用于旋转机械的多点安装系统的制作方法

本发明的领域

本公开大体上涉及用于旋转机械的安装设备和系统，旋转机械诸如燃气涡轮发动机、电动马达、发电机、涡轮压缩机等。更具体而言，本公开涉及对用于油气工业中的此类安装系统和设备的改进。

背景技术：

已开发了专门的安装系统以用于不同技术领域中的各种机械布置。已发现，对于相对大、笨重的机械，诸如燃气涡轮、大型发电机和涡轮压缩机，通常必须开发安装系统，其可对机械构件提供可靠的支撑和稳定性，同时适应特定的机械设计。安装策略通常必须进一步考虑特定机械将在其中操作的环境状态。

油气工业提供了多种示例性情形，其中非常大的旋转机械的特定操作状态需要特殊的安装系统。旋转机械布置典型地包括原动机，诸如燃气涡轮，原动机驱动包括旋转机械(例如发电机或涡轮压缩机)的负载。在本说明书和所附权利要求的情境中，用语涡轮压缩机用于指示动态型压缩机，诸如轴向或离心压缩机。

旋转机械通常布置在基板或基部框架上，从而形成模块化布置。基部框架继而安装在支撑结构上，支撑结构一般诸如离岸平台或海洋船只的甲板或任何其它钢结构。

大的旋转机械在油气工业中的典型应用包括天然气液化设施。从离岸气田获取的天然气被冷冻和液化以用于运输目的。在冷冻过程中处理制冷剂以用于冷却和液化天然气。由燃气涡轮发动机驱动的涡轮压缩机用于在制冷循环中处理制冷剂。燃气涡轮发动机通常用于电能产生目的，以用于驱动电力发电机。大型旋转涡轮压缩机也用在油气田中以用于气体注入和气升应用。

用于此类旋转机械的基板必须被设计成耐受由于旋转机械的负载以及其操作引起的高静态和动态负载。动态负载包括与机械的正常操作相关的操作负载，以及意外和环境负载。前者是由于旋转机械的异常操作状态引起的，例如，由于涡轮中的叶片损失导致的不平衡引起的。后者可例如由于安装了旋转机械的船舶或离岸平台上的波浪或风作用引起。

另外的平坦、大体上平面的船舶甲板在波浪作用的影响下可经历扭转运动或其它振动和机械应力，且继而可将该扭转运动传递至其上安装了旋转机械的基板。

虽然在岸上应用中，旋转机械通常借助于多点、超静定系统(也称为静态不可确定或静态不确定系统)安装在地面上，但由于因例如波浪运动等引起的以上提到的运动，超静定安装不适于离岸应用中。

由于波浪运动引起的船舶甲板的扭转例如可导致超静定、多点系统的安装点实际上移出原始期望的安装平面。这继而导致安装在基部框架或基板上的旋转机械的传动装置的旋转轴的失准。在对于构件的失准具有低容限的设备的情况下，以上情况可能是毁灭性的。

为了解决以上问题，开发了三点安装系统。三点安装系统包括具有上表面和下表面的基板或基部框架，旋转机械安装在该上表面处，三个支撑部件布置在该下表面处。支撑部件将基部框架连接至船舶的甲板或离岸平台，或任何其它支撑结构。支撑部件位于等腰三角形的顶点处，该等腰三角形可关于基板的中心线或关于布置在基板之上的旋转机械的轴系居中。

支撑部件的设计为诸如在基板与支撑结构之间提供均衡连接。为此，各支撑部件提供约束，以便允许所有的旋转移动，但阻止所有的平移移动，除了在一个水平方向上，即，在与基部框架平行的一个方向上。由各支撑部件留下的单个自由度允许例如由涡轮机械在操作期间生成的热导致的基部框架相对于甲板或其它支撑结构的热生长。该均衡连接适应基部框架与支撑结构之间的任何移位，而不在基部框架中引起将不利地影响旋转机械的对准的额外应力。此外，使用三点均衡连接简化了支撑结构的设计，因为这不改变其总刚度。

通常，万向接头(即，安装在枢转销上的球形接头)或抗振动安装件可在此类三点、均衡的安装布置中用作支撑部件。

然而，三点、均衡连接系统具有一些缺点。具体而言，因为全部的动态和静态负载必须仅由三个支撑部件支撑，这些支撑部件通常具有大的尺寸。过大的负载可意外地施加于支撑部件，从而导致故障。基部框架可经历过大的偏转，或具有不足的平度。此外，安装了涡轮机械传动装置的船舶甲板或离岸平台上的动态和静态负载集中在三个点处。

负载集中需要支撑部件和甲板的尺寸确定为经受正常操作负载，以及紧急或意外负载。

这些方面在非常大的机械构件的情况下变得特别关键。使用三点安装系统以便避免多点、超静定系统的缺点的需要限制了可使用的旋转机械的尺寸。

而且，包围安装在基板上的旋转机械的包装可由基板支撑且贡献系统的总重量。因此，在由基板支撑的重包装的情况下使用三点安装系统是困难的，或者可限制包装的最大尺寸和重量。

环境相关的应力(即，由外部环境因素产生的应力)也作用于安装系统上。例如，由风或波浪运动产生的力可在安装系统上生成力。在三点安装系统的情况下，必须考虑这些额外负载。

本公开涉及以上阐述的问题或缺陷中的一个或更多个。

本发明的概要

根据一些实施例，提供了一种用于支撑旋转机械的安装系统，其包括基部框架，该基部框架具有用于安装旋转机械的上侧，和下侧。该系统可进一步包括成组主支撑部件，根据三角形布置而布置且形成限定安装平面的三点安装布置。例如，万向接头或抗振动系统可用作主支撑部件。它们形成三点安装系统。根据本文中公开的实施例，安装系统进一步包括成组辅助支撑部件，在至少一个方向上具有可变刚度，构造且布置成当基部框架受到过载时增大其刚度。辅助支撑部件因而在过度移位发生时减小在主支撑部件上的负载。

形成三点支撑系统的主支撑部件因而可尺寸确定为用于支撑在正常操作状态下发生的负载。异常或反常的负载反之由辅助支撑部件承受。它们具有可变刚度，使得在正常操作状态下，当不需要辅助支撑部件介入时，它们在基部框架上施加有限的反作用力。后者几乎仅由主支撑部件支撑，且因而表现为似乎其是由普通的均衡三点安装系统支撑的，从而利用了此类系统的特征的优点。如果施加主支撑部件未设计用于支撑的额外负载，辅助支撑部件变得起作用，且与主支撑部件协作来经受该额外负载。

因而获得了组合的安装系统，其在正常操作状态下表现得相当像三点安装系统，且在过载状态下表现得像多点(超静定)系统。

根据进一步的方面，本文中公开了一种安装用于在支撑结构上支撑旋转机械的基部框架的方法。该方法包括以下步骤：

在基部框架的下表面上布置成组主支撑部件，主支撑部件形成三点均衡支撑系统；

在基部框架的下表面上布置成组辅助支撑部件，该辅助支撑部件锁定在预加载状态下，且所述辅助支撑部件具有比主支撑部件低的刚度；

将基部框架放置在支撑结构上，该主支撑部件与支撑结构接触，且被预加载的辅助支撑部件与支撑结构间隔；

用垫片垫辅助支撑部件，从而在辅助支撑部件与支撑结构之间形成接触；

解锁辅助支撑部件。

特征和实施例在下面公开，并且在形成本说明书的整体部分的所附权利要求中得到进一步的阐述。以上简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细描述可被更好地理解，并且以便对本领域提出的贡献可被更好地理解。当然，存在本发明的其它特征，其将在下文中描述并且其将在所附权利要求中阐述。在此方面，在详细地解释本发明的若干实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和下面的描述中阐述或附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例且以各种方式实践和进行。此外，应当理解的是，在本文中采用的措词和术语用于描述的目的，并且不应被认为是限制。

因此，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的构思可容易地用作用于设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图的简要描述

将容易地获得对本发明的公开实施例及其许多附随优点的更完整的了解，因为其参照结合附图考虑时的下列详细描述将变得更好理解，在附图中：

图1示出基部框架以及安装在其上的相关旋转机械的侧视图；

图2a和图2b示出了移除了机械的图1的基部框架及其修改的实施例的示意平面图；

图3和图4示出了用于在根据本公开的安装系统中使用的抗振动安装件的示例性实施例；

图5示出了可用在本文中公开的安装系统中的球形接头或万向接头的截面图；

图6示出了辅助支撑部件的示例性实施例的示例性移位对负载的图表；

图7示出了辅助支撑部件的示例性实施例的示意图。

实施例的详细描述

示例性实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。此外，附图不一定按比例绘制。而且，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的引用指的是，结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”贯穿说明书在各种位置的出现不一定指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合在一个或更多个实施例中。

图1示意性地示出了可安装在离岸平台、海洋船舶等上的涡轮机械系统的侧视图。在一些实施例中，总体上标为1的涡轮机械系统可包括具有压缩机区段3a和涡轮区段3b的燃气涡轮发动机3。燃气涡轮发动机3可驱动负载，例如，涡轮压缩机或涡轮压缩机组、电力发电机或任何其它旋转负载。在图1的示例性实施例中，燃气涡轮发动机3的驱动轴4将旋转运动通过齿轮箱5传送到负载7的从动轴6，负载7例如为涡轮压缩机，例如lng系统制冷系统的(即，用于天然气的液化的)离心涡轮压缩机。

在其它实施例中，两个或更多个涡轮压缩机可在相同组中串联地布置且由同一燃气涡轮发动机3驱动。

在一些实施例中，齿轮箱5可省去，且燃气涡轮发动机可直接连接到负载。

额外的旋转机械可以驱动地连接至燃气涡轮发动机3的热端或冷端，燃气涡轮发动机3例如为可逆电动机，依据需要和旋转机械组的操作条件，其可作为起动机、辅助机构或发电机操作。

旋转机械支撑在基部框架或基板9的上表面9a上。在图1的示例性示意图中，旋转机械直接安装在基部框架9上。在其它实施例中，中间滑块或框架可布置在一个或更多个旋转机械与基部框架9之间。

基部框架9可安装在大体上示在11处的支撑结构上。通常，支撑结构11可为海洋船舶的甲板，或离岸平台。包括支撑部件的安装布置设在基部框架9的下表面9b与支撑结构11之间。安装布置构造且布置成以便支撑结构11的例如因波浪运动引起的挠曲变形不导致安装在基部框架9上的旋转机械的失准，如这里将在下面更详细地描述的那样。

参照图2a和图2b，继续参照图1，安装布置包括成组主支撑部件13。有利地，主支撑部件13在数量上是三个，且布置在等腰三角形t的顶点处。等腰三角形t继而可相对于基部框架9的中心线cl大致居中(图2a)。在其它实施例中，等腰三角形t可相对于中心线cl侧向移位(如果这是适宜的，例如在基部框架9上的负载不沿其中心线cl居中的情况下)。例如，燃气涡轮发动机3和压缩机7可相对于基板9的实际中心线cl侧向移位。因而使等腰三角形t关于旋转机械的轴系而非关于基部框架9的中心线cl居中可能是适宜的。

在图1和图2中示出的示例性实施例中，等腰三角形的顶点vx定位为近似在燃气涡轮发动机3的中心下方。等腰三角形的基线b位于压缩机7下方，横向于其旋转轴线延伸且相对于后者以近似90°延伸。因此，该布置在安装于基部框架9上的旋转机械3、5、7中的较重的一者下方提供两个主支撑部件13。

在一些实施例中，各主支撑部件13可包括抗振动安装件。图2b示意性地示出了使用三个抗振动安装件13的实施例。双向箭头指示由所示出的三个抗振动安装件13中的两个给出的自由度。第三个抗振动安装件13固定且不允许水平平面中的任何自由度。由其它两个抗振动安装件13允许的移动考虑例如基部框架9经历热膨胀和收缩的需要。

适合的抗振动安装件的示意图在图3和图4中示出且总体上标为13x。抗振动安装件通常包括第一板13a、第二板13b和夹在其间的中间弹性层13c。第一板13a和第二板13b分别被约束至基部框架9和支撑结构11，或反之亦然。这两个板13a、13b利用适合的紧固件(未详细示出)保持在一起。弹性层13c可由能够吸收振动的任何已知的材料制造。例如，当用在易发生火灾的环境中，弹性层13c可由耐燃材料(诸如弹性丝网)制成。

上板13a和下板13b可为大致刚性的，且由任何已知的材料形成，包括例如钢。抗振动安装件可设计为使得允许在两个板13a、13b之间因此在基部框架9和支撑结构11之间在平行于基部框架9的一个方向上的相对移动。

在其它实施例中，各主支撑部件13可包括所谓的万向接头，其是安装在轴上的球形接头，该轴允许接头在平行于基部框架9的一个水平方向上的平移且阻止在其它方向上的平移移动。图1和图2a示意性地示出了使用三个万向接头的实施例。

图5示意性地示出了万向接头的截面图，该万向接头可适合地用作用于基部框架9的主支撑部件13。总地标为13y的图5的万向接头包括顶部凸缘13d和底部凸缘13e。凸缘13d和13e可分别螺接至基部框架9和支撑结构11。顶部凸缘13d被约束至顶部突起13f且底部凸缘13e被约束至一对底部突起13g。球形接头13h安装在顶部突起13f上和销13i上，其将顶部突起13f和底部突起13g连接至彼此。由于顶部突起13f与底部突起13g之间的间隙，顶部突起13f且因此顶部凸缘13d可相对于底部突起13g和底部凸缘13e平行于销13i的轴线移动有限范围。

万向接头13y因此在基部框架9与支撑结构11之间提供约束，这允许所有的旋转移动和根据箭头f13的仅一个平移移动。

三个主支撑部件13安装在基部框架9与支撑结构11之间，使得基部框架9均衡地连接至支撑结构11，且通过各主支撑部件13的运动能力来允许因为例如热膨胀引起的基部框架9相对于支撑框架11的相对移动。在图2中，由各主支撑部件13允许的移动由相应的双箭头f13表示。例如，布置在压缩机7下方的两个主支撑部件13允许横向于中心线cl且因此横向于涡轮机械布置的轴系的移动。位于燃气涡轮发动机3下方的主支撑部件13允许在平行于轴系且因此平行于中心线cl的方向上的平移移动。

在一些实施例中，三个主支撑部件13设计成经受可在安装在基部框架9上的设备的正常操作期间出现的负载。正常操作应被理解为机械在标称状态下的操作，没有因例如旋转机械中的任一者的功能失常和/或外部环境因素引起的意外负载，诸如在离岸应用的情况下的异常的风或波浪活动，其与机械的操作是不相关的。

再次参照图1和图2，安装系统还包括成组辅助支撑部件15，辅助支撑部件15布置在基部框架9与支撑结构11之间且将它们连接至彼此。在图1和图2的示例性实施例中，提供了六个辅助支撑部件15。在其它实施例中，可提供少于六个的辅助支撑部件，例如，可预见在两个和五个之间，或是多于六个的辅助支撑部件。

在一些实施例中，辅助支撑部件15相对于基部框架9的中心线cl或相对于安装在基部框架9上的旋转机械的轴系对称地布置。

各辅助支撑部件15设计成提供支撑反作用力，该支撑反作用力在大致竖直的方向上(即，大致正交于基部框架9)定向。水平方向上的反作用力可为可忽略的。有利地，在正常操作状态下，辅助支撑部件15具有在竖直方向上的刚度，其大致低于主支撑部件13在相同方向上的刚度。在一些实施例中，各辅助支撑部件15的刚度比主支撑部件13的刚度小大约至少一个数量级。

根据一些实施例，各辅助支撑部件15的刚度是非线性的且随着变形而变大。图6示出了适合的辅助支撑部件15的可能的力对移位的图表。由辅助支撑部件15生成的反作用力f随标在水平轴线上的移位(d)而变地标在竖直轴线上。在一些实施例中，各辅助支撑部件15可在适当的预加载状态下安装。在图6的图表中描绘的示例性情形中，辅助支撑部件15受到与移位d1对应的预载fp。在操作状态下，施加至由辅助支撑部件15表现的约束的负载导致d1与d2之间的移位。在该操作范围中，辅助支撑部件15可具有线性的行为且具有小的刚度。后者由图6中的角度s1表现。

超过辅助支撑部件15的变形d2，其刚度增大，如由图6中的曲线的陡度示出的那样。在图6的示例性实施例中，辅助支撑部件15在超过移位d2的情况下具有显示带有更高刚度s2的进一步的线性行为的力-移位特性曲线。在实践中，这意味着，如果辅助支撑部件15受到超过d2的移位，则辅助支撑部件15变得更刚性且提供更强的反作用力。

由于在正常操作状态下，辅助支撑部件15的刚度大致小于主支撑部件13的刚度，故在此类状态下，支撑系统总体上大致作为均衡系统起作用，即，由主支撑部件13在大的范围提供将基部框架9连接至支撑结构11的约束力。

如果例如由于诸如风或波浪运动的异常事件，或布置在基部框架9上的旋转机械中的一个或更多个的异常操作状态，辅助支撑部件15经历超过d2的过度移位，则辅助支撑部件15变得更刚性且提供更高的反作用力，该反作用力加至由主支撑部件13提供的反作用力。系统变为超静定的，即，静态不确定的，但施加于各支撑部件13、15的负载相比仅提供主支撑部件13的情形下变得较小。后者因此可设计为支撑相比如果基部框架9仅由三点均衡支撑系统支撑它们将必须设计用于的负载较小的负载。

图6的图表示出了辅助支撑部件15的示例性实施例的特性力对移位曲线。图6的曲线示出了辅助支撑部件15的操作的三个主要区域，其中第一个(对于低于d1的移位值)未使用。第二和第三操作区域的特征在于曲线的线性行为，但在超过d2的情况下带有更刚性的行为。在其它实施例中，可提供带有更复杂、非线性特性曲线的辅助支撑部件15。唯一重要的是，辅助支撑部件15的刚度随着移位增大而增大。

图7示出了具有适合的增大刚度行为的辅助支撑部件15的示例性实施例的示意图。在该示例性实施例中，辅助支撑部件15包括多个弹性元件。例如可提供三个弹性元件21、23、25。在图7的示意图中，弹性元件21、23、25表现为压缩弹簧，例如，螺旋压缩弹簧。在其它实施例中，可使用碟形弹簧。在更进一步的实施例中，可提供不同弹簧(例如螺旋弹簧和碟形弹簧)的组合。

作为示例，在图7中，弹簧21、23、25安装在顶部凸缘27与底部凸缘29之间。顶部凸缘27构造成用于连接于基部框架9，且底部凸缘29构造成用于连接至支撑结构11，或反之亦然。连接可通过螺栓、焊接、螺接或以任何其它适合的方式。在图7中提供了螺栓36，其将两个凸缘27和29连接至彼此。

弹簧21、23、25可容纳在保护性壳体31、33、35中。保护性壳体31、33、35可伸缩，以允许弹簧的伸长和压缩。弹簧23可由螺栓36预加载。初始移位d1是在预载状态下的移位，且通过拧螺栓36而获得。图6的图表中的点d1左侧上的曲线的陡的部分表现当负载施加至凸缘27(远离凸缘29定向)时的辅助支撑部件15的刚性行为。

如图7中示意性示出的那样，弹簧21、23、25可具有不同的长度，使得取决于凸缘27、29的相互位置，不同数量的弹簧处于压缩或部分压缩状态。在图7的示例性实施例中，一个弹簧23比其余弹簧21、25长。在图7的操作状态下，顶部凸缘27与底部凸缘29之间的距离使得中间弹簧23部分地加载(压缩)，而其余弹簧21、25空闲，即，未加载。弹簧21、25的压缩仅在已执行顶部和底部凸缘27、29的接近移位d2-d1之后开始。一旦该接近移动已发生，则三个弹簧21、23、25并行地操作，且给予辅助支撑部件15更高的刚度。因此，弹簧的进一步变形将在顶部和底部凸缘27、29之间生成更强的反作用力。

上述支撑系统提供了均衡三点支撑系统的优点而没有其限制。具体而言，支撑系统变得能够支撑重的旋转机械，而不需要设计过大尺寸的三点支撑部件。后者可实际上设计成支撑在正常操作状态下发生的负载，而例如因异常或意外操作状态引起且支撑系统必须能够经受的过载由主支撑部件13和辅助支撑部件15的组合支撑。

上述支撑系统还提供特别容易的安装。用于使用如本文中公开的支撑系统13、15在支撑结构11上安装基部框架9的方法可如下。

基部框架9首先在其下部面上配备主支撑部件13和辅助支撑部件15。

辅助支撑部件15可被预加载，且使得基部框架9可利用仅由三个主支撑部件13形成的三点系统安装在支撑结构11上。

辅助支撑部件15的预加载可例如借助于将顶部和底部凸缘27、29维持在使得中间弹簧23部分地压缩的相互距离下的辅助系杆或其它约束部件来获得。

基部框架9和安装在其上的旋转机械可因此以与标准基部框架和设有普通三点均衡支撑系统的相关装备相同的方式组装在支撑结构11(例如海洋船舶的甲板)上。

因为辅助支撑部件15被预加载，所以其竖直范围使得在辅助支撑部件15与支撑结构11之间不形成接触。

一旦基部框架9已使用由主支撑部件13形成的三点均衡系统正确地安装在支撑结构11上，则可用垫片垫辅助支撑部件15，因而在底部凸缘29与支撑结构11之间形成接触。一旦已正确地用垫片垫辅助支撑部件15，则从辅助支撑部件15移除约束部件，使得被部分地加载的弹簧的弹性力施加于支撑结构11。

尽管已在附图中示出且关于若干个示例性实施例的特征和细节在上面全面地描述了本文中描述的主题的公开的实施例，但对本领域的普通技术人员将是显而易见的是，在不实质上偏离本文中阐述的新颖的教导、原则和概念以及所附权利要求中陈述的主题的优点的情况下，许多修改、改变和省略都是可能的。因此，所公开的创新的适当范围应当仅由所附权利的最宽泛的解释决定，以便包含所有这种修改、改变和省略。此外，任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。