ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ (ВАРИАНТЫ), И УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ДВИГАТЕЛЬ
MOTOR CONTAINING TIGHT SEALING ASSEMBLY (VERSIONS), AND UNIT CONTAINING SUCH MOTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение в целом относится к электрическому устройству с ротором и статором и, в частности, к электрическому устройству, содержащему уплотнительный узел, защищающий статор от агрессивных сред.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
2
2
[0002] Промышленные электрические устройства, например двигатели, часто содержат неподвижную часть или статор и вращающуюся часть или ротор. Как правило, ротор и статор выполнены с возможностью создания противоположно направленных магнитных полей с обеспечением тем самым вращения ротора, используемого для выполнения механической работы. В нефтегазовой промышленности узлы ротора и статора могут эксплуатироваться в технологическом газе, который также может служить в качестве охлаждающего агента. Технологический газ, как правило, представляет собой природный газ под давлением около 10-200 бар. К сожалению, природный газ может иметь большое количество загрязняющих веществ. Эти загрязняющие вещества могут включать вызывающие коррозию вещества, например сероводород (HS), воду, СO, масло и др. В очень агрессивных условиях комбинация воды и HS приводит к образованию более агрессивных газов, например влажного сернистого газа или при более высоких концентрациях кислого газа. Наличие среды технологического газа, содержащей вышеупомянутые загрязняющие вещества, представляет значительную опасность для чувствительных компонентов узла статора.
[0003] Обычно узел статора отделен от узла ротора зазором. Для максимального увеличения напряженности магнитного поля между узлом статора и узлом ротора этот зазор выполняется как можно меньше с соблюдением при этом требований к механическому зазору между валом ротора и статором. Существующие статоры выполняются либо в оболочке, либо без оболочки. В статоре с оболочкой последняя защищает компоненты статора от технологической среды узла ротора.
[0004] Оболочки статора в целом должны выдерживать большие перепады давлений, температур и механические вибрации при работе. В неблагоприятных условиях эксплуатации части оболочки, расположенные в зазоре между статором и валом ротора, должны сводить к минимуму утечку коррозионных технологических газов, предотвращать коррозию в неблагоприятной среде технологического газа, обеспечивать возможность простого присоединения к другим частям оболочки и сводить к минимуму потери из-за вихревых токов для уменьшения общих потерь в электрической машине.
[0005] Таким образом, существует необходимость в создании совместимых материалов с малыми потерями и способов их сборки для создания оболочки статора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В одном варианте выполнения настоящего изобретения предлагается установка с двигателем. Двигатель содержит ротор, статор и уплотнительный узел, имеющий по меньшей мере одно соединение и монолитный керамический разделитель. Каждое соединение уплотнительного узла является использующим химическую связь соединением, а монолитный керамический разделитель расположен в зазоре между ротором и статором двигателя так, что уплотнительный узел герметично изолирует ротор и статор.
[0007] В другом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается двигатель. Двигатель содержит ротор, статор и герметичный уплотнительный узел, содержащий монолитный керамический разделитель, расположенный в зазоре между ротором и статором двигателя. Используемый в настоящем изобретении монолитный керамический разделитель механически изолирован от статора и содержит несколько керамических секций, соединенных по меньшей мере одним секционным соединением. Каждое из секционных соединений монолитного керамического разделителя является по существу использующим химическую связь соединением.
[0008] Еще в одном варианте выполнения настоящего изобретения предлагается двигатель. Двигатель содержит ротор, статор и герметичный уплотнительный узел, содержащий монолитный керамический разделитель и торцевые участки, причем монолитный керамический разделитель и торцевые участки герметично соединены переходным фланцем. Переходный фланец присоединен к монолитному керамическому разделителю и торцевым участкам с помощью использующих химическую связь соединений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны при прочтении последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы и на которых
[0010] фиг.1 представляет собой схематичный разрез установки с электродвигателем, содержащим узел ротора и узел статора, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0011] фиг.2 схематично иллюстрирует в разрезе другие расположения статора относительно ротора;
[0012] фиг.3 представляет собой схематичный вид монолитного керамического разделителя с торцевыми участками в одном варианте выполнения настоящего изобретения;
[0013] фиг.4 представляет собой схематичный вид различных соединений металлического фланца относительно монолитного керамического разделителя в различных вариантах выполнения настоящего изобретения;
[0014] фиг.5 представляет собой схематичный вид в разрезе паяного соединения между металлическим фланцем и монолитным керамическим разделителем в одном варианте выполнения настоящего изобретения;
[0015] фиг.6 представляет собой схематичный вид в разрезе паяного соединения между металлическим фланцем и монолитным керамическим разделителем в одном варианте выполнения настоящего изобретения;
[0016] фиг.7 представляет собой схематичное изображение металлизации монолитного керамического разделителя в одном варианте выполнения настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Варианты выполнения настоящего изобретения включают защитные герметичные уплотнительные узлы для статора, обеспечивающие герметизацию от технологических газов ротора в двигателе установки, и сопутствующие материалы, конструкции и способы изготовления герметичного уплотнительного узла.
[0018] В последующем описании и формуле изобретения форма единственного числа включает множество обозначаемых объектов, если контекст однозначно не указывает на иное.
[0019] Различные варианты выполнения настоящего изобретения описывают использование уплотнительного узла внутри электродвигателя. Уплотнительный узел содержит монолитный керамический разделитель, расположенный в зазоре между ротором и статором, и по меньшей мере одно соединение, такое, что уплотнительный узел герметично изолирует ротор и статор. Каждое соединение уплотнительного узла независимо от того, используется оно для соединения вместе компонентов уплотнительного узла или для присоединения уплотнительного узла к остальной части двигателя, является использующим химическую связь соединением. Используемый в настоящем документе термин «использующее химическую связь соединение» обозначает соединение, в котором используется химическая или металлическая связь (например, соединение, выполненное путем спаивания вместе двух компонентов или путем расплавления и отверждения стекла в данном соединении) и которое по существу не содержит каких-либо механических уплотнений. Формулировка «не содержит механических уплотнений» по существу означает, что каждое соединение уплотнительного узла не содержит уплотнительных компонентов, например уплотнительных колец или прокладок. Соответственно, в использующих химическую связь соединениях уплотнительного узла не используются какие-либо полимерные или металлические уплотнительные кольца или уплотнения, традиционно используемые в условиях сверхглубокого вакуума.
-8
3
[0020] Используемый здесь и далее термин «герметичный» означает способность ограничивать скорость протечки гелия до менее чем 1×10 см/с. Ограничение скорости протечки до такой низкой величины при длительной эксплуатации уплотнительных узлов в настоящее время практически не достижимо в данной области техники. Кроме того, в настоящее время во многих прикладных задачах в уплотнительных узлах для уплотнения используются уплотнительные кольца. Традиционные уплотнительные кольца обычно содержат такие материалы, как органические материалы, которые, как известно, постепенно разрушаются в неблагоприятных средах, которые могут иметь высокие температуры, давление и/или агрессивные газы. Из-за постепенного разрушения или в силу присущих данным материалам свойств указанные уплотнительные кольца или металлические уплотнения имеют тенденцию становиться со временем проницаемыми для некоторых газов и веществ. Например, многие органические материалы при длительной эксплуатации в этих средах могут постепенно изнашиваться и становиться хрупкими, что, соответственно, может приводить к утечкам газа через уплотнение. Данное изобретение устраняет этот недостаток благодаря неиспользованию для уплотнения каких-либо уплотнительных колец или прокладок, изготовленных из каких-либо органических материалов или металлов.
2
[0021] Благодаря выбранному материалу и конструкции монолитный керамический разделитель также выполнен с возможностью минимизации потерь от вихревых токов и электрических потерь и поэтому существенно предотвращает отрицательное воздействие на эксплуатационные характеристики двигателя. Кроме того, химическая инертность используемых керамических материалов защищает статор от неблагоприятных химических сред, например HS, воздействию которых подвергается ротор. Возможность использования керамической герметизирующей секции с соединенными частями также обеспечивает возможность использования вариантов выполнения, описанных в настоящем документе, для более крупных электрических двигателей. Таким образом, варианты выполнения настоящего изобретения обеспечивают использование немагнитного барьера внутри больших электрических машин, в которых указанный барьер не вносит существенных электрических потерь.
[0022] На фиг.1 показана примерная установка 10, которая содержит двигатель 20 с узлом 30 ротора (также называемым в настоящем документе ротором) и узлом 40 статора (также называемым в настоящем документе статором). Ротор 30 содержит вал 32, установленный в этом примере на опорах 34 (например, магнитных подшипниках), и постоянные магниты 36 с кожухами 38, отцентрованные с узлом 40 статора для обеспечения магнитной связи с ним. В примерном варианте выполнения узел 40 статора окружает узел 30 ротора и содержит сердечник 42, а также обмотки 44, выполненные с возможностью создания магнитного поля при протекании в обмотках 44 тока. Узел 30 ротора отделен от узла 40 статора зазором 50, который может быть разрежен, заполнен воздухом или может содержать любую текучую среду, включая технологический газ.
[0023] При соответствующей подаче питания узел 40 статора притягивает узел 30 ротора, приподнимая вал 32 ротора и перемещая его в радиальном направлении. Показанная установка дополнительно содержит оболочку 60 узла 40 статора, которая защищает статор 40 от агрессивной среды технологического газа. В одном примерном варианте выполнения оболочка 60 статора выполнена из нескольких секций, например секций 62, 64 и 66, которые соединены на различных границах раздела, например границе 68.
[0024] В то время как на фиг.1 показан один вариант выполнения статора и ротора, в котором статор 40 окружает ротор 30, на фиг.2, к примеру, показаны другие конструкции статора и ротора. В одном варианте выполнения ротор 30 расположен вокруг статора 40 и вращается в магнитном поле статора, как показано в конструкции 80, а в другом примерном варианте выполнения статор 40 и ротор 30 могут быть расположены с разнесением в осевом направлении, как показано в конструкции 90.
2
[0025] В одном варианте выполнения настоящего изобретения оболочка 60 статора содержит уплотнительный узел 100. Уплотнительный узел 100 содержит секции 62 и 64 оболочки статора (фиг.1). На фиг.3 отдельно показан уплотнительный узел 100 с монолитным керамическим разделителем 110. Используемый здесь уплотнительный узел 100 по существу инертен по отношению к среде, содержащей технологическую текучую среду, например необработанную нефть, высокоминерализованную воду, неблагоприятный газ, включающий HS, кислый газ или скважинный газ. Монолитный керамический разделитель 110 является керамическим компонентом, расположенным между ротором 30 и статором 40 в зазоре 50. Использование в данном документе термина «монолитный» не означает, что керамический разделитель обязательно выполнен по существу в виде цельной детали, а используется для того, чтобы отличить используемый в разделителе материал от композиционных материалов на основе органических веществ. Используемый здесь и далее термин «монолитный керамический разделитель» относится по существу к неразборной жесткой цельной конструкции, выполненной из одной или более деталей. В неограничительном примере монолитный керамический разделитель 110 выполнен путем герметичного соединения вместе двух или более секций, например секций 112 и 114, с помощью секционных соединений, по существу являющихся соединениями, использующими химическую связь. Плотность керамического материала, используемого для выполнения разделителя 110, подобрана так, чтобы керамический материал был герметичен. В одном варианте выполнения керамические секции монолитного керамического разделителя 110 по существу плотные, при этом величина плотности превышает около 98% от теоретической плотности. Однако специалистам в данной области техники понятно, что многим керамическим материалам может быть придана герметичность при существенно более низкой плотности, например около 90% от теоретической плотности. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения плотность керамических секций составляет по меньшей мере около 90% от теоретической плотности.
[0026] Варианты выполнения настоящего изобретения обеспечивают возможность герметичного соединения из двух или более керамических секций и, соответственно, обеспечивают промышленно применимый способ герметизации статора 40 от технологических газов даже в больших и высокоскоростных электродвигателях без значительных повреждений из-зи коррозии в неблагоприятных средах. В одном варианте выполнения монолитный керамический разделитель 110 может дополнительно иметь покрытие, расположенное на внутренней или наружной поверхностях (не показано). Покрытие может содержать любой материал, например коррозионно- или эрозионностойкий металл, сплав, керамику или композит, улучшающие характеристики и срок службы монолитной керамической трубки.
[0027] Несмотря на то, что в объем настоящего изобретения входят различные геометрические формы монолитного керамического разделителя 110, в одном варианте выполнения монолитный керамический разделитель 110 имеет цилиндрическую форму. Материалы и конструкция соединения секций разделителя 110 подобраны так, чтобы материалы создавали минимальные потери от вихревых токов и/или другие электрические потери в магнитном поле ротора и статора и благодаря этому не воздействовали отрицательно на характеристики двигателя 20. Кроме того, химическая инертность используемых материалов защищает статор от неблагоприятных химических сред, воздействию которых он подвергается. Например, во время работы двигателя 20 электрические потери, создаваемые при использовании монолитного керамического разделителя 110, выполненного с использованием материала на основе оксида алюминия толщиной около 10 мм, являются крайне маленькими.
[0028] В одном варианте выполнения уплотнительный узел 100 герметично изолирует узлы ротора 30 и статора 40 (см. фиг.1). В другом примерном варианте выполнения монолитный керамический разделитель 110 механически изолирован от статора. Используемый в настоящем документе термин «механически изолирован» означает, что статор 40 не поддерживает монолитный керамический разделитель 110 напрямую, поэтому большая часть механических вибраций частей статора не передается на разделитель 110. В одном варианте выполнения монолитный керамический разделитель 110 может поддерживаться другими участками уплотнительного узла 100. Как вариант, для первоначального выравнивания при сборке между разделителем 110 и статором 40 могут быть установлены виброустойчивые и износостойкие плиты из пластика.
[0029] Монолитный керамический разделитель 110, показанный на фиг.3, имеет две поверхности. Первая поверхность 116 расположена вблизи статора 40, а вторая поверхность 118 расположена вблизи ротора 30. При отсутствии непосредственной поддержки от статора один из способов сохранить механическую целостность и увеличить срок службы монолитного керамического разделителя 110 заключается в использовании системы 70 компенсации давления (см. фиг.1) для сведения к минимуму разности давлений, действующих на первую поверхность 116 и вторую поверхность 118 разделителя 110. Система 70 компенсации давления может представлять собой мембрану, сильфон, систему обмена текучей средой или любой другой тип устройства для выравнивания давления. Компенсатор 70 давления способствует выравниванию давлений, оказываемых на оболочку 60 статора, путем расходования гидравлической текучей среды 72. Гидравлическая текучая среда представляет собой среду, с помощью которой может передаваться давление и которая может состоять из любых газов или жидкостей, включая воду, технологический газ, масла или полимеры.
[0030] Одним примером системы компенсации давления является большой сильфон, вмещающий требуемый объем гидравлической текучей среды 72, который может подавать требуемый объем гидравлической текучей среды для регулирования разности давлений, действующих на первую поверхность 116 (фиг.3) и вторую поверхность 118. Гидравлическая текучая среда 72 может входить в контакт с разделителем 110 на первой поверхности 116 или второй поверхности 118 в зависимости от конструкции двигателя. Например, при работе двигателя 20 в газообразной атмосфере технологический газ может находиться вблизи ротора 30. В одном варианте выполнения технологический газ может оказывать давление на поверхность 118 монолитного керамического разделителя 110, которое компенсируется гидравлической текучей средой 72, расположенной вблизи противоположной поверхности 116. В примерном варианте выполнения в качестве гидравлической текучей среды у поверхности 116 разделителя 110 используется масло.
[0031] Монолитный керамический разделитель 110 может содержать любые керамические материалы, включая стекло и кристаллические или аморфные оксиды, нитриды и карбиды. К неограничительным примерам материалов для монолитного керамического разделителя относятся оксид циркония, карбид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия, муллит, нитрид титана, рутил, анатаз, карбид бора, нитрид бора, оксид бериллия, кварц, кварцевое стекло или любые сочетания указанных материалов.
[0032] Как указано выше, монолитный керамический разделитель 110 в некоторых вариантах выполнения может содержать секционные соединения, такие как соединение 120, между несколькими керамическими секциями, например между секциями 112 и 114. В одном варианте выполнения по меньшей мере одно из соединений 120 между керамическими секциями выполнено путем диффузионного связывания. Диффузионное связывание представляет собой процесс соединения, в котором основным используемым явлением является взаимная диффузия атомов на границе раздела. Диффузионное связывание может быть выполнено путем диффузии между керамическими поверхностями или металлизированными керамическими поверхностями. Как вариант, соединение 120 может быть выполнено путем использования стеклянного материала, например материала, известного в данной области техники как фритта, между керамическими секциями для получения стеклянного уплотнения. Стеклянные уплотнения или стеклянные фритты выбираются с учетом совместимости с керамическими секциями и возможности изготовления монолитного керамического разделителя 110 путем соединения секций 112 и 114. К неограничительным примерам стеклянных материалов, которые могут быть использованы, относятся оксид кремния, оксид бора, оксид висмута, свинцовый сурик, оксид кальция, оксид натрия, оксид калия или любые сочетания указанных материалов.
[0033] В другом варианте выполнения по меньшей мере одно из соединений 120 керамических секций 112 и 114 является паяным соединением, и, соответственно, соединение 120 содержит материал 122 спайки. Материал для спайки может содержать один или более таких материалов, как золото, медь, серебро, платина, палладий, никель, титан, ванадий, цирконий, бериллий или любой другой сплав, содержащий любой из этих материалов. В некоторых вариантах выполнения материал спайки является так называемым материалом «активной спайки», который содержит такие составляющие, как титан, ванадий, никель или другие элементы, которые способствуют увлажнению керамической поверхности. Материал 122 спайки, содержащий металлическую часть в соединении 120 в зоне электрического воздействия, выполнен достаточно тонким, чтобы не оказывать отрицательного влияния на эксплуатационные характеристики. В некоторых вариантах выполнения соответствующие соединительные поверхности 124 и 126 секций 112 и 114 содержат металлическое покрытие, способствующее увлажнению материала спайки на секциях 112 и 114, улучшая тем самым соединение. В одном варианте выполнения металлическое покрытие 128 может включать молибден, марганец или слой молибдено-марганцевой металлизации, который может быть присоединен к керамике. Слой металлизации может быть дополнительно покрыт слоем никеля. Несмотря на то, что возможно выполнение соединения керамических секций, таких как 112 и 114, различными способами, в одном конкретном варианте выполнения для соединения различных керамических секций используется способ пайки.
[0034] Герметичный уплотнительный узел 100 (см. фиг.3) может дополнительно содержать торцевые участки 130, герметично присоединенные к монолитному керамическому разделителю 110. Торцевые участки 130 могут содержать керамический материал, металлический материал или металлокерамику. В одном конкретном варианте выполнения торцевой участок содержит сплав-625. В одном варианте выполнения по меньшей мере один торцевой участок 130 герметично присоединен к монолитному керамическому разделителю 110 через переходный фланец 140. Переходный фланец 140 в примерном варианте выполнения изготовлен из металла или сплава. В конкретных вариантах выполнения переходный фланец 140 может содержать такие элементы, как золото, никель, титан, серебро, медь, платина, ниобий, тантал, молибден, сплав-625, цирконий, кобальт, хром, нержавеющую сталь или любое сочетание этих материалов. В примерном варианте выполнения переходный фланец 140 содержит специальный сплав на основе никеля. В некоторых вариантах выполнения переходный фланец содержит ниобий. В одном варианте выполнения переходный фланец 140 изготовлен из сплава на основе ниобия, а в другом варианте выполнения переходный фланец 140 изготовлен из технически чистого ниобия.
[0035] Переходный фланец может быть герметично присоединен к монолитному керамическому разделителю 110 или торцевым участкам 130 различными средствами. В одном варианте выполнения переходный фланец 140 присоединен к соединительной поверхности 142 разделителя 110 с помощью использующего химическую связь соединения. В другом варианте выполнения фланцевое соединение по существу является паяным соединением 150, которое подробно показано на фиг.6 и описано ниже. Возможность герметичного присоединения монолитного керамического разделителя 110 к переходному фланцу 140 позволяет расположить указанный разделитель в двигателе 20 при сборке, несмотря на большие торцевые участки 130. Затем переходный фланец 140 может быть последовательно присоединен к большим торцевым участкам 130 с использованием известного способа присоединения с образованием герметичного уплотнения.
[0036] На фиг.4 схематически показаны некоторые из множества возможных соединений между монолитным керамическим разделителем 110 и металлическим переходным фланцем 140 в виде многослойного соединения (162), соединения (164) в виде крышки, стыкового соединения (166) и соединения (168) внахлест. В примерном варианте выполнения разделитель 110 присоединен к металлическому переходному фланцу 140 с помощью многослойного соединения (162). В другом варианте выполнения используемое соединение является комбинацией двух или более типов указанных соединений.
[0037] Переходный фланец 140 может иметь любую подходящую форму и размер для герметичного присоединения торцевых участков 130 к разделителю 110. В одном варианте выполнения переходный фланец имеет цилиндрическую форму. В другом варианте выполнения переходный фланец 140 содержит комбинацию двух или более частей, содержащих одинаковые или разные металлы или сплавы. Например, в одном варианте выполнения переходный фланец 140 содержит комбинацию двух концентрических цилиндров, как показано на схематичном разрезе на фиг.5, и присоединен к разделителю 110 с помощью паяного соединения 150, например стыкового соединения (166), показанного на фиг.4. Комбинация внутренней части 141 и наружной части 143 обеспечивает коррозионную устойчивость к технологическим газам, а также регулируемый коэффициент теплового расширения, совместимый с разделителем 110. В представленном примере внутренняя часть 141 обеспечивает герметичное присоединение к керамической трубе, воспринимает механические нагрузки, вызванные работой установки, и обеспечивает коррозионную стойкость при воздействии технологических газов. Одним примером материала, который может быть использован в качестве внутренней части 141 переходного фланца 140, является сплав-625. Наружная часть 143 способствует ограничению теплового расширения внутренней части 141 в процессе пайки. Для наружной части 143 может быть выбран материал, имеющий низкий коэффициент теплового расширения и высокий модуль упругости при повышенных температурах, обеспечивающий тем самым возможность создания комбинированного переходного фланца 140 с эффективным коэффициентом теплового расширения, совместимым с коэффициентом теплового расширения разделителя 110. В данном примере в качестве материала наружной части 143 используется молибден. Наружная часть 143 может быть присоединена к внутреннему цилиндру различными способами соединения, такими как диффузионное связывание, инертная сварка или пайка. В другом варианте наружная часть 143 может быть выполнена непосредственно на поверхности внутренней части 141 различными способами, такими как плакирование, металлизация, осаждение, формование, механическое прикрепление или термическое напыление.
[0038] Как указано выше, на фиг.6 показано паяное соединение 150 между соединительной поверхностью 142 монолитного керамического разделителя 110 и переходным фланцем 140. В одном варианте выполнения паяное соединение 150 содержит материал 152 спайки, как показано в конструкции 144. В некоторых конструкциях паяного соединения 150 на переходный фланец нанесен дополнительный слой металлизации (не показан). В другом варианте выполнения паяное соединение 150 содержит материалы 152, 154 для пайки и металлический промежуточный слой 156, как показано в конструкции 146. В некоторых случаях металлический промежуточный слой может способствовать компенсации механических напряжений, возникающей в керамических частях. Материалы 152, 154 спайки могут быть одинаковыми или различными. В целом паяное соединение 150 и материалы 152, 154 спайки изготовлены из материалов, выполненных с возможностью работы в неблагоприятных эксплуатационных условиях. Материалы 152, 154 спайки могут включать такие элементы, как золото, медь, серебро, платина, палладий, никель, титан, ванадий, цирконий, бериллий или любой сплав, содержащий любой из указанных материалов. Металлический промежуточный слой 156 может содержать золото, серебро, медь, никель, свинец, титан, ниобий, платину, тантал, хром или любой сплав, содержащий любой из указанных материалов. Металлический промежуточный слой может быть введен в паяное соединение 150 в различной форме, включая пленку или порошки. В одном примерном варианте выполнения металлические порошки введены между материалами 152 и 154 спайки и изостатически спрессованы под температурой с образованием металлического промежуточного слоя 156.
[0039] Другим требованием к паяному соединению 150 является его соответствие жесткости монолитного керамического разделителя 110. Указанное соответствие может быть достигнуто с помощью должной конструкции переходного фланца 140 и паяного соединения 150. Соответственно в одном варианте выполнения переходный фланец 140 имеет податливую форму, например в виде сильфонного соединения. Кроме того, фланец 140 может быть выполнен с любой требуемой нагрузочной способностью и с возможностью восприятия разностного теплового расширения монолитного керамического разделителя 110 и торцевых участков 130. В некоторых вариантах выполнения паяное соединение 150 выполнено на разделителе 110 до сборки статора 40, в других вариантах выполнения паяное соединение 150 может быть выполнено при сборке статора 40.
[0040] Паяное соединение 150 между разделителем 110 и фланцем 140 у поверхности 142 соединения разделителя 110 может дополнительно содержать металлизированный слой 158, улучшающий соединение с фланцем 140. Металлизированный слой 158 может содержать молибден, молибден-марганец, никель, вольфрам, хром, титан, медь, бор, ниобий, сплав-625 или сочетания любых из указанных материалов. В одном варианте выполнения металлизированный слой 158 дополнительно содержит увлажняющий слой для улучшения совместимости соединения с монолитным керамическим разделителем 110. Неограничительным примером такого увлажняющего слоя является слой, содержащий никель.
[0041] Переходный фланец 140 может быть герметично присоединен к торцевым участкам 130 с помощью использующего химическую связь соединения 170, выбранного из различных соединений, таких как непосредственное соединение, сварное соединение, диффузионное связывание, паяное соединение, связывание путем спекания, связывание путем литья или любого сочетания указанных соединений. В варианте выполнения, в котором переходный фланец присоединен к торцевому участку непосредственным соединением, переходный фланец присоединен к торцевому участку непосредственно путем спекания, горячего изостатического прессования, газопламенного напыления или осаждения материала переходного фланца непосредственно на торцевой участок. В одном примерном варианте выполнения соединение 170 содержит сварное соединение.
[0042] Фланцевое соединение 150 между монолитным керамическим разделителем 110 и переходным фланцем 140, а также соединение 170 между торцевым участком 130 и переходным фланцем 140 может быть дополнительно защищено соответственно нанесением защитных покрытий 180 и 190, как показано на фиг.7. Защитные покрытия 180 и 190 могут защищать соединения 150 и 170 от разрушения, например, из-за эрозии и коррозии. Одним примером постепенного разрушения является электрохимическая коррозия, обычно возникающая у соединений разных материалов. Защитные покрытия 180 и 190 могут быть расположены соответственно на наружных поверхностях 182 и 192 или внутренних поверхностях 184 и 194 соединений 150 и 170. В одном варианте выполнения защитное покрытие 180 покрывает поверхности соединительного торца переходного фланца, все металлизированные слои 158, слои 152, 154 спайки и имеющиеся металлические промежуточные слои 156, а также соединительный торец 142 монолитного керамического разделителя 110. В другом варианте выполнения металлизированный слой 158, расположенный на соединительной поверхности 142 монолитного керамического разделителя, проходит по поверхности соединительного торца монолитного керамического разделителя 110, а отдельное защитное покрытие 180 покрывает остальные поверхности паяного соединения 150.
[0043] Защитные покрытия 180 и 190 могут быть выполнены из одного слоя или нескольких слоев и могут содержать любые материалы, например металлы, керамику, стекло, полимеры или любое сочетание из указанных материалов. Защитные покрытия 180 и 190 могут быть выполнены из одинаковых или разных материалов в зависимости от их назначения. Составы защитных покрытий подобраны с учетом обоих или одного из составов, находящихся у соединения 150 или 170. В одном варианте выполнения по меньшей мере один слой защитного покрытия 180 содержит тугоплавкий металл. Примеры тугоплавких металлов включают ниобий, тантал, цирконий. В другом варианте выполнения защитное покрытие 180 содержит такой тугоплавкий металл, как карбид вольфрама или карбид кремния. В еще одном варианте выполнения защитное покрытие 180 содержит сочетание из различных элементов, таких как СО, Cr или Al. В другом варианте выполнения защитное покрытие 190 содержит металл или керамику. В примерном варианте выполнения защитное покрытие содержит оксид металла.
[0044] Защитные покрытия 180 и 190 могут быть нанесены на поверхности 182, 184, 192 и 194 соответственно соединений 150 и 170 любым способом нанесения покрытий, включая химическое осаждение из паровой фазы, конденсацию из паровой фазы, термическое напыление, осаждение из золь-геля, электронно-лучевое осаждение, электроосаждение, ионное осаждение или любые их сочетания. В одном конкретном варианте выполнения по меньшей мере одно из защитных покрытий 180 или 190 выполнено путем окисления элементов, находящихся на участке соединения 150 или 170.
[0045] Установка 10, содержащая двигатель 20 с ротором 30, статором 40 и уплотнительным узлом 100, описанная в указанных выше вариантах выполнения, может использоваться в различных областях применения, в том числе имеющих агрессивные и неблагоприятные среды. Указанные установки могут применяться в том числе в нефтегазовой промышленности, при выполнении работ под водой.
Примеры:
[0046] Следующий пример иллюстрирует варианты выполнения в соответствии с настоящим изобретением и не должен рассматриваться как ограничивающий формулу изобретения.
2
2,
2
2
[0047] С использованием материала на основе окиси алюминия выполнены две цилиндрические секции 112 и 114 (фиг.3) длиной около 3 футов (90 см), наружным диаметром 1 фут (30 см), толщиной около 10 мм и плотностью приблизительно 99% от теоретической. Указанные две секции 112 и 114 герметично соединены вместе с использованием паяного соединения с образованием монолитного керамического разделителя 110. Керамические торцы, подлежащие соединению, покрыты слоем из молибдена и марганца с использованием никеля в качестве увлажняющего слоя и соединены путем пайки. Другие свободные торцы керамических секций 112 и 114 также металлизированы слоем молибдена и марганца с использованием никеля в качестве увлажняющего слоя. Переходный фланец 140 из ниобия соединен у обоих металлизированных торцов с использованием пайки золотом. Монолитный керамический разделитель 110 вместе с переходным фланцем 140 собран между ротором 30 и статором 40 двигателя 20 (см. фиг.1). Торцевые участки 130, выполненные из сплава-625, герметично присоединены к переходному фланцу 140 с использованием пайки золотом с образованием герметичного уплотнительного узла 100. Затем для защиты соединений 150 и 170 по существу от любого типа коррозии или эрозии внутренняя и наружная поверхность соединений 150 и 170 уплотнительного узла 100 могут быть покрыты легкоокисляемым металлом. Ротор 30 может эксплуатироваться, например, в среде с объемной концентрацией HS, равной 60%, концентрацией СО равной 30%, остальной объем которой занимают НO, N и углеводороды. Среда, окружающая ротор, оказывает давление на поверхность 118 монолитного керамического разделителя 110, который уравновешен маслом 72, подаваемым из масляного резервуара 70 и расположенным на противоположной поверхности 116 разделителя 110.
[0048] Несмотря на то, что в настоящем документе показаны и описаны лишь некоторые признаки настоящего изобретения, специалистам в данной области техники очевидно множество модификаций и изменений. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все подобные модификации и изменения в пределах сущности изобретения.
Перечень элементов
установка
10
двигатель
20
узел ротора
30
вал ротора
32
опоры
34
постоянные магниты
36
кожухи магнитов
38
узел статора
40
сердечник статора
42
обмотки статора
44
зазор между ротором и статором
50
оболочка статора
60
секция оболочки статора
62
другая секция оболочки статора
64
еще одна секция оболочки статора
66
граница двух секций оболочки статора
68
компенсатор давления
70
гидравлическая текучая среда
72
конструкция, в которой ротор окружает статор
80
конструкция, в которой ротор и статор расположены соосно
90
уплотнительный узел
100
монолитный керамический разделитель
110
одна секция монолитного керамического разделителя
112
другая секция монолитного керамического разделителя
114
поверхность монолитного керамического разделителя,
расположенная вблизи статора
116
поверхность монолитного керамического разделителя,
расположенная вблизи ротора
118
соединение между керамическими секциями 112 и 114
120
материал спайки соединения 120
122
соединительная поверхность секции 112,
подлежащая присоединению к 114
124
соединительная поверхность секции 114,
подлежащая присоединению к 112
126
металлическое покрытие
128
торцевой участок
130
переходный фланец
140
соединительная поверхность монолитного
керамического разделителя, подлежащая присоединению к
переходному фланцу
142
одна из конструкций соединения 110 и 120
144
другая конструкция соединения 110 и 120
146
паяное соединение между монолитным
керамическим разделителем и переходным фланцем
150
один из материалов спайки соединения 150
152
другой материал спайки соединения 150
154
металлический промежуточный слой соединения 150
156
металлизированный слой паяного соединения 150
158
многослойное соединение
162
стыковое соединение
164
соединение внахлест
166
соединение в виде крышки
168
соединение между переходным фланцем и торцевым
участком
170
защитное покрытие для соединения 150
180
наружная поверхность соединения 150
182
внутренняя поверхность соединения 150
184
защитное покрытие для соединения 170
190
наружная поверхность соединения 170
192
внутренняя поверхность соединения 170
194