[发明专利]带有持久位置保持系统的涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种布置有转子和定子的涡轮机，更具体地，本发明涉及 对其装置的改进，该装置用于将转子保持在相对于定子的适当位置中。

背景技术

涡轮机包括流体流动部分和电部分，该两部分配合运转使能量在流过 该机的流体和电路之间进行转换。

该转换可以在任一方向上发生：因此，这样的涡轮机可以是压缩机， 它具有电动机作为它的电部分用以驱动例如泵这样的流体流动部分；涡轮 机也可以是发电机，流体流动部分是涡轮用以驱动电部分，这样就构成发 电机，例如交流发电机。

这类涡轮机特别以膨胀涡轮或高压泵的形式应用于液化天然气(LNG) 和液化石油气(LPG)工业当中。流过涡轮机的流体因此可以是天然气(甲 烷，乙烷)，液化石油气(丁烷，丙烷)，或者是被称为混合制冷剂(RM) 的其混合物(其还可以包括有限数量的较重的化合物)。

在设计这种机组时的一个永久目标就是使其寿命和性能的最大化。

为了这个目的，需要特别努力来减小转子的旋转摩擦。要想做到这一 点，选择合适的用于在径向和轴向上保持转子相对于定子的位置的装置是 十分必要的。应该注意到转子通常布置有垂直布置的轴，而保持装置的首 要功能就特别是支撑转子的重量，尤其是在静止或低速时。

在美国专利申请2006/0186671中公开了适用于涡轮机的保持装置的不 同实施例。

在第一个实施例中(图1)，公开了一种通过滚动轴承保持其径向位置 的涡轮发电机。然而，滚珠轴承存在缺陷，包括机械接触和由此在相对表 面间产生的摩擦，因此导致磨损和能耗，尤其在高速旋转时；滚珠轴承还 对最大可接受旋转速度提出了限制。

在低速时轴向位置通过一个上述的滚珠轴承来保持，在高速时则通过 一个布置在叶轮背部的轴向平衡设备来保持。

以上提及的滚珠轴承包括相对于定子在有限范围内滑动地安装的外 环。在低速时，位于该范围一端的抵靠阻挡外环，滚珠轴承因此阻挡转子 的轴向位置。

在高速时，作用于叶轮上的流体压力向上推动转子，轴向平衡设备替 代滚珠轴承使转子在上述范围内实质上保持静止位置。轴向平衡设备组合 在第一个叶轮内，它包括布置在叶轮后面的平衡腔室，其与存在轴向间隙 并用来调节平衡腔室内的压力的喷嘴相作用以便保持转子的轴向位置。

本实施例的缺陷在于转子的运动驱动滚珠轴承(固定在转子上)的内 环和滚珠旋转，因此在滚珠轴承内产生摩擦和磨损。因此，发电机那部分 的寿命有限。

为了补救这些缺陷，美国专利申请2006/0186671展示了涡轮发电机的 另一个实施例(图7)。

在这个实施例中，为了径向地保持转子，发电机具有可以脱开的滚珠 轴承。这些滚珠轴承在低速时使用。它们与在高速时替代使用的静压轴承 是并行的。静压轴承利用涡轮机主回路中流体的压力，只要旋转速度(也 即流体压力)达到一个足够大的值，它们就会保持转子的径向位置。(在这 篇文献中，涡轮机的“主回路”是指所有能够使流体流过涡轮机的流体流 动部分的回路。)

为了保持转子的轴向位置，当静止和低速时，其中一个滚珠轴承抵靠 在转子轴的圆锥形轴承表面上，因此在垂直方向上支撑转子。

在更高速度时，在叶轮内流体压力的作用下转子上升一点；于是通过 轴向平衡设备保持转子的位置。通过转子的平移滚珠轴承于是被脱开，因 而打开了与滚珠轴承对齐的相对于转子轴的圆锥形轴承表面的间隙：底部 的轴承通过转子的平移(与圆锥体分离)而被脱开，而对于顶部的轴承， 正是流体压力的上升反作用给组合至轴承的设备以脱开圆锥体。

这种布置存在复杂，尤其存在可靠性不足的缺陷。因为转子平移而脱 开滚珠轴承，并且该移动的幅度很小。在实际情况中，使用大直径的轴可 以是毫无疑问的，轴承表面保持很小的锥度，因此在轴承的脱开和冒着在 滚珠轴承和静压轴承之间运转时产生强相互作用的风险过程中会产生较差 的可靠性。

此外，具有平行径向保持装置(滚珠轴承平行于静压轴承)导致额外 的重量并增加机器的体积。

发明内容