Многоступенчатая турбомашина со встроенными электродвигателями

Многоступенчатая турбомашина со встроенными электродвигателями

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Раскрытое в настоящем описании изобретение относится к турбомашинам, а более конкретно, к насосам или компрессорам, особенно подходящим для перекачивания смешанной фазы, т.е. многофазных текучих сред, таких как смешанные газ и нефть.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В морских установках для извлечения углеводородов из подводных месторождений нефти используются подводные газовые и масляные компрессоры и насосы. Подводные, забойные и ЭПН (электрические погружные насосы) турбомашины приводятся в действие электродвигателями, которые расположены соосно со ступенями турбомашин.

Поток, проходящий через турбомашину, обычно содержит смесь газообразных и жидких углеводородов, с переменной объемной долей газа (ОДГ) или объемной долей жидкости (ОДЖ). Как правило, через компрессор влажного газа пропускается влажный газ (т.е. газ, содержащий долю жидкости). Высокоскоростные центробежные компрессоры влажного газа обычно не могут выдерживать объемный процент жидкой фазы, больший чем 5%, то есть они требуют эксплуатации при ОДГ>95%. Таким образом, для удаления избыточного содержания жидкости из пропускаемого потока часто требуется наличие скрубберов-сепараторов больших размеров.

Наличие смешанного потока вызывает серьезные осложнения при пропускании текучей среды в турбомашине. Коэффициент полезного действия турбомашины, предназначенной для эксплуатации при расчетном значении ОДГ, быстро падает, когда машина работает далеко от расчетного значения ОДГ. Предполагая, что расчетное значение ОДГ равно 40%, коэффициент полезного действия может снизиться на 10 единиц при работе ниже 20% или выше 60%.

Для преодоления трудностей при пропускании потоков смешанного газа / жидкости, а конкретно, влажного газа с ОДГ>80%, было предложено (патент США №4830584) использовать многоступенчатые насосы и компрессоры с несколькими соосными ступенями, расположенными в корпусе турбомашины и приводимыми в действие двумя электродвигателями, расположенными снаружи корпуса турбомашины. Два коаксиальных вала приводят во вращение противоположно вращающиеся рабочие колеса многоступенчатой турбомашины. Количество ступеней, которое может быть использовано в таких турбомашинах, ограничено необходимостью уменьшения осевой длины машины. Это ограничивает достижимые перепад давления через турбомашину. Конструкция коаксиальных валов для приведения в действие вращающихся в противоположных направлениях рабочих колес повышает, однако, сложность турбомашины.

Предельно допустимая осевая длина узла турбомашина-электродвигатель, как правило, имеет значение в пределах 7 метров для подводного применения, также существенно ограничивая полную доступную мощность. По сути дела, электродвигатели с выходной мощностью выше 4 МВт могут быть длиннее, чем разрешено указанными выше пределами, если только не используется очень высокая скорость вращения, что отрицательно сказывается на сроке службы турбомашины.

Существует, таким образом, потребность в создании более эффективной турбомашины для пропускания смешанного потока газа / жидкости, которая, по меньшей мере частично, устраняет один или несколько из указанных выше недостатков турбомашин предшествующего уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним аспектом, предложена многоступенчатая турбомашина, содержащая корпус с впускным отверстием для текучей среды и выпускным отверстием для текучей среды; несколько ступеней, расположенных в корпусе; проточный канал, проходящий от впускного отверстия для текучей среды к выпускному отверстию для текучей среды через указанные последовательно расположенные ступени. Каждая ступень состоит из вращающегося рабочего колеса и электродвигателя, встроенного в корпус и расположенного с возможностью вращения рабочего колеса с управляемой скоростью вращения. Каждый электродвигатель содержит ротор, расположенный на рабочем колесе и вращающийся с ним как одно целое, и статор, неподвижно расположенный в корпусе. Пары последовательно расположенных рабочих колес выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях. Спаренные рабочие колеса, вращающиеся в противоположных направлениях, предпочтительно расположены непосредственно рядом друг с другом. Термин «непосредственно рядом друг с другом» означает, что между ними не расположены никакие неподвижные лопасти или лопатки. Текучая среда, выходящая из верхнего по потоку рабочего колеса, поступает непосредственно в нижнее по потоку рабочее колесо. В некоторых вариантах выполнения турбомашина полностью свободна от неподвижных лопаток между последовательно расположенными, вращающимися в противоположных направлениях рабочими колесами, уменьшая, тем самым, общую длину турбомашины.

В некоторых вариантах выполнения все рабочие колеса турбомашины вращаются в противоположных направлениях, то есть каждое рабочее колесо вращается в направлении, противоположном по отношению к соседнему рабочему колесу (колесам). В других вариантах выполнения настоящего изобретения устройство может дополнительно содержать также последовательно расположенные рабочие колеса, которые вращаются в одном и том же направлении, с расположенными между ними неподвижными лопастями или лопатками.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, турбомашина содержит устройство управления, выполненное с возможностью индивидуального управления рабочими условиями каждого электродвигателя. Устройство управления может быть запрограммировано вращать каждый встроенный электродвигатель и, таким образом, каждое рабочее колесо, со скоростью вращения, которая может варьироваться от одного рабочего колеса к другому, основываясь, например, на объемной доле газа в текучей среде, пропускаемой через турбомашину. Устройство управления может состоять из одного или нескольких блоков управления.

Следует понимать, что в особенно предпочтительных вариантах выполнения турбомашина содержит только такие рабочие колеса, каждое из которых имеет свой собственный независимо управляемый встроенный электродвигатель. В других вариантах выполнения, однако, два или большее количество вспомогательных или дополнительных рабочих колес могут управляться с помощью одного и того же электродвигателя или с помощью двух различных электродвигателей, но совместно вращающихся с одинаковой скоростью вращения. Объем настоящего изобретения, следовательно, также охватывает турбомашины, в которых независимые друг от друга рабочие колеса с управляемой скоростью вращения могут быть объединены с другими рабочими колесами, которые не являются независимо управляемыми, по меньшей мере в отношении их скорости вращения.

В некоторых вариантах выполнения управление встроенными электродвигателями может представлять собой управление крутящим моментом или управление скоростью вращения. Например, блок управления может быть запрограммирован для управления скоростью электродвигателей в зависимости от по меньшей мере одного параметра, связанного с коэффициентом сжатия, например, в зависимости от коэффициента сжатия текучей среды, пропускаемой через турбомашину, поскольку коэффициент сжатия изменяется в зависимости от объемной доли газа.

В некоторых вариантах выполнения турбомашина может не иметь вала, или может содержать центральный, не вращающийся вал, поддерживающий с возможностью вращения рабочие колеса и соответствующие роторы встроенных электродвигателей. Могут быть использованы активные магнитные подшипники, подшипники качения, подшипники скольжения или их комбинации. Особенно предпочтительными могут быть самосмазывающиеся подшипники.

Статор электродвигателя, по меньшей мере некоторых из ступеней, может быть расположен вокруг соответствующего ротора электродвигателя, установленного на рабочем колесе таким образом, что статор окружает ротор. Ротор электродвигателя и рабочее колесо каждой ступени могут с возможностью вращения поддерживаться статором электродвигателя, а не центральным валом. В некоторых вариантах выполнения может быть предусмотрена обратная конструкция, когда статор расположен по центру, а ротор и соответствующее рабочее колесо окружают статор.

Турбомашина может содержать несколько расположенных последовательно рабочих колес осевого типа. В некоторых вариантах выполнения все ступени содержат рабочие колеса осевого типа. В других вариантах выполнения турбомашина может содержать одно или несколько рабочих колес радиального типа или осецентробежных рабочих колес, например, расположенных в секции машины, размещенной ниже по потоку от первой секции машины, содержащей рабочие колеса осевого типа.

Далее описаны признаки и варианты выполнения, которые также дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, являющейся неотъемлемой частью настоящего описания. Приведенная выше сущность изобретения излагает признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретением, с тем, чтобы последующее подробное описание могло быть лучше понято, и с тем, чтобы мог быть лучше понят вклад в уровень техники. Имеются, конечно, и другие признаки настоящего изобретения, которые будут описаны ниже и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, переходя к подробному объяснению нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения, следует иметь в виду, что различные варианты выполнения настоящего изобретения не ограничены в своем применении деталями конструкции и расположением элементов, как изложено в последующем описании или проиллюстрировано на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения и может быть осуществлено и осуществляется различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном документе, приведены в целях описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

Таким образом, специалистам в данной области техники будет понятно, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для достижения нескольких целей настоящего изобретения. Важно, поэтому, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции, до тех пор, пока они не отклоняются от сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка раскрытых вариантов выполнения настоящего изобретения и многие из сопутствующих преимуществ будут легко получены, когда они станут понятны со ссылкой на последующее подробное описание при рассмотрении в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует осевой разрез турбомашины, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует в увеличенном масштабе вид, изображенный на Фиг. 1;

Фиг. 3 иллюстрирует осевой разрез турбомашины, выполненной в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 4 иллюстрирует в увеличенном масштабе вид, изображенный на Фиг. 3;

Фиг. 5 иллюстрирует осевой разрез турбомашины, выполненной в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 6 иллюстрирует фрагмент вида, показанного на Фиг. 5, в увеличенном масштабе;

Рис. 7 иллюстрирует осевой разрез турбомашины, выполненной в соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 8 иллюстрирует фрагмент вида, показанного на Фиг. 7, в увеличенном масштабе;

Фиг. 9 иллюстрирует осевой разрез турбомашины, выполненной в соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 10 иллюстрирует фрагмент вида, показанного на Фиг. 9, в увеличенном масштабе;

Фиг. 11 иллюстрирует осевой разрез иллюстративного варианта выполнения турбомашины смешанного осевого и радиального типа, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 12 иллюстрирует принципиальную схему турбомашины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, имеющей ниже по потоку сепаратор жидкости / газа;

Фиг. 13 иллюстрирует принципиальную схему электропитания турбомашины, выполненной в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 14 иллюстрирует частичный вид спереди статора электродвигателя, выполненного в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 15 иллюстрирует схематический вид спереди электродвигателя со встроенными постоянными магнитами, выполненного в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения, раскрытыми в настоящем документе;

Фиг. 16 иллюстрирует схематический вид спереди встроенного реактивного электродвигателя, выполненного в соответствии с дальнейшими вариантами выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 17 иллюстрирует вид в продольном разрезе турбомашины, выполненной в соответствии с еще одним вариантом выполнения изобретения, в которой электронные устройства управления для встроенных электродвигателей расположены на одном конце турбомашины;

Фиг. 18 иллюстрирует вид в продольном разрезе еще одного варианта выполнения турбомашины, выполненной в соответствии с изобретением, в которой оси впускного и выпускного коллекторов в осевом направлении совпадают;

Фиг. 19 иллюстрирует в увеличенном масштабе фрагмент вариантов выполнения турбомашины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением с конструкцией для охлаждения статоров встроенных электродвигателей;

Фиг. 20 иллюстрирует вид в поперечном разрезе, показывающий вариант выполнения, содержащий активные магнитные подшипники, поддерживающие рабочие колеса;

Фиг. 21 и 22 иллюстрируют диаграммы скоростей вращения последовательно расположенных ступеней турбомашин для различных процентов объемной доли газа в текучей среде, пропускаемой через турбомашину в различных вариантах выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же ссылки на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные 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 во всем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, содержатся в по меньшей мере одном раскрытом варианте выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения изобретения» или «в одном варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится 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.

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют варианты выполнения турбомашины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Турбомашина в целом имеет номер позиции 1 и содержит наружный корпус 3 с впускным коллектором 5 и выпускным коллектором 7.

Турбомашина может иметь корпус с вертикальным разъемом или с горизонтальным разъемом. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, турбомашина имеет корпус с вертикальным разъемом, причем корпус 3 состоит из центрального цилиндра 3А и двух концевых частей 3B, 3C, герметично соединенных друг с другом с образованием корпуса 3.

Турбомашина 1 может представлять собой компрессор влажного газа или многофазный насос и, в целом, турбомашина годится для повышения давления многофазной текучей среды, например, жидкости, содержащей некоторый процент сжимаемого газа, или же газа, содержащего некоторый процент жидкости. Фиг. 1 и 2 более конкретно иллюстрируют многофазный насос, пригодный для пропускания потока жидкости, содержащего некоторый процент газообразной среды.

В некоторых вариантах выполнения, как показано на Фиг. 1 и 2, турбомашина 1 представляет собой, в целом, машину осевого типа. Турбомашина 1 может состоять из приемной камеры 9, находящейся в проточном сообщении с впускным коллектором 5, и выпускной камеры 11, находящейся в проточном сообщении с выпускным коллектором 7. Пропускаемая текучая среда протекает через турбомашину в целом в осевом направлении, из приемной камеры 9 в направлении выпускной камеры 11, через несколько ступеней 13А, 13В.

В предпочтительных вариантах выполнения турбомашина 1 содержит четное число ступеней, расположенных попарно, причем каждая пара содержит первую ступень 13А и вторую ступень 13В, расположенные последовательно в направлении потока. Как будет описано более подробно ниже, каждая ступень содержит вращающееся рабочее колесо, приводимое во вращение с помощью соответствующего встроенного электродвигателя. Преимущественно, рабочие колеса двух последовательно расположенных ступеней каждой пары вращаются в противоположных направлениях, то есть они выполнены и управляются с возможностью вращения в двух противоположных направлениях, одно в направлении по часовой стрелке, а другое в направлении против часовой стрелки. В каждой паре ступеней первое, т.е. наиболее верхнее по потоку рабочее колесо вращается в одном и том же направлении, а второе, то есть наиболее нижнее по потоку рабочее колесо вращается в другом направлении, так что за каждым рабочим колесом, вращающимся в одном направлении, всегда следует следующее рабочее колесо, вращающееся в противоположном направлении.

Как это лучше всего показано на Фиг. 2, все еще со ссылкой на Фиг. 1, каждая ступень 13А, 13В содержит рабочее колесо 15А, 15В. Рабочие колеса 15А, 15В имеют соответствующие лопатки 17А, 17В. Каждая лопатка 17А, 17В рабочего колеса может иметь корневую часть, аэродинамическую часть и венец. Венцы кольцеобразно расположенных лопаток 17А, 17В каждого рабочего колеса образуют наружное кольцо или бандаж 19А, 19В. В некоторых вариантах выполнения кольцо или бандаж 19А, 19В могут быть образованы из монолитных элементов. Точно так же, корневые части 21А, 21В лопаток 17А, 17В каждого рабочего колеса могут образовывать сплошное кольцо.

В некоторых вариантах выполнения каждое рабочее колесо 15А, 15В поддерживается посредством соответствующих подшипниковых узлов 23А, 25А и 23В, 25В на внутреннем валу 27. Вал 27 может быть неподвижно установлен в корпусе 3. Как схематически показано на Фиг. 2, подшипниковый узел 23А, 25А и 23В, 25В может иметь комбинированную радиальную и осевую допустимую нагрузку, то есть они могут поддерживать как осевые, так и радиальные нагрузки. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, подшипниковые узлы 23А, 25А, 23В, 25В могут смазываться и охлаждаться посредством жидкой составляющей текучей среды, протекающей в турбомашине 1.

Каждое рабочее колесо 15А, 15В может вращаться на валу 27 независимо от других рабочих колес так, что последовательно расположенные рабочие колеса могут вращаться в противоположных направлениях и с разными угловыми скоростями.

Каждая ступень 13А, 13В приводится во вращение с помощью соответствующего встроенного электродвигателя. В соответствии с раскрытыми в настоящем документе вариантами выполнения, могут быть использованы электродвигатели с постоянными магнитами (сокращенно РМ-электродвигатели). Также могут быть также использованы коммутируемые или синхронные реактивные электродвигатели, или электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Каждый электродвигатель состоит из ротора 31А, 31В, который вращается как одно целое с соответствующим рабочим колесом 15А, 15В, и из статора 33A, 33В, который неподвижен относительно корпуса 3 турбомашины 1. Как показано на Фиг. 1 и 2, ротор 31А, 31В и статор 33A, 33В каждого встроенного электродвигателя имеют радиальное расположение, причем один из них окружает другой. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1 и 2, статор электродвигателя расположен снаружи ротора электродвигателя, т.е. статор 33A, 33В электродвигателя окружает соответствующий ротор 31А, 31В электродвигателя. Как будет описано позже, также может быть предусмотрен обратный порядок расположения, в котором ротор электродвигателя окружает соответствующий статор электродвигателя.

В некоторых вариантах выполнения ротор 31А, 31В электродвигателя может быть размещен в бандаже 19А, 19В соответствующего рабочего колеса 15А, 15В или частично им образован, и может состоять из постоянных магнитов 32А, 32В. Каждый статор 33A, 33В электродвигателя содержит несколько электромагнитов, образованных соответствующими ферромагнитными сердечниками или магнитопроводами 35А, 35В и намотанными вокруг них электрическими обмотками 37А, 37В. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, как лучше всего показано на Фиг. 14 и 15, каждый магнитопровод 35А, 35В статора 33A, 33В электродвигателя может содержать два проходящих радиально плеча 36, вокруг которых намотаны электрические обмотки 37А, 37В. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1 и 2, плечи 36 ориентированы радиально внутрь, причем их концы, которые могут иметь соответствующие расширяющиеся части 36Х (Фиг. 14, 15), обращены к соответствующему ротору 31А, 31В электродвигателя. Магнитопроводы могут быть изготовлены из ферромагнитного материала, например, сложенных листов ферромагнитного металла. Магнитопроводы образуют модульную конструкцию для статора электродвигателя.

Преимущественно, статоры 33A, 33В электродвигателя могут быть изолированы от внутреннего пространства корпуса, в котором расположены рабочие колеса 15А, 15В и роторы 31А, 31В электродвигателя. Например, между наружным корпусом 3 и внутренним кожухом 41 может быть выполнен один непроницаемый для жидкости кольцеобразный корпус 39, причем в этом корпусе 39 размещены статоры 33A, 33В электродвигателя. В других вариантах выполнения настоящего изобретения статор 33A, 33В электродвигателя каждой ступени 13А, 13В может герметичным от жидкости образом быть размещен в отдельном корпусе. В дальнейших вариантах выполнения может быть предусмотрено несколько корпусов, непроницаемых для жидкости, причем каждый из них вмещает два или большее количество статоров 33A, 33В последовательно расположенных ступеней 13А, 13В.

Ниже, в связи с некоторыми вариантами выполнения, будут описаны более подробно дополнительные компоненты и элементы турбомашины и соответствующие встроенные электродвигатели.

На Фиг. 3 проиллюстрирован разрез в плоскости, содержащей ось А-А вращения рабочих колес турбомашины 1, выполненной в соответствии с дальнейшими иллюстративными вариантами выполнения изобретения. На Фиг. 4 в увеличенном масштабе показана одна ступень турбомашины 1, выполненной в соответствии с вариантом выполнения, изображенным на Фиг. 3. Одинаковые или соответствующие компоненты или элементы, показанные на Фиг. 1 и 2, обозначены одними и теми же номерами позиций.

В соответствии с Фиг. 3 и 4, турбомашина 1 снова содержит корпус 3, состоящий из трех частей 3A, 3B и 3C. Корпус 3 имеет впускной коллектор 5 и выпускной коллектор 7, а также приемную камеру 9 и выпускную камеру 11. Несколько ступеней 13А, 13В последовательно расположены в корпусе 3 от приемной камеры 9 до выпускной камеры 11. Каждая ступень 13А, 13В содержит соответствующее рабочее колесо 15А, 15В с лопатками 17А, 17В. Центральный неподвижный вал 27 может быть расположен в корпусе 3 и проходить через ступени 13А, 13В. Каждая ступень 13А, 13В содержит встроенный электродвигатель, состоящий из статора 33A, 33В, неподвижно расположенного в корпусе 3, и ротора 31А, 31В, вращающегося как одно целое и поддерживаемого соответствующими рабочими колесами 15А, 15В.

В соответствии с Фиг. 3 и 4, каждое рабочее колесо 15А, 15В может поддерживаться на своей наружной периферии соответствующим статором 33А, 33В электродвигателя, посредством подшипниковых узлов 51А, 53А, 51В, 53В. Подшипниковые узлы 51А, 53А, 51В, 53В могут быть расположены между наружным бандажом 19А, 19В каждого рабочего колеса 15А, 15В и внутренней частью статора 33А, 33В электродвигателя. Чтобы обеспечить посадочные места для подшипников, каждый статор 33А, 33В электродвигателя может иметь свой собственный корпус 42, который может быть закрыт оболочкой или кожухом 44. Посадочные места для наружных колец или обойм подшипниковых узлов 51А, 53А; 51В, 53В могут быть выполнены в обращенной внутрь поверхности кожухов 44. В некоторых вариантах выполнения подшипниковые узлы 51А, 53А, 51В, 53В могут охлаждаться той же самой текучей средой, которая проходит через турбомашину 1.

Фиг. 5 и 6 иллюстрируют еще один вариант выполнения турбомашины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие детали или элементы, что и на Фиг. 1 и 2. Фиг. 5 и 6 отличаются от Фиг. 1 и 2 подшипниками, используемыми для поддержки каждого рабочего колеса 15А, 15В. Как лучше всего показано на фрагменте, изображенном на Фиг. 6 в увеличенном масштабе, каждое рабочее колесо 15А, 15В поддерживается подшипниками 55А, 56А, 55В, 56В качения. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 5 и 6, для обеспечения комбинированной радиальной и осевой допустимой нагрузки используются два противоположных однорядных радиально-упорных шарикоподшипника. Также возможны и другие подшипниковые узлы, обеспечивающие комбинированную осевую и радиальную допустимую нагрузку, например, с другим количеством подшипников и/или с другим типом или количеством элементов качения. Для ограничения или предотвращения утечек технологической текучей среды в направлении подшипников может быть предусмотрено механическое уплотнение 57.

Фиг. 7 и 8 иллюстрируют другой иллюстративный вариант выполнения турбомашины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же номера позиций используются для обозначения компонентов, частей и элементов, соответствующих показанным на Фиг. 1-6. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 7 и 8, порядок расположения ротора и статора электродвигателя каждой ступени изменен на обратный, когда статор электродвигателя расположен внутри ротора электродвигателя и рабочего колеса, окружающего статор.

Более конкретно, турбомашина 1, изображенная на Фиг. 7 и 8, содержит наружный корпус 3 с впускным коллектором 5 и выпускным коллектором 7, которые могут проточно сообщаться, соответственно, с приемной камерой 9 и выпускной камерой 11. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 7 и 8, турбомашина 1 имеет корпус с вертикальным разъемом и состоит из центрального цилиндра 3A и двух концевых частей 3B, 3C, образующих вместе корпус 3. В других вариантах выполнения, которые не показаны, турбомашина может иметь корпус с горизонтальным разъемом.

На Фиг. 7 и 8 турбомашина вновь представлена в виде турбомашины 1 осевого типа. Рабочая текучая среда протекает через турбомашину 1 в целом в осевом направлении от приемной камеры 9 к выпускной камере 11, через несколько ступеней 13А, 13В. В предпочтительных вариантах выполнения турбомашина 1 содержит четное число ступеней, расположенных попарно, причем каждая пара содержит первую ступень 13А и вторую ступень 13В, расположенные последовательно и выполненные и управляемые с возможностью вращения в противоположных направлениях.

В некоторых вариантах выполнения турбомашина 1 может иметь нечетное число ступеней, и в этом случае рабочие колеса первой и последней ступеней вращаются в одном направлении. Предпочтительно, однако, турбомашина 1 содержит четное число рабочих колес.

Как лучше всего показано на Фиг. 8, все еще со ссылкой на Фиг. 7, каждая ступень 13А, 13В содержит рабочее колесо 15А, 15В. Рабочие колеса 15А, 15В имеют соответствующие лопатки 17А, 17В. Каждая лопатка 17А, 17В рабочего колеса может состоять из корневой части, аэродинамической части, которая заканчивается венцом на радиальном наружном конце лопатки. Корневые части кольцеобразно расположенных лопаток 17А, 17В каждого рабочего колеса 15А, 15В образуют внутреннее кольцо 22А, 22В. В некоторых вариантах выполнения внутреннее кольцо 22А, 22В может быть образовано монолитным компонентом.

Каждая ступень 13А, 13В приводится во вращение с помощью соответствующего встроенного электродвигателя. Каждый электродвигатель состоит из ротора 31А, 31В и неподвижного статора 33А, 33В. Ротор 31А, 31В электродвигателя выполнен на и вращается как одно целое с соответствующим рабочим колесом 15А, 15В. В отличие от ранее описанных вариантов выполнения, в турбомашине, показанной на Фиг. 7 и 8, каждый встроенный электродвигатель расположен внутри кольцеобразной конструкции лопаток 17А, 17В, а статор 33А, 33В электродвигателя расположен внутри ротора электродвигателя.

В некоторых вариантах выполнения ротор 31А, 31В электродвигателя может быть размещен во внутреннем кольце 22А, 22В соответствующего рабочего колеса 15А, 15В, или частично им образован, и может состоять из постоянных магнитов 32А, 32В. В других вариантах выполнения, в которых вместо электродвигателя с постоянным магнитом используется электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением или коммутируемый реактивный электродвигатель, внутреннее кольцо 22А, 22В каждого рабочего колеса могут быть выполнено из ферромагнитного материала с барьерами магнитного потока.

Каждый статор 33А, 33В электродвигателя неподвижно расположен в корпусе 3 внутри соответствующего ротора. Статоры 33А, 33В могут неподвижно поддерживаться центральным неподвижным, то есть не вращающимся валом 27. Каждый статор 33А, 33В электродвигателя содержит несколько электромагнитов, образованных соответствующими ферромагнитными сердечниками или магнитопроводами 35А, 35В и электрическими обмотками 37А, 37В, намотанными вокруг них. Каждый магнитопровод может иметь один или несколько проходящих радиально наружу плеч, вокруг которых намотаны обмотки 37А, 37В.

В некоторых вариантах выполнения каждое рабочее колесо 15А, 15В поддерживается на статоре 33А, 33В соответствующего встроенного электродвигателя соответствующими подшипниковыми узлами 24А, 26А и 24В, 26В. Как схематически показано на Фиг. 8, подшипниковые узлы 24А, 26А и 24В, 26В могут иметь комбинированную радиальную и осевую допустимые нагрузки, т.е. они могут поддерживать как осевые, так и радиальные нагрузки.

Каждое рабочее колесо 15А, 15В может вращаться вокруг оси А-А вращения со скоростью, которая отличается от скорости вращения соседнего рабочего колеса, по меньшей мере в отношении направления и/или модуля скорости.

Преимущественно, статоры 33А, 33В электродвигателя изолированы от внутренней части корпуса 3, где расположены рабочие колеса 15А, 15В. Для лучшей установки подшипниковых узлов 24А, 26А, 24В, 26В, каждый статор 33А, 33В электродвигателя может быть заключен в отдельную оболочку или кожух, на наружной поверхности которого выполнены посадочные места для подшипников. На Фиг. 8 кожуха обозначены номерами позиций 44А, 44В, а сформированное таким образом внутреннее посадочное место, вмещающее соответствующий статор 33А, 33В электродвигателя, обозначено номерами позиций 42А, 42В. Для предотвращения утечки технологической текучей среды в посадочные места 42А, 42В статоров 33A, 33В каждое посадочное место предпочтительно выполнено непроницаемым для жидкости.

Фиг. 9 и 10 иллюстрируют еще один вариант выполнения турбомашины, выполненной в соответствии описанным в настоящем документе изобретением. Подобные или эквивалентные части и компоненты обозначены теми же самыми номерами позиций, что и на чертежах, описанных выше. Турбомашина 1, изображенная на Фиг. 9 и 10, представляет собой, в целом, машину осевого типа, имеющую корпус 3 с впускным коллектором 5 и выпускным коллектором 7. Турбомашина 1 может дополнительно содержать приемную камеру 9, проточно сообщающуюся с впускным коллектором 5, и выпускную камеру 11, проточно сообщающуюся с выпускным коллектором 7. Рабочая текучая среда протекает через турбомашину, в целом, в осевом направлении от приемной камеры 9 к выпускной камере 11 через несколько последовательно расположенных ступеней 13А, 13В.

Каждая ступень 13А, 13В содержит вращающееся рабочее колесо 15А, 15В, приводимое во вращение с помощью соответствующего встроенного электродвигателя, состоящего из ротора 31А, 31В, вращающегося за одно целое с соответствующим рабочим колесом 15А, 15В, и статора 33A, 33В, неподвижно расположенного в корпусе 3. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 9 и 10, статор 33A, 33В электродвигателя каждой ступени 13А, 13В расположен в радиальном направлении снаружи относительно рабочего колеса 15А, 15В, и окружает соответствующий ротор 31А, 31В электродвигателя.

Предпочтительно, предусмотрено четное число ступеней 13А, 13В и ступени выполнены спаренными, при этом рабочие колеса двух последовательно расположенных ступеней каждой пары вращаются в противоположных направлениях, то есть они выполнены и управляются с возможностью вращения в двух противоположных направлениях, соответственно, по часовой стрелке и против часовой стрелки. Как и в ранее описанных вариантах выполнения, скоростью встроенных электродвигателей и, тем самым, ступеней, можно управлять независимо друг от друга, так что скорость вращения каждой ступени может быть оптимизирована, в соответствии со способами управления, которые будут описаны более подробно позже.

Каждое рабочее колесо 15А, 15В имеет соответствующие лопатки 17А, 17В, расположенные по кругу или в кольцеобразном расположении. Каждая лопатка 17А, 17В рабочего колеса может иметь корневую часть, аэродинамическую часть и венец. Венцы кольцеобразно расположенных лопаток 17А, 17В каждого рабочего колеса 15А, 15В образуют наружное кольцо или бандаж 19А, 19В. В некоторых вариантах выполнения кольцо или бандаж 19А, 19В могут быть образованы монолитным компонентом. Ротор электродвигателя каждой ступени предпочтительно выполнен в наружном бандаже соответствующего рабочего колеса 15А, 15В, или поддерживается им. Ротор 31А, 31В электродвигателя может содержать постоянные магниты 32А, 32В, взаимодействующие с электромагнитами, формирующими статор 33A, 33В электродвигателя. Например, постоянные магниты 32А, 32В могут быть встроены в наружную кольцеобразную часть бандажа 19А, 19В соответствующего рабочего колеса 15А, 15В.

Корневые части каждого лопаточного аппарата каждого рабочего колеса 15А, 15В могут образовывать монолитный центральный сердечник 28А, 28В.

Аналогично вариантам выполнения, изображенным на Фиг. 3 и 4, каждое рабочее колесо 15А, 15В может поддерживаться на наружной периферии соответствующим статором 33A, 33В электродвигателя, посредством подшипникового узла 51А, 53А, 51В, 53В. Подшипниковый узел может иметь комбинированную радиальную и осевую допустимые нагрузки.

Подшипниковые узлы 51А, 53А, 51В, 53В могут быть расположены между наружным бандажом 19А, 19В каждого рабочего колеса 15А, 15В и внутренней поверхностью статора 33A, 33В электродвигателя. Каждый статор 33A, 33В электродвигателя может быть размещен в соответствующем корпусе 42, ограниченным, например, кожухом 44, который отделяет статор 33A, 33В электродвигателя от окружающей среды. Посадочные места для наружных колец или обойм подшипниковых узлов 51А, 53А; 51В, 53В могут быть сформированы в обращенной вовнутрь поверхности кожуха 44. В некоторых вариантах выполнения подшипниковые узлы 51А, 53А, 51В, 53В могут смазываться и охлаждаться с помощью той же самой текучей среды, которая пропускается через турбомашину 1.

Описанные выше варианты выполнения относятся к осевым турбомашинам. Другие варианты выполнения изобретения, описанные в настоящем документе, могут включать турбомашину радиального типа или турбомашину комбинированного осевого и радиального типа.

На Фиг. 11 проиллюстрирован иллюстративный вариант выполнения турбомашины комбинированного осевого и радиального типа, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на Фиг. 11, турбомашина комбинированного осевого и радиального типа, обозначенная в целом номером позиции 1, может состоять из первой секции 1А и второй секции 1В, которые расположены последовательно между впускным коллектором и выпускным коллектором, которые не показаны.

В варианте выполнения, показанном на Фиг. 11 первая секция 1А машины