TW201629328A - 多種流體的大排量泵 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種用於液化烴氣的沉入式電動泵，其適合使用於一系列不同的溫度和黏度。在一些實施例中，多種流體泵的顯著元件包括以相同材料製成的軸承及軸承襯、大到足以抽吸最黏稠流體的一馬達、額外的厚軸承襯及用於選擇其他泵設計規格如葉輪耐磨環、襯套及其他必要的徑向間隙的一試誤程序。

Description

多種流體的大排量泵

本申請案主張於2014年9月26日申請之第62/056,402號美國臨時專利申請案的優先權，其揭露之內容透過引用其全文包含於本文。

本公開大致上係涉及處理液化氣體的領域。

液化烴氣係有價值的燃料來源，其在世界各地使用及運輸。在不具有管線的地區，以氣體狀態運輸的效能很差，因此普遍係以液體狀態運輸及儲存。烴氣之液態形式所佔的體積約為氣態烴類所佔體積之1/600，且液態形式可藉由保持該氣體之溫度低於其飽和溫度而保存在接近標準大氣壓下。可維持必需溫度的大型專門建造的液化氣船通常用來運輸液化烴氣。也有類似的液化烴氣體形式的卡車、小型船舶、甚至是小型社區的儲存槽，其設計為保持液化天然氣(LNG)在必需的溫度及壓力組合下以維持其液體狀態。

沉入其所抽吸或膨脹之液體中的泵及膨脹器經常與各種液化烴氣一起使用。液化烴氣係任何冷凍的液化氣體，其包含例如為在大氣壓力下沸點低於-0℃之液體。不同的烴類在不同的溫度及壓力條件下成為液體，且亦具有不同的黏度。製造、儲存、運輸及利用該些氣體的工業設備係利用各種渦輪型閥、泵及膨脹器(渦輪機械)來移動、控制及處理液體及氣體。渦輪機械通常係沉入其所處理的液體中，在用於液化烴氣時，其一般在轉子和流體之間傳遞能量。這需要渦輪機械設備在惡劣的環境條件下工作。除了非常低的溫度，由於可能引發火災或爆炸，一些烴類液體如液化天然氣及氨(ammonia)亦具有危險性。然而，沉入式渦輪機械在運動組件附近沒有氧氣，這降低了火災及爆炸的風險。因此，沉入式泵及膨脹器已成為與液化天然氣作業的標準工具，並已證明其既安全又可靠。這 種泵及膨脹器具有沉入被抽吸或膨脹之流體中的電動馬達或發電機，且低溫流體本身可用於潤滑及冷卻對此流體作業的機械。

本發明揭露一種用於液化烴氣的沉入式電動泵，其適合使用於一系列不同的溫度和黏度。在一些實施例中，多種流體泵的顯著元件包括以相同材料所製成的軸承及軸承襯、大到足以抽吸最黏稠流體的一馬達、額外的厚軸承襯及用於選擇其他泵設計規格如葉輪耐磨環、襯套及其他必要的徑向間隙的一試誤程序。

100‧‧‧泵

102‧‧‧導流器

104‧‧‧馬達

106‧‧‧馬達軸

108‧‧‧乾側滾珠軸承

110‧‧‧馬達殼體

112‧‧‧磁性聯軸器

114‧‧‧泵軸

115‧‧‧泵殼體

116‧‧‧濕側滾珠軸承

118‧‧‧進入流

120‧‧‧葉輪

122‧‧‧排出流路

124‧‧‧推力均衡機構裝置

200‧‧‧定子

202‧‧‧葉輪

204‧‧‧轉子

206‧‧‧下部耐磨環

208‧‧‧上部耐磨環

210‧‧‧固定推力板

212‧‧‧固定流孔

214‧‧‧可變流孔

222‧‧‧上部腔室

250‧‧‧軸承

252‧‧‧內軸承襯、內部耐磨環

254‧‧‧外軸承襯、外部耐磨環

經由以例子結合所附圖式的方式所做之下述說明可更詳細理解，其中：

圖1為一沉入式磁耦合低溫離心泵之概觀。

圖2為顯示一泵之下部細節的剖面圖，例如圖1所示之泵。

本公開提出了配置為與多種流體一起作業之液化烴氣渦輪機械的不同實施例。用於運輸液化烴氣的船舶通常設計為運輸單一類型的流體，例如液化天然氣或液化石油氣，且在這種船舶上之渦輪機械經常還為單一類型的流體進行優化。可從運輸一種液化烴類輕易地轉換為運輸另一種液化烴類的船舶可降低運輸成本，但渦輪機械通常係為具有特定黏度且儲存於特定溫度下的單一流體所設計。

黏度與溫度在渦輪機械的設計方面很重要，流體在渦輪機械中被抽吸或膨脹並作為渦輪機械的潤滑劑。此類設備的公差(tolerance)對於低成本的維護、可靠性及安全性而言很重要。黏度較高的流體不會流得一樣快速，因此可能不太有效地冷卻渦輪機械。因為低溫流體的穩定狀態溫度改變，例如自約-170℃之液化天然氣變為約-50℃之液化石油氣，渦輪機械的組件會膨脹或收縮。溫度範圍可從-170℃延伸至+50℃的液化烴類而產生更大程度的膨脹或收縮。渦輪機械的運動組件之間的尺寸公差小，而當溫度可能由-170℃變化至+50℃時，需特別注意運動組件間之間 隙大小的變化。除了穩定狀態的溫度，在啟動及關閉程序中，溫度及壓力在渦輪機械中之不同的位置變化，這些是在多種液化烴氣中作業的渦輪機械必須加以解決的設計重點。

渦輪機械通常包括位於一定子內之一轉子與連接於該轉子的一馬達(用於泵)或發電機(用於膨脹器)。當流體流過一泵或膨脹器時，轉子轉動且定子維持不動。轉子與定子之間的機械界面一般是一軸承與軸承襯之間的界面。此界面係使用壽命長且可靠的渦輪機械的關鍵設計要點，且軸承與軸承襯可能是渦輪機械中最高的保養項目。轉子和定子之間的軸承有許多類型，例如傳統的滾珠軸承、液體靜壓軸承及液體動壓軸承。這些種類的軸承有時組合在單一泵或膨脹器中，在轉子的一處使用一種軸承時，在轉子的另一處使用另一種軸承。

適用於與多種液化烴氣一起使用之渦輪機械的一實施例使用由相同材料所製成的軸承及軸承襯。軸承及軸承襯通常係由不同的材料製成。在相同的溫度改變下，不同的材料通常會以不同的速率改變大小，且大小改變的多寡也不同。藉由使用由相同材料所製成的軸承及軸承襯，尤其是在以液化烴類潤滑軸承之處，轉子和定子之間的關鍵機械界面兩側的改變速率則可匹配。

圖1說明了一沉入式(液體及液體儲存槽未示出)磁耦合液化烴氣離心泵100之整體設計，且泵100包含一導流器102。相較於具有水平旋轉軸的其他類型離心泵，泵100是一例具有垂直旋轉軸的液化烴氣離心泵，而垂直旋轉軸對於軸的運動的管理和控制是很重要的，請參照以下說明。

泵100包含一馬達104，其安裝在一馬達軸106上。乾側滾珠軸承108支撐馬達軸106。圖1所繪示的泵實施例可具有用氮氣吹洗以去除全部氧氣的馬達殼體110，以保持馬達殼體110之空間的惰性且沒有溼氣，並維持磁性聯軸器112兩側適當的壓力平衡。其他大部分的惰性氣體或流體亦可用於取代氮氣。馬達104使馬達軸106旋轉。馬達軸106的旋轉造成磁性聯軸器112中的磁力差異，磁性聯軸器112可自馬達軸106傳遞動力至泵軸114。泵軸114係容置於一泵殼體115中，且濕側滾珠軸承116 支撐泵軸114。流體經由位於泵100底部的進入流118進入泵100。接著，該流體流經一導流器102及一葉輪120的不同階段。

泵軸114傳遞旋轉動力至導流器102及葉輪120。葉輪120增加了所抽吸流體的壓力和流動。在流體流經葉輪120後，其經由排出流路122出去。

磁性聯軸器112由兩個匹配的旋轉部件組成，一個旋轉部件安裝於馬達軸106上而另一個旋轉部件安裝於泵軸114上且彼此相鄰，兩者被安裝於馬達殼體110的一非旋轉膜隔開。在替代實施例中，非旋轉膜可安裝於泵殼體115。磁性聯軸器的運作在所屬技術領域中係公知的。

雖然泵100被示為具有一磁性聯軸器112，但實施例並不限於具有磁性聯軸器112的泵。其他用於自馬達軸106傳遞旋轉能量至泵軸114的手段皆在實施例之範圍內。同樣地，實施例並不限於具有一馬達軸106及一泵軸114的泵。替代實施例可由具有單一根軸或兩根以上軸的泵組成。另外，雖然所述之泵100可能最適於作為沉入式伸縮泵，但所屬技術領域中具有通常知識者能瞭解到實施例可輕易地適用於其他類型的泵，例如可移動的、外部的和緊急的液化烴氣泵。所屬技術領域中具有通常知識者亦可輕易地將實施例應用於其他類型的渦輪機械，例如液化烴氣膨脹器。

泵100利用一推力均衡機構(thrust equalizing mechanism，TEM)裝置124來平衡液壓的推力以及潤滑渦輪軸之滾珠軸承，其係藉由利用一部分的輸入流體流以平衡產生的推力。圖2更詳細地描繪了推力均衡機構。推力均衡機構可平衡軸向負載，尤其是在沉入式泵或膨脹器啟動及關閉時，而可用於降低保養成本並增加使用壽命。對於可靠性及低保養成本而言，如何度過在渦輪機械啟動及關閉時溫度和壓力的快速變化甚至可比用於穩定狀態溫度的設計還重要。眾所周知沉入式泵及膨脹器的使用壽命及保養成本主要取決於渦輪機械所經歷的啟動及關閉循環次數，因此如推力均衡機構之類的對啟動及關閉負責的設計係有助益的。

推力均衡機構裝置124確保了濕側滾珠軸承116在泵100的正常運轉範圍內不承受軸向負載。濕側滾珠軸承116係以被抽吸的流體來潤滑。當使用被抽吸的流體來潤滑，至關重要的是平衡軸向推力負載以 防止流體在軸承中汽化，從而確保可靠性。沿泵軸的軸向力係由不平衡的壓力、自重及液體方向的改變而產生。由推力均衡機構裝置124所做的自我調節使濕側(產物潤滑)滾珠軸承116在泵100的全部可用容量範圍中在接近零的推力負載下作業。這必然增加了軸承的可靠性。推力均衡機構裝置124增加了泵的各種組件的可靠性，例如葉輪及導流器，其亦降低了設備保養的需求。液化烴氣泵的替代實施例可不包括推力均衡機構裝置124。

圖2描繪了濕式軸承及一推力均衡機構系統的剖面圖，其可例如在圖1之泵100的下部實施。葉輪202附著於轉子204並與轉子204一起旋轉。葉輪202與轉子204在固定的定子200內旋轉。當葉輪202旋轉時，流體自泵或膨脹器的底部進入220並被迫通過葉輪202，且大部分的流體在218離開。在通過最高壓葉輪或導輪階段後，一小部分滲漏220。滲漏的220部分擠壓通過上部耐磨環208及葉輪202之間的固定流孔212。所抽吸或膨脹之流體的滲漏的220部分係用於潤滑軸承250並提供推力均衡機構的推力平衡機制所需之力。下部耐磨環206或襯套的直徑小於上部耐磨環208，這產生了一向上的力。因為此向上的力，泵軸和其全部的旋轉組件會向上移動。該向上的移動縮小了葉輪與固定推力板210之間的間隙，從而限制了通過可變流孔214的滲漏。當透過可變流孔214限制外流，上部腔室222中的壓力增大，直到該壓力足以產生一向下的推力，其可平衡前述轉子上之向上的推力。若源自上部腔室222中壓力之向下的力增加到比向上的推力還大，轉子將略為向下移動並打開可變流孔214，藉由增加通過可變流孔214之流量而使得上部腔室222中之壓力下降。最終的結果係在上部葉輪表面與下部葉輪表面之間形成平衡而提供穩定的系統，此穩定的系統在軸承250上具有少量的軸向推力負載或不具有軸向推力負載。

在滲漏通過可變流孔214並平衡垂直推力後，滲漏的200流體還透過在軸承250、外部耐磨環254及內部耐磨環252之間給少量的流體來潤滑軸承250。接著，滲漏通過軸承250之流體可返回216而加入在218離開之後的低壓流體。

固定耐磨環(上部耐磨環208及下部耐磨環206)及軸承250 的間距公差在設計任何液化烴氣泵時都是重點。對為了處理多種流體類型及因其所產生之多種溫度的設計而言，軸承250的公差係特別重要的。藉由匹配軸承250及其襯墊(內軸承襯252及/或外軸承襯254)的材料，可最小化間隙的變化。

為了適應多種低溫流體，可對原本為了單一液化烴氣所設計的渦輪機械做額外的改變。馬達(用於泵)或發電機(用於膨脹器)必須產生或接受足夠的力矩以處理將流過渦輪機械的最高密度的流體。此外，軸承襯的厚度可製作得比用於為了單一流體所設計之渦輪機械的任何類型材料所需之厚度更厚。較大範圍的工作溫度導致渦輪機械殼體收縮及膨脹得更多，使得更多壓力在軸承/襯墊交界處。較厚的軸承襯能夠承受因較大的溫度變化所產生的較大壓力。在一實施例中，內軸承襯及外軸承襯可製作得夠厚，以防止襯墊材料在最低的可能工作溫度下在施加於外襯表面之壓力下變形。

雖然本文件包含許多細節，但不應被解釋為發明範圍或可主張之範圍的限制條件，而是作為對於本發明特定的實施例之特徵的描述。本文件所述之個別實施例內容中的某些特徵也可在單一實施例中組合實施。相反地，在單一實施例內容中所述之各種特徵亦可在多個實施例中分別實施或以任何合適的子組合實施。此外，雖然前文將特徵描述為以特定組合作用且甚至起初係如此主張，但在某些情況下，所主張之組合的一個以上特徵可以脫離該組合而行使，且所主張之組合可涉及子組合或子組合的變體。

100‧‧‧泵

102‧‧‧導流器

104‧‧‧馬達

106‧‧‧馬達軸

108‧‧‧乾側滾珠軸承

110‧‧‧馬達殼體

112‧‧‧磁性聯軸器

114‧‧‧泵軸

115‧‧‧泵殼體

116‧‧‧濕側滾珠軸承

118‧‧‧進入流

120‧‧‧葉輪

122‧‧‧排出流路

124‧‧‧推力均衡機構裝置

Claims (20)

1. 一種用於多種液化烴氣之渦輪機械，包括：一軸承，位於一轉子及一定子間之一界面；一內軸承襯，固定於該轉子；以及一外軸承襯，固定於該定子；其中該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯皆係由相同材料所組成；該軸承係設置於該內軸承襯及該外軸承襯之間；以及該軸承係以該些多種液化烴氣的其中之一來潤滑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，其中該內軸承襯及該外軸承襯各自具有一厚度，在一最低的可能工作溫度下，該厚度足以防止該內軸承襯或該外軸承襯之至少其中之一在施加於一外襯表面之壓力下變形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，其中該內軸承襯或該外軸承襯之至少其中之一的一厚度或該軸承之一尺寸的至少其中之一係取決於在與該些多種液化烴氣相關之不同的溫度條件下或不同的壓力條件下該相同材料之膨脹或收縮。
4. 如申請專利範圍第3項所述之渦輪機械，其中該不同的溫度條件係根據該些多種液化烴氣不同的沸點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，其中該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之該相同材料降低了由該些多種液化烴氣之溫度變化所造成的該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之間的間距變化。
6. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，更包括：一推力均衡機構，其引導該些多種液化烴氣的其中之一繞流並潤滑該軸承。
7. 如申請專利範圍第6項所述之渦輪機械，更包括：一下部耐磨環，設置於該定子；以及一上部耐磨環，設置於該定子；其中該推力均衡機構係設置於該下部耐磨環與該上部耐磨環之間；且其中該下部耐磨環或該上部耐磨環之一厚度或是該下部耐磨環或該上 部耐磨環之一材料的至少其中之一係取決於該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之該相同材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之渦輪機械，其中該下部耐磨環或該上部耐磨環之該厚度或是該下部耐磨環或該上部耐磨環之該材料的至少其中之一係取決於與該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之該相同材料相關的一耐溫性。
9. 如申請專利範圍第7項所述之渦輪機械，其中該下部耐磨環及該上部耐磨環之該材料包括該軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之該相同材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，其中該軸承包括一滾珠軸承、一液體靜壓軸承或一液體動壓軸承之至少其中之一。
11. 一種與多種液化烴氣搭配使用之渦輪機械，包括：一液體腔室，配置來引導在該渦輪機械之一定子內該些多種液化烴氣之其中之一的流動；以及一個以上軸承組件，位於一轉子及該定子間之一界面，其中該一個以上軸承組件係由一第一材料所組成，且其中該一個以上軸承組件與該液體腔室接觸，使得該些多種液化烴氣之其中之一潤滑該一個以上軸承組件。
12. 如申請專利範圍第11項所述之渦輪機械，其中該一個以上軸承組件各自包括：一軸承；一內軸承襯，固定於該轉子；以及一外軸承襯，固定於該定子，其中該軸承係設置於該內軸承襯及該外軸承襯之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之渦輪機械，其中該內軸承襯及該外軸承襯各自具有一厚度，在一最低的可能工作溫度下，該厚度足以防止該內軸承襯或該外軸承襯之至少其中之一在施加於一外襯表面之壓力下變形。
14. 如申請專利範圍第11項所述之渦輪機械，其中該一個以上軸承組件之一厚度係配置以承受在與該些多種液化烴氣相關之不同的溫度條件下 或不同的壓力條件下該第一材料之膨脹或收縮。
15. 如申請專利範圍第14項所述之渦輪機械，其中該不同的溫度條件係根據該些多種液化烴氣不同的沸點。
16. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，更包括：一推力均衡機構，其引導該些多種液化烴氣的其中之一繞流並潤滑該一個以上軸承組件。
17. 如申請專利範圍第16項所述之渦輪機械，更包括：一下部耐磨環，設置於該定子；以及一上部耐磨環，設置於該定子；其中該推力均衡機構係設置於該下部耐磨環與該上部耐磨環之間；且其中該下部耐磨環或該上部耐磨環之一厚度或是該下部耐磨環或該上部耐磨環之一材料的至少其中之一係取決於該一個以上軸承組件之該第一材料。
18. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪機械，其中該一個以上軸承組件各自包括一滾珠軸承、一液體靜壓軸承或一液體動壓軸承之至少其中之一。
19. 一種設計與多種液化烴氣搭配使用之一渦輪機械的方法，包括：選擇可提供一力矩之一馬達或一發電機，其中該力矩係取決於該些多種液化烴氣之一最大密度，且其中該馬達或該發電機係旋轉地連接於一轉子；以及根據該些多種液化烴氣選擇至少一軸承、一內軸承襯及一外軸承襯放置於該轉子及一定子之間，其中該至少一軸承、該內軸承襯及該外軸承襯係由相同材料製成，且其中該至少一軸承係以該些多種液化烴氣的其中之一來潤滑。
20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包括：根據該至少一軸承、該內軸承襯及該外軸承襯之該相同材料選擇一耐磨環或一襯套之至少其中之一的一材料，該耐磨環或該襯套係設置於該渦輪機械之該定子的一內部。