(12) PATENT (19) NO (11) 33404 (13) B1 NORGE (1) Int Cl. H02K 7/08 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 1341 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 13.03.06 (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 13.03.06 () Prioritet (41) Alm.tilgj 14.09.08 (4) Meddelt 14.12.08 (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Viggo Lauritz Norum, Musikkløkka 1, 3612 KONGSBERG, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse VÆSKEFYLT, ROTERENDE ENHET (6) Anførte publikasjoner US 09/0034889 A1 US 77018 B1 (7) Sammendrag Oppfinnelsen tilveiebringer en væskefylt, hurtig roterende enhet, så som en motor, en mekanisk eller magnetisk kobling, som er kjennetegnet ved at den væskefylte enheten innbefatter minst en roterende kappe anordnet mellom overflater med forskjellig rotasjonshastighet.
1 VÆSKEFYLT, ROTERENDE ENHET OPPFINNELSENS OMRÅDE Foreliggende oppfinnelse vedrører væskefylt, roterende enhet i henhold til det selvstendige krav 1 s ingress, så som maskiner, med deler som roterer med en så høy hastighet at den hydrodynamiske friksjonen reduserer maskinens effekt i betydelig grad. Maskinen kan for eksempel være elektriske motorer, pumper, kompressorer, momentomformere, mekaniske koblinger, bremser, svinghjul, magnetiske koblinger og magnetiske gir. Koblinger er her ment å inkludere kløtsjer, momentbegrensere, fleksible sammenføyninger, så vel som stive sammenføyninger. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen reduksjon av hydrodynamisk friksjon i utstyr av den nevnte type, spesielt utførelsesformer derav for bruk under vann. Videre vedrører oppfinnelsen anvendelse av en fritt roterende kappe i væskefylte, raskt roterende enheter. 1 Elektriske motorer for bruk i hybrid-elektriske og helt elektriske kjøretøy er ofte delvis oljefylte (for eksempel i Toyota s Prius og GM s Volt/Ampera) og de operer over et bredt hastighetsområde. Oppfinnelsen kan også anvendes for slike. Ytterligere anvendelsesområder kan være inne feltet med kraftproduksjon, det vil si innelukkede vannkraftgeneratorer og turbiner, bølgegeneratorer og tivannskraftanlegg. 2 Elektriske motorer i kjølekompressorer (så som i kjøleskap, luftkondisjonering og også varmepumper) er også anvendelige, slik som også hydrauliske kraftpakker, spesielt når en elektrisk motor og pumpe/kompressor er plassert sammen inne i fluid/væskefylt forseglet kammer. 3 BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN OG TEKNIKKENS STAND For undervannsbruk er elektriske motorer i henhold til dagens løsninger væskefylte, og væsken er typisk olje eller en blanding av glykol og vann. Væskefyllingen reduserer faren for kortslutning (i tilfelle av at de er fylt med olje), tilveiebringer eller bidrar til kjøling og smøring og fremmer trykkompensering. Væskefylte motorer for pumper med størrelse, effekt og trykk som er egnet for trykkforsterkning av petroleumsvæske og flerfase fra petroleumsbrønner og andre kilder, er i praksis begrenset til en rotasjonshastighet på ca. 4000 rpm. Ved høyere hastighet blir friksjonstapene og varmen betydelige og et begrensende problem. Ved høyere rotasjonshastigheter,
2 hvilket er fordelaktig for kompressorer og pumper, kan derfor være et umulig eller vanskelig å oppnå. Mekaniske og magnetiske koblinger, så som mekaniske eller magnetiske gir, er også begrenset med hensyn til rotasjonshastighet av samme årsaker. Dannelse av virvler og turbulens i væsken i volumet mellom de roterende delene er antatt å være en viktig bidragsyter til de hydrodynamiske tapene. Som et resultat, for væskefylt utstyr med rotasjonshastigheter opp til den praktiske grensen, må kjølesystemet være omfattende og ha høy kapasitet, og det kan være nødvendig med en betydelig tilførsel av kjølemiddel. Ved lokasjoner under vann, ofte ellet titalls eller hundretalls kilometer boret fra dekksinstallasjoner eller land, representerer dette betydelige utfordringer og høye kostnader. 1 Fra US 09/0034889 er det kjent en fluiddynamisk opplagring, fluiddynamisk opplagringstype diskdrive og en fremgangsmåte for å fremstille fluiddynamisk opplagring. I US 77018 er det vist en kurve som illustrerer energi, belastning og motstand i et svinghjul som funksjon av rotorhastighet. Det er også beskrevet hvordan svinghjulet skal designes for å balansere faktorer som energi, belastning, motstand, vekt og hastighet. 2 Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveieringe en løsning på den ovennevnte begrensningen, for å løse problemene og utfordringene og utvide den praktiske hastighetsbegrensningen for væskefylte motorer, koblinger og andre enheter. OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN Oppfinnelsen tilveiebringer en væskefylt, raskt roterende enhet, så som en motor, en mekaniske eller magnetisk kobling, som er kjennetegnet ved at den væskefylte enheten innbefatter minst en roterende kappe anordnet mellom overflaten med ulik rotasjonshastighet. Under drift av enheten, roterer kappen ved en mellomliggende hastighet sammenlignet med de tilstøtende maskinelementene. Kappen kan være fritt roterende (for eksempel drevet av den hydrodynamiske motstanden), eller de kan være en kinematisk forbindelse som fremtvinger den mellomliggende hastigheten. 3 Begrepet rotasjonshastighet dekker stasjonære deler til deler med maksimal rotasjonshastighet, så som spalten mellom en stasjonær stator og en rotor, og spalten
3 mellom en rotor og et stasjonært hus. En fritt roterende kappe vil typisk rotere ved en hastighet mellom rotasjonshastighetene til de tilstøtende overflatene til tilstøtende objekter, for en kappe anordnet mellom en stator og en rotor er kappen forventet å rotere med tilnærmet halve rotasjonshastigheten til rotoren. De hydrodynamiske tapene avhenger av hastigheten til væsken med en energifaktor på tilnærmet 3. Kappen tilveiebringer to volumer med halve forskjellen i relativ hastighet, hvilke resulterer i tilnærmet 1/8 av det opprinnelige tapet i hvert av de to volumene, dersom det antas at spaltene mellom hylsen og statoren/rotoren er lik det de var før hylsen ble satt inn. Summen av tapene for begge volumer (begge sider av hylsen) vil i et slikt tilfelle bli redusert til tilnærmet 2 %. Tapet vil imidlertid i en realistisk applikasjon ble redusert til 2 % avhengig av de valgte spaltestørrelsene. Ved å bruke to eller tre lag med roterende kapper, vil summen av tapene bli redusert til henholdsvis ca. 11 % og 7 % avhengig av de valgte spaltestørrelsene. 1 Den tekniske effekten er at dimensjonene til den fulle lengden eller utstrekningen av kjølesystemet og tilførselskjeden kan reduseres eller den maksimale rotasjonshastigheten og trykkhodet kan økes, eller energi for driften blir redusert på grunn av reduserte hydrodynamiske tap. Kappen tillater en høyere rotasjonshastighet for et spesifikt kjølebehov, hvilket gjør væskefylte motorer og koblinger og gir mer egnet for flerfase pumpe- og kompressormotorer. 2 I en foretrukket utførelsesform er kappen en rørseksjon eller hylse anordnet mellom rotoren og statoren, rotor og hus, rotor og aksel, rotor og barrierevegg eller mellom alle andre roterende deler med sylindrisk form. Den radielle spalten mellom disse delene danner et ringformet volum i hvilket hylsen er anordnet for å kunne rotere fritt i spalten. I en annen foretrukket utførelsesform er kappen en skive eller plate anordnet mellom rotoren og statoren, eller rotoren og huset, eller i enhver annen aksiell spalte mellom roterende deler som danner et skiveformet volum. Denne utførelsesformen er relevant for aksialkoblinger, aksialmotorer og generatorer mod rotorene med et høyt forhold mellom diameter og lengde. 3 Fortrinnsvis er enheten en undervanns pumpe eller kompressor og kappen er en hylse som er anordnet mellom statoren og rotoren og fortrinnsvis også en hylse anordnet mellom rotoren og huset dersom rotoren er utenfor statoren. I andre utførelsesformer er hylsen anordnet i den ringformede spalten mellom alle roterende deler med rørform,
4 hvilken enhet kan være en motor av en annen type enn en elektrisk motor, så som en hydraulisk motor, eller andre enheter. Fortrinnsvis er kappen fremstilt av et ikke-ferromagnetisk metall, polymer, komposittmateriale eller et keramisk materiale, dersom plasseringen skal skje i spalter med et roterende magnetisk felt. Dersom det ikke er noen magnetisk kobling mellom de roterende overflatene, kan kappen være fremstilt av et ferromagnetisk materiale (og med mindre resistivitet) siden det ikke er noen magnetisk kobling for hvilket det kan oppstå magnetiske tap. Når det brukes kapper av materialer med høy elektrisk ledningsevne i et roterende magnetisk felt, vil materialet være laminert (med isolerende lag) for å redusere tapene forbundet med induserte elektriske strømmer i materialet. 1 2 Eksempler på noen egnede materialer er som følger: titan, aluminium, austenittisk rustfritt stål, hastelloy, stelitt, talonitt, monel, inkonel eller andre nikkelbaserte superlegeringer, massive eller laminerte for å redusere elektromagnetiske tap. Monel kan være fullstendig ikke-magnetisk, også etter lang tid med mekaniske påkjenninger, i motsetning til mange andre metaller, og monel kan derfor være et godt valg dersom det er avgjørende med minimal magnetisme. Eksempler på noen av de egnede ikke-metall materialene er som følger: PEEK, karbonfiberforsterket PEEK, karbonfiber, karbon kompositter, polyimid, keramiske materialer så som zirkoniumoksid, og fiberforsterket (karbon, aramid, s-glass, borfiber) polymerer. Fibere, prepregede eller sydde fibre av karbon eller andre fibre kan være viklet med forspenning på et metall eller polymer underlag som igjen kan være anordnet på en dor, og tilveiebringe en relativt dimensjonsstabil hylse med høy styrke. Doren kan fjernes etter fremstillingen av kappen eller doren kan være igjen som en del av kappen. Doren kan lett fjernes etter herding av kompositten ved høy temperatur dersom doren er fremstilt av et materiale med høy termisk ekspansjon (for eksempel aluminium) inn i en hylse av fiberforsterket kompositt. 3 Fremstilingen av kappen kan imidlertid skje ved støping, fresing, maskinering, ekstrudering og/eller sliping ved bruk av tradisjonelle metoder og det er flere muligheter både med hensyn til valg av materiale, utforming og fremstillingsmetode som alle vil være mer eller mindre lett tilgjengelige for en fagmann innen området fra lærebøker og fra leverandører og produsenter.
1 Kappen kan innbefatte ett eller flere spor eller rifling anordnet for å sirkulere, bevege eller pumpe fluid ved sporet (riflingen) og for å stabilisere kappen hydrodynamisk (forhindre oscillasjoner). For en hylseformet kappe er sporet fortrinnsvis utformet som en heliks, for en skiveformet kappe er sporet (rifling) fortrinnsvis utformet som en spiral. Sporet (riflingen) kan ha en tilsvarende form som sporene som brukes for radiallagre, eller det kan være likt sporene som brukes i oljekjølte kløtsjer (for eksempel som i automatiske girkasser for kjøretøy), eller det kan være likt riflingen i et geværløp. Sporene eller riflingen kan være anordnet på innsiden og/eller utsiden av en hylseformet kappe eller på den ene eller begge sider av en skiveformet kappe. Dersom spiral eller heliks er tilstede på begge sider av en kappe, kan spiralen eller heliksen være anordnet i motstående eller parallelle retninger på de to sidene. I tillegg eller alternativt kan det brukes svakt elliptisk tverrsnittsform eller lemon bore form for hylsen i forhold til det ringformede volumet mellom deler med forskjellig rotasjonshastighet. Disse sporene eller formene er anordnet for å fremme sirkulasjon av fluid for å forbedre kjølingen. Avhengig av formen og glattheten til de roterende overflatene å hver side av hylsen, kan sporene imidlertid ikke være nødvendige siden fluidsirkulasjonen kan fremmes av de andre roterende overflatene og fra et fluiddynamisk synspunkt kan det være fordelaktig å ha en så glatt overflate som mulig. 2 3 Den roterende kappen i forhold til sine tilstøtende deler (typisk en rotor og en stator, eventuelt andre roterende kapper) kan innbefatte lagerflater. Lagerflatene kan være der av flere årsaker: a) forhindre at kappen gnisser mot andre tilstøtende komponenter, b) understøtte kappen ved stillstand, og c) fremme fri rotasjon i forhold til tilstøtende deler. Fortrinnsvis er hylsen begrenset fra aksiell bevegelse av de ringformede volumets høyde eller lengde eller av maskinelementer i aksialretningen, som gir en klaringsspalte som er tilstrekkelig til å tillate termisk ekspansjon av hylsen, og hylsen er dimensjonert slik at ved hvilke, ved omgivende temperatur, har den en indre klaringsspalte som er tilstrekkelig til å tillate rotasjon om den indre rotoren eller statoren og ved maksimal driftshastighet og temperatur har den en ytre klaringsspalte som er tilstrekkelig til å tillate rotasjon i det ringformede volumet til den ytre rotoren eller statoren eller huset. Den optimale klaringsspalten på hver side av hylsen avhenger av viskositeten til fluidet. 0, - 2,0 mm er ansett å være egnet for vannfylte maskiner, men det bør imidlertid være tilveiebragt ytterligere spalte for forskjeller i termisk ekspansjon
6 mellom hylsen og indre og ytre utstyr. Det kan også være foretrukket med ytterligere klaring eller arrangementer for installasjon. Ytterligere fordelaktige utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse er angitt i de uselvstendige patentkravene. FIGURER Oppfinnelsen er illustrert med figurene 1, 2 og 3 som henholdsvis viser en enhet i henhold til oppfinnelsen, to kapper for en enhet i henhold til oppfinnelsen og en ytterligere kappe for en enhet i henhold til oppfinnelsen. 1 DETALJERT BESKRIVELSE Figur 1 og figur 2 viser en enhet i henhold til oppfinnelsen med en under drift roterende rotor 1, en under drift roterende kappe 2 og en ikke-roterende stator 3. Kappen og den topp- og bunnplater er et legeme med væskesirkulasjonshull. I figur 2 består kappen av to konsentrisk anordnede hylser, som typisk roterer med tilnærmet 2/3 og 1/3 av rotorens hastighet. Figur 3 illustrerer en kappe med helisk rifling eller spormønster.
PATENTKRAV 7 1. Væskefylt, roterende enhet, så som en mekanisk eller en magnetisk kobling, k a r a k t e r i s e r t v e d at den væskefylte enheten innbefatter minst en roterende kappe anordnet mellom overflater med forskjellig rotasjonshastighet, hvilken kappe roterer ved en mellomliggende hastighet sammenlignet med de tilstøtende maskinelementene. 1 2. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den roterende kappen er en rørseksjon eller hylse anordnet mellom rotoren og statoren, rotoren og huset eller rotoren og akselen eller barrierevegg, i en radiell spalte som danner et ringformet volum. 3. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den roterende kappen er en skive eller plate anordnet mellom rotoren og statoren, eller rotoren og huset, i en aksielle spalte som danner et skiveformet volum. 2 4. Enhet i henhold til hvilket som helst av kravene 1-2, k a r a k t e r i s e r t v e d at enheten er en undervannspumpe eller kompressor elektrisk motor og den roterende kappen er en hylse anordnet mellom statoren og rotoren og fortrinnsvis og en hylse anordnet mellom rotoren og huset dersom rotoren er utenfor statoren. 3. Enhet i henhold til hvilke som helst av kravene 1 4, k a r a k t e r i s e r t v e d at den roterende kappen er fremstilt av et ikke-ferromagnetisk materiale, fortrinnsvis valgt fra titan, austenittisk rustfritt stål, aluminium, hastelloy, stelitt, talonitt, monel, inkonel eller andre nikkelbaserte superlegeringer, PEEK, karbonfiberforsterket PEEK, karbonfiber, karbonfiberforsterket
8 polymer, karbonkompositt, polyimid, keramisk materiale, fiberforsterkede polymerer eller andre passende ikke-magnetiske materialer. 6. Enhet i henhold til krav 4, k a r a k t e r i s e r t v e d at hylsen innbefatter et eller flere spor og/eller rifling anordnet til å sirkulere, bevege eller pumpe fluid ved sporet og/eller å stabilisere kappen hydrodynamisk (forhindre oscillasjoner), for en hylseformet kappe er sporet fortrinnsvis utformet som en heliks, for en skiveformet kappe er sporet fortrinnsvis utformet som en spiral, og dersom spiral eller heliks er tilstede på begge sider av en kappe, kan spiralen eller heliksen være anordnet i enten motstående eller parallelle retninger på de to sidene. 1 2 7. Enhet i henhold til krav 4, k a r a k t e r i s e r t v e d at hylsen er begrenset fra aksielle bevegelse av den ringformede volumets høyde eller lengde eller ved maskinelementer i aksialretning, og tilveiebringer en klaringsspalte tilstrekkelig til å tillate termisk ekspansjon til hylsen, og hylsen er dimensjonert slik at ved stillstand, ved lav omgivende temperatur, har den en indre klaringsspalte tilstrekkelig til å tillate rotasjon om den indre rotoren eller statoren og ved maksimal driftshastighet og temperatur har den en ekstern klaringsspalte tilstrekkelig til å tillate rotasjon i det ringformede volumet av den eksterne rotor, stator eller hus, hvilke klaringsspalter fortrinnsvis er ca. 0, 2,0 mm. 8. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at motorakselen og hylsen er anordnet til å ha en vertikal orientering, og under drift roterer hylsen ved omtrent halve hastigheten til rotoren, hvilket reduserer de hydrodynamiske tapene på grunn av friksjon. 3 9. Anvendelse av en fritt roterende kappe i væskefylte, raskt roterende enheter, så som en motor, et gir eller en magnetisk kobling, anordnet mellom overflater med forskjellig rotasjonshastighet, for å redusere utstrekningen av hydrodynamiske tap på grunn av friksjon og for tilsvarende å redusere behov og kostnader for kjølesystem.
9. Anvendelse i henhold til krav 9 av en hylse i en undervannsmotor for en pumpe eller flerfasepumpe, anordnet mellom en rotor og en stator og mellom en rotor og et hus dersom rotoren er på utsiden av statoren. 1 2 3 11. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den roterende kappen består av flere deler som roterer ved forskjellige hastigheter. 12. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at rotorkappen og dens tilknyttede deler (typisk en rotor og en stator) innbefatter lagerflater. 13. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den roterende kappen dekker minst % av overflatearealet til de roterende delene inne i maskinen. 14. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at kappen er fritt roterende, det vil si at den blir drevet av den hydrodynamiske friksjonen på hver side av kappen. 1. Enhet i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at kappene er fremstilt av fiberforsterket polymer (FRP) og fremstillingen av kappene innebærer herding av FRP en på en dor (form). 16. Enhet i henhold krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at separasjonen av kappen fra produksjonsformen (dor) gjøres ved en annen temperatur enn herdetemperaturen.
17. Enhet i henhold til krav 6 og 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at doren (formen) preger hoveddeler av nevnte mønster (spor og/eller rifling) i kappen.
1/3
2/3
3/3