包括具有复合物叶轮部分和金属轴部分的机器转子的旋转机器

摘要

一种旋转机器14包括机器定子和机器转子，该机器转子能够相对于所述机器定子旋转，并且具有金属轴部分18、复合物叶轮部分22，以及将所述复合物叶轮部分22固定于所述金属轴部分18的至少第一金属环部分24，所述金属环部分具有与所述复合物叶轮部分的第一界面，以及与所述金属轴部分的第二界面。

说明书

技术领域

本文公开的主题的实施例大体涉及旋转机器或涡轮机器，其包括机器转子，该机器转子具有由第一材料制成的叶轮部分和由不同于第一材料的第二材料制成的轴部分，并且更特别地，本文公开的主题的实施例涉及具有复合物叶轮部分和金属轴部分的机器转子。

背景技术

在过去的若干年期间，随着矿物燃料的价格上涨，对于与处理矿物燃料有关的许多方面的兴趣增加。在处理矿物燃料期间，流体从陆上或离岸位置运送到处理装置供后来使用。在其它应用中，流体可例如在烃处理装置的子系统之间更局部地运送，以便于分配给最终用户。

至少一些流体运送站使用旋转机器，诸如由燃气涡轮驱动的压缩机、风扇和/或泵。这些涡轮中的一些经由齿轮箱来驱动相关联的流体运送设备，该齿轮箱使燃气涡轮输出传动轴速度提高或降低到预定的设备传动轴速度。在其它旋转机器中，使用电动式驱动马达或电力驱动器来代替机械驱动器(即，燃气涡轮)(或与其联合)，以运行旋转机器。不考虑特定的设定，即，陆上或离岸等，并且不考虑旋转机器是由涡轮驱动还是由马达驱动，始终存在对提高效率，降低成本，以及减小矿物燃料处理和特别是此类处理所涉及的旋转机器的环境影响的需要。

由于该始终存在的需要，故在开发可潜在地用于制造旋转机器的新材料方面取得了很大进步。诸如新型合金的金属、诸如新型纺织品的非金属，以及包含金属和非金属两者的其它新材料提供优于与旋转机器制造更常规地相关联的材料的显著优点。

但是，将这些材料并入至新型或现有的旋转机器被证明是有挑战性的。更特别地，在旋转机器的组装和运行两者期间，与它们可取代的更常规的材料相比，这些材料时常有不同的表现。因此，存在对能够将不同的材料并入到其新制造或现有的构件中的旋转机器的需要。

发明内容

根据示例性实施例，旋转机器包括机器定子和能够相对于机器定子旋转的机器转子。机器转子具有金属轴部分、复合物叶轮部分，以及将复合物叶轮部分固定于金属轴部分的至少第一金属环部分，金属环部分具有与复合物叶轮部分的第一界面，以及与金属轴部分的第二界面。

根据另一个示例性实施例，机器转子包括金属轴和包括附连部分的复合物叶轮。金属环以收缩的方式配合于附连部分和金属轴，以将复合物叶轮固定于金属轴。

根据另一个示例性实施例，将复合物叶轮固定于机器转子的金属轴的方法包括将复合物叶轮定位在金属轴上，加热至少第一金属环，将金属环定位到金属轴上，允许金属环冷却和收缩成与复合物叶轮和金属轴接合，以将复合物叶轮固定于金属轴。

附图说明

并入在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出一个或更多个实施例，并且与描述一起说明这些实施例。在图中：

图1是根据示例性实施例的旋转机器的横截面图。

图2是根据图1中显示的示例性实施例的金属环部分的端视图。

图3是根据另一个示例性实施例的旋转机器的横截面图。

图4是根据另一个示例性实施例的旋转机器的横截面图。

图5是根据另一个示例性实施例的旋转机器的横截面图。

图6是根据另一个示例性实施例的旋转机器的透视图。

图7是图6中显示的旋转机器的端视图。

图8是沿着图7中的线A-A的、图6中显示的旋转机器的横截面图。

图9是图6中显示的旋转机器的侧视图。

图10是沿着图9中的线B-B的、图6中显示的旋转机器的横截面图。

图11显示示例性实施例的流程图。

图12是根据另一个示例性实施例的旋转机器的横截面图。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述参照了附图。不同图中的相同附图标记识别相同或相似的元件。以下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。为了简单，关于具有定子和转子的旋转机器的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来论述的实施例不局限于这些示例性系统，而是可应用于其它系统。

遍及说明书对“一个实施例”或“实施例”的参照表示关于实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，遍及说明书在各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必指的是同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按任何适当的方式组合在一个或更多个实施例中。

在图1中显示根据本发明的旋转机器14的示例性实施例。旋转机器或涡轮机器14包括机器转子16，机器转子16能够相对于机器定子(诸如壳体(未显示))旋转。

如图1中显示的，机器转子16包括金属轴部分18和复合物叶轮部分22。复合物叶轮部分22包括材料复合物。例如，复合物叶轮部分22可包括金属材料和非金属材料两者。非金属材料可包括(但不限于)织物材料(包括纤维，诸如碳或玻璃纤维)，该织物材料是定向的、非定向的，或定向纤维和非定向纤维的组合。此外，织物材料或多种织物材料的纤维可为相同的材料，或各种材料的掺合物。织物材料的纤维可充满填充材料。填充材料可包括(但不限于)热塑性聚合物，包括(但不限于)PPS(聚苯硫醚)、PA(聚酰胺)、PMMA(丙烯酸)、LCP(液晶聚合物)、POM(乙缩醛)、(PAI)聚酰胺酰亚胺、PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚二醚酮)、PAEK(聚芳基甲酮)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)、PEI(聚醚酰亚胺)、PES(聚醚)、PPA(聚邻苯二(甲)酰胺)、PVC(聚氯乙烯)、PU(聚亚安酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PPO(聚苯醚氧化物)、PI(聚酰亚胺)和其它材料。对于特别高温的应用，诸如聚酰亚胺的其它材料也可并入到复合物叶轮部分22的组成中，其它材料包括(但不限于)聚合单体反应剂(PRM)树脂、具有苯乙炔基端盖(HFPE)和型聚酰亚胺(PETI)低聚物的6F-聚酰亚胺。

复合物叶轮部分22可还包括填充材料，诸如热固性配混料，包括(但不限于)环氧树脂、苯酚、聚酯、乙烯酯、Amin、呋喃、PI、BMI(双马来酰亚胺)、CE(氰酸酯)、酞腈、苯唑卡因和其它。对于高温应用，诸如聚合单体反应剂(PMR)树脂、具有苯乙炔基端盖(HFPE)和型聚酰亚胺(PETI)的6F-聚酰亚胺的热固性配混料也可并入到复合物叶轮部分22的组成中。

可并入到复合物叶轮部分的组成中的其它材料包括(但不限于)陶瓷材料(例如金刚砂或氧化铝)，以及/或金属，例如铝、钛、镁、镍、铜和/或包括这些金属的合金。

对于可存在于复合物叶轮部分22中的材料的进一步描述，以及包括此类材料的模制过程的描述，有兴趣的读者参照共同拥有的公开的PCT申请PCT/US2010/057623(公开为WO 2011/063333 A1)，该申请通过引用而并入本文中。

在图1中显示的实施例中，通过金属环部分24将复合物叶轮部分22固定于金属轴部分18，金属环部分24接合复合物叶轮部分22和金属轴部分18两者。

复合物叶轮部分22设有附连部分28，附连部分28包括内表面30，内表面30限定通道，该通道构造成允许复合物叶轮部分22定位在金属轴部分18上。金属环部分24设有第一部分32，第一部分32具有内表面42(图2)，内表面42在复合物叶轮部分22的后侧处接合附连部分28。金属环部分24还包括第二部分34，第二部分34具有内表面44(图2)，内表面44接合金属轴部分18。

如图2中显示的，环形部分24的内表面42和内表面44均限定通道，该通道具有分别与附连部分28和轴部分18的圆柱形外表面互补的圆柱形横截面。但是，以及如将在下面进一步描述的，可实现其它构造，例如，第一部分通道和附连部分通道可限定非圆柱形，诸如多边形。此外，通道也可在纵向方向上改变，例如，通道可渐缩。

在图1中显示的示例性实施例的组装期间，金属环部分24以收缩的方式配合于附连部分28和轴部分18，以将复合物叶轮部分固定于金属轴。更特别地，加热金属环部分24，以使通道的由环形第一部分32的内表面42限定的横截面积和通道的由环形第二部分34的内表面44限定的横截面积增大。在通道的横截面积充分增大之后，环形部分24定位成使得第一部分32位于附连部分28上面，并且第二部分34定位在金属轴部分38上面。接着，允许环形部分24冷却和收缩，使得第一部分32沿着界面36接合附连部分28，并且第二部分34沿着界面38接合金属轴部分18。

第一部分32抵靠附连部分28施加的力可构造成提供某些特性，并且如将在下面更详细地论述的，这些特性可由在界面36处提供的另外的特征和/或结构加强。更特别地，第一部分32抵靠附连部分28施加的力可构造成使得在第一部分32和附连部分28之间的相对旋转移动(所谓的“扭曲滑动”)可被允许、抵制或防止。而且，还可通过构造第一部分32抵靠附连部分28施加的力来允许、抵制或防止金属环24和轴部分18之间的相对于轴轴线26的相对轴向移动，所谓的“轴向滑动”。类似地，第二部分34抵靠轴18施加的力可构造成使得可允许、抵制或防止第二部分34和金属轴18之间的相对旋转移动和/或轴向移动。

如上面提到的，这些力可构造成对第一部分32和附连部分28之间的相对移动提供阻力，并且/或者对第二部分34和轴18之间的相对移动提供阻力。例如，可实现安全功能，其中，如果复合物叶轮部分22或轴部分18上的特别高的旋转负载超过某个阈值，例如脉冲扭矩阈值，则相对旋转移动可在脉冲期间发生，从而防止对复合物叶轮部分22的损坏。

作为另一个示例，相对轴向移动可构造成在轴向推力脉冲大于某个阈值的情况下发生。因为此类移动可由于复合物叶轮部分22和旋转机器壳体之间的潜在间距问题而特别为成问题的，所以可提供止动件，以限制相对轴向移动的总量。例如，以及如图1中显示的，金属环部分24的附连部分28和第二部分34之间的间隙20可构造成使得在附连部分与第二部分34接触之后，防止进一步相对轴向移动。而且，对界面38处的相对轴向移动的阻力可构造成在大小上大于对界面36处的此类移动的阻力，因为在界面38处未提供此类限制止动件。

作为另一个示例，金属环部分24可构造成在界面36和/或界面38处提供冗余力。更特别地，金属环部分24可构造成使得第一部分32抵靠附连部分28的力足以防止复合物叶轮部分22和轴部分18之间的相对旋转移动和相对轴向移动。另外，金属环部分24还可构造成使得第二部分34抵靠金属轴部分18的力防止金属环部分24和轴部分18之间的相对旋转移动和相对轴向移动。该构造可用于提供自动防故障功能。特别地，在附连部分28和金属轴部分18之间可能存在相对移动的情况下，由于第二部分34抵靠金属轴部分18的力，故界面38处的冗余力将继续防止任何此类移动。

在界面36和/或38处、其附近或其中的另外的结构或特征包括(但不限于)花键、键、表面纹理、磨损指示器、添加剂、薄垫片、绝缘体等。可在界面36和/或界面38处实现这些特征和/或结构，例如为了减小磨损，减小振动，减小磨蚀，提高效率，以及另外改进组装、运行、寿命和/或与运行旋转机器14相关联的成本。

例如，用于建造复合物叶轮部分22和特别是附连部分28的一些材料可易于经受与热有关的损坏。为了防止此类损坏，可在界面36处提供绝缘体，或者，作为另一个示例，可对复合物叶轮部分36提供诸如添加剂或层(诸如壳)的材料。

利用环形部分24将复合物叶轮部分22固定于金属轴部分18提供许多其它具体的好处。例如，复合物叶轮部分22可在不预热的情况下定位在轴部分26上。换句话说，复合物叶轮部分22可但不必预热，以便于定位在轴部分18上。因此，可并入在复合物叶轮部分22中的材料不限制于必须能够成功地经历用于安装的预热或收缩配合过程的那些。

作为另一个示例，如果包括经浸渍的纤维材料的复合物叶轮部分22展现某种纤维定向，则界面36和38可构造成适应此类纤维定向。在实施例中，在制造期间，叶轮部分24中的纤维定向成提供轻质但不那么刚性的附连部分28。在此类情况下，第一部分32抵靠附连部分28的力可以以如下方式减小使得在界面36处防止相对旋转和轴向移动，但不防止附连部分28和轴18之间的此类旋转和/或轴向移动。为了适应界面36处的减小的力，第二界面38处的力可增大，或者另外构造成防止叶轮部分22和金属轴18之间的相对旋转和轴向移动。

金属环部分24还可构造成控制复合物叶轮22在运行期间的行为。例如，在高旋转速度下，由于旋转引起的力(例如离心力)、过程流体的温度、疲劳等，故叶轮部分22中的一些复合物材料或材料可倾向于塑性或弹性地变形。通过构造由界面36和/或38限定的面积，并且/或者构造环形部分24在界面36和/或38处施加的力，可控制复合物叶轮部分22的变形。例如，在图1中显示的示例性实施例的运行期间，第一环形部分32在界面36处抵靠附连部分28施加的力可防止叶轮部分22和特别是附连部分28沿径向向外变形。此外，对附连部分28和环形部分32之间的“扭曲滑动”的阻力实际上可与机器转子16旋转速度成比例增大，因为在此类运行期间，附连部分28抵靠环形部分32的向外压力在界面36处产生较大的摩擦。

在某些情形下，将环形部分24构造成允许叶轮部分22在运行期间变形可为必要的。该可允许变形可对叶轮部分22提供吸收来自过程流体内的外来物质的冲击的能力，或者作为另一个示例，吸收局部压力现象的能力，而不危害旋转机器14的运行。注意，在图1中显示的实施例中，因为仅在其后侧处提供第一金属环部分，所以冲击或压力现象可由复合物叶轮部分22吸收，特别地，复合物叶轮部分22的至少一部分可抵靠环形部分24向外伸展，并且暂时弯曲或变形远离金属轴部分18，以防止损坏。该特征允许对制造叶轮部分22引入甚至更加不同的材料。

而且重要的是注意，因为金属环部分24能够对附连部分28以及金属轴部分18提供夹持力，所以与如果仅叶轮部分本身热收缩或另外固定于轴部分18相比，更大量的扭矩可在叶轮部分22和轴部分18之间传递。该特征便于实现闭合的复合物叶轮部分22，如图1中显示的，这可与较高的扭矩定额相关联。

另外，因为金属环部分24围绕附连部分28形成连续的环形，所以便于实现多件式叶轮。因而，例如，叶轮部分(包括离散区段)可定位在金属轴部分18上。可利用金属环部分24将离散区段固定于金属轴部分18。此类构造将允许容易地更换叶轮部分22的仅单个区段，从而引入相比于更换整个叶轮的显著成本节约，或者作为另一个示例，离散叶轮部分(均由不同的复合物材料制成)可能够与根据图1的示例性实施例的金属环部分24同时进行实时测试。

在图3中显示第二示例性实施例。旋转机器114包括复合物叶轮部分，该复合物叶轮部分具有金属附连部分，例如，可在制造复合物叶轮部分122期间通过粘合剂或者结合来将该金属附连部分连接于复合物叶轮部分。金属附连部分包括毂部分125和沿径向延伸的部分131，沿径向延伸的部分131从毂部分125沿径向向外延伸。在示例性实施例中，沿径向延伸的部分131延伸超过第一环形部分132的顶部表面，并且从而可提供对复合物叶轮部分122的额外支承和/或结构完整性。该特征还提供绝缘功能–在将金属环部分124以收缩的方式配合于金属轴(未显示)的过程期间，金属附连部分和特别是沿径向延伸的部分131可保护复合物叶轮部分免受从金属环部分124发出的热。如图3中显示的，金属附连部分完全承坐于金属环部分124。

在图4中显示第三示例性实施例。旋转机器214包括定位在复合物叶轮部分222的后侧处的第一金属环部分224和定位在复合物叶轮部分222的前侧处的第二金属环部分225。在该示例性实施例中，附连部分228设有燕尾形状。另外，以及如图4中显示的，第一界面236限定基本上平顶锥形状，并且与限定管形的第二界面238相邻接。类似地，第二金属环部分225在复合物叶轮部分222的前侧处接合附连部分228，并且包括第一界面237，第一界面237限定基本上平顶锥形状，并且与限定管形的第二界面239相邻接。(237在图4中被错误地标为239)。

在组装机器转子216期间，第一金属环部分224可在没有复合物转子部分222的情况下以收缩的方式配合于轴218。在第一金属环部分224已经充分冷却之后，复合物叶轮部分222可定位在轴218上，并且定位成与金属环部分224接合，从而防止复合物叶轮部分暴露于与收缩配合过程相关联的热。接着，金属环部分225可以以收缩的方式配合于轴218和附连部分228，以将复合物叶轮固定于轴218。注意，因为金属环部分225比金属环部分224稍微更小，所以与跟金属环部分224相关联的相比，复合物叶轮部分暴露于可能损坏的热显著更少。作为另一个备选方案，经由界面236、238、237和/或239处的协作结构或特征(包括螺纹、型锻、焊接、键合、结合或其它类型的化学或机械固定手段)，第一金属环224和/或第二金属环可将复合物叶轮222固定于金属轴218。

图5显示第四示例性实施例。旋转机器314包括定位在复合物叶轮部分322的后侧处的第一金属环部分324和定位在复合物叶轮部分322的前侧处的第二金属环部分325。在图5中显示的实施例中，金属轴部分318配置在金属环部分324和金属环部分325之间。

金属环334的第一部分332和金属环335的第一部分333分别从第二环形部分334和第二环形部分335沿径向向外延伸。而且，界面336和界面337分别与径向界面338和339相邻接。可在界面336、338、337和339处提供结合，诸如粘合剂结合。另外，复合物叶轮部分322可结合于轴部分318。

注意，第二环形部分334和335均包括用于沿着机器转子316沿轴向传递扭矩的沿径向延伸的齿部或花键346。可在界面336、338、337和339处提供类似的花键布置和/或键和键槽布置，用于传递扭矩。除了由界面336、338、337和339处的化学或机械器件提供的扭矩传递之外，可沿着机器转子316的轴轴线实现系杆(未显示)和/或螺栓(未显示)和/或它们的组合，以沿着“Hirth联接”布置中的轴轴线提供压缩力来补充经由界面336、338、337和/或339和齿部或花键346提供的扭矩传递。

还构想到图5的实施例的各种修改。例如，本领域技术人员将认识到，虽然构件318、334和335在图5的实施例中被示为单独的元件，但这些元件可改为形成为单个部件。当复合物形成时，将复合物元件连结于金属部件318、334和335接着可直接执行，其中，金属部件318、334和335在过程中用作模具。此外，表面或界面336和337不必是笔直的，而是这些界面336和337中的一个或更多个可备选地是弯曲的，例如为了在复合物和金属之间提供粘合剂结合和几何结合两者。提供此类弯曲界面336和337的纯说明性示例作为图12(其还显示了单个金属部件318)。

更进一步，金属部件(例如与复合物部件接触的表面)不局限于在形状上为圆柱形，而是可呈任何期望形状，例如，具有圆形拐角的三边式多边形形状(如下面描述的图6中进一步示出的)或其它多边形形状，包括2边(椭圆形)、4边、5边等。

图6至10显示第五实施例。机器转子416包括金属轴部分418a，金属轴部分418a具有限定三边式多边形形状(具有圆形拐角)的横截面。注意，金属轴部分418a还沿其纵向轴线渐缩。金属轴部分418a在各端处过渡到金属轴部分418b中，金属轴部分418b具有限定圆柱形形状的横截面。

复合物叶轮部分422包括附连部分428，附连部分428具有通道，该通道具有表面430，表面430的横截面与金属轴部分418a的形状互补。

金属环部分424包括第一部分432和第二部分434，第一部分432具有第一界面436，第一界面436具有附连部分428，第二部分434具有第二界面438，第二界面438具有第一部分438a和第二部分438b。注意，第二界面的第一部分438a沿纵向延伸，并且第二界面的第二部分438b相对于金属轴部分418a的轴线沿径向延伸。第一界面436与第二界面438b的第二部分相邻接，并且也沿径向延伸。

在组装机器转子416期间，复合物叶轮部分422定位在金属轴部分418上。接着金属环部分424以收缩的方式配合成与金属轴部分418a和复合物叶轮部分422接合，从而将复合物叶轮部分422固定于轴部分418a。

在运行期间，附连部分428和金属轴部分418a的互补表面在复合物叶轮部分422和轴部分418a之间提供扭矩传递。金属环部分424的第一部分432的外表面上的半径448对复合物叶轮部分422提供改进的流。根据图11的流程图中显示的实施例，将复合物叶轮固定于机器转子的金属轴的方法(1000)可包括以下步骤：将复合物叶轮定位(1002)到金属轴部分上，加热(1004)至少第一金属环，以及将金属环定位(1006)到金属轴上，使金属环与复合物叶轮接合，以及允许(1008)金属环部分冷却和收缩，从而沿相对于机器转子的轴线的径向方向和纵向方向中的至少一个，将复合物叶轮部分固定于所述金属轴部分。

上面描述的实施例在各方面都意于为说明本发明，而非约束本发明。所有此类变化和修改都认为是在由下列限定的本发明的范围和精神内。不应当解释为对本发明是关键或必需的，除非明确地如此描述。而且，如本文中所用，冠词“一”意于包括一个或更多个物品。