NO330015B1 - Et aksialt gasskyvekraftlager for rotorer i roterende maskineri - Google Patents

Abstract

Et aksialt gasskyvekraftlager for rotorer (4) i roterende maskineri, omfatter, ifølge oppfinnelsen, minst én radiell plate (5), enhetlig med eller festet til rotoren (4) og én fast tetning (2) som vender mot hver plate (5) eller to faste tetninger (2) som er plassert til å omgi hver plate (5), idet nedre deler av tetningene (2) befinner seg i avstand fra rotoren(4) for å tillate innstrømningen av komprimert fluid å passere i gapet mellom den respektive plate (5) og tetningene (2), for derved å kombinere egenskapene hos et utbalanseringsstempel og skyvekraftlagerplate.

Description

Et aksialt gasskyvekraftlager for rotorer i roterende maskineri

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et gasslager for rotorer i roterende maskineri som kombinerer egenskapene hos et utbalanseirngsstempel og skyvelagerplate.

En konvensjonell rotor for roterende maskineri, slik som eksempelvis en kompressor understøttes av oljesmurte lagre. Lagrene er plassert i atmosfæriske lagerhus. Derfor må lagrene ved hjelp av tørre gasstetninger atskilles fra kompressorløpehjulene som utsettes for gass ved høyt trykk.

Turbomaskineri med tilegnet lager, utbalanseirngsstempel og tetninger har eksistert i mer enn 100 år. Felles for alle er kravet til kompliserte og sårbare støttesystemer.

Radial- og skyvekraftlagre som anvendes i turbomaskineri er lagre som typisk har sko eller puter på dreietapper. Når lageret i drift, bærer den roterende del av lageret frisk olje inn til puteområdet. Fluidtrykk bevirker puten til vippe noe, og danner derved en kile av trykksatt fluid mellom skoen og den andre lageroverflaten. Putens vipping endrer seg adaptivt med lager belastning og hastighet. Forskjellige utformingsdetaljer sikrer vedvarende påfyll av oljen for å unngå overoppheting og puteskade.

På grunn av trykkstigningen som utvikles gjennom løpehjulet, eksisterer det en trykkforskjell over navene og dekslene som involverer" at løpehjulene har en netto skyvekraft i retning av kompressoirnnløpet. Denne effekt motvirkes ved hjelp av et utbalanseringsstempel, se Fig. 1, som er plassert bak det siste løpehjul for å bli oppnådd ved å utsette utsiden av balanserings-stempelet for et lavt trykk fra innløpsiden av kompressoren. Således skapes det en trykkdifferensial motsatt retningen av løpehjulene. Dette trykk oppnås ved å forbinde området bak stempelet med innløpet ved å bruke en ledning.

Et viktig skritt i retningen mot en forbedret løsning er vist i WO/2008/018800 - Al som omhandler et kombinert lagersystem der rotoren er forsynt med radiallagre og tilhørende tetninger. Hvert radiallager og tetningspunkt for rotoren er i form av en lager-og tetningskombinasjon som er dannet av en stator som er plassert inne i maskinerihuset, og statoren er utformet med en boring.

Ved å tilveiebringe et aksiallager i form av en sylindrisk plate/ løpehjul på rotoren som hviler mot en tilhørende del av statoren, kan en gassfilm dannes med stivhet og demping ifølge det samme prinsipp som i et radielt gasslager med ønsket dynamisk stivhet og demping. Alternativt kan aksiallageret dannes i henhold det hydrostatiske prinsipp, som involverer en strømningsbegrensning før og etter lageroverflaten, for derved å oppnå stivhet med ledsagende dempning. Aksiallageret kan også dannes ved å bruke en kombinasjon av de to prinsippene.

Hovedsiktemålet med den foreliggende oppfinnelse er å erstatte konvensjonelle balansestempel og skyvekraftlagre med et forenklet aksialt gasskyvekraftlager, der den aksiale bevegelse i akselen reduserer avstanden mellom den roterende platen/ løpehjulet og den stasjonære radielle vegg, dvs. fluidkrefter øker og som stopper ytterligere akselbevegelse i den aksiale retning. Den radielle lengde av det aksiale skyvekraftlageret og således gapet mellom statoren og platen, er avhengig av trykkforholdet mot maskinen, og det radielle stedet for gasslagerområdet, hvilket skaper fluidkrefter, bør optimaliseres ytterligere med hensyn til friksjonstap og belastningsevne.

Dette formål oppnås ved hjelp av et aksiallager for rotorer i roterende maskineri, der lageret omfatter minst én radiell plate, enhetlig med eller festet til rotoren og én fast tetning som vender mot hver plate eller to faste tetninger som er plassert til å omgi hver plate, idet nedre deler av tetningen er plassert i avstand fra rotoren for å tillate innstrømningen av komprimert fluid som passerer i gapet mellom den respektive plate og tetningene, hvorved egenskapene for et utbalanseirngsstempel og skyvekraftlagerplate kombineres.

Luftgapgeometrien som er dannet inne i det aksiale gasslager innbefatter, men er ikke begrenset til a) konvergerende, b) divergerende, og c) parallell. Dessuten kan gassen som tilføres luftgapet i det aksiale gasslageret komme fra den radielle indre eller ytre side av lageret. Det skal også forstås at uttrykket "plate" skal innbefatte et løpehjul og lignende.

Den roterende platens eller statorens robusthet kan være i form av forskjellige spesielt definerte geometrier, slik som, men ikke begrenset til, lommer, bikube- (HC = honeycomb) eller hullmønster (HP = hole pattern) (ikke vist).

Det finnes flere mulige konfigurasjoner:

1. Aksial plate konfigurasjon, se fig. 2. Bruke en typisk aksial plate der det aksiale gasslager er plassert på hver side av platens radielle overflater. Prosessgass tilføres begge sider av platen, enten fra ytter- eller innerside, fra - men ikke begrenset til - kompressorens sistetrinns løpehjul, dvs. at et slikt gassaksiallager vil være dobbeltvirkende og være i stand til å stabilisere aksial akselbevegelse i begge retninger.

Dessuten blir den anvendte gass fra dette aksiale gasskyvekraftlager returnert tilbake til kompressorens sugeside. 2. Rygg - mot - rygg kompressorkonfigurasjon, se fig. 3. Anvende det samme aksiale gasslager prinsipp som for aksial platekonifgurasjon, men løpehjulets nav anvendes imidlertid som den roterende del, mens den aksiale gasslagerstator er plassert mellom de 2 kompressorseksjonene. Prosessgassen tilføres fra det siste løpehjulet i hver kompressorseksjon, og fluidet som passerer i luftgapet mellom løpehjul et og statoren vil skape gasslagerets belastningsevne, hvorved funksjonen av et balanseringsstempel og et skyvekraftlager kombineres.

Lekkasjetakten og gasslagertrykket kan styres ved å installere en ventil nedstrøms for skyvekratflageret, hvorved oppnås en kontrollerbar lekkasjetakt og kraft/dempningskoeffisienter. En slik ventil også kunne være justerbar i det driftsmessige hastighetsområdet for å optimalisere både rotordynamikk og kompressorvirkningsgrad. 3. Løpehjulkonifgurasjon, se fig. 4. Anvende det samme aksiale gasslagerprinsipp som for aksialplatekonfigurasjon, men imidlertid å anvende alle løpehjul med omgiende statorvegger gjennom kompressoren som et skyvekraftlager på én eller begge sider av løpehjulet radielle overflate for å utligne den netto aksiale kraft fra løpehjulet. Slik aksialt gasslager løsning ville være mulig for å redusere trinnlekkasje og kan eliminere eller redusere behovet for mellomtrinnstetninger (labyrinter) overalt i kompressoren.

Andre gunstige aspekter ved den foreliggende oppfinnelse skal forstås fra de underordnete krav og omtalen nedenfor.

Rotoren kan være kortere og stivere, noe som gir opphav til bedre rotordynamisk ytelse og/eller kortere og tynnere som involverer vektbesparelser. Konvensjonelle sentrifugal-gasskompressorer eller kompakte, hermetisk avtettede, motordrevne kompressorer er to nyttige, men ikke den eneste applikasjon der oppfinnelsen forventes å ha fordeler.

Den foreliggende oppfinnelse vil nå bli omtalt i nærmere detalj med hjelp av foretrukne, illustrerende utførelsesformer vist på tegningene, der: Fig.l viser et skjematisk snittriss av den tradisjonelle utformning for en rotor i en kompressor som har et utbalanseirngsstempel og skyvekraftplatelager, og Fig. 2 viser et skjematisk snittriss av en foretrukket utførelsesform, ifølge den foreliggende oppfinnelse, som har en radiell plate og en gasslagerstator som omgir platen, hvorved kombineres funksjonen av slikt tidligere kjent utbalanseringsstempel og skyvekraftlager; Fig. 3 viser et skjematisk snittriss av en foretrukket utførelsesform, ifølge den foreliggende oppfinnelse, som anvender løpehjulnavet som plate og den omgiende vegg som gasslagerstatoren. Dette gjelder begge seksjoner i rygg - mot - rygg kompressoren, hvorved kombineres funksjonen av slikt tidligere kjent utbalanseringsstempel og skyvekraftlager; og Fig. 4a og 4b viser et skjematisk snittriss av en foretrukket utførelsesform, ifølge den foreliggende oppfinnelse, ved å anvende ett eller flere løpehjul som roterende plate(r) og de omgiende overflater som den gasslagerstatoren, hvorved kombineres funksjonen av slikt tidligere kjent utbalanseringsstempel og skyvekraftlager.

Selv om en kompressor er nevnt i omtalen her, er alle andre former av roterende maskineri anvendbare, slik som pumper, turbiner og ekspandere, der et fluid, eksempelvis gass, skal gis et økt eller redusert trykk.

Det aksiale lager krever trykkdifferensial for å fungere. En anordning for start/ stopp kan derfor være nødvendig. Dette kunne oppnås ved aerostatisk innvirkning ved å trekke gass fra en akkumulator eller ved bruk av et ikke vist reservelager av passende type og som har redusert kapasitet.

Den foreliggende oppfinnelse beskriver et aksialt skyvekraftlager for rotorer 4 i roterende maskineri, der lageret omfatter minst én radiell plate 5, enhetlig med eller festet til rotoren 4 og én fast tetning 2 som vender mot hver plate eller to faste tetninger 2 som er plassert til å omgi hver plate. De nedre deler av tetningene er plassert i en avstand fra rotoren for å tillate innstrømningen av komprimert fluid å passere i gapet mellom den respektive plate og tetningene. Således er det oppfinneriske konsept å kombinere egenskapene for et utbalanseringsstempel og skyvekraftlagerplate inn i kun én komponent. Dette nye konsept leder arbeidet som kreves identisk med den gamle løsning, men med mindre plass og intet støttesystem.

Det forutsettes således bruken av en standard type av radial plate 5, eller løpehjul som nevnt ovenfor, med en plan overflate flate-mot-flate med den respektive tetning, eller platen kan alternativt forbedres med en sporforsynt type av plate for å oppnå en høyere belastningskapasitet i aksial retning (ikke vist). For å sikre at gassens høye trykk deles likt til begge sider, kan den radielle platen selv inneholde minst ett balanseringshull 6, hvorved muliggjøres likt trykk mellom de to sidene av platen. Som vist i fig. 2 er der fire slike hull, men det forstås at et annet antall er like anvendbart.

Fig. 3 tilveiebringer en løsning for en kompressortype som er benevnt som rygg - mot -rygg, der to seksjoner internt i én kompressor komprimerer gassen. Det høyeste utløpstrykket fra hver seksjon møtes i midten av maskinen. For denne konfigurasjon vil gasslekkasjene fra høyt trykk i hver seksjon lekke over løpehjulets aksiale utbalanseringstetning tilbake til sug eller brukes som en kjølende gass for integrerte motor-kompressor maskiner.

I fig. 4 lekker gasstrykket fra det høye trykk til lavtrykkssiden. Den netto aksiale kraft genereres av trykket og overflaten av løpehjulet. På grunn av det reduserte areal på én side av løpehjulet, blir den aksiale kraft ikke utbalansert, men kombineringen av denne aksiale tetning på side utligner den aksiale kraft fra trykket. Dette kan anvendes for ett eller flere løpehjul i en gunstig konfigurasjon, for derved å oppnå en begrenset mengde av aksial kraft.

Gassen med økt trykk fra kompressoren går inn i en radiell tetning 2. I en gunstig konfigurasjon for slike tetninger bør den roterende platen 5 være glatt, mens statoroverflaten bør være grov for å redusere lekkasje og forbedre dynamiske koeffisienter for stivhet og dempning. Statorgrovheten kan ha formen av bikube (HC = honeycomb) eller hullmønster (HP = hole pattern) avsmalnet tetning (ikke vist). Som vist på fig. 2 kan tetningene være konvergerende i den radielle retning, eller alternativt være parallelle eller divergerende med platen, eller endog eventuell kombinasjon derav. Således er tetmngsutformning og lageregenskaper i stand til å definere det endelige system.

Når gassen strømmer over tetningsoverflaten genereres det en trykkraft i den aksiale retning som produserer stivhet og dempning. Denne stivhet og dempning forsøker å opprettholde en senter akselposisjon mellom de to tetningene. Når gassen har forlatt utgangen fra de to radielle tetninger, returnerer den tilbake til sug 3 hos kompressoren som et normalt kompressorutbalanseringsstempelsystem.

Dersom ekstreme skyvekraftkrefter er tilstede, er det mulig å utbalansere lageret ved å anvende en lengre radiell lengde for de radielle HP eller HC tetninger 2 i den retning som krever ytterligere kraft, dvs. aktiv eller passiv skyvekraft. Avstanden mellom rotoren 4 og den nedre enden av minst tetningen som vender mot løpehjulene kan også varieres for å justere innstrømningen av gass langs sidene av platen 5.

Således bruker den foreliggende oppfinnelse gasskrefter som genereres mellom en roterende plate og to radielle tetninger for å utbalansere en turbokompressor i aksial retning. Den integrerte løsning tilveiebringer skyvekraftlageregenskaper, dvs. stivhet, dempning og belastningskapasitet, mellom platen og tetningene. Utbalanseringen i aksial retning kan oppnås ved å justere én av de radielle tetninger for å tilveiebringe mer eller mindre lageregenskaper.

Ved å bevege utbalanseringsstempelet fra å lekke i aksial retning til radiell, forventes en vesentlig positiv effekt i form av stabilitet av rotoren, dvs. rotordynamisk effekt. Aksellengden reduseres drastisk, hvilket er gunstig for kritisk hastighet og kompakte maskiner. Maskineriet er ikke følsomt for radiell vibrasjon fordi tetningen er plassert i aksial retning, idet normalt radielle tetninger får skade over tid. På grunn av platelengden forventes det en betydelig mengde av belastningskapasitet i denne bestemte utformning.

Claims (7)

1. Aksialt gasskyvekraftlager for rotorer (4) i roterende maskineri,karakterisert vedat lageret omfatter minst én radiell plate (5), enhetlig med eller festet til rotoren (4) og én fast tetning (2) som vender mot hver plate (5) eller to faste tetninger (2) som er plassert til å omgi hver plate (5), idet nedre deler av tetningene (2) befinner seg i avstand fra rotoren (4) for å tillate innstrømningen av komprimert fluid å passere i gapet mellom den respektive plate (5) og tetningene (2), for derved å kombinere egenskapene hos et utbalanseringsstempel og skyvekraftlagerplate.

2. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge krav 1,karakterisert vedat tetningen (2) er radielt konvergerende, divergerende eller parallell med den radielle platen (5) eller kombinasjoner derav.

3. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat tetningen (2) er variabel i deres radielle utstrekning for derved utbalansere lageret med hensyn til ekstreme skyvekratfkrefter.

4. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat tetningen (2) er forsynt med et bikube-eller hullmønster i overflaten som vender mot platen (5).

5. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat avstanden mellom rotoren(4) og minst tetningen (2) som vender mot det innstrømmende fluid er variabel for derved å endre dempnings- og stivhetsegenskapene hos lageret.

6. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat den radielle platen (5) er utformet med plane eller sporforsynte overflater som vender mot tetningen (2).

7. Aksialt gasskyvekraftlager ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den radielle platen (5) er forsynt med minst ett utbalanseringshull (6).