具有低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的機械驅動架構的制作方法
【專利說明】具有低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的機械驅動架構
[0001]相關申請的交叉引用
本專利申請涉及下列共通轉讓的專利申請:題為“多級軸向壓縮機布置”的us專利申請序列號N0.14/460，560 ;題為“具有單一類型低損耗軸承和低密度材料的動力系架構”的US專利申請序列號N0.14/460，576 ;題為“具有混合類型低損耗軸承和低密度材料的動力系架構”的US專利申請序列號N0.14/460，595 ;題為“具有單一類型低損耗軸承和低密度材料的機械驅動架構”的US專利申請序列號N0.14/460，606 ;題為“具有混合類型低損耗軸承和低密度材料的機械驅動架構”的US專利申請序列號N0.14/460，620 ;和題為“具有低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的動力系架構”的US專利申請序列號N0.14/460，410。在上面確定的各專利申請同此同時地提交，且通過引用而并入本文中。
技術領域
[0002]本發明大體涉及機械驅動燃氣渦輪，且更具體而言，涉及可具有低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的機械驅動架構。
【背景技術】
[0003]燃氣渦輪用于許多工業分支中，從軍事到功率生成。典型地，燃氣渦輪用于產生電能。然而，一些燃氣渦輪用于推進各種車輛、飛機、船等。在油氣領域，燃氣渦輪可用于驅動壓縮機、栗和/或發電機。在燃氣渦輪在工業應用中用于驅動壓縮機(例如，用于將氣體注入井中以推動油向上穿過另一孔)的方案中，燃氣渦輪的壓縮機利用旋轉葉片和固定導葉的排來壓縮空氣，從而將其引導至將壓縮空氣與燃料混合的燃燒器，并且燃燒其以形成熱的空氣-燃料混合物，該熱的空氣-燃料混合物膨脹穿過燃氣渦輪的渦輪中的葉片。結果，葉片圍繞燃氣渦輪的軸或轉子轉動或旋轉。轉動或旋轉的轉子驅動連接至燃氣渦輪的負載壓縮機，該負載壓縮機使用旋轉能量來壓縮流體(例如，氣體、空氣等)。
[0004]用于機械驅動架構中的許多燃氣渦輪架構使用與高粘性潤滑劑(即，油)結合的滑動軸承來支撐渦輪區段、壓縮機區段和連接至其的負載壓縮機的旋轉構件。油軸承為采購起來相對便宜的，但具有與它們的附屬油滑道(skid)有關的成本(例如，對于栗、儲存器、蓄壓器等)。此外，油軸承具有高維護間隔且可導致驅動系中的過多粘性損耗，這又可不利地影響由燃氣渦輪驅動的負載壓縮機單元的操作。
【發明內容】
[0005]在本發明的一個方面中，公開了機械驅動架構。在本發明的該方面中，該機械驅動架構包括燃氣渦輪，該燃氣渦輪具有壓縮機區段、渦輪區段、和操作地聯接至該壓縮機區段和該渦輪區段的燃燒器區段。負載壓縮機由該燃氣渦輪驅動。轉子軸延伸穿過該燃氣渦輪發動機的壓縮機區段和渦輪區段和該負載壓縮機。壓縮機區段、渦輪區段、和負載壓縮機中的各個包括多個旋轉構件，該燃氣渦輪和該負載壓縮機中的一個中的旋轉構件中的至少一個包括低密度材料。多個軸承支撐在該燃氣渦輪和該負載壓縮機內的轉子軸，其中，軸承中的至少一個為具有低損耗潤滑劑的低損耗軸承。
[0006]技術方案1:一種機械驅動架構，包括:
燃氣渦輪，其具有壓縮機區段、渦輪區段、和操作地聯接至所述壓縮機區段和所述渦輪區段的燃燒器區段；
負載壓縮機，其由所述燃氣渦輪發動機驅動；
轉子軸，其延伸穿過燃氣渦輪發動機的壓縮機區段和渦輪區段以及所述負載壓縮機；
和
多個軸承，其支撐所述燃氣渦輪和所述負載壓縮機內的所述轉子軸，其中，所述軸承中的至少一個為包括低損耗潤滑劑的低損耗軸承；
其中，所述壓縮機區段、所述渦輪區段、和所述負載壓縮機各自具有多個旋轉構件，所述壓縮機區段、所述渦輪區段、和所述負載壓縮機中的至少一個中的旋轉構件中的至少一個包括低密度材料。
[0007]技術方案2:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括至少一個低損耗軸承，所述至少一個低損耗軸承包括非常低粘性的流體。
[0008]技術方案3:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括至少一個常規油軸承。
[0009]技術方案4:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，所述轉子軸包括單軸布置。
[0010]技術方案5:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括沿所述轉子軸操作地聯接至所述渦輪區段的再加熱區段，所述再加熱區段具有再加熱燃燒器區段和具有多個旋轉構件的再加熱渦輪區段，其中，所述壓縮機區段、所述渦輪區段、所述負載壓縮機和所述再加熱渦輪區段中的旋轉構件中的至少一個包括所述低密度材料。
[0011]技術方案6:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，所述燃氣渦輪包括后端驅動燃氣渦輪。
[0012]技術方案7:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括負載聯接元件，以用于將所述負載壓縮機沿所述轉子軸聯接至所述燃氣渦輪。
[0013]技術方案8:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，所述轉子軸包括具有第一轉子軸和第二轉子軸的多軸布置，所述第一轉子軸延伸穿過所述壓縮機區段和所述渦輪區段，所述第二轉子軸延伸穿過所述負載壓縮機，所述第一轉子軸和所述第二轉子軸中的各個由所述多個軸承支撐。
[0014]技術方案9:根據技術方案8所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括齒輪箱組件，所述齒輪箱組件構造成以與所述負載壓縮機中的旋轉構件不同的旋轉速度旋轉所述燃氣渦輪中的旋轉構件。
[0015]技術方案10:根據技術方案8所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括動力渦輪區段，所述動力渦輪區段聯接至所述第二轉子軸以驅動所述負載壓縮機；其中，所述動力渦輪區段具有多個旋轉構件，所述壓縮機區段、所述渦輪區段、所述負載壓縮機和所述動力渦輪區段中的旋轉構件中的至少一個包括所述低密度材料。
[0016]技術方案11:根據技術方案10所述的機械驅動架構，其特征在于，還包括再加熱區段，所述再加熱區段沿所述第一轉子軸聯接至所述渦輪區段，所述再加熱區段具有再加熱燃燒器區段和具有多個旋轉構件的再加熱渦輪區段；其中，所述壓縮機區段、所述渦輪區段、所述負載壓縮機、所述動力渦輪區段和所述再加熱渦輪區段中的旋轉構件中的至少一個包括所述低密度材料。
[0017]技術方案12:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，所述壓縮機區段包括在所述燃燒器區段遠側的前方級、最接近所述燃燒器區段的后級、和配置在其間的中級，所述前方級、所述中級、和所述后級中的各個具有多個旋轉構件；其中，所述壓縮機區段的前方級、中級和后級、所述渦輪區段、和所述負載壓縮機中的旋轉構件中的至少一個包括所述低密度材料；并且其中，所述機械驅動架構還包括短軸，所述短軸在所述轉子軸的徑向外側且延伸穿過所述前方級，使得圍繞所述短軸布置的所述前方級的旋轉構件在比圍繞所述轉子軸布置的所述中級和后級的旋轉構件慢的旋轉速度下操作。
[0018]技術方案13:根據技術方案12所述的機械驅動架構，其特征在于，所述多個軸承包括短軸軸承以支撐所述短軸，所述短軸軸承中的至少一個包括低損耗潤滑劑軸承。
[0019]技術方案14:根據技術方案1所述的機械驅動架構，其特征在于，所述壓縮機區段包括低壓壓縮機區段和高壓壓縮機區段，且所述渦輪區段包括低壓渦輪區段和高壓渦輪區段；其中，所述高壓渦輪區段驅動所述高壓壓縮機區段，并且所述低壓渦輪區段驅動所述低壓壓縮機區段。
[0020]技術方案15:根據技術方案14所述的機械驅動架構，其特征在于，所述低壓壓縮機區段、所述高壓壓縮機區段、所述低壓渦輪區段、和所述高壓渦輪區段中的各個包括多個旋轉構件；并且其中，所述低壓壓縮機區段、所述高壓壓縮機區段、所述低壓渦輪區段、所述高壓渦輪區段和所述負載壓縮機的旋轉構件中的至少一個包括所述低密度材料。
[0021]技術方案16:根據技術方案14所述的機械驅動架構，其特征在于，所述轉子軸包括具有低速筒管和高速筒管的雙筒管布置，所述低速筒管包括所述低壓渦輪區段和所述低壓壓縮機區段，并且所述高速筒管包括所述高壓渦輪區段和所述高壓壓縮機區段。
[0022]技術方案17:根據技術方案16所述的機械驅動架構，其特征在于，所述低速筒管和所述高速筒管由所述多個軸承支撐，所述軸承中的至少一個包括低損耗潤滑劑軸承。
【附圖說明】
[0023]根據優選實施例的與附圖結合地作出的下列更詳細的描述，本發明的特征和優點將變得顯而易見，附圖作為示例而例示出本發明的原理。
[0024]圖1是機械驅動架構的示意圖，根據本發明的實施例，該機械驅動架構包括前端驅動燃氣渦輪、負載壓縮機、和軸承流體滑道，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖2是機械驅動架構的示意圖，根據本發明的實施例，該機械驅動架構包括具有再加熱區段的前端驅動燃氣渦輪、負載壓縮機、和軸承流體滑道，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖3是機械驅動架構的示意圖，根據本發明的實施例，該機械驅動架構包括后端驅動燃氣渦輪、負載壓縮機、和軸承流體滑道，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖4是多軸機械驅動架構的示意圖，根據本發明的實施例，該多軸機械驅動架構包括后端驅動燃氣渦輪、負載壓縮機、軸承流體滑道、和齒輪箱，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖5是燃氣渦輪架構的示意圖，根據本發明的實施例，該燃氣渦輪架構包括后端驅動動力渦輪，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖6是燃氣渦輪架構的示意圖，根據本發明的實施例，該燃氣渦輪架構包括后端驅動動力渦輪和再加熱區段，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖7是前端驅動燃氣渦輪架構的示意圖，根據本發明的實施例，該前端驅動燃氣渦輪架構包括短軸(stub shaft)和降低燃氣渦輪發動機中壓縮機的前方級的速度的減速機構，且還包括具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉構件；
圖8是前端驅動燃氣渦輪架構的示意圖，根據本發明的實施例，該前端驅動燃氣渦輪架構包括短軸和降低燃氣渦輪發動機中壓縮機的前方級的速度的減速機構、再加熱區段、具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉葉片；
圖9是多軸、前端驅動燃氣渦輪架構的示意圖，根據本發明的實施例，該多軸、前端驅動燃氣渦輪架構包括低壓壓縮機區段和高壓壓縮機區段，該低壓壓縮機區段經由低速筒管(spool)而聯接至低壓渦輪區段，該高壓壓縮機區段經由高速筒管而聯接至高壓渦輪區段，且該多軸、前端驅動燃氣渦輪架構還包括與驅動系一起使用的具有低損耗潤滑劑的至少一個低損耗軸承和由低密度材料制造的至少一個旋轉葉片。
【具體實施方式】
[0025]如在上面所提及的，許多機械驅動架構使用與高粘性潤滑劑(S卩，油)結合的滑動軸承以支撐燃氣渦輪、發電機、和連接至其的負載壓縮機的旋轉構件。油軸承具有高維護間隔成本且引起到驅動系中的過多粘性損耗，這可不利地影響由燃氣渦輪驅動的負載壓縮機的操作。還存在與伴隨油軸承的油滑道有關的成本。
[0026]低損耗軸承(其包括具有低損耗潤滑劑的軸承)為使用油軸承的一個備選方案。然而，某些燃氣渦輪驅動的機械驅動架構對于使用低損耗軸承而言是困難的應用。具體而言，在燃氣渦輪尺寸增大時，支撐軸承墊面積作為旋轉軸直徑的平方而增大，而機械驅動架構的重量作為旋轉軸直徑的立方而增大。因此，為了實現低損耗軸承，軸承墊面積的增大和重量的