NO330109B1 - Opplagringssystem for rotor i roterende maskiner - Google Patents

Abstract

Et opplagringssystem for rotor i roterende maskiner, så som kompressorer, pumper, turbiner, ekspandere, utmerker seg ved at hvert lager- og tetningspunkt for rotoren (16) er i formen av en lager- og tetningskombinasjon (17) som er tilformet av en stator (18) anbrakt inne i et roterende maskinhus, og som omgir rotoren (16). Statoren (18) er tilformet med en boring (19), slik at det dannes en ringformet spalte mellom stator og rotor, og boringen (19) har gradvis økende tverrsnittsareal i retning mot høyere trykk (P2) i den roterende maskinen.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et opplagingssystem for en rotor i roterende maskiner, slik som angitt ved innledningen av patentkrav 1.

I eksisterende roterende maskiner er rotoren opplagret både aksialt og radialt. Dette kan skje ved hjelp av lagre som er oljesmurte, magnetiske, gassdynamiske, etc. Felles for alle er at lengden av rotorakslingen øker. Kompliserte og kostbare støttesystemer er dessuten en nødvendighet, med unntak for gassdynamiske lagre. Gassdynamiske lagre av feiltypen trenger ikke slike støttesystemer, men bæreevnen er foreløpig langt under det som er påkrevd for roterende maskiner med høy effekt eller trykk.

Andre hydrodynamiske og hydrostatiske gasslagre er foreslått og til dels testet uten å få noen utbredelse av betydning. Typiske for hydrodynamiske lagre, for eksempel et foil-lager, er at rotasjonen utvikler et løft som gir bæreevne. I hydrostatiske lagre skjer det en ekstern trykksetting ved hjelp av spesielt tilformede lommer i lagrene. Denne lager-typen krever separate tetninger.

Noen eksempler på slike opplagringer fremgår av EP-A1 1607633, 1619355, US-A 5827042 ogWO-Al 97/13084.

Av disse omtaler EP-Al 1607633 en vakuumpumpe med to skruerotorer som er under-støttet av et par opplagringer installert på et par aksler. Oppfinnelsen utmerker seg ved at et par akseltetninger som ikke er i berøring med akselparet, er installert mellom skruerotorene og opplagringsparet.

EP-A1 1619355 gjelder en dampturbin rotor som er dreibart opplagret i lengderetning-en. I dette tilfellet sørger turbinkomponenter for at det rundt rotoren dannes kamre som er utsatt for et indre og ytre trykk, som er ulike. Turbinen har minst én vanndrevet ak-selopplagringskomponent for opptak av rotoren, slik at denne komponenten sammen med turbinkomponenten er tettet direkte etter hverandre i lengderetning.

US-A 5827042 viser en pakkboks for en sentrifugalpumpe, der et spiralspor er skåret på den ytre overflaten et par skrånede opplagringsoverflater for rotoren. Barrierevæske mates til en inngangsmunning i spiralsporet, og sporet genererer et trykk i spiralsporet som er høyt nok til å overvinne prosesstrykket.

Til sist avdekker WO-A1 97/13084 en skovlhjulspumpe i hvilken tetning- og opplag-ringsenheten har to rotor-statorpar skrånede bøssinger med et spiralspor som overfører barrierefluid fra en inngangsmunning et inngangskammer til en utgangsmunning i et utgangskammer for å gi enheten mekanisk stabilitet, aksial understøttelsesevne og be-standighet mot vibrasjon.

US5310265 beskriver et hydrostatisk lager med en aksel ("journal") og et lager, hvor en høytrykksfluid tvinges mellom lageret og akselen aksialt. Andre trekk inkluderer en konisk indre flate av lageret.

Dette innebærer at den eksisterende teknologien gir løsninger som er kostbare, kompliserte, plasskrevende og ikke spesielt pålitelige.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er således å fremskaffe et forbedret opplagringssystem for rotoren i roterende maskiner, med kombinert opplagring og tetning av rotoren.

Dette formålet oppnås ved hjelp av opplagringssystemet angitt i patentkrav 1. Foretrukne utførelser av oppfinnelsen vil forstås av de uselvstendige patentkravene og den etter-følgende omtalen av foretrukne utførelser.

Gevinster ved et slikt kombinert opplagringssystem er bl.a. at utformingen kan skje på kompakt måte, slik at rotoren kan gjøres kortere og stivere for øket rotordynamisk ytel-se, alternativt kortere og tynnere for vektreduksjon, at tetningsaspektet får langt mindre betydning enn tidligere, og at kostnadene reduseres betydelig som følge av pålitelighe-ten eller endog gjennomførbarheten ved anvendelse av den roterende maskinen i et un-dersjøisk miljø. Det faktiske arbeidsmediet i maskinen kan dessuten benyttes under drift av systemet for derved ytterligere å redusere kompleksiteten sammenlignet med kjente løsninger.

Ved å tilforme lager- og tetningskombinasjonen i henhold til oppfinnelsen av et aksiallager i formen av en sylindrisk skive på rotoren og som ligger mot et tilhørende parti av statoren, kan det dannes en gassfilm med stivhet og demping etter samme prinsipp som i et radiallager med ønsket dynamisk stivhet og demping. Alternativt kan aksiallageret tilformes etter det hydrostatiske prinsippet, noe som innebærer en strømningsrestriksjon før og etter lagerflaten, for derved å oppnå stivhet med ledsagende demping. Aksiallageret kan også tilformes ved en kombinasjon av de to prinsippene.

Den foreliggende oppfinnelse skal nå omtales nærmere ved hjelp av foretrukne illustre-

rende utførelser som er vist på tegningene, i hvilke:

fig. IA og IB viser skjematisk forskjellen mellom en tradisjonell roterende maskin i form av en kompressor med motordrevet rotor, og den tilsvarende tilformet i samsvar med oppfinnelsen;

fig. 2 viser skjematisk i et vertikalt snitt den grunnleggende oppbygning av en kompo-nent med kombinert lager og tetning som inngår i det foreliggende opplagringssystem;

fig. 3 viser skjematisk en utførelse med flere av komponentene fra fig. 2 og en opp-starts- nedkjøringsakkumulator;

fig. 4 viser skjematisk ytterligere en annen utførelse med mulighet til endring av spalte-geometrien til opplagringssystemet, henholdsvis indre trykkforskjeller i den roterende maskinen;

fig. 5 viser skjematisk det samme som fig. 2, men her tilformet med to sett radiale hull-mønstre for øket demping i opplagringssystemet ved hjelp av gassutveksling; og

fig. 6 viser skjematisk en utførelse av oppfinnelsen med kompressor og motor anbrakt i samme hus; og

fig. 7A til 7D viser skjematisk en annen utførelse av en stator utstyrt med bl.a. lede-skovler henholdsvis i perspektivriss i utsnitt og sett flatlagt i et horisontalplan.

Med henvisning til fig. 1 skal den foreliggende oppfinnelse forklares nærmere i forbindelse med roterende maskiner, så som eksempelvis en kompressor for bruk i undersjøis-ke miljøer og som har en motordrevet rotor. Dette må imidlertid ikke oppfattes som om oppfinnelsen kun gjelder den illustrerte kompressoren, ettersom den selvsagt er anven-delig for andre roterende maskintyper og bruksmiljøer. Videre bør det legges merke til at tegningene kun viser detaljer som har betydning for forståelsen av oppfinnelsen.

Slik som vist på fig. IA, har den tradisjonelle kompressoren en motordrevet rotor, utstyrt med henholdsvis et lagersystem 13 og et tetningssystem 14 som er plassert på en rotoraksling 12 i hver ende utenfor et kompressorhus 11. For den foreliggende oppfinnelse er, slik som illustrert på fig. IB, disse utvendige lager- og tetningssystemene der-imot erstattet av minst to komponenter 17, av hvilke kun én er vist og som er plassert inne i kompressorhuset 15. Den nye komponenten 17 fungerer dessuten som en kombinasjon av lager og tetning for rotoren 16, se fig. 2. Dette innebærer at kompressoren kan utstyres med en passende motor, se fig. 6, som er anordnet inne i kompressorhuset. Derved faller behovet for ytre akseltetninger helt bort, med den følge at den roterende maskinen som sådan får langt enklere konstruksjon.

Prinsippet for det kombinerte lageret og tetningen 17 fra fig. IB er illustrert i større de-talj på fig. 2.1 henhold til denne generelle utførelsen av oppfinnelsen er en tilnærmet

sylindrisk stator 18, dvs. den stillestående delen som omslutter rotoren 16, tilformet med en boring 19, slik det dannes en ringformet spalte mellom disse. Statoren 18 utgjør således et "opplagringspunkt" for rotoren 16. Videre utnyttes trykkforskjellen, dvs. trykkfal-let fra over spalten, for å få funksjonen som kombinert rotorlager og -tetning. På fig. 2

er dette symbolisert ved hjelp P2 og Pl, altså henholdsvis utløps- og innløpstrykket til kompressoren. Forutsetningen for et vellykket resultat er imidlertid at den ringformede spalten har en geometrisk utforming som gir tilstrekkelig stivhet og demping i de aktu-elle frekvensområdene, slik som symbolisert ved K og C på fig. 2. Stivheten kan besør-ges ved å la den ringformede spalten konvergere mot det lavere trykket, slik at inn-løpsklaringen er større enn utløpsklaringen. Det oppnås således direkte positiv stivhet i opplagringen. Direkte positiv demping kan tilveiebringes ved hjelp av beskaffenheten til overflaten 20 av statoren vendt mot rotoren, f.eks. ved hjelp av en bikakestruktur eller annen type ruhet i overflaten. Statoren 18 er for eksempel montert i et T-formet spor (ikke vist) med løs pasning i kompressorhuset.

Direkte positiv stivhet er et kjent begrep innen rotordynamikken og innebærer at radial bevegelse av rotoren motvirkes av lageret, slik at det samme holder rotoren sentrert i spalten for korrekt posisjonering av i forhold til statoren. Direkte positiv demping betyr at rotoren "bremses" eller dempes av lageret.

Med henvisning til fig. 3 er det illustrert en utførelse som er et eksempel på bruk av den foreliggende oppfinnelse der de kombinerte lagrene og tetningene 3, 4, 5 er av typen omtalt over i forbindelse med fig. 2.1 dette tilfellet er det også anordnet interntetninger 1, 2 mellom hver impeller. De sistnevnte kan utformes en konvergerende spalte eller en annen passende geometri for derved å forbedre de rotordynamiske egenskapene om funnet hensiktsmessig. Interntetningene kan alternativt kun ha en funksjon som tetninger med tradisjonell utforming.

Det er videre klart at de kombinerte lagrene og tetningene trenger trykkforskjell for å bevirke en påkrevd stivhet og demping. Dette er et forhold som er nødvendig å ivareta

under oppstart og nedstengning. Slik som vist på fig. 3, kan trykkforskjellen skaffes ved hjelp av en akkumulator 6 som er satt i forbindelse med de respektive lager- og tetningskombinasjonene 3, 4, 5 på hvilken som helst passende måte. Akkumulatoren er fylt med gass trykksatt til utløpstrykket P2 for injisering til lager- og tetningskombinasjonene 3, 4, 5. Et alternativ er montering av særskilte oppstartings- og nedkjøringslagre 7 som også supplerende er vist på fig. 3, eksempelvis lagre av samme type som brukes i mag-netlagre, og som tåler berøring i en kort periode under oppstarting eller nedkjøring.

Konseptet i samsvar med oppfinnelsen kan implementeres i en hermetisk kompressor,

der motoren er plassert i en trykksatt gassatmosfære, eller i en tradisjonelt eksternt dre-vet roterende maskin. I det sistnevnte tilfellet må det da benyttes en utpekt akseltetning 8 for å tette mot atmosfæren. En slik tetning kan imidlertid gjøres vesentlig mindre enn normalt, ettersom akseldiameteren kun skal dimensjoneres for overføring av nødvendig dreiemoment. Gevinsten ved den reduserte akseldiameteren er at anvendelsesområdet til høytrykkskompressorer utvides som følge av mindre tetninger tåler større trykk. Kort-fattet uttrykt er tekniske begrensninger på tillatt tetningstrykk avhengig av tetningsdia-meter. Ettersom det med bruk av den foreliggende oppfinnelse ikke er behov for et sær-skilt bærelager utenfor tetningen, kan altså diameteren gjøres vesentlig mindre enn i en tradisjonell roterende maskin,

Likeledes er det mulig, slik som vist på fig. 4, i tillegg å se for seg en justering av geometrien til de kombinerte lagrene og tetningene ved bruk gasstrykksforskj eller i den roterende maskinen og lede nødvendige boringer ut til et pådragsorgan, eksempelvis en reguleringsventil 17 som endrer trykket i et hulrom mellom stator og kompressorhuset, eller i statoren på slik måte at trykkreftene endrer geometrien til lager- og tetningsspal-ten. Med en slik variant kan det oppnås en nødvendig frihetsgrad for å ivareta ulike driftsbetingelser ved endring av stivhet og demping i de kombinerte lagrene og tetningene.

Slik som vist på fig. 5, kan dempingen økes ytterligere med alternativ tilforming av overflaten av statoren 18 vendt mot rotoren 16.1 dette tilfellet har boringen 19 i statoren 18 en overflatestruktur 21 som består av et ytre radielt hullmønster og et tilsvarende indre hullmønster, men slik plassert i forhold til hverandre at en gassutveksling kan finne sted i retning mot det større trykket P2.

Motoren 22 og kompressoren 23 kan, slik som skjematisk vist på fig. 6, også anbringes i det samme huset 24. Dette medfører at ekstern tetning på fordelaktig måte ikke er påkrevd.

Ellers bør det legges merke til at et passivt permanentmagnetlager, se fig. 2, kan benyttes for understøttelse av rotoren. Dette vil avlaste fluidfilmen og øke lagerets totale stivhet, noe som er særlig ved oppstart eller nedstengning. I et slikt tilfelle anordnes det passive permanentmagnetlageret integrert i lager- og tetningskombinasjonen eller separat ved siden av kombinasjonen.

Det vises nå til fig. 7A til 7D for ytterligere forklaring av fordelaktige utførelser av oppfinnelsen med alternativer for å redusere gassrotasjon. Alternativene kan være enkelt-stående eller i kombinasjon med hverandre, og på tegningene er det vist med henvis-ningsindikatorer at "a" angir er et eksempel på aksial ribbe, "b" angir et eksempel på aksial børste "c" angir eksempel på skråstilt hullmønster, og "d" angir er eksempel på et ledeapparat, hvor det sistnevnte kan være en ledeskovl. Selv om fig. 7B til 7D alle viser en slik ledeskovl, skal det forstås at ledeskovlen kan brukes separat eller i kombinasjon med én eller flere av de andre variantene. Ellers skal spesielt legges merke at varianten i samsvar med fig. 7A viser at det i tillegg til de aksiale ribbene er anordnet en egen bikakestruktur 25, som eventuelt kan brukes sammen med de øvrige nevnt over. Eksemple-ne foran og deres respektive anvendelser vil forklares under. I reelle anvendelser benyttes det en klaring i spalten på omtrent 0,2-0,3 mm.

Langsgående, aksiale ribber innebærer en forhøyning i overflaten som er plassert i statorens lengderetning.

Børster tilsvarer til dels de langsgående, aksiale ribbene nevnt foran, men i stedet for av "hel ved" er disse laget av børster med ørsmå radiale tråder.

Utforming av hullmønster er små hull i overflaten plassert i et mønster som er skråstilt i forhold til aksial retning, slik at gassens strømningsmotstand eller friksjon er retnings-bestemt. Skråstilt tenkes her eksempelvis i forhold til statorens aksialretning.

I en variant av oppfinnelsen er statoren slik utformet at gassrotasjon i spalten som be-virker tetning og opplagring er minimal, for å oppnå tilstrekkelig effektiv dempning ved lave frekvenser. Dette kan for eksempel oppnås med langsgående, aksiale ribber, børster eller ved utforming av hullmønster slik at gassen lettere strømmer mot akslingens rotasjonsretning. Likeledes kan ett eller flere segmenterte ringrom plasseres i statoren, med

eller uten injeksjon/ekstraksjon av gass for å oppnå samme effekt.

Gass fra en akkumulator kan for eksempel injiseres i ett eller flere hull i en nedre halvdel av lager- og tetningsringene. Hullenes dimensjon er fordelaktig tilpasset spaltens geometri og rotorens vekt etter et hydrostatisk lagerprinsipp.

Ved en utførelse er det fastslått at for noen anvendelser vil tidligere kjente mønster for å oppnå ruhet i stator, så som hullmønster, bikakestruktur, etc., ikke gi tilstrekkelig effektiv dempning ved lave eksitasjonsfrekvenser. I slike tilfeller er det funnet fordelaktig å endre disse ruhetsmønster, slik at de også utformes med aksiale, langsgående ribber eller børster eller lignende for å redusere gassfilmens rotasjon og dermed gassfilmens krysskoplingsstivhet.

I tillegg, eller som alternativ til det ovennevnte, kan mønstret i statoren utformes på en slik måte at strømningsmotstand er høyere i retning med rotasjonsretningen, f.eks. ved et skråstilt hullmønster. Dermed vil gassens rotasjon i spalten reduseres i forhold til kjent teknikk.

Som et ytterligere tillegg, eller alternativ, kan det arrangeres et ledeapparat ved innløpet til lager- og tetningsenhetens stator 18, noe som gir gassen en startrotasjon i motsatt retning av rotorens 16 rotasjonsretning.

Disse utførelsene innebærer at statoren er slik utformet at gassrotasjon i tetnings- og lagerspalten er minimal, for å oppnå tilstrekkelig effektiv dempning ved lave frekvenser. Dette kan oppnås, som angitt over, generelt og ved eksempler, med langsgående ribber, børster eller ved utforming av hullmønster slik at gassen lettere strømmer mot rotasjonsretningen. Likeledes kan ett eller flere segmenterte ringrom plasseres i stator, med eller uten injeksjon/ekstraksjon av gass for å oppnå samme effekt.

Med hensyn å oppnå fordelaktighet ved alle driftsfaser er oppfinnelsen slik innrettet at gass fra akkumulator kan injiseres i ett eller flere hull i nedre halvdel av lager- og tetningsringene. Hullenes dimensjon er da fordelaktig tilpasset spaltens geometri og rotorens vekt etter et hydrostatisk lagerprinsipp.

Claims (14)

1. Opplagringssystem for en rotor i roterende maskiner, så som kompressorer, pumper, turbiner, ekspandere, idet rotoren er forsynt med minst to lagre og tilhørende tetninger og hvert lager- og tetningspunkt for rotoren (16) er i formen av en lager- og tetningskombinasjon som er tilformet av en stator (18) anbrakt inne i et roterende maskinhus (15), og som omgir rotoren (16), hvor statoren (18) er tilformet med en boring (19), slik at det dannes en ringformet spalte mellom stator og rotor, og hvor boringen (19) har gradvis økende tverrsnittsareal i retning mot høyere trykk (P2) i den roterende maskinen,karakterisert vedat statoren (18) er utstyrt med midler (a,b,d) for demping av gassrotasjon i den ringformede spalten i formen av i det minste én av en aksial ribbe (a), en børste (b) og et ledeapparat (d), så som ledeskov-ler.

2. Opplagringssystem ifølge krav 1,karakterisertv e d at lager- og tetningskombinasjonen er et aksiallager tilformet som en sylindrisk ski vedel av rotoren (16), og som ligger mot et tilhørende parti av statoren (18), slik at det kan dannes en gassfilm med stivhet og demping etter samme prinsipp som i et radiallager med ønsket dynamisk stivhet og demping.

3. Opplagringssystem ifølge krav 1,karakterisertv e d at aksiallageret er tilformet etter et hydrostatisk prinsipp som innebærer en strømningsrestriksjon før og etter dets lagerflate for derved å oppnå stivhet med ledsagende demping.

4. Opplagringssystem ifølge krav 2 eller 3,karakterisertv e d at aksiallageret er tilformet som en kombinasjon av radiallageret med gassfilm og det hydrostatiske prinsippet med strømningsrestriksjon før og etter lagerflaten.

5. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat boringen (19) er tilformet med en ujevn overflatestruktur.

6. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat boringen (19) er tilformet med en bikakestruktur eller et hullmønster (20).

7. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat boringens (19) overflatestruktur (21) har en ytre sone som består av et ytre radielt hullmønster og et indre kanalmønster, men slik plassert i forhold til hverandre at en gassutveksling kan finne sted i retning mot det stør-re trykket (P2).

8. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat ved oppstart eller nedkjøring av den roterende maskinen er det større trykk (P2) besørget ved hjelp av en akkumulator (6) som inneholder gass ved et slikt trykk, og som står i forbindelse med hver enkelt lager- og tetningskombinasj on.

9. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat systemet omfatter minst to støttelagre (7) som er anordnet i tilknytning til respektive lager- og tetningskombinasjon, og som er av en type egnet for å tåle berøring i en kort periode under oppstarting eller nedkjøring.

10. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat systemet omfatter et pådragsorgan (7), så som en reguleringsventil, for derved å justere geometrien til respektive lager- og tetningskombinasjon ved hjelp av påførte trykkrefter.

11. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat motoren (22) og kompressoren (23) er anbrakt i samme hus (24).

12. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat et passivt permanentmagnetlager for un-derstøttelse av rotoren (16) ved oppstart eller nedstengning er anordnet integrert i lager-og tetningskombinasj onen eller separat ved siden av denne.

13. Opplagringssystem ifølge hvilket som helst av de foranstående krav,karakterisert vedat nevnte midler for demping av gassrotasjon i den ringformede spalten videre omfatter et skråstilt hullmønster (c).

14. Roterende maskin, så som kompressorer, pumper, turbiner, ekspandere, omfat-tende opplagringssystemet ifølge hvilket som helst av de foranstående krav.