УПРУГАЯ КОНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНО УПЛОТНЕННОГО СТАТОРА, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELASTIC CONIC PART FOR TIGHTLY SEALED STATOR, RESPECTIVE ENGINE AND METHOD OF FABRICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Варианты выполнения изобретения, описанные в данном документе, в целом относятся к способам и системам и, более конкретно, к устройствам и способам уплотнения камеры с одновременным сохранением целостности указанной камеры при воздействии на нее термического напряжения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] На протяжении последних лет с увеличением цены на ископаемое топливо возрос интерес ко многим аспектам, относящимся к обработке ископаемого топлива. Кроме того, повысился интерес к производству более эффективных и надежных двигателей, машин, турбин, компрессоров и т.д., обеспечивающих лучшую обработку и распределение продуктов, содержащих нефть и газ.
[0003] Одна область деятельности относится в целом к установкам транспортировки текучей среды и, более конкретно, к электрической машине, обеспечивающей перемещение текучих сред через трубопровод, например, текучих сред, транспортируемых с суши или открытого моря к обрабатывающим предприятиям для их последующего использования. Существуют текучие среды многих типов, которые необходимо транспортировать между различными местами. Одной такой текучей средой может быть высококоррозионный газ. В других областях применения транспортировку текучей среды используют в промышленности, связанной с переработкой углеводородов, и в химической промышленности, а также для распределения к конечным потребителям. По меньшей мере в некоторых станциях для транспортировки текучей среды используется машинное оборудование, такое как компрессоры, вентиляторы и/или насосы, которые приводятся в действие газовыми турбинами. Некоторые из этих турбин приводят в действие соответствующее оборудование для транспортировки текучих сред с помощью редукторак, который или увеличивает, или уменьшает скорость вращения вторичного приводного вала газовой турбины до заданного значения скорости вращения указанного вала. Электрические машины (т.е. приводные электродвигатели или электроприводы) могут иметь преимущество над механическими приводами (т.е. газовыми турбинами) в отношении эксплуатационной гибкости (например, регулируемой скорости), ремонтопригодности, низких денежных расходов и эксплуатационных расходов, лучшей эффективности и совместимости с окружающими условиями.
[0004] Кроме того, электроприводы имеют в целом более простую конструкцию по сравнению с механическими приводами, для них требуется в целом меньшая опорная поверхность, они могут быть легче объединены с оборудованием для транспортировки текучей среды, могут исключать необходимость в редукторе, и/или могут быть более надежными, чем механические приводы. Однако установки, в которых используются электроприводы, выделяют тепло через компоненты привода, например, внутри статоров, и могут требоваться дополнительные системы, обеспечивающие отведение тепла. Например, в некоторых электроприводах транспортируемая текучая среда используется в качестве основной теплопередающей среды, при " этом текучая среда проводится через статор и вокруг него. Однако в некоторых случаях транспортируемая текучая среда может иметь агрессивные составляющие или загрязняющие примеси, которые могут неблагоприятно воздействовать на эффективность компонентов статора. Например, транспортируемая кислотная текучая среда отрицательно воздействует на выполненные из меди компоненты статора.
[0005] По указанным причинам в обычных электромашинах статор машины может быть расположен внутри камеры, которая изолирует статор от ротора, как изложено в патентах США №7508102, 7579724 (Камински и др.), содержание которых целиком включено в данный документ путем ссылки. Внутри указанной камеры может быть предусмотрено масло для содержания статора в масляной среде, которая не наносит вреда выполненным из меди компонентам или другим компонентам, а также для отведения тепла из статора, в то время как транспортируемая текучая среда входит в контакт только с ротором. В указанной камере часть стенок выполнены из металла, а одна стенка, расположенная между статором и ротором, выполнена из неметаллического материала, как это известно в области техники.
[0006] Проблема, связанная с обычными электромашинами, заключается в воздействии термического напряжения/деформации на неметаллическую стенку во время работы машины. Если термическое напряжение/деформация между металлическими стенками и неметаллической стенкой значительно, то неметаллическая часть может сломаться, что приведет в результате к высвобождению масла из камеры и повреждению машины. Термическое напряжение/деформация возникает, когда машина находится в рабочем режиме и ее температура повышается от температуры окружающей среды (которая может быть равна приблизительно 20°C) до рабочей температуры (которая может изменяться в диапазоне 80°C-150°C). Другим фактором, который способствует возникновению термического напряжения, является различие в коэффициентах теплового расширения металлической и неметаллической стенок, так как известно, что металл имеет коэффициент теплового расширения, в целом в три раза превышающий коэффициент теплового расширения неметаллической части. Таким образом, во время работы металлические стенки расширяются больше, чем неметаллическая стенка, что в результате может привести к повреждению последней вследствие напряжения/деформации, вызванных металлическими стенками.
[0007] Соответственно, существует потребность в создании систем и способов, предотвращающих деформацию неметаллической стенки камеры.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложен двигатель, содержащий корпус, имеющий полость, статор, выполненный с возможностью прикрепления к внутренней части полости, упругую коническую часть, выполненную с возможностью прикрепления к первому концу корпуса, жесткую коническую часть, выполненную с возможностью прикрепления ко второму концу корпуса, расположенному напротив первого конца, неметаллическую часть, выполненную с возможностью прикрепления к упругой конической части и жесткой конической части, и ротор, расположенный внутри полости и выполненный с возможностью вращения внутри статора. Корпус, упругая коническая часть, жесткая коническая часть и неметаллическая часть образуют герметичную камеру, в которую заключен весь статор, при этом герметичная камера выполнена с возможностью удержания охлаждающей текучей среды, которая обеспечивает охлаждение статора, а также с возможностью предотвращения прохождения охлаждающей текучей среды к ротору.
[0009] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предложена упругая коническая часть, предназначенная для прикрепления к корпусу двигателя. Указанная упругая коническая часть имеет изогнутый корпус, проходящий от широкого конца к узкому концу, одно или несколько отверстий, расположенных в указанном широком конце и выполненных с обеспечением размещения болта для прикрепления упругой конической части к корпусу двигателя, и приемную часть, выполненную в узком конце и предназначенную для размещения конца неметаллической стенки, изолирующей статор двигателя от ротора двигателя. Указанная приемная часть имеет углубление, выполненное с обеспечением размещения металлического уплотнения, которое обеспечивает уплотнение сопряжения между упругой конической частью и неметаллической стенкой.
[0010] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложен способ обеспечения герметично уплотненной камеры внутри двигателя. Указанный способ включает прикрепление статора к корпусу двигателя, прикрепление жесткой конической части к первому концу корпуса, прикрепление упругой конической части ко второму концу корпуса, расположенному напротив первого конца, так что статор окружен указанным корпусом, жесткой конической частью и упругой конической частью, присоединение неметаллической стенки к жесткой конической части и упругой конической части с образованием герметично уплотненной камеры, так что статор расположен внутри указанной камеры, и расположение ротора внутри статора, при этом ротор обращен к статору через неметаллическую стенку.
[0011] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложена установка для транспортировки текучей среды. Указанная установка содержит компрессор, выполненный с возможностью повышения давления текучей среды, и двигатель, присоединенный к компрессору и выполненный с возможностью приведения в действие компрессора. Указанный двигатель содержит корпус, имеющий полость, статор, выполненный с возможностью прикрепления к внутренней части полости, упругую коническую часть, выполненную с возможностью прикрепления к первому концу корпуса, жесткую коническую часть, выполненную с возможностью прикрепления ко второму концу корпуса, расположенному напротив первого конца, неметаллическую часть, выполненную с возможностью прикрепления к упругой конической части и жесткой конической части, и ротор, расположенный внутри полости и выполненный с возможностью вращения внутри статора. Указанный корпус, упругая коническая часть, жесткая коническая часть и неметаллическая часть образуют герметичную камеру, в которую заключен весь статор, при этом герметичная камера выполнена с возможностью удержания охлаждающей текучей среды, обеспечивающей охлаждение статора, а также для предотвращения прохождения охлаждающей текучей среды к ротору.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] На сопроводительных чертежах, которые включены в данное описание и составляют его часть, показаны варианты выполнения, при этом указанные чертежи вместе с описанием объясняют эти варианты выполнения. На чертежах
[0013] фиг.1 показывает схематический вид двигателя, содержащего две жесткие конические части;
[0014] фиг.2 показывает схематический вид жесткой конической части, используемой в двигателе для образования камеры;
[0015] фиг.3 показывает схематический вид двигателя, содержащего одну жесткую коническую часть и одну упругую коническую часть в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0016] фиг.4 показывает схематический вид упругой конической части в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0017] фиг.5 показывает схематический вид упругой конической части и неметаллической стенки в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0018] фиг.6 показывает схематический вид соединения между упругой конической частью и неметаллической стенкой в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения
[0019] фиг.7 показывает схематический вид упругой конической части в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0020] фиг.8 показывает схематический вид детали упругой конической части, показанной на фиг.7, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0021] фиг.9 показывает блок-схему способа сборки двигателя с упругой конической частью в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
[0022] фиг.10 показывает схематический вид установки для транспортировки текучей среды в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Представленное ниже описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми номерами позиций на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Данное изобретение не ограничено приведенным ниже подробным описанием. Вместо этого объем правовой охраны изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения. Обсуждение приведенных ниже вариантов выполнения для упрощения выполнено с использованием терминологии и конструкции, относящихся к электродвигателю, содержащему статор и ротор. Однако рассматриваемые ниже варианты выполнения не ограничены этими установками и могут быть применены в других установках, в которых используется камера со стенками, выполненными из различных материалов.
[0024] Выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» в данном описании означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, выражения «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
[0025] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения статор электродвигателя расположен внутри камеры, имеющей металлическую и неметаллическую стенки. Неметаллическая стенка прикреплена одним концом к упругой стенке, которая не создает такого напряжения неметаллической стенки, которое создает жесткая стенка, тем самым, когда металлическая стенка расширяется вследствие увеличения температуры, на неметаллическую стенку воздействует меньшее напряжение/деформация.
[0026] Как показано на фиг.1, электродвигатель 10 содержит корпус 12. Корпус 12 имеет полость 14, в которой расположен статор 16. Статор 16 закреплен относительно корпуса 12, то есть статор 16 не совершает вращение относительно корпуса 12. Внутри корпуса 12 расположен ротор 18, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси X. К корпусу 12 прикреплены две жесткие конические части 20 и 22 так, что они обращены к концам статора 16. Между двумя коническими частями 20 и 22 расположена неметаллическая стенка 24, которая прикреплена к коническим частям 20 и 22 и не входит в соприкосновение со статором 16.
[0027] На фиг.2 показано более детально соединение между неметаллической стенкой 24 и конической частью 22. Между конической частью 22 и неметаллической стенкой 24 расположен паяный стой 26, при этом камера 28 ограничена корпусом 12 и неметаллической стенкой 24. Камера 28 герметично изолирована паяным слоем 26. Такой же паяный слой выполнен между другим концом неметаллической стенки 24 и конической частью 20.
[0028] Однако поскольку корпус 12 и конические части 20 и 22 выполнены из металла, а стенка 24 выполнена из материала, который не является металлом, то при повышении температуры электродвигателя 10, например, от комнатной температуры (около 20°C) до рабочей температуры машины (около 150°C-250°C) расширение корпуса и конических частей превышает расширение неметаллической стенки, что создает тепловое воздействие напряжения/деформации на неметаллическую стенку. В одной области применения направление воздействие напряжения/деформации на неметаллическую стенку показано символом S на фиг.2. Это напряжение/деформация могут, в некоторых случаях, привести к разрушению стенки 24, при этом возможная текучая среда, которая циркулирует между статором 16 и ротором 18, может пройти в полость 14 и повредить статор 16. Кроме того, при использовании охлаждающей текучей среды внутри полости 14 для охлаждения статора 16 указанная текучая среда может просочиться к ротору 18, создавая тем самым нежелательные проблемы.
[0029] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.3, электродвигатель 40 имеет корпус 42 и две стенки 44 и 46, которые обращены к статору 48. Статор 48 жестко прикреплен к корпусу 42. Стенка 46 корпуса 42 (также называемая опорой подшипникового корпуса) присоединена к подшипниковому корпусу 50, который содержит подшипник для поддержания ротора 52 с обеспечением вращения. Неметаллическая стенка 56 присоединена между жесткой и упругой коническими частями 60 и 62. Жесткая коническая часть 60 подобна жесткой конической части 20, показанной на фиг.1. Жесткая коническая часть 60 прикреплена к одной стенке 44 корпуса 42. В одной области применения жесткая коническая часть 60 прижата к неметаллической стенке 56 с уплотнением 64, расположенным между конической частью 60 и стенкой 56.
[0030] Однако другой конец неметаллической стенки 56 не прикреплен к жесткой конической части, как показано на фиг.1, а наоборот прикреплен к упругой конической части 62, который уменьшает напряжение/деформацию, приложенную к неметаллической стенке 56 при повышении температуры корпуса. Фиг.4 показывает упругую коническую часть 62, расположенную между двумя стенками 44 и 46 корпуса 42. Кроме того, корпусом 42, стенкой 44, жесткой конической частью 60, неметаллической стенкой 56 и упругой конической частью 62 образована полость 66, в которой герметично изолирован статор. В одной области применения жесткая коническая часть 46 не граничит с полостью 66. Внутри полости 66 предусмотрена охлаждающая текучая среда, обеспечивающая охлаждение статора. В одной области применения охлаждающая текучая среда может представлять собой масло.
[0031] Неметаллическая стенка 56 присоединена к упругой конической части 62, так что охлаждающая текучая среда не просачивается из полости 66 к ротору 52. Для этого у сопряжения между упругой конической частью 62 и неметаллической стенкой 56 может быть выполнено уплотнение 68. В одной области применения уплотнение 68 может представлять собой металлическое уплотнение. В одной области применения уплотнение 68 аналогично уплотнению 64.
[0032] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.4, упругая коническая часть 62 может быть прикреплена к корпусу 42 болтами 70. Для возможности введения болтов 70 в корпус 42 в корпусе 42 и упругой конической части 62 могут быть выполнены соответствующие отверстия 72. В одном иллюстративном варианте выполнения такой же болт 70 используется также для прикрепления стенки 46 к корпусу 42, как показано, например, на фиг.4.
[0033] Одно преимущество одного или нескольких вышеописанных иллюстративных вариантов выполнения изложено со ссылкой на фиг.5 и 6. На фиг.5 более детально показано, что упругая коническая часть 62 в сборке с промежуточной частью 78 корпуса 42 образует зазор 76. Другими словами, когда в контакт с неметаллической стенкой 56 входит конец 62а конической части 62, конец 62b образует зазор 76 с промежуточной частью 78. Соответственно, когда коническая часть 62 прикреплена к корпусу 42 на конце 62b, на неметаллическую стенку 56 воздействует напряжение Т (см. фиг.6), создаваемое упругой конической частью 62. Эта предварительная нагрузка конической части 62 пропорциональна зазору 76. Отметим, что в обычных двигателях при комнатной температуре в собранном состоянии двигателя к неметаллической части не приложено напряжение. В одной области применения зазор 76 составляет 1-5 мм. В другой области применения указанный зазор определен таким образом, что он превышает тепловое расширение корпуса. В еще одной области применения указанный зазор по меньшей мере в пять раз превышает тепловое расширение корпуса.
[0034] Помимо этого, предположим, что двигатель находится в эксплуатации и температура корпуса 42, жесткой конической части 60, упругой конической части 62 и неметаллической стенки 56 увеличивается от комнатной температуры до рабочей температуры. Вследствие расширения корпуса 42, большего, чем расширение стенки 56, ожидается, что в неметаллической стенке 56 возникает термическое напряжение/деформирующее усилие S, как показано на фиг.6. Однако поскольку упругая коническая часть 62 предварительно нагружена, термическое напряжение/деформирующее усилие S в конечном счете уменьшает и/или компенсирует напряжение Т, сводя тем самым к минимуму усилие, которое может привести к повреждению неметаллической стенки 56. В зависимости от размера зазора 76 а также материалов корпуса 42 и упругой конической части 62, усилие Т предварительной нагрузки может быть рассчитано для компенсации усилия S, возникающего вследствие теплового расширения. В одной области применения предварительное напряжение Т уменьшает воздействие усилия S, но не компенсирует его.
[0035] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения можно считать, что упругая коническая часть 62 действует на неметаллическую стенку 56 как пружина, поджимая указанную стенку к жесткой конической части 60 (см. фиг.3). В зависимости от упругих свойств конической части 62 и размера зазора 76 усилие Т, прикладываемое упругой конической частью 62 при предварительной нагрузке, при необходимости можно регулировать. В качестве примера возможных материалов, используемых для упругой конической части 62, отметим сверхпрочный сплав, сплав INCONEL (600, 625, 718 и т.д.), или легированную сталь. Упругость конической части 62 может быть обеспечена ее особенной формой и размерами, а не особым составом материала. Таким образом, упругость указанной конической части приблизительно в 10 раз превышает упругость жесткой конической части. В одной области применения упругая коническая часть имеет улучшенные механические свойства при растяжении, а также имеет форму, обеспечивающую большее значение коэффициента упругости, чем жесткая коническая часть.
[0036] В одной области применения при достижении рабочей температуры значений в диапазоне 80°C - 150°C указанный корпус может расширяться приблизительно на 1 мм, при этом упругая коническая часть выполнена с возможностью уменьшения в неметаллической стенке термического напряжения, связанного с расширением корпуса. В иллюстративном варианте выполнения неметаллическая стенка 56 припаяна к упругой конической части 62 в контактном сопряжении 80. Как вариант, указанная стенка 56 может быть прикреплена к упругой конической части 62 болтами или другими известными средствами. Однако в случае, когда сопряжение 80 свободно от какого-либо прикрепляющего материала за исключением уплотнения 68, поджимающее напряжение, приложенное упругой конической частью 62 к неметаллической стенке 56, является единственным средством, которое удерживает вместе эти два компонента.
[0037] В другом иллюстративном варианте выполнения двигатель 10 может содержать первое и второе подшипниковые устройства 50 (см. фиг.3), расположенные на соответствующих концах ротора 52, и первые и вторые опорные устройства (51 и 46) для подшипниковых корпусов, расположенные у соответствующих концов статора, так что упругая коническая часть расположена между вторым подшипниковым корпусом и статором.
[0038] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.7, упругая коническая часть имеет изогнутый корпус 100, проходящий от широкого конца 102 к узкому концу 104, при этом в широком конце 102 выполнено одно или более отверстий 106, предназначенных для размещения болта для прикрепления упругой конической части к корпусу двигателя, и приемную часть 108 (см. фиг.8), расположенную в узком конце 104 и предназначенную для размещения конца неметаллической части, которая изолирует статор от ротора двигателя. Приемная часть 108 имеет углубление 110, предназначенное для размещения металлического уплотнения, которое обеспечивает уплотнение сопряжения между упругой конической частью и неметаллической частью. Указанная упругая коническая часть имеет трехмерную форму, схожую с изогнутым конусом, как показано на фиг.7.
[0039] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.9, предложен способ создания герметично уплотненной камеры внутри двигателя. Указанный способ включает этап 900 прикрепления статора к корпусу двигателя, этап 902 прикрепления жесткой конической части к первому концу корпуса, этап 904 прикрепления упругой конической части ко второму концу корпуса, расположенному напротив первого конца, так что статор окружен указанным корпусом, жесткой конической частью и упругой конической частью, этап 906 присоединения неметаллической стенки к жесткой конической части и упругой конической части с образованием герметично уплотненной камеры, так что статор расположен внутри указанной камеры, и этап 908 расположения ротора внутри статора, обращенного к статору через неметаллическую стенку.
[0040] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг.10, предложена установка 120 для транспортировки нефте- и газопродуктов. Например, установка 120 может содержать двигатель 122 и компрессор 124. В одной области применения компрессор 124 заменен насосом. Двигатель 122 может быть двигателем 40, показанным на фиг.3, или другим известным двигателем. Вал двигателя 122 может быть присоединен посредством муфты 126 непосредственно к валу компрессора 124. Как вариант, муфта 126 может представлять собой редуктор. Двигатель 122 может быть присоединен к электросети (не показана) и предназначен для приведения в действие компрессора 124. Компрессор 124 может иметь впускное отверстие 128, через которое обеспечивается подача транспортируемого продукта. Часть указанного продукта может проходить через двигатель 122, например, через впускное отверстие 130. Указанный продукт может обеспечивать охлаждение двигателя 122, как изложено в отношении фиг.1 и 4, а затем использованный продукт возвращается к впускному отверстию 128 компрессора 124. Указанный продукт под высоким давлением выпускается из выпускного отверстия 132, например, в транспортный трубопровод. Как показано на фиг.10, двигатель 122 и компрессор 124 могут быть выполнены в одном и том же корпусе. Как вариант эти два компонента могут быть выполнены в различных корпусах.
[0041] В описанных иллюстративных вариантах выполнения предложены установка и способ предотвращения растрескивания или поломки неметаллической стенки, которая является частью камеры, расположенной в двигателе. Следует понимать, что это описание не ограничивает изобретение. Напротив, подразумевается, что указанные иллюстративные варианты выполнения охватывают варианты, модификации и эквиваленты, которые включены в сущность и объем изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения для всестороннего понимания заявленного изобретения приведено описание многочисленных конкретных деталей. Однако специалисту понятно, что различные варианты выполнения могут быть реализованы на практике без использования подобных конкретных деталей.
[0042] Несмотря на то, что признаки и элементы представленных иллюстративных вариантов выполнения описаны в конкретных комбинациях, тем не менее, каждый признак или элемент может быть использован отдельно без других признаков и элементов данных вариантов выполнения или в различных сочетаниях с другими признаками и элементами, рассмотренными в данном документе, или без них.
[0043] В изложенном описании использованы примеры изобретения, обеспечивающие возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем, а также осуществление любых относящихся к этому способов. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалисту. Подразумевается, что такие примеры подпадают под объем формулы изобретения.