Многоточечная система крепления для вращающихся машин
MULTIPOINT ATTACHMENT SYSTEM FOR ROTARY MACHINES

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в целом к устройствам и системам крепления для вращающихся машин, таких как газотурбинные двигатели, электродвигатели, генераторы, турбокомпрессоры и тому подобное. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованиям таких систем и устройств крепления для использования в нефтегазовой промышленности.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Специализированные системы крепления были разработаны для различного оборудования в различных областях техники. Было обнаружено, что для относительно крупных, громоздких машин, таких как газовые турбины, большие электрические генераторы и турбокомпрессоры, часто возникает необходимость в разработке систем крепления, которые могут обеспечивать надежную поддержку и устойчивость компонентов машин, при этом с учетом конкретных конструктивных особенностей этих машин. В стратегиях крепления часто необходимо учитывать условия окружающей среды, в которых будет работать конкретная машина.
Нефтегазовая промышленность обеспечивает ряд иллюстративных ситуаций, когда для особых условий работы очень больших вращающихся машин требуются специальные системы крепления. Установки вращающихся машин обычно содержат главный привод, такой как газотурбинный двигатель, приводящий в действие нагрузку, состоящую из вращающейся машины, т.е. электрический генератор или турбокомпрессор. В контексте настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения термин «турбокомпрессор» используется для обозначения компрессора динамического типа, такого как осевой или центробежный компрессор.
Вращающиеся машины часто размещают на плите или раме основания, образуя модульную конструкцию. Раму основания, в свою очередь, устанавливают на несущей конструкции, такой как морская платформа или палуба морского судна, или в целом любая другая стальная конструкция.
Типичные применения больших вращающихся машин в нефтяной и газовой промышленности включают объекты сжижения природного газа. Природный газ, добываемый с морского газового месторождения, охлаждают и сжижают для транспортировки. Для охлаждения и сжижения природного газа в процессе охлаждения пропускаются хладагенты. Турбокомпрессоры, приводимые в движение газотурбинным двигателем, используются для пропускания хладагента в холодильном цикле. Газотурбинные двигатели используются также для производства электроэнергии, для приведения в действие электрогенератора. Большие вращающиеся турбокомпрессоры также используются в области нефти и газа для инжекции газа и газолифтных применений.
Плиты основания для вращающихся машин такого типа должны быть выполнены таким образом, чтобы выдерживать высокие статические и динамические нагрузки из-за веса самих вращающихся машин, а также нагрузки, возникающие при их эксплуатации. Динамические нагрузки включают рабочие нагрузки, связанные с нормальной работой машин, а также случайные и внешние нагрузки. Первые происходят из-за ненормальных условий работы вращающихся машин, например, из-за дисбалансов, вызванных потерями лопаток в турбине. Последние могут быть вызваны, например, под действием волны или ветра на судно или на морскую платформу, где установлены вращающиеся машины.
Во всем другом плоская, обычно лежащая в одной плоскости корабельная палуба может испытывать скручивающее действие под воздействием волн или другие вибрации и механические напряжения и, в свою очередь, может передавать скручивающее действие плите основания, на которой установлены вращающиеся машины.
Тогда как в применениях на поверхности земли вращающиеся машины обычно закрепляют с помощью многоточечной гиперстатической системы (также называемой статически неопределенной или статически неопределимой системой), гиперстатическая установка непригодна в прибрежных применениях, из-за указанных выше движений, например, волнового действия или тому подобного.
Например, скручивание палубы судна из-за волнового воздействия может привести к фактическому перемещению точек крепления гиперстатической многоточечной системы из первоначально предназначенной плоскости крепления. Это, в свою очередь, приводит к перекосу вращающихся валов ряда вращающихся машин, установленных на раме или плите основания. В случае оборудования, имеющего малые допуски на несоосность компонентов, вышеуказанная ситуация может быть фатальной.
В попытке решить вышеуказанные проблемы были разработаны трехточечные системы крепления. Трехточечная система крепления содержит плиту или раму основания, имеющую верхнюю поверхность, где установлены вращающиеся машины, и нижнюю поверхность, на которой расположены три опорных элемента. Опорные элементы соединяют раму основания с палубой судна, или с морской платформой, или с любой другой несущей конструкцией. Опорные элементы расположены в вершинах равнобедренного треугольника, который может быть центрирован с центральной линией плиты основания или с осью валов вращающихся машин, размещенных над плитой основания.
Конструкция опорных элементов такова, что обеспечивается изостатическая связь между плитой основания и несущей конструкцией. С этой целью каждый опорный элемент обеспечивает такие ограничения, как возможность всех поворотных перемещений, но предотвращает все поступательные перемещения, за исключением одного горизонтального направления, то есть в одном направлении, параллельном раме основания. Одна степень свободы, оставленная каждым опорным элементом, обеспечивает, например, возможность теплового расширения рамы основания относительно палубы или другой несущей конструкции из-за тепла, выделяемого турбомашиной во время работы. Это изостатическое соединение допускает любое смещение между рамой основания и несущей конструкцией, не вызывая дополнительных напряжений в раме основания, что отрицательно повлияло бы на центрирование вращающихся машин. Более того, использование трехточечного изостатического соединения упрощает техническое решение несущей конструкции, поскольку ее суммарная жесткость не меняется.
Как правило, в подобных трехточечных изостатических устройствах крепления в качестве опорных элементов могут использоваться карданные шарниры, то есть сферические соединения, установленные на поворотных штифтах, или антивибрационные опоры.
Однако трехточечные изостатические системы соединения имеют некоторые недостатки. В частности, поскольку вся статическая и динамическая нагрузка должна поддерживаться только тремя опорными элементами, последние часто имеют большие размеры. К опорным элементам могут быть случайно приложены чрезмерные нагрузки, что приводит к отказу. Рама основания может испытывать чрезмерный прогиб или иметь недостаточную плоскостность. Кроме того, динамические и статические нагрузки, действующие на палубу судна или на морскую платформу, где установлена турбомашинная установка, сконцентрированы в трех точках.
Концентрация нагрузки требует, чтобы опорные элементы и палуба были рассчитаны выдерживать нормальные рабочие нагрузки, а также аварийные или случайные нагрузки.
Эти аспекты становятся особенно важными в случае очень крупных деталей машин. Необходимость использования трехточечных систем крепления, чтобы избежать недостатков многоточечных, гиперстатических систем, ограничивает размер вращающихся машин, который может быть использован.
Кроме того, кожух, окружающий вращающиеся машины, установленные на плите основания, может поддерживаться плитой основания и вносить вклад в общий вес системы. Таким образом, использование трехточечных систем крепления может быть затруднено в случае тяжелых кожухов, поддерживаемых плитой основания, или может ограничить максимальный размер и вес кожуха.
Напряжения, зависимые от окружающей среды, т.е. напряжения, создаваемые внешними факторами окружающей среды, также воздействуют на систему крепления. Например, силы, создаваемые ветром или волновым движением, могут создавать силы, действующие на систему крепления. В случае трехточечных систем крепления эти дополнительные нагрузки должны быть приняты во внимание.
Настоящее изобретение направлено на решение одной или нескольких проблем или недостатков, изложенных выше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, предложена система крепления для поддержки вращающихся машин, содержащая раму основания, имеющую верхнюю сторону для установки вращающихся машин, и нижнюю сторону. Система может дополнительно содержать набор основных опорных элементов, расположенных в треугольной конфигурации и образующих трехточечное устройство крепления, задающее плоскость крепления. Например, в качестве основных опорных элементов могут использоваться системы карданных шарниров или антивибрационных опор. Они образуют трехточечную систему крепления. Согласно вариантам выполнения, раскрытым в настоящем документе, система крепления дополнительно содержит набор вспомогательных опорных элементов, имеющих переменную жесткость, по меньшей мере в одном направлении, выполненных и расположенных таким образом, чтобы увеличивать свою жесткость, когда рама основания подвержена перегрузке. Таким образом, в случае возникновения избыточного смещения вспомогательные опорные элементы уменьшают нагрузку на основные опорные элементы.
Таким образом, основные опорные элементы, образующие трехточечную опорную систему, могут быть рассчитаны для поддержки нагрузок, возникающих в нормальных рабочих условиях. Внезапные или аномальные нагрузки воспринимаются вспомогательными опорными элементами. Они имеют переменную жесткость, так что в нормальных рабочих условиях, когда не требуется вмешательство вспомогательных опорных элементов, они прикладывают к раме основания ограниченную силу реакции. Последняя поддерживается почти только основными опорными элементами и ведет себя так, как если бы она поддерживалась обычной изостатической трехточечной системой крепления, с использованием преимуществ таких систем. Если приложена дополнительная нагрузка, которую основные опорные элементы не предназначены поддерживать, вспомогательные опорные элементы становятся активными и работают вместе с основными опорными элементами для противостояния дополнительной нагрузки.
Таким образом, получается комбинированная система крепления, которая ведет себя как трехточечная система крепления в нормальных рабочих условиях и как многоточечная (гиперстатическая) система в условиях перегрузки.
В соответствии с другим аспектом, в настоящем документе раскрыт способ крепления рамы основания для поддержки вращающихся машин на несущей конструкции. Способ включает следующие этапы:
размещение набора основных опорных элементов на нижней поверхности рамы основания, причем основные опорные элементы образуют трехточечную изостатическую опорную систему;
размещение набора вспомогательных опорных элементов на нижней поверхности рамы основания, причем вспомогательные опорные элементы предварительно запирают в предварительно нагруженном состоянии, при этом жесткость вспомогательных опорных элементов меньше жесткости основных опорных элементов;
размещение рамы основания на несущей конструкции, причем основные опорные элементы вводят в контакт с несущей конструкцией, а предварительно нагруженные вспомогательные опорные элементы отводят от несущей конструкции;
регулирование вспомогательных опорных элементов с осуществлением контакта между вспомогательными опорными элементами и несущей конструкцией;
отпирание вспомогательных опорных элементов.
Признаки и варианты выполнения раскрыты далее в описании и также изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. Вышеприведенное краткое описание содержит признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения, чтобы последующее подробное описание, которое приведено ниже, могло быть лучше понято, и для того, чтобы лучше оценить вклад предлагаемого решения в уровень техники. Разумеется, имеются и другие признаки изобретения, которые будут описаны ниже и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении, прежде чем перейти к подробному описанию нескольких вариантов выполнения изобретения, следует понять, что различные варианты выполнения изобретения не ограничиваются их применением к деталям конструкции и к расположению компонентов, изложенных в последующем описании или проиллюстрированных на чертежах. Изобретение может иметь и другие варианты выполнения и может быть выполнено и использовано различными способами. Кроме того, следует понимать, что используемые в настоящем документе фразеология и терминология предназначены исключительно в описательных целях и не должны рассматриваться как ограничивающие.
Специалисты оценят, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для реализации нескольких целей настоящего изобретения. Поэтому важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции, поскольку они не отходят от сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание описанных вариантов выполнения изобретения и многие из его сопутствующих преимуществ будут легко получены, поскольку они станут более понятными из последующего подробного описания, рассматриваемого совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает вид сбоку рамы основания с установленными на ней соответствующими вращающимися машинами;
Фиг. 2А и 2В изображают схематический вид сверху рамы основания, показанной на Фиг. 1, с удаленными машинами и модифицированным вариантом ее выполнения;
Фиг. 3 и 4 изображают иллюстративные варианты выполнения антивибрационных опор для использования в системе крепления, выполненной в соответствии с изобретением;
Фиг. 5 изображает вид в разрезе сферического шарнира или карданного шарнира, который может быть использован в раскрытой в настоящем документе системе крепления;
Фиг. 6 иллюстрирует иллюстративную диаграмму зависимости смещения от нагрузки иллюстративного варианта выполнения вспомогательного опорного элемента;
Фиг. 7 изображает схематическую диаграмму иллюстративного варианта выполнения вспомогательного опорного элемента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одни и те же или похожие элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.
Ссылка в описании на «один вариант выполнения», «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, включена по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого предмета изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах в описании необязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
На Фиг. 1 схематично показан вид сбоку турбомашинной системы, которая может быть установлена на морской платформе, морском судне или т.п. В некоторых вариантах выполнения турбомашинная система, обозначенная в целом номером позиции 1, может содержать газотурбинный двигатель 3, содержащий компрессорную секцию 3А и турбинную секцию 3В. Газотурбинный двигатель 3 может приводить в действие нагрузку, т.е. турбокомпрессор или турбокомпрессорную установку, электрический генератор или любую другую вращающуюся нагрузку. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, приводной вал 4 газотурбинного двигателя 3 передает вращательное движение посредством редуктора 5 к ведомому валу 6 нагрузки 7, например, турбокомпрессору, например, центробежному турбокомпрессору системы охлаждения сжиженного природного газа, то есть для сжижения природного газа.
В других вариантах выполнения два или большее количество турбокомпрессоров могут быть расположены последовательно в одной и той же установке и приводиться в движение одним и тем же газотурбинным двигателем 3.
В некоторых вариантах выполнения редуктор 5 может быть исключен и газотурбинный двигатель может быть непосредственно связан с нагрузкой.
Последовательно с горячим концом или холодным концом газотурбинного двигателя 3 могут быть соединены дополнительные вращающиеся машины, например, обратимая электрическая машина, которая может работать как стартер, вспомогательное устройство или генератор, в зависимости от потребностей и условий работы установки из последовательно расположенных вращающихся машин.
Вращающиеся машины поддерживаются на верхней поверхности 9А рамы основания или плиты 9 основания. В приведенной в качестве примера схеме на Фиг. 1 вращающиеся машины установлены непосредственно на основании 9. В других вариантах выполнения между одной или несколькими вращающимися машинами и рамой 9 основания может быть расположена промежуточная платформа или рама.
Рама 9 основания может быть установлена на несущей конструкции, как правило, обозначенной номером позиции 11. Обычно несущая конструкция 11 может быть палубой морского судна или морской платформы. Между нижней поверхностью 9В рамы 9 основания и несущей конструкцией 11 предусмотрено устройство крепления, содержащее опорные элементы. Устройство крепления выполнено и расположено так, что изгибные деформации несущей конструкции 11, например, из-за волнового воздействия, не вызывают перекосов вращающихся машин, установленных на раме 9 основания, как будет описано ниже более подробно.
Как показано на Фиг. 2А и 2В, все еще со ссылкой на Фиг. 1, устройство крепления содержит набор основных опорных элементов 13. Преимущественно, основные опорные элементы 13 в количестве трех расположены в вершинах равнобедренного треугольника Т. Равнобедренный треугольник Т может быть, в свою очередь, по существу центрирован относительно центральной линии CL рамы 9 основания (Фиг. 2А). В других вариантах выполнения равнобедренный треугольник Т может быть сдвинут вбок относительно центральной линии CL, если это целесообразно, например, в случае, если нагрузка на раму 9 основания не центрирована вдоль ее центральной линии CL. Например, газотурбинный двигатель 3 и компрессор 7 могут быть сдвинуты в сторону относительно фактической центральной линии CL плиты 9 основания. Тогда может быть целесообразно центрировать равнобедренный треугольник Т с осями валов вращающихся машин, а не с центральной линией CL рамы 9 основания.
В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1 и 2, вершина Vx равнобедренного треугольника Т расположена приблизительно под центром газотурбинного двигателя 3. Линия В основания равнобедренного треугольника Т расположена под компрессором 7, проходя поперек оси вращения последнего под углом приблизительно 90°. Таким образом, это устройство обеспечивает два основных опорных элемента 13 под более тяжелой машиной из вращающихся машин 3, 5, 7, установленных на раме 9 основания.
В некоторых вариантах выполнения каждый основной опорный элемент 13 может состоять из антивибрационной опоры. На Фиг. 2В схематично показан вариант выполнения с использованием трех антивибрационных опор 13. Двусторонние стрелки указывают степени свободы, определяемые двумя из трех проиллюстрированных антивибрационных опор 13. Третья антивибрационная опора 13 закреплена и не допускает никакой степени свободы в горизонтальной плоскости. Перемещение, разрешенное двумя другими антивибрационными опорами 13, учитывает необходимость, например, того, чтобы рама 9 основания подвергалась тепловым расширениям и сжатиям.
Схематическое изображение подходящих антивибрационных опор приведено на Фиг. 3 и 4, обозначенных в целом как 13Х. Антивибрационная опора обычно содержит первую пластину 13А, вторую пластину 13В и промежуточный упругий слой 13С, помещенный между ними. Первая пластина 13А и вторая пластина 13В соединены с рамой 9 основания и с несущей конструкцией 11 или, соответственно, наоборот. Две пластины 13А, 13В удерживаются вместе с помощью подходящих не показанных подробно крепежных элементов. Упругий слой 13С может быть изготовлен из любого известного материала, способного поглощать вибрации. Например, упругий слой 13С может быть выполнен из материала, стойкого к горению, например, упругой проволочной сетки, когда используется в пожароопасной среде.
Верхняя пластина 13А и нижняя пластина 13В могут быть по существу жесткими и выполнены любого известного материала, включая, например, сталь. Антивибрационная опора может быть выполнена таким образом, чтобы обеспечивать относительное перемещение в одном направлении, параллельном раме 9 основания, между двумя пластинами 13А, 13В и, таким образом, между рамой 9 основания и несущей конструкцией 11.
В других вариантах выполнения каждый основной опорный элемент 13 может состоять из так называемого карданного шарнира, который является сферическим шарниром, установленным на валу, который обеспечивает возможность перемещения шарнира в одном горизонтальном направлении, параллельном раме 9 основания, и предотвращает поступательные перемещения в других направлениях. Фиг. 1 и 2А схематично иллюстрируют вариант выполнения с использованием трех карданных шарниров.
На Фиг. 5 схематично показан вид в разрезе карданного шарнира, который может быть надлежащим образом использован в качестве основного опорного элемента 13 для рамы 9 основания. Карданный шарнир, изображенный на Фиг. 5, обозначенный в целом номером позиции 13Y, содержит верхний фланец 13D и нижний фланец 13Е. Фланцы 13D и 13Е могут быть прикреплены болтами, соответственно, к раме 9 основания и к несущей конструкции 11. Верхний фланец 13D ограничен верхним выступом 13F, а нижний фланец 13Е ограничен парой нижних выступов 13G. Сферический шарнир 13Н установлен на верхнем выступе 13F и на штифте 131, который соединяет верхний выступ 13F и нижние выступы 13G друг с другом. Верхний выступ 13F и, следовательно, верхний фланец 13D могут перемещаться относительно нижних выступов 13G и нижнего фланца 13Е в ограниченной степени параллельно оси штифта 131 благодаря зазору между верхним выступом 13F и нижними выступами 13G.
Таким образом, карданный шарнир 13Y обеспечивает ограничение между рамой 9 основания и несущей конструкцией 11, которое допускает все поворотные перемещения и только одно поступательное перемещение в соответствие со стрелкой .
Три основных опорных элемента 13 установлены между рамой 9 основания и несущей конструкцией 11 так, что рама 9 основания изостатически соединена с несущей конструкцией 11, при этом допускаются относительные перемещения рамы 9 основания и несущей конструкции 11, благодаря, например, тепловому расширению, путем обеспечения возможности перемещения каждого основного опорного элемента 13. На Фиг. 2 перемещения, допускаемые каждым основным опорным элементом 13, представлены соответствующей двойной стрелкой . Например, два основных опорных элемента 13, расположенные под компрессором 7, допускают перемещение поперек центральной линии CL и, следовательно, поперек оси вала турбомашины. Основной опорный элемент 13, расположенный под газотурбинным двигателем 3, обеспечивает поступательное перемещение в направлении, параллельном оси вала и, следовательно, параллельном центральной линии CL.
В некоторых вариантах выполнения три основных опорных элемента 13 выполнены таким образом, чтобы противостоять нагрузкам, которые могут возникать при нормальной работе оборудования, установленного на раме 9 основания. Под нормальной работой следует понимать работу машин при номинальных условиях, т.е. при отсутствии случайных нагрузок из-за, например, неисправности любой из вращающихся машин и/или внешних факторов окружающей среды, таких как исключительная ветровая или волновая активность в случае морских применений, которые не связаны с работой машин.
Со ссылкой снова на Фиг. 1 и 2, система крепления дополнительно содержит набор вспомогательных опорных элементов 15, которые расположены между рамой 9 основания и несущей конструкцией 11 и соединяют их друг с другом. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 1 и 2, предусмотрено шесть вспомогательных опорных элементов 15. В других вариантах выполнения могут быть предусмотрены менее шести вспомогательных опорных элементов, например, между двумя и пятью, или же также можно предусмотреть более шести вспомогательных опорных элементов.
В некоторых вариантах выполнения вспомогательные опорные элементы 15 расположены симметрично относительно центральной линии CL рамы 9 основания или относительно оси валов вращающихся машин, установленных на раме 9 основания.
Каждый вспомогательный опорный элемент 15 предназначен для обеспечения силы реакции опоры, которая ориентирована по существу в вертикальном направлении, то есть по существу перпендикулярна раме 9 основания. Силы реакции в горизонтальном направлении могут быть незначительными. Преимущественно, при нормальных рабочих условиях жесткость вспомогательных опорных элементов 15 в вертикальном направлении существенно ниже жесткости основных опорных элементов 13 в том же направлении. В некоторых вариантах выполнения жесткость каждого вспомогательного опорного элемента 15 по меньшей мере приблизительно на порядок величины меньше, чем жесткость основных опорных элементов 13.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, жесткость каждого вспомогательного опорного элемента 15 является нелинейной и увеличивается с деформацией. Фиг. 6 иллюстрирует возможную диаграмму зависимости силы от смещения подходящего вспомогательного опорного элемента 15. Сила F реакции, создаваемая вспомогательным опорным элементом 15, отложена по вертикальной оси в зависимости от смещения (D), отложенного по горизонтальной оси. В некоторых вариантах выполнения каждый вспомогательный опорный элемент 15 может быть закреплен в подходящем предварительно нагруженном состоянии. В иллюстративной ситуации, изображенной на диаграмме на Фиг. 6, вспомогательный опорный элемент 15 подвергается предварительной нагрузке Fp, соответствующей смещению D1. В рабочих условиях нагрузки, приложенные к ограничению, представленному вспомогательным опорным элементом 15, приводят к смещениям между D1 и D2. В этом рабочем диапазоне вспомогательный опорный элемент 15 может иметь линейное поведение и имеет малую жесткость. Последняя представлена на Фиг. 6 углом S1.
После деформации D2 вспомогательного опорного элемента 15 его жесткость увеличивается, как проиллюстрировано крутизной кривой на Фиг. 6. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 6, вспомогательный опорный элемент 15 имеет характеристическую кривую силы от смещения, показывающую дальнейшее линейное поведение с более высокой жесткостью S2 по достижении смещения D2. На практике это означает, что если вспомогательный опорный элемент 15 подвергается смещению после предела D2, вспомогательный опорный элемент 15 становится намного более жестким и обеспечивает большую силу реакции.
Так как при нормальных рабочих условиях жесткость вспомогательных опорных элементов 15 существенно меньше жесткости основных опорных элементов 13, в таких условиях опорная система в целом ведет себя как изостатическая система, то есть силы сжатия, соединяющие раму 9 основания с несущей конструкцией 11, в значительной степени обеспечиваются основными опорными элементами 13.
Если, например, из-за аномального события, такого как воздействие ветра или волны, или ненормальных условий работы одной или нескольких вращающихся машин, расположенных на раме 9 основания, вспомогательные опорные элементы 15 подвергаются избыточному смещению, большему чем D2, то вспомогательные опорные элементы 15 становятся более жесткими и обеспечивают большую силу реакции, которая складывается с силой реакции, обеспечиваемой основными опорными элементами 13. Система становится гиперстатической, т.е. статически неопределенной, но при этом нагрузка, приложенная к каждому опорному элементу 13, 15, становится меньше, чем в случае, если бы были предусмотрены только основные опорные элементы 13. Последние, таким образом, могут быть выполнены с возможностью поддержки нагрузки, которая меньше нагрузки, которую они должны были бы поддерживать, если бы рама 9 основания поддерживалась только трехточечной изостатической опорной системой.
Диаграмма, изображенная на Фиг. 6, иллюстрирует характеристическую кривую зависимости силы от смещения в иллюстративном варианте выполнения вспомогательного опорного элемента 15. Кривая на Фиг. 6 показывает три основные области работы вспомогательного опорного элемента 15, первая из которых (для значений смещения ниже, чем D1) не используется. Вторая и третья области работы характеризуются линейным поведением кривой, но с более жестким поведением при смещении большим D2. В других вариантах выполнения могут быть предусмотрены вспомогательные опорные элементы 15 с более сложными, нелинейными характеристическими кривыми. Важно лишь, чтобы жесткость вспомогательного опорного элемента 15 по мере увеличения смещения возрастала.
На Фиг. 7 показано схематическое изображение иллюстративного варианта выполнения вспомогательного опорного элемента 15, обладающего подходящим поведением увеличения жесткости. В этом иллюстративном варианте выполнения вспомогательный опорный элемент 15 содержит несколько упругих элементов. Например, могут быть предусмотрены три упругих элемента 21, 23, 25. На схематическом изображении, показанном на Фиг. 7, упругие элементы 21, 23, 25 представлены в виде пружин сжатия, например, винтовых пружин сжатия. В других вариантах выполнения могут использоваться тарельчатые пружины. В других вариантах выполнения могут использоваться комбинации различных пружин, например, винтовых и тарельчатых пружин.
В качестве примера на Фиг. 7, пружины 21, 23, 25 установлены между верхним фланцем 27 и нижним фланцем 29. Верхний фланец 27 выполнен с возможностью соединения с рамой 9 основания, а нижний фланец 29 выполнен с возможностью соединения с несущей конструкцией 11, или наоборот. Соединение может быть выполнено с помощью болтов, сварки, завинчиванием или любым другим подходящим способом. На Фиг. 7 изображены болты 36, которые соединяют два фланца 27 и 29 друг с другом.
Пружины 21, 23, 25 могут быть размещены в защитных кожухах 31, 33, 35. Защитные кожухи 31, 33, 35 могут быть телескопическими для обеспечения растяжения и сжатия пружин. Пружина 23 может быть предварительно нагружена с помощью болтов 36. Начальное смещение D1 представляет собой смещение в условиях предварительной нагрузки и достигается завинчиванием болтов 36. Крутой участок кривой слева от точки D1 на схеме, изображенной на Фиг. 6, представляет собой жесткое поведение вспомогательного опорного элемента 15 при приложении к фланцу 27 нагрузки, направленной в противоположную сторону от фланца 29.
Как схематично показано на Фиг. 7, пружины 21, 23, 25 могут иметь разную длину, так что в зависимости от взаимного расположения фланцев 27, 29 различное количество пружин находится в сжатом или частично сжатом состоянии. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 7 одна пружина 23 длиннее остальных пружин 21, 25. В рабочем состоянии, показанном на Фиг. 7, расстояние между верхним фланцем 27 и нижним фланцем 29 таково, что центральная пружина 23 частично нагружена (сжата), тогда как остальные пружины 21, 25 не работают, то есть не нагружены. Сжатие пружин 21, 25 начинается только после того как верхний и нижний фланцы 27, 29 сблизились на расстояние D2-D1. Как только это перемещение сближения произошло, три пружины 21, 23, 25 работают параллельно и придают вспомогательному опорному элементу 15 более высокую жесткость. Таким образом, дальнейшая деформация пружин будет создавать более сильное противодействующее усилие между верхним и нижним фланцами 27, 29.
Описанная выше опорная система обеспечивает преимущества изостатической трехточечной опорной системы без ее ограничений. В частности, опорная система становится способной поддерживать тяжелые вращающиеся машины без необходимости проектирования трехмерных точечных опорных элементов. Последние, фактически, могут быть спроектированы для поддержки нагрузок, возникающих при нормальных рабочих условиях, тогда как перегрузки, например, из-за исключительных или случайных условий эксплуатации, которые должна выдерживать опорная система, поддерживаются комбинацией основных опорных элементов 13 и вспомогательного опорного элемента 15.
Описанная выше опорная система также очень простая при установке. Способ установки рамы 9 основания на несущую конструкцию 11 с использованием опорной системы 13, 15, как раскрыто в настоящем документе, может быть следующим.
На раму 9 основания на ее нижнюю поверхность сначала устанавливают основные опорные элементы 13 и вспомогательные опорные элементы 15.
Вспомогательные опорные элементы 15 могут быть предварительно нагружены, так что рама 9 основания может быть установлена на несущей конструкции 11 с использованием трехточечной системы, образованной только тремя основными опорными элементами 13.
Предварительную нагрузку вспомогательных опорных элементов 15 можно получить, например, с помощью вспомогательной стягивающей шпильки или другого удерживающего элемента, который удерживает верхний и нижний фланцы 27, 29 на некотором расстоянии друг от друга, так что центральная пружина 23 частично сжата.
Таким образом, рама 9 основания и установленные на ней вращающиеся машины могут быть собраны на несущей конструкции 11, например, палубе морского судна, совершенно так же, как и стандартная рама основания и соответствующее оборудование, имеющее обычную трехточечную изостатическую опорную систему.
Так как вспомогательные опорные элементы 15 предварительно нагружены, их вертикальное удлинение таково, что контакт между вспомогательными опорными элементами 15 и несущей конструкцией 11 не достигается.
После того как рама 9 основания правильно установлена на несущей конструкции 11 с использованием трехточечной изостатической системы, образованной основными опорными элементами 13, вспомогательные опорные элементы 15 могут быть отрегулированы, что обеспечивает контакт между нижним фланцем 29 и несущей конструкцией 11. После того, как все вспомогательные опорные элементы 15 были правильно отрегулированы, удерживающий элемент удаляют из вспомогательных опорных элементов 15, так что упругое усилие частично нагруженной пружины прикладывается к несущей конструкции 11.
Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанные в настоящем документе, были показаны на чертежах и полностью описаны выше с особенностью и подробностью в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и опущения, без существенного отклонения от идей, принципов и концепций изобретения, изложенных в настоящем документе, а также преимуществ изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащий объем раскрытых отличительных признаков должен определяться только самой широкой интерпретацией прилагаемой формулы изобретения, чтобы охватывать все такие модификации, изменения и опущения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа может изменяться или повторно упорядочиваться в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.