertv e d at materialet til de permanente magnetene er valgt fra en gruppe omfattende samariumkobolt (for eksempel SmCo5, Sm2Col7) og Neodynjernbor (Nd2Fel4B).

10. Lagersystem i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 3 til 9,karakterisert vedat operasjonelt befinner huset (53) med den i det minste ene permanente magneten (50) seg i en posisjon med størst spalte (67) når maskinen står stille, og hvor spalten (67), ved oppstart av maskinen og sakte skrittvis økning av hastigheten, blir redusert for å øke den magnetiske trekk-kraften ettersom en prosessreaksjonskraft skrittvis bygger seg opp.