双端齿轮流体驱动起动器的制作方法

专利名称：双端齿轮流体驱动起动器的制作方法
双端齿轮流体驱动起动器
相关申请的交叉引用
0001本申请要求2006年3月6日提交的美国临时申请第60/779,680 号的权益。
0002本发明总体涉及由C.G*霍尔特和W'L.马丁于2005年12 月23日提交的标题为Multi-Compressor String With Multiple Variable Speed Fluid Drives (具有多变速流体驱动器的多压缩机串)的美国临时 申请第60/753,717号。美国临时申请第60/753,717号随后作为国际申 请PCT/US2006/043287于2006年11月8日被提交。
背景技术：
0003本部分意欲介绍可能与本发明示例性实施例有关的各方面技 术。相信这种讨论有助于提供一种框架以帮助更好地理解本发明的具 体方面。因此，应当理解，本部分应该以此见解进行解读，而不必将 其作为对现有技术的认可。
0004本发明一般地涉及用于起动大型旋转设备的方法。更具体地， 本发明涉及用于设备串的压縮机起动转矩转换器(compressorstarting torque converter)。对于启动大型发动机或涡轮以驱动一个压缩机或多 个压縮机，起动器是必需的。压縮机串在大规模的液化天然气(LNG) 制冷中可能是有用的。
0005串行组合(亦即"串(string)")中的高速、高功率旋转设备 (如涡轮、电发动机和压缩机)的组合一般需要单独的起动器以启动 其运转，原因在于各种因素如大的转动惯量、寄生损耗、起步(breakaway) 转矩、空气阻力、压縮负载以及其它与旋转设备有关的阻力。 设施中的典型串可以具有连接到一个压縮机、多个压縮机、发电机的 燃气涡轮或发动机驱动器，或者基于负载的任何其它旋转机器。起动 器机构如低功率起动发动机也可以被连接到该串。图1显示具有燃气 涡轮3机械驱动器和压缩负载的典型串的例子，该典型串包括第一压
縮机4和第二压縮机5，其具有变频驱动器(VFD) l和起动器发动机 (S/M) 2。 VFD 1是将稳定的交流电(AC)线路输入电压转化为直流 电(DC)并且将DC电压转换为用户定义的输出AC的电装置。VFD 1 产生用户可选择的变频输出，由此提供S/M2的可变速度。结果，相 对于具有阻尼器条的同步发动机的直接起动(across-the-line start)，大 惯量负载通过有限受控的突入(in-rush)电流被起动，该突入电流接近 于连续运行工作的发动机的额定电流的6倍(取决于负载)。0006图2示意性地图示说明具有变速液压离合器(HC) 7的典型 直接启动式(across-the-line)起动器发动机(S/M) 6。具有HC7的直 接启动式S/M6是用于起动大惯量负载的另一种机构。HC 7作为机械 的VFD运行。直接启动式S/M6被起动而HC7被解开，因此没有负 载。 一旦S/M6处于全速，则HC7被接合，其提供可变速度(0至全 速)和必要的转矩以使燃气涡轮3和其它连接的(一个或多个)负载 (如，第一压縮机4和第二压縮机5)达到全速。 一旦燃气涡轮3达到 足以产生动力(power)的速度，HC7被解开并且S/M6从设施中电移 除。
0007可以在两种主要情况中的一种情况下完成串的起动。第一种 情况是减压起动，而第二种情况是加压起动。减压起动是在(一个或 多个)压縮机内的低设定(settle-out)压力下开始。对于减压起动，工 作气体被从(一个或多个)压缩机中除去。工作气体被置换，置换的 方法被称为气体补充(make-up)。气体补充可能需要额外的硬件设施
(阀、管路、变送器、闪光信号(flare)、气体回收以及有关的控制器) 并且耗费时间。由于减压起动中补充气体的过长的时间要求和额外的 设备成本，加压起动是一个有吸引力的选择。与减压起动相比，加压 起动在(一个或多个)压缩机内的高设定压力下开始。加压起动去除 了与减压起动的气体补充有关的必要硬件；然而，由于压缩机中的气 体所必需的较高的起动转矩导致较高的内部压縮机负载，加压起动需 要额外的起动力。
0008
一般有两种类型的涡轮，即双轴涡轮和单轴涡轮。双轴燃气 涡轮通过由单轴上的低计数(如2或3)级涡轮驱动的压缩机产生燃烧 过程的压縮。剩余的压力、温度和质量流量形式的热力学动力被直接
传送到第二轴上的同轴动力涡轮中。双轴燃气涡轮的好处是在涡轮的 速度范围内产生显著动力(转矩)的能力。然而，因为压缩机串的动 力需求已经增加，对更大动力的燃气涡轮的需求量也增加了。为满足 这些动力需求，用户可以采用传统上用在机械驱动器设施的动力产生 中的单轴燃气涡轮技术。
0009对于在加压起动下的非常大的发动机或涡轮，如图2所示， 一个直接启动式起动器发动机是不够的。因此，变频装置(VFD)提 供启动动力。然而，VFD是一个巨大的资本开支，其可能占发动机/VFD 组合件(package)的成本的70%。起动压縮串的一个机械性替代选择 是变速流体驱动器。变速流体驱动器是定速输入、变速输出的装置， 该装置通过流体(液压)耦连器将动力(转矩)从输入轴转送到输出 轴。变速流体驱动器的更普通的名字是压縮机起动转矩转换器
(CSTC) 。 CSTC—般包含同步速度锁定特征，该特征使得在同步速 度下CSTC的驱动末端和被驱动末端被机械地接合并且使能原动机与
(一个或多个)负载之间的刚性旋转。
0010图3描述了另一个已知的包含具有CSTC 12的原动机10 (如 燃气涡轮或电发动机)的系统。CSTC12消除了发动机驱动的串中对 于VFD的需要，并且消除了燃气涡轮驱动的串中对于起动器/辅助发动 机和VFD的需要。然而，在任一情况下均需要具有HC7的S/M6或 起动器发动机VFD来启动该串。原动机IO (例如燃气涡轮或发动机) 的起动组合件可以是具有HC 7的S/M 6或具有起动器发动机VFD的 起动器发动机。任一起动器组合件可以与任何原动机类型例如燃气涡 轮或发动机互换使用。2002年10月15日授权的Schmidt等人的美国 专利第6，463，740号是串形式的CSTC的例子。Schmidt的CSTC被耦 连到燃气涡轮和压縮机上，但是不能发动超过50,000马力(hp)(小 于40兆瓦特(MW))的压縮机串。
0011提高CSTC的速度性能的动力受到限制。某些应用在指定的 速度需要比CSTC技术目前能提供的动力更强的动力。在压縮机串中 的负载被降低的减压起动中，CSTC也许能够进行起动；然而，单独的 CSTC技术在起动高负载压縮机串，如在高负载压縮机串的加压起动中 的动力是有限的。当其速度增加时，CSTC的动力输出减少。假定目前
的高功率压缩机需要高速度，则CSTC不能以必要的速度和功率进行 输出。本发明试图减轻这一缺点。
0012其它相关的材料可以至少在美国专利第2,377,851号、第 3,043,162号、第3,886,729号和第3,955,365号以及英国专利第1,208,831 号中找到。

发明内容
0013在本发明的装置的一个实施例中，提供旋转动力设备串。该 旋转动力设备串包括具有输出轴的原动机；连接到所述原动机上的减 速齿轮系，所述减速齿轮系具有输出轴和输入轴，所述减速齿轮系输 出轴以低于所述原动机输出轴的速度旋转；连接到所述减速齿轮系输 出轴的压縮机起动转矩转换器(CSTC)，其中所述CSTC包括输出轴； 连接到所述CSTC输出轴的增速齿轮系，所述增速齿轮系具有以高于 所述CSTC输出轴的速度旋转的增速齿轮系输出轴；以及连接到所述 增速齿轮系输出轴的驱动负载，其中可以通过所述增速齿轮系增加所 述CSTC输出轴的旋转速度，以满足所述驱动负载的运行速度需要。 根据本发明的另一方面，所述原动机可以是发动机。可选地，所述原 动机可以是涡轮。所述涡轮可以是单轴涡轮。所述驱动负载可以是压 縮机。所述压縮机可以是加压起动的或是减压起动的。所述压縮机可 以是LNG压縮机。这种CSTC和传动装置排列(arrangement)的一个 应用是用于液化天然气(LNG)制冷压縮串，该串在大约2,500转每分 钟(rpm)至大约4,000 rpm时可能需要大约80兆瓦特(MW)至大约 150 MW的功率。
0014在本发明的装置的第二个实施例中，提供用在旋转机器串中 的双端齿轮压縮机起动转矩转换器(CSTC)。双端齿轮CSTC包括 CSTC;输入端和输出端；锁定机构，其用于将CSTC输入端机械地连 接到所述输入端和所述输出端之间的速度同步的CSTC输出端(这使 得在同步速度下CSTC的驱动末端和被驱动末端被机械地接合并且使 能原动机与(一个或多个)负载之间的刚性旋转)；在所述输入端的 减速齿轮系；以及在所述输出端的增速齿轮系。机壳可以包围并密封 全部的双端齿轮CSTC组件，或者可以使用单独的机壳。增速齿轮系
和减速齿轮系中的每一个可以是单螺旋结构，或者每一个可以是双螺 旋结构。
0015在本发明的装置的第三个实施例中，提供旋转设备动力串， 其用于包括压縮机起动转矩转换器(CSTC)的整体组装(process)制 冷设施(如，压縮天然气以形成液化天然气(LNG))。该旋转设备 动力串包括具有输入轴和输出轴的单轴燃气涡轮；具有输入轴和标称 速度需求的至少一个整体组装制冷压縮机；可连接到所述涡轮输入轴 的起动器发动机；以及用于将动力从所述单轴燃气涡轮输送到所述至 少一个整体组装制冷压縮机的CSTC和传动装置组件。所述CSTC和 传动装置组件包括具有到液压泵的恒速输入轴的CSTC;所述液压泵通 过可调节的导向叶片将液压流体供应给液压涡轮；所述液压涡轮被连 接到CSTC输出轴，从而通过调节所述导向叶片使输出轴的速度从0 增加到全速；所述CSTC进一步包括锁定机构，用于将所述CSTC输 入轴机械地连接到在同步速度下的所述CSTC输出轴。所述设备进一 步包括减速齿轮系，所述减速齿轮系包括连接到高速齿轮的减速齿轮 系输入轴；所述高速齿轮机械地啮合到由减速齿轮系输出轴携带的低 速齿轮，其中所述减速齿轮系输出轴被连接到所述CSTC输入轴上； 并且所述设备还包括增速齿轮系，该增速齿轮系包括增速齿轮系输入 轴，其中所述增速齿轮系输入轴被连接到所述CSTC输出轴、连接到 所述增速齿轮系输入轴的低速齿轮以及机械地啮合到所述低速齿轮的 高速齿轮，其中所述高速齿轮被连接到增速齿轮系输出轴，该增速齿 轮系输出轴被连接到所述整体组装制冷压縮机输入轴。
0016在本发明的第四个实施例中，提供一种起动旋转动力设备串
中的至少一个压縮机的方法。该方法包括提供包含原动机的旋转动
力设备串；将减速齿轮系连接到所述原动机；将压縮机起动转矩转换
器(CSTC)连接到所述减速齿轮系；将增速齿轮系连接到所述CSTC; 将至少一个压縮机连接到所述增速齿轮系；起动所述原动机以在第一
输出速度产生动力；通过所述减速齿轮系，将所述第一速度降到比所 述第一速度低的第二速度；通过所述CSTC,在输出速度将动力从零逐 渐传送到比所述第一速度低的所述第二速度；通过所述增速齿轮系， 使所述第二速度升高到比所述第二速度高的第三速度；以及在所述第
三速度驱动所述压縮机。加压起动优选地在最小启动动力下起动并且 在增速齿轮系达到所述第三速度时过渡到全动力。
0017在本发明第五个实施例中，提供一种利用旋转动力设备串制 备LNG的方法。该旋转动力设备串包括具有输出轴的原动机；连接到 所述原动机的减速齿轮系，所述减速齿轮系具有输出轴和输入轴，所 述减速齿轮系输出轴以低于所述原动机输出轴的速度旋转；连接到所 述减速齿轮系输出轴的压缩机起动转矩转换器(CSTC)，其中所述 CSTC包括输出轴和锁定机构，该锁定机构用于降压縮机起动转矩转换 器输入轴机械地连接到压缩机起动转矩转换器输出轴；连接到所述 CSTC输出轴的增速齿轮系，该增速齿轮系具有以高于所述CSTC输出 轴的速度旋转的增速齿轮系输出轴；以及连接到所述增速齿轮系输出 轴的驱动负载，其中可以通过所述增速齿轮系提高所述CSTC输出轴 的旋转速度以满足所述驱动负载的运行速度要求。原动机可以是单轴 涡轮或发动机。
0018在本发明的第六个实施例中，提供一种利用旋转机器串中的 双端压缩机起动转矩转换器(CSTC)制备LNG的方法。该双端齿轮 CSTC包括压縮机起动转矩转换器(CSTC);输入端和输出端；锁定机 构，该锁定机构用于将CSTC输入端机械地连接到在所述输入端和所 述输出端之间的速度同步的CSTC输出端；在所述输入端的减速齿轮 系；和在所述输出端的增速齿轮系。
0019在本发明的第七个实施例中，提供一种制备LNG的方法。所 述方法包括提供天然气和提供旋转动力设备串。该旋转动力设备串包 括具有输出轴的原动机，减速齿轮系被连接到所述原动机，所述减速 齿轮系具有输出轴和输入轴，所述减速齿轮系输出轴以低于所述原动 机输出轴的速度旋转；连接到所述减速齿轮系输出轴的压缩机起动转 矩转换器(CSTC)，其中所述CSTS包括输出轴；连接到所述CSTC 输出轴的增速齿轮系，所述增速齿轮系具有以高于所述CSTC输出轴 的速度旋转的增速齿轮系输出轴；和连接到所述增速齿轮系输出轴的 压縮机，其中可以通过所述增速齿轮系增加所述CSTC输出轴的旋转 速度以满足所述压縮机的运行速度要求。所述方法进一步包括向所述 压縮机供给制冷剂；在所述压縮机中压缩所述制冷剂，从而形成压缩
的制冷剂；扩张所述压縮的制冷剂以形成冷却的制冷剂；利用所述7令 却的制冷剂通过非直接热交换冷却所述天然气；以及回收LNG。


0020作为初步事项，应当指出，下面呈现的附图并不是按比例示 出的，且各种元件的尺寸和厚度被挑选以便于更好地理解附图。在回 顾下列非限制的示例性实施例的详细描述和附图之后，本发明的前述
和其它优点将变得显而易见，其中
图1是使用变频驱动器的设备串的示意图2是使用变速液压离合器和起动器发动机的另一种设备串的示意图； 图3是使用涡轮和至少一个压縮机之间的CSTC的图2的设备串的示 意图4是在旋转设备串中的本发明的双端齿轮压縮机起动转矩转换器的 示例性实施例的示意图5是显示图4的示例性实施例的传动装置和CSTC的个体组件的局 部截面示意图6是显示图4的示例性实施例的传动装置和CSTC的局部截面示意 图7是在旋转设备串中的本发明的双端齿轮压缩机起动转矩转换器的 另一种示例性实施例的示意图；和
图8是图7的示例性实施例的传动装置和CSTC单元的局部截面的示 意图。
具体实施例
0021以下详细描述部分对本发明的具体实施例以及优选实施例一 起进行描述。然而，就以下描述对本发明的特别实施例或特别应用的 具体程度来说，意图只是用于示例性的目的并且仅仅提供对示例性实 施例的描述。因此，本发明不限于下面描述的具体实施例，而是包括 在所附权利要求的真正精神和范围之内的所有替换、修改和等价物。
0022本发明的一些实施例与起动一个串的机械技术有关。可以在 两种主要情况中的一种情况下完成串的起动。第一种情况是减压起动， 而第二种情况是加压起动。加压起动(例如，在设定压力下)去除了
与减压起动有关的必要硬件。然而，由于较高的起动转矩，它需要额 外的起动动力。本发明的至少一个方面考虑提供用于起动原动机的压 缩负载的替代技术。在至少一个优选实施例中，本发明考虑综合应用
作为至少一个压缩机的起动组合件的至少一个CSTC，所述CSTC被耦 连到位于CSTC的输入驱动轴上的至少一个减速齿轮箱，并被耦连到 位于CSTC的输出驱动轴上的至少一个加速齿轮箱。本发明的装置、 系统和方法可以有利地与大型液化天然气(LNG)压縮机的加压起动 组合使用。
0023对于减压起动，压縮机内的气动阻力(aero-drag)相对低，而 起动转矩主要取决于全部的串惯量和来自外部损耗的次级效应。外部 损耗(T(①)ext)被定义为在压縮机内部阻力(即轴承、密封件、涡轮叶 片装置的气动阻力)之外的所有阻力转矩。为了进行比较，源于压縮 机的所有内部气动阻力将被认为相对于减压起动可忽略不计。气动阻 力与提高到某一动力的旋转速度成正比(T con)，其中，co是串旋转 速度并且2 ^nS3。公式1显示了减压起动中转矩、加速度和外部损 耗的关系。
T = Ja+T(co)ext (1)0024T是串转矩，J是串旋转惯量，而ct是旋转加速度。随着旋转 加速度增大，起动器发动机的转矩和动力也必须增加；然而，达到全 速的时间减少。因此，达到全速的时间是加速度的函数，而加速度是 起动器发动机的动力的函数。然而，起动器发动机必须大小合适以在 全速时克服外部损失，使之最小化。
0025公式2显示了加压起动中转矩、加速度、速度、外部损耗和 压縮机气动阻力的关系，其中T(0))e。mp是(一个或多个)压縮机的气动 阻力。与公式l相比较，公式2用附加项清楚地显示了加压起动的更 高的转矩要求。
T = Ja +T(co)ext + T(co),p (2)0026在所有情况下，需要大小合适的起动机器以进行串的起动。 两种类型的原动机即涡轮和发动机通常被用于起动。涡轮可以在如图1 描述的情况下使用。发动机通常被用于起动涡轮，因为(单轴)涡轮 具有小的速度范围来产生显著动力(即全速的92 103%)。
0027起动和运行压縮机所需要的动力由流量与差动压力的关系决 定。压縮机将会在最低的起动功率下被起动，其一般是低的差动压力 和高的流量。当压缩机处于稳态运行时，差动压力将升高，流量一般 会减少并且功率将会增加直到已经达到标称运行参数。
0028现在转向附图，图4示例性显示了包括原动机(燃气涡轮或 发动机)IO的动力串，该原动机10被用于驱动至少一个压縮机12。 虽然示出了两个压縮机，但本发明可使用任何数目的压縮机。起动器 发动机14通过液压离合器15连接到原动机。原动机的输出端可以通 过齿轮减速器18连接到CSTC 16的输入端。CSTC的输出端可以通过 齿轮增速单元20连接到压縮机12。通过使用这种安排，高速旋转的原 动机输出轴可以被连接到减速器或减速齿轮18以传送转矩和速度。该 传动装置在其输出端以较低的速度将动力传送到CSTC 16。在这一降 低的输入速度下，CSTC以可变的速度(从零速度到完全降低的输出速 度)传送动力。然后通过齿轮增速单元20增加CSTC的输出的速度以 便与输入到压縮机12需要的速度相匹配。
0029CSTC 16是具有输入轴和输出轴的压縮机起动转矩转换器， 其能够将动力从零传送到锁定速度，在该锁定速度，输入轴和输出轴 具有同样的速度。CSTC—般包括锁定机构，该锁定机构用于将压縮禾几 起动转矩转换器输入轴机械地连接到处于同步速度的压縮机起动转失巨 转换器输出轴，这使得在同步速度下CSTC的驱动末端和被驱动末立諧 被机械地接合并且使能原动机与(一个或多个)负载之间的刚性旋转。 CSTC的一些另外的细节被公开在2002年10月15日授权的Schmidt 等人的美国专利第6，463，740号中，与CSTC有关的部分在此被引入作 为参考。Schmidt等人的CSTC被耦连在燃气涡轮和压縮机之间，但是 其不能够起动超过50,000马力(hp)(低于40兆瓦特)的压缩机串。
0030图5中的示意性说明显示齿轮减速器18、 CSTC 16和齿轮加 速器20的示例性串行连接，CSTC 16紧随齿轮减速器18之后，且CSTC 16的输出被传送到齿轮加速器20。注意在此安排中，每一个组件包括 单独的机壳。
0031可以在图6中看到齿轮减速器18的一个优选实施例。齿轮输 入轴23通过耦连法兰26被直接连接到轴旋转速度为w的原动机。高
速齿轮22 (小齿轮)和齿轮输入轴23是一体的并且是双螺旋结构。齿 轮输入轴23由两个油膜轴承(fluid film bearing) 21支撑。齿轮输出轴 24通过耦连法兰28被直接连接到轴旋转速度为o)2的输出负载(CSTC 输入轴42)。低速齿轮25与齿轮输出轴24是一体的并且也是双螺旋 结构。该输出轴由两个径向油膜轴承27支撑。全部的单元被包含在齿 轮箱或机壳29中。
0032增速齿轮20的示例性实施例被显示在图6中，其包括齿轮输 入轴35，该齿轮输入轴35通过耦连法兰37直接连接到轴旋速度为co3 的CSTC输出轴43。低速齿轮34与齿轮输入轴35是一体的并且可以 是双螺旋结构。齿轮输入轴35可以由两个油膜轴承30支撑。齿轮输 出轴36通过耦连法兰31被直接连接到轴旋转速度为Q)4的输出负载(一 个压縮机或多个压缩机)。高速齿轮(小齿轮)33与齿轮输出轴36是 一体的并且也可以是双螺旋结构。该输出轴由两个油膜轴承30支撑。 机壳32密封了齿轮加速单元。
0033本发明的压縮机起动转矩转换器(CSTS) 16的一些示例性元 件也显示在图6中。压縮机起动转矩转换器包括泵40和涡轮41。压縮 机起动转矩转换器的工作流体优选为不可压縮的润滑油(例如，ISOVG 32或46)，但是可以是相似的不可压縮的流体。泵40优选被刚性连 接到CSTC输入轴42。 CSTC输入轴42可以由至少一个径向油膜轴承 44 (如倾斜垫型)和一个油膜推力轴承46支撑。CSTC输入轴42可以 进一步包括到齿轮减速器输出法兰28的法兰安装型耦连连接。液压涡 轮41被刚性连接到CSTC输出轴43并且由至少一个径向油膜轴承48
(如倾斜垫型)和一个油膜推力轴承50 (如倾斜垫型)支撑。CSTC 输出轴43可以进一步包括法兰安装型耦连连接以直接连接到齿轮加速 单元输入法兰37。工作流体可以通过外部热交换器(没有显示)在压 缩机起动转矩转换器内循环。可调节的进口导向叶片52直接将工作流 体的流动导入到泵40中。
0034本发明的压縮机起动转矩转换器(CSTS) 16的至少一个示例 性实施例包括锁定装置，该锁定装置包含三个环形齿轮54、 61、 62、 压力板56和压力缸57、推杆58以及恢复弹簧60。三个环形齿轮54、 61、 62包括内径上有齿的外环形齿轮54、内径和外径上都有齿的中间
滑动环形齿轮61以及内径上有齿的内环形齿轮62，外环形齿轮54优 选刚性连接到CSTC输出轴43，中间滑动环形齿轮61优选刚性连接到 可调节压力板56和推杆58组件，内环形齿轮62优选刚性连接到CSTC 输入轴42。恢复弹簧60优选将推杆58的末端连接到CSTC输出轴43。 恢复弹簧60可以向可移动的中间滑动环形齿轮61-压力板56-推杆58 组件提供恒定的恢复力或去啮合力。工作流体(如润滑油)被注入压 力缸57中以提供推动力或啮合力以使中间滑动环形齿轮61进入外环 形齿轮54和内环形齿轮62之间的位置。
0035本发明的一些实施例包括各种运行方法。 一个示例性方法包 括利用工作流体对压缩机起动转矩转换器(CSTC) 16加压并且关闭可 调节进口导向叶片52以防止工作流体循环通过泵40和液压涡轮41。 利用预定的最小压力来防止泵40中的工作流体的气穴现象(cavitation)。 CSTC输入轴42被加速至齿轮减速输出轴24的全速。在CSTC输入轴 42处于全速时，可调节进口导向叶片52被缓慢打开以允许工作流体在 CSTC 16中循环。可调节进口导向叶片52的开口的增大可提供从泵40 到液压涡轮41的增大的动力流，从而提供CSTC输出轴43上的增大 的转矩，直到可调节进口导向叶片52处于完全开放的位置，此时最大 动力(转矩)被传送到CSTC输出轴43。随着CSTC16中的动力增力口， CSTC输出轴43从零速度加速到CSTC输入轴42的全速。可调节进口 导向叶片52被设计为能使CSTC输出轴43加速到比CSTC输入轴42 的速度稍微高的速度。当CSTC输出轴43的速度(co3)比CSTC输入 轴42的速度(co2)高，并且在设计限制速度差(同步速度)之内时， 锁定装置可以被接合。
0036在本发明的一些实施例中，可以通过将工作流体(优选为润 滑油)注入到锁定装置的压力缸57中而使锁定装置接合。工作流体可 以本领域技术人员已知的工作流体输送系统压力(2 3bar)被提供。 锁定装置的旋转提供了作用于压力缸57中的工作流体上的离心体力， 其在工作流体静压力(高于润滑油系统输送压力)升高时对压力板56 起作用。工作流体压力提供对抗恢复弹簧60的制衡力，引起中间滑动 环形齿轮61-压力板56-推杆58组件与CSTC输入轴42的内环形齿轮 62接合。 一旦锁定装置被接合并且实现CSTC输入轴42和CSTC输出
轴43之间的刚性旋转，则CSTC中的工作流体优选被排放以4吏全速持 续运行过程中的CSTC损失最小。
0037图7中显示了本发明的压缩机起动转矩转换器(CSTC)的一 个可选的示例性实施例。该可选的示例性实施例包括共同机壳64中的 齿轮减速器18和齿轮增速器20以及CSTC 16。这些单元的一体化在 图8中被分别说明，其中所述共同机壳64包含减速器齿轮18、CSTC 16 和齿轮增速单元20。通过除去和组合几个组件使这些组件一体化为单 个单元，从而简化设计。减速齿轮的输出轴可以与CSTC的输入轴66 是一体的并且是单一的。减速齿轮输出轴耦连端的径向轴承和CSTC 输入轴耦连及流体径向轴承可以被除去。增速齿轮的输入轴68可以与 CSTC的输出轴是一体的并且是单一的。增速齿轮输入轴耦连和其末立瑞 径向轴承，以及CSTC输出轴耦连和末端径向轴承也可以被除去。
0038在本发明的各种实施例中使用的传动装置类型取决于各种设 计参数。如在图6和图7中示意性图示说明的，齿轮的齿优选是双螺 旋。然而，如图5所示，也可以使用单螺旋齿轮系。
0039虽然本发明的发明可允许有各种改变和替代形式，但以上仅 通过示例的方式示出了所讨论的示例性实施例。然而，还应该认识到， 本发明并不意欲局限于在此公开的具体实施例。事实上，本发明的技 术将包括落入所附权利要求书所限定的本发明精神和范围之内的所有 替代、修改和等价物。
权利要求
1. 一种旋转动力设备串，其包括具有输出轴的原动机；连接到所述原动机的减速齿轮系，所述减速齿轮系具有输出轴和输入轴，所述减速齿轮系输出轴以低于所述原动机输出轴的速度旋转；压缩机起动转矩转换器，即CSTC，其通过CSTC输入轴连接到所述减速齿轮系输出轴，其中所述CSTC包括输出轴；增速齿轮系，其连接到所述CSTC输出轴并具有增速齿轮系输出轴，所述增速齿轮系输出轴以高于所述CSTC输出轴的速度旋转；和连接到所述增速齿轮系输出轴的驱动负载，其中可以通过所述增速齿轮系增加所述CSTC输出轴的旋转速度，以满足所述驱动负载的运行速度需要。
2. 根据权利要求l所述的串，
3. 根据权利要求l所述的串，
4. 根据权利要求l所述的串，
5. 根据权利要求l所述的串，
6. 根据权利要求5所述的串， 运行压縮机。
7. 根据权利要求4所述的串， 到所述涡轮的起动器发动机。其中所述原动机是发动机。其中所述原动机是涡轮。其中所述涡轮是单轴的涡轮；其中所述驱动负载是压縮机。其中所述串被配置为在加压起动中其进一步包括通过液压离合器连接
8. 根据权利要求l所述的串，其进一步包括锁定机构，用于将所 述CSTC输入轴机械地连接到速度同步的所述CSTC输出轴。
9. 根据权利要求1所述的串，其中所述CSTC具有到液压泵的恒 速输入轴，所述泵通过可调节导向叶片将液压流体供应给液压涡轮，并且所述涡轮被连接到CSTC输出轴，从而通过调节所述导向叶片使所述输出轴的速度在零到全速之间变化。
10. 根据权利要求1所述的CSTC，其中单个机壳密封所述CSTC、 所述减速齿轮和所述增速齿轮。
11. 根据权利要求1所述的CSTC，其中第一机壳密封所述CSTC， 第二机壳密封所述减速齿轮，并且第三机壳密封所述增速齿轮。
12. 根据权利要求ll所述的串，所述减速齿轮系包括 由所述原动机驱动并且连接到高速齿轮的输入轴，所述高速齿轮被连接到由减速齿轮系输出轴携带的低速齿轮，和 其中所述减速齿轮系输出轴驱动所述CSTC。
13. 根据权利要求l所述的串，其中所述增速齿轮系包括 连接到所述CSTC输出轴的低速齿轮，和由所述低速齿轮驱动的高速齿轮；所述高速齿轮被连接到输出轴，用于驱动所述驱动负载。
14. 用在旋转机器串中的双端齿轮压縮机起动转矩转换器，即双端 齿轮CSTC，所述双端齿轮CSTC包括压縮机起动转矩转换器，即CSTC; 输入端和输出端；锁定机构，用于将CSTC输入端机械地连接到在所述输入端和所 述输出端之间的速度同步的CSTC输出端； 在所述输入端的减速齿轮系；和 在所述输出端的增速齿轮系；
15. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC，其中所述CSTC具 有到液压泵的恒速输入轴，所述泵通过可调节导向叶片将液压流体供 应给液压涡轮，并且所述涡轮被连接到CSTC输出轴，其中通过调节 所述导向叶片使所述CSTC输出轴的速度在零到全速之间变化。
16. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC，其中所述双端齿轮 CSTC在大约2500转每分钟(rpm)至大约4000 rpm时具有大约80兆 瓦特(MW)至大约150MW的输出。
17. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC，其中所述双端齿轮 CSTC在大约3000转每分钟时具有大约120兆瓦特的输出。
18. 根据权利要求15所述的双端齿轮CSTC，其进一步包括密封 所述CSTC的机壳。
19. 根据权利要求18所述的双端齿轮CSTC，其中所述CSTC输 入轴和输出轴伸出所述机壳，所述输入轴和输出轴的每一个分别包括 用于连接所述减速齿轮系和所述增速齿轮系的耦连法兰。
20. 根据权利要求18所述的双端齿轮CSTC，其中所述机壳包括 径向支撑所述CSTC输入轴和输出轴的流体轴承，和轴向支撑所述 CSTC输入轴和输出轴的推力轴承。
21. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC，其中所述减速齿轮 系包括连接到高速齿轮的减速齿轮系输入轴，所述高速齿轮被连接到由 减速齿轮系输出轴携带的低速齿轮，并且其中所述减速齿轮系输出轴驱动所述CSTC。
22. 根据权利要求21所述的双端齿轮CSTC，其进一步包括围绕 并密封所述减速齿轮系的机壳。
23. 根据权利要求22所述的双端齿轮CSTC，其中所述减速齿轮 输入轴和输出轴在所述机壳中由径向轴承所支撑。
24. 根据权利要求21所述的双端齿轮CSTC，其中所述高速齿轮 和所述低速齿轮是单螺旋结构。
25. 根据权利要求22所述的双端齿轮CSTC，其中所述高速齿轮 和所述低速齿轮是双螺旋结构。
26. 根据权利要求23所述的双端齿轮CSTC，其中所述减速齿轮 输入轴和输出轴伸出所述机壳，所述减速输入轴和输出轴的每一个包 括耦连法兰，所述输出轴耦连法兰被连接到所述CSTC。
27. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC,其中所述增速齿轮 系包括增速齿轮系输入轴；连接到所述增速齿轮系输入轴的低速齿轮，和由所述低速齿轮驱 动的高速小齿轮；并且其中所述高速小齿轮被连接到增速齿轮系输出轴。
28. 根据权利要求27所述的双端齿轮CSTC，其中所述高速齿轮 和所述低速齿轮是单螺旋结构。
29. 根据权利要求27所述的双端齿轮CSTC，其中所述高速齿轮 和所述低速齿轮是双螺旋结构。
30. 根据权利要求27所述的双端齿轮CSTC，进一步包括围绕所 述增速齿轮系的机壳。
31. 根据权利要求30所述的双端齿轮CSTC，其中所述加速输入 轴和输出轴在所述机壳中由径向流体轴承支撑。
32. 根据权利要求30所述的双端齿轮CSTC，其中所述增速齿轮 系输入轴和输出轴伸出所述机壳，所述输入轴和输出轴的每一个包括 耦连法兰，所述输入轴耦连法兰被连接到所述CSTC。
33. 根据权利要求14所述的双端齿轮CSTC，其进一步包括围绕 并密封作为一个单元的所述减速齿轮系、所述CSTC和所述增速齿轮 系的机壳。
34. 根据权利要求22所述的双端齿轮CSTC，其中所述减速齿轮 系包含与所述CSTC的输入轴成为一体并且与所述CSTC的输入轴共 有的输出轴。
35. 根据权利要求34所述的双端齿轮CSTC，其中所述增速齿轮 系包含与所述CSTC的输出轴成为一体并且与所述CSTC的输出轴共 有的输入轴。
36. 根据权利要求35所述的双端齿轮CSTC，其中所述减速齿轮 系输出轴和所述增速齿轮系输入轴分别由一对径向轴承和单个推力轴 承支撑。
37. 根据权利要求36所述的双端齿轮CSTC，进一步包括在所述 减速齿轮系输入轴和所述增速齿轮系输出轴上的高速小齿轮，和在所 述减速齿轮系输出轴和所述增速输入轴上的低速齿轮。
38. 根据权利要求37所述的双端齿轮CSTC，其中所述齿轮是单 螺旋结构。
39. 根据权利要求37所述的双端齿轮CSTC，其中所述齿轮是双 螺旋结构。
40. —种旋转设备动力串，其被用在包含压縮机起动转矩转换器即 CSTC的液化天然气制冷设施即LNG制冷设施中，其包括具有输入轴和输出轴的单轴燃气涡轮；具有输入轴和标称速度需求的至少一个整体组装制冷压縮机； 起动器发动机，其可以连接到所述涡轮输入轴；CSTC和传动装置组件，其用于将动力从所述单轴燃气涡轮传送到所述至少一个整体组装制冷压縮机，所述组件包括 具有到液压泵的恒速输入轴的CSTC;所述液压泵通过可调节的导向叶片将液压流体供应给液压涡轮；所述液压涡轮被连接到CSTC输出轴，从而通过调节所述导 向叶片使所述输出轴的速度从零增加到全速。所述CSTC进一步包括锁定机构，用于将CSTC输入轴机械 地连接到速度同步的所述CSTC输出轴；减速齿轮系，其包括连接到高速齿轮的减速齿轮系输入轴，所述 高速齿轮机械地啮合到由减速齿轮系输出轴携带的低速齿轮，其中所 述减速齿轮系输出轴被连接到所述CSTC输入轴；和增速齿轮系，其包括增速齿轮系输入轴，其中所述增速齿轮系输 入轴被连接到所述CSTC输出轴、连接到所述增速齿轮输入轴的低速 齿轮以及机械地啮合到所述低速齿轮的高速齿轮，其中所述高速齿轮 被连接到增速齿轮系输出轴，该增速齿轮系输出轴被连接到所述整体 组装制冷压縮机输入轴。
41. 根据权利要求40所述的旋转设备动力串，其中所述涡轮被所 述起动器发动机起动，以将所述涡轮输出轴升至第一速度，所述减速 齿轮系输出轴以比所述第一速度低的第二速度转动，所述CSTC输出 轴的速度从零增加至所述第二速度，并且所述增速齿轮系输出轴以比 所述第二速度高的第三速度转动，所述第三速度符合所述整体组装制 冷压缩机的速度要求。
42. 根据权利要求40所述的旋转设备动力串，进一步包括用于所 述CSTC和齿轮组件的机壳，所述机壳围绕并密封作为一个单元的所 述减速齿轮系、所述CSTC和所述增速齿轮系。
43. 根据权利要求42所述的旋转设备动力串，其中所述减速齿轮 系输出轴与所述CSTC输入轴为一整体并且是单一的，而所述CSTC输出轴与所述增速齿轮系输入轴为一整体并且是单一的。
44. 根据权利要求40所述的旋转设备动力串，其中所述减速和所 述增速齿轮系的所述高速和低速齿轮是双螺旋齿轮。
45. —种起动旋转动力设备串中的至少一个压縮机的方法，其包括提供包括原动机的旋转动力设备串； 将减速齿轮系连接到所述原动机；将压縮机起动转矩转换器即CSTC连接到所述减速齿轮系； 将增速齿轮系连接到所述CSTC; 将至少一个压缩机连接到所述增速齿轮系； 起动所述原动机以在第一输出速度产生动力； 通过所述减速齿轮系，将所述第一速度降到比所述第一速度低的 第二速度；通过所述CSTC，在输出速度将动力从零逐渐传送到比所述第一速 度低的所述第二速度；通过所述增速齿轮系，使所述第二速度升高到比所述第二速度高 的第三速度；和在所述第三速度驱动所述压縮机；
46. 根据权利要求45所述的方法，其中所述压縮机在加压起动下 进行运转。
47. 根据权利要求46所述的方法，其中所述加压起动包括 在起动时以最小动力运行所述至少一个压缩机；和 一旦所述增速齿轮系的输出速度处于所述第三速度时，将所述最小动力过渡到全动力。
48. 根据权利要求45所述的方法，其中所述方法被用于制备液化 天然气，即LNG。
49. 根据权利要求48所述的方法，其进一步包括压縮制冷剂的方 法，其中所述制冷剂被用于冷却天然气至液化形式。
50. —种使用旋转动力设备串制备LNG的方法，其中所述旋转动 力设备串包括具有输出轴的原动机；连接到所述原动机的减速齿轮系，所述减速齿轮系具有输出轴和 输入轴，所述减速齿轮系输出轴以低于所述原动机输出轴的速度旋转；压缩机起动转矩转换器，即CSTC，其通过CSTC输入轴连接到所 述减速齿轮系输出轴，其中所述CSTC包括输出轴和锁定机构，该锁 定机构用于将所述CSTC输入轴机械地连接到速度同步的所述CSTC 输出轴；增速齿轮系，其被连接到所述CSTC输出轴并且具有以高于所述 CSTC输出轴的速度旋转的增速齿轮系输出轴；和连接到所述增速齿轮系输出轴的驱动负载，其中可以通过所述增 速齿轮系提高所述CSTC输出轴的旋转速度，以满足所述驱动负载的 运行速度要求。
51. 根据权利要求50所述的方法，其中所述原动机是单轴涡轮。
52. 根据权利要求50所述的方法，其中所述原动机是发动机。
53. 根据权利要求50所述的方法，其中所述驱动负载是至少一个 LNG压縮机。
54. 根据权利要求53所述的方法，其中所述LNG压縮机是加压起 动的。
55. 根据权利要求51所述的方法，其进一步包括通过液压离合器 连接到所述单轴涡轮的起动器发动机。
56. —种利用双端齿轮压縮机起动转矩转换器即双端齿轮CSTC 在旋转机器串中制备LNG的方法，其中所述双端齿轮CSTC包括压縮机起动转矩转换器，即CSTC;输入端和输出端；锁定机构，其用于将所述CSTC输入端机械地连接到在所述输入 端和所述输出端之间的速度同步的所述CSTC输出端； 在所述输入端的减速齿轮系；和 在所述输出端的增速齿轮系。
57. 根据权利要求56所述的方法，其中所述旋转机器串包括具有 输出轴的原动机和具有输入轴的驱动负载；
58. 根据权利要求56所述的方法，其中所述原动机的所述输出轴 可以被连接到所述双端齿轮CSTC的所述输入端，并且所述驱动负载 的所述输入轴可以被连接到所述双端齿轮CSTC的所述输出端。
59. 根据权利要求57所述的方法，其中所述原动机是单轴涡轮；
60. 根据权利要求57所述的方法，其中所述原动机是发动机。
61. 根据权利要求58所述的方法，其中所述驱动负载为至少一个 LNG整体组装制冷压縮机。
62. 根据权利要求61所述的方法，其中所述LNG整体组装制冷压 縮机是加压起动的。
63. 根据权利要求57所述的方法，其中所述旋转机器串进一步包 括通过液压离合器连接到所述原动机的起动器发动机。
64. —种制备LNG的方法，其包括 提供天然气；提供旋转动力设备串，所述旋转动力设备串包括 具有输出轴的原动机，减速齿轮系被连接到所述原动机，所述减速齿轮系具有输出轴和输入轴，所述减速齿轮系输出轴以低于所述原动机输出轴的速度旋转；连接到所述减速齿轮系输出轴的压縮机起动转矩转换器即CSTC， 其中所述CSTC包括输出轴；增速齿轮系，其被连接到所述CSTC输出轴并且具有以高于所述 CSTC输出轴的速度旋转的增速齿轮系输出轴；和连接到所述增速齿轮系输出轴的压縮机，其中可以通过所述增速 齿轮系增加所述CSTC输出轴的旋转速度，以满足所述压縮机的运行 速度要求；向所述压縮机供给制冷剂；在所述压縮机中压縮所述制冷剂，从而形成压縮的制冷剂； 扩张所述压縮的制冷剂以形成冷却的制冷剂； 用所述冷却的制冷剂，通过非直接热交换冷却所述天然气；和 回收LNG。
65. 根据权利要求64所述的方法，其中所述原动机是单轴涡轮。
66. 根据权利要求64所述的方法，其中所述原动机是发动机。
67. 根据权利要求64所述的方法，其中所述驱动负载是至少一个 LNG压縮机。
68. 根据权利要求67所述的方法，其中所述LNG压縮机是加压起 动的。
69. 根据权利要求64所述的方法，其进一步包括通过液压离合器 连接到所述原动机的起动器发动机。
全文摘要
用于高功率旋转设备串的压缩机起动转矩转换器的方法和装置，所述高功率旋转设备串包括压缩机起动转矩转换器(CSTC)和传动装置，以使输入和输出速度符合在串末端的至少一个压缩机的速度和动力需求。该串还包括原动机，或是发动机或是具有起动器发动机的燃气涡轮。CSTC由原动机驱动，所述原动机已经调整至合适的速度以用于有效的动力传递，随后通过齿轮增速单元使CSTC的输出的速度增加以符合高速压缩机的必要需求。该传动装置可以是两个具有各自机壳的分离单元，或与CSTC并入单个机壳内。CSTC可以是在LNG制冷设施的高压缩机负载串的加压起动中使用的CSTC。
文档编号F02G3/00GK101395406SQ200780007925
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月2日 优先权日2006年3月6日
发明者C·G·霍尔特, W·L·马丁 申请人:埃克森美孚上游研究公司