ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2012 года по МПК F04D29/46 F04D29/56 

Изобретение относится к энергетической машине для повышения давления технологической текучей среды, в частности насосу или компрессору, содержащему турбомашину, которая повышает давление технологической текучей среды, привод, который приводит в действие турбомашину, при этом турбомашина имеет ротор, который несет вращающиеся направляющие поток элементы турбомашины, по меньшей мере один осевой подшипник, который выполнен в виде магнитного подшипника и с помощью которого установлен ротор, по меньшей мере два радиальных подшипника, первый радиальный подшипник и второй радиальный подшипник, которые выполнены в виде магнитных подшипников и с помощью которых установлен ротор, и между которыми расположена турбомашина.

Такая энергетическая машина для текучей среды уже известна из РСТ/ЕР2007/051393. Особой областью применения для таких машин является компрессия природного газа, который невозможно больше добывать с помощью платформы из подводной залежи, и необходимо сжимать непосредственно на дне моря под водой, и с помощью соответствующего трубопровода направлять предпочтительно в наземную станцию. Этот случай применения особенно привлекателен с экономической точки зрения, поскольку можно отказаться от обычных платформ с экономией, соответственно, огромных средств.

В настоящее время выполняются дорогостоящие разработки по поиску решения для компрессорного блока, который способен выдерживать суровые условия подводного сжатия. Наряду с трудностями, вызываемыми тем, что приходится иметь дело с находящейся под непрерывно падающим, колеблющимся давлением загрязненной и химически агрессивной технологической текучей средой, которую подлежит сжимать, она присутствует частично в жидком виде и частично в газообразном виде, и доступ к компрессорному блоку, естественно, чрезвычайно затруднен, так что блок следует выполнять предпочтительно без необходимости технического обслуживания или со 100%-ной готовностью. Наряду с этим технологическая среда химически агрессивна, так же как окружающая среда, и по причинам защиты окружающей среды не должен происходить обмен между технологической средой и окружающей средой, а также между другими рабочими текучими средами и окружающей средой.

Особые трудности в такой энергетической машине для текучей среды связаны с опорой ротора, которая предпочтительно не должна нуждаться в рабочей текучей среде, поскольку возможная ее подготовка или обмен с наземной станцией были бы слишком затратными.

Наряду с этим опора ротора должна также отвечать высочайшим требованиям относительно готовности, защищенности от отказов и аварийной антизадирной способности. При весе ротора в несколько тонн и скорости вращения до 20000 об/мин к такой опоре предъявляются значительные требования, так что в этом случае предпочтительными являются магнитные подшипники как для радиальной опоры, так и для осевой опоры. Другое преимущество магнитных подшипников состоит в возможности капсюляции, так что агрегаты могут обмываться также технологической текучей средой. Наряду с этим магнитные подшипники не нуждаются в рабочей текучей среде, которая могла бы загрязнять окружающую среду или технологическую текучую среду.

Исходя из указанных требований и проблем в основу изобретения положена задача создания энергетической машины для текучей среды указанного в начале вида, которая снабжена опорами, которые при лишь небольших затратах на техническое обслуживание и особенно высокой готовности даже при больших динамических нагрузках способны обеспечивать надежную работу при одновременно длительном сроке службы и высокой аварийной антизадирной способности.

Эта задача решена с помощью энергетической машины для текучей среды указанного в начале вида, которая имеет признаки, приведенные в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

Система вспомогательных опор согласно изобретению имеет особое преимущество, состоящее в том, что для исключительно радиальной опоры выбран стабильный подшипник скольжения, опорная поверхность которого может быть выбрана так, что возникает лишь небольшая поверхностная нагрузка. При радиальном зазоре в опоре предпочтительно 0,25-0,3-мм машина является достаточно не чувствительной к загрязнениям, и для ротора в месте вспомогательной опоры остается достаточное пространство для возникающих при работе колебаний, или, что вспомогательная опора колеблется вместе с ротором.

Подшипник качения способен воспринимать, наряду с возникающими радиальными силами, также осевые силы, так что в этом месте для более сложной задачи обеспечивается более компактное выполнение машины. При этом внутренний диаметр подшипника качения предпочтительно имеет радиальный зазор относительно ротора примерно 0,25-0,3 мм. В осевом направлении целесообразна сумма зазоров примерно 0,5-0,6 мм.

Для восприятия без разрушения возникающих опорных сил также при отсутствии любого смазочного средства целесообразно выполнять подшипник качения в виде шарикоподшипника, который способен воспринимать как осевые, так и радиальные нагрузки.

В одном предпочтительном варианте выполнения подшипника скольжения предусмотрено, что он изготовлен из стали и в соответствии с этим не повреждается вследствие открытости для химически агрессивных сред.

Для того чтобы подшипник скольжения не повреждался в случае аварийной остановки, соответственно, остановки машины за счет, например, больших колебаний, целесообразно поверхность скольжения подшипника скольжения выполнять сегментированно и устанавливать пружинящие отдельные сегменты.

Привод энергетической машины для текучей среды предпочтительно выполнен в виде электродвигателя, так что возможна, в частности, работа под водой. Предпочтительно, такой электродвигатель находится на одном валу с турбомашиной и образует вместе с ней один единственный ротор. Такая система является особенно компактной.

Значительные преимущества обеспечивает вертикальное расположение общей оси вращения двигателя и турбомашины, так что нагрузки подшипников, в частности радиальных подшипников, можно уменьшить до минимума, поскольку больше не должны восприниматься силы веса ротора.

Такое расположение сказывается также положительно на размерах радиальных вспомогательных опор, которые даже при превышении скорости вращения, например, 12000 об/мин не разрушается, а способны выдерживать во много раз большую нагрузку без какого-либо смазочного средства.

Вертикальное расположение особенно предпочтительно, когда один радиальный подшипник и осевой подшипник расположены на верхнем конце ротора и один радиальный подшипник - на нижнем конце ротора, и одновременно предусмотрены выполненная в виде подшипника скольжения вспомогательная опора на нижнем конце ротора и выполненная в виде подшипника качения вспомогательная опора - на верхнем конце ротора. Естественно, что находящийся снизу подшипник скольжения подвергается более сильному загрязнению, чем находящийся сверху подшипник качения, при этом подшипник скольжения лучше приспособлен для неблагоприятных рабочих условий.

Кроме того, предпочтительно, вспомогательные опоры расположены дальше наружу на роторе, чем выполненные в виде магнитных подшипников радиальные подшипники и осевой подшипник. Это, в частности потому, что за счет этого обеспечивается лучшая динамика ротора, в частности лучшее демпфирование колебаний при нормальной работе. Поэтому особенно предпочтительным является указанная выше концепция опор, когда между двигателем и турбомашиной не предусмотрен дополнительный радиальный подшипник, соответственно, двигатель и турбомашина находятся между обоими радиальными подшипниками. Альтернативная опора получается, когда как турбомашина, так и двигатель имеют каждый два собственных радиальных подшипника, и ротор между обоими находящимися между турбомашиной и двигателем радиальными подшипниками имеет вялую на изгиб зону, которая передает по существу крутящие моменты (называемую также вспучивающимся валом).

В частности, для работы под водой, но также для работы с ядовитыми газами или во взрывоопасном окружении, целесообразно иметь газонепроницаемый общий корпус, который окружает подшипники, турбомашину и двигатель.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрено, что энергетическая машина для текучей среды содержит блок управления, который соединен по меньшей мере с одним местом измерения осевого и/или радиального положения и/или вибраций на роторе, и/или одним местом измерения тока и/или напряжения по меньшей мере на одном магнитном подшипнике и выполнен так, что по меньшей мере при одном значении измерения, которое отклоняется от значения измерения при нормальной работе на определенную величину, изменяет подачу энергии к двигателю так, что двигатель тормозит ротор. Действие торможения может вызываться вихревыми токами или за счет магнитного поля, действующего противоположно происходящему вращению. Таким образом, обеспечивается возможность торможения ротора с весом в несколько тонн со скорости вращения примерно 12000 об/мин в течение менее 10 секунд до остановки. Это ограничивает в случае выхода из строя магнитных подшипников или в случае особенно сильных колебаний нагревание во вспомогательных опорах, которые за счет этого остаются в значительной мере без повреждений.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании специального примера выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором схематично изображено:

фиг.1 - продольный разрез энергетической машины для текучей среды согласно изобретению.

На фиг.1 показана энергетическая машина 1 для текучей среды согласно изобретению с турбомашиной 2 и приводом 3, который выполнен в виде электродвигателя 4. Привод 3 и турбомашина 2 имеют общий ротор 5, соответственно, общий вал 6, который вращается вокруг вертикальной оси 7 вращения. Вал 6 несет в зоне турбомашины 2 направляющие поток элементы 8, которые выполнены в виде крыльчаток центробежного компрессора. Для опоры ротора 6 предусмотрены нижний первый радиальный подшипник 11 и верхний второй радиальный подшипник 12, а также расположенный также наверху осевой подшипник 13. Оба радиальных подшипника 11, 12 и осевой подшипник 13 являются капсулированными магнитными подшипниками.

Если магнитные подшипники 11, 12, 13 выходят из строя, то ротор 5 поддерживается с помощью вспомогательных опор 15, 16, которые расположены в лежащей дальше относительно магнитных подшипников 11, 12, 13 зоне на валу 6. Первая вспомогательная опора 15 предусмотрена для радиальной опоры, а вторая вспомогательная опора 16 - для радиальной и осевой опоры. В соответствии с этим расстояние между вспомогательными опорами 15, 16 больше, чем расстояние между магнитными подшипниками 11, 12, 13. Расположенная на вертикальном валу 6 внизу первая вспомогательная опора 15 выполнена в виде подшипника скольжения с радиальным зазором относительно вала примерно 0,25 мм, так что во время нормальной работы ротор 5 может свободно вращаться в подшипнике скольжения без какого-либо контакта. Такой же зазор имеет находящаяся на верхнем конце вертикального вала 6 вторая вспомогательная опора 16, которая выполнена в виде подшипника 22 качения, соответственно, шарикоподшипника. Подшипник 22 качения имеет радиальный зазор 0,25 мм. В осевом направлении предусмотрен суммарный зазор примерно 0,5-0,6 мм.

Опоры 15, 16, 21, 11, 12, 13, 22, турбомашина 2 и привод 3 находятся в газонепроницаемом корпусе 30, который имеет вход 31 и выход 32 для подлежащей сжатию, соответственно, сжатой технологической текучей среды 33.

Магнитные подшипники 11, 12, 13, первая вспомогательная опора 15 и зазор между статором 36 и вращающимся элементом 37 электродвигателя 4 охлаждаются с помощью технологической текучей среды 33, которая отводится из перепускного трубопровода 40 между первой ступенью 41 и второй ступенью 42 выполненной в виде компрессора 45 турбомашины 2. Из этого отвода 46 технологическая текучая среда 33 подается в подшипники 15, 11, 12, 13 и в зазор 38, при этом она затем снова входит в первую ступень 41 компрессора 45. Статор 36 имеет еще собственный циркуляционный контур 55 охлаждения.

За счет регулирования в управляющем блоке CU радиальные подшипники 11, 12 и осевой подшипник 13 снабжаются каждый рабочим током IB, а привод 3 - рабочим током IM. Наряду с этим измеряются осевое положение Х вала с помощью датчика 61 и величина Y колебаний с помощью датчика 62 и оцениваются в управляющем блоке CU. Если осевое положение Х имеет слишком большое отклонение от номинальной величины, или же величина Y колебаний выходит за заданные предельные значения, то машина останавливается. То же происходит, когда по меньшей мере ток IB подшипников указывает на слишком большую нагрузку подшипников. В случае остановки управляющий блок CU модулирует подаваемый в двигатель ток IM так, что тормозится вращение ротора 5. Таким образом, ротор 5 может приводиться со скорости вращения 12000 об/мин до остановки в течение примерно 10 с. Если один или несколько магнитных подшипников 11, 12, 13 выходят из строя, то вспомогательные опоры 15 осуществляют опору ротора 5. Хотя вспомогательные опоры 15 не имеют смазки, соответственно, отдельного подвода смазочного средства, они могут выполнять функцию опоры в течение короткого времени остановки без повреждения.

Расположенная внизу вспомогательная опора, соответственно, подшипник 21 скольжения с радиальным зазором в подшипнике 0,25 мм является особенно не чувствительным к загрязнению, так что его функция обеспечивается несмотря на оседающие под действием силы тяжести частицы грязи в нижней зоне машины. Находящийся наверху подшипник 44 качения комбинирует радиальную опору с осевой опорой и вследствие расположения на верхнем конце вала 6 подвергается менее сильному загрязнению.

Подшипник 21 скольжения имеет пружинящие сегменты 27, которые выполнены упругими, так что при слишком большой нагрузке подшипника не происходит разрушения стальных ходовых поверхностей подшипника.

Изобретение относится к энергетической машине (1) для текучей среды, в частности компрессору (45), который имеет установленный с помощью магнитных подшипников (11, 12, 13) общий ротор (5) для турбомашины (2) и привода (3). Наряду с магнитными подшипниками (11, 12, 13) предусмотрены вспомогательные опоры (15), при этом на нижней части вертикально ориентированного ротора (5) предусмотрен подшипник (21) скольжения, а на верхнем конце - выполненный в виде шарикоподшипника подшипник (22) качения, который обеспечивает как радиальную, так и осевую опору. Изобретение направлено на создание энергетической машины, опоры которой способны обеспечивать надежную работу при длительном сроке службы и высокой антизадирной способности и требуют небольших затрат на техническое обслуживание. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая машина (1) для повышения давления технологической текучей среды (33), в частности насос или компрессор (45), содержащая
- турбомашину (2), которая повышает давление технологической текучей среды (33),
- привод (3), который приводит в действие турбомашину (2), при этом турбомашина (2) имеет ротор (5), который несет вращающиеся направляющие поток элементы (8) турбомашины (2),
- по меньшей мере один осевой подшипник (13), который выполнен в виде магнитного подшипника и с помощью которого установлен ротор (5),
- по меньшей мере два радиальных подшипника (11, 12), первый радиальный подшипник (11) и второй радиальный подшипник (12), которые выполнены в виде магнитных подшипников и с помощью которых установлен ротор (5),
- между которыми расположена турбомашина (2),
отличающаяся тем, что на стороне турбомашины (2), где расположен первый радиальный подшипник (11), предусмотрена вспомогательная опора (15), которая выполнена в виде подшипника (21) скольжения, и что на стороне, на которой расположен второй радиальный подшипник (12), предусмотрена вспомогательная опора (15), которая выполнена в виде подшипника (22) качения, при этом подшипник (22) качения находится на той стороне турбомашины (2), на которой расположен осевой подшипник (13).

2. Машина (1) по п.1, в которой подшипник (22) качения выполнен в виде шарикоподшипника.

3. Машина (1) по любому из пп.1 или 2, в которой подшипник (21) скольжения имеет поверхности скольжения из стали.

4. Машина (1) по п.1, в которой не предусмотрен особый подвод смазочной текучей среды к вспомогательным опорам (15).

5. Машина (1) по п.1, в которой по меньшей мере одна поверхность скольжения подшипника (21) скольжения сегментирована и сегменты выполнены пружинящими.

6. Машина (1) по п.1, в которой между ротором (5) и вспомогательными опорами (15) предусмотрен зазор между 0,1 мм и 0,4 мм, так что вспомогательные опоры (15) при нормальной работе не вращаются.

7. Машина (1) по п.1, в которой привод (3) выполнен в виде электродвигателя (4).

8. Машина (1) по п.7, в которой электродвигатель (4) расположен на одном валу (6) с турбомашиной (2).

9. Машина (1) по п.1, в которой ось (7) вращения ротора (5) ориентирована вертикально.

10. Машина (1) по любому из пп.1, 7, 8 или 9, в которой турбомашина (2) и привод (3) находятся между первым радиальным подшипником (11) и вторым радиальным подшипником (12).

11. Машина (1) по п.9, в которой первый радиальный подшипник (11) с подшипником (21) скольжения расположены внизу, а второй радиальный подшипник (12) с осевым подшипником (13) и подшипником (22) качения расположены наверху.

12. Машина (1) по п.1, в которой турбомашина (2), привод (3) и подшипники (11, 12, 13, 15, 21, 22) расположены в общем газонепроницаемом корпусе (51), который имеет по меньшей мере один вход (31) и один выход (32) для технической текучей среды (33).

13. Машина (1) по п.1, которая имеет блок (CU) управления, который соединен по меньшей мере с одним местом (61, 62) измерения осевого и/или радиального положения и/или вибраций на роторе (5), и/или одним местом (10) измерения тока и/или напряжения по меньшей мере на одном магнитном подшипнике (11, 12, 13) и выполнен так, что по меньшей мере при одном значении измерения, которое отклоняется от значений измерения при нормальной работе на определенную величину, изменяет подачу энергии к приводу (3) так, что привод (3) тормозит ротор.