專利名稱：用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子的軸向氣體推力軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子的氣體軸承，其組合了平衡活塞和推力軸承盤的性質(zhì)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械(例如壓縮機(jī))的轉(zhuǎn)子例如由油潤(rùn)滑的軸承支撐。軸承位于大氣軸承殼體中。因此，軸承必須通過干燥的氣體密封件而與暴露于高壓氣體的壓縮機(jī)葉輪分離。
帶有專用的軸承、平衡活塞和密封件的渦輪機(jī)械已經(jīng)存在了超過100年。眾所周知的是對(duì)復(fù)雜和脆弱的支撐系統(tǒng)的要求。
用于渦輪機(jī)械的徑向和推力軸承是通常在樞軸上具有軸瓦或墊片的軸承。當(dāng)軸承操作時(shí)，軸承的旋轉(zhuǎn)部分將新油帶入墊片區(qū)域。流體壓力造成墊片稍微傾斜，從而造成加壓流體進(jìn)入軸瓦和另一軸承表面之間。墊片的傾斜自適應(yīng)地隨著軸承負(fù)載和速度而改變。各種設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)確保了油的連續(xù)補(bǔ)充以避免過熱和墊片損壞。
由于葉輪上的壓力升高，在轂和罩上存在壓力差，造成葉輪在壓縮機(jī)入口的方向上具有凈推力。該效應(yīng)通過平衡活塞來抵消，見圖1，該平衡活塞位于最后的葉輪之后，通過使平衡活塞的外側(cè)受到來自壓縮機(jī)的入口側(cè)的低壓而實(shí)現(xiàn)。因此，與葉輪的方向相反地產(chǎn)生壓力差。該壓力通過利用管路將活塞之后的區(qū)域連接到入口而獲得。
關(guān)于改進(jìn)的解決方案的重要一步顯示在WO-Al 2008/018800中，該文公開了一種組合軸承系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)子設(shè)有徑向軸承和相關(guān)聯(lián)的密封件。用于轉(zhuǎn)子的每個(gè)徑向軸承和密封點(diǎn)是軸承和密封件組合的形式，由位于機(jī)械殼體中的定子形成，并且定子形成有孔。
通過在載置于定子相關(guān)部分的轉(zhuǎn)子上提供圓柱形盤/葉輪形式的軸向軸承，根據(jù)在帶有期望動(dòng)態(tài)剛度和阻尼的徑向氣體軸承中的相同原理，氣體膜可以形成有剛度和阻尼?；蛘撸S向軸承可以根據(jù)流體靜力學(xué)原理來形成，包括在軸承表面之前和之后的流限制，以便獲得剛度和相應(yīng)的阻尼。還可以使用兩種原理的組合來形成軸向軸承。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是利用簡(jiǎn)化的軸向氣體推力軸承來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平衡活塞和推力軸承，在這種簡(jiǎn)化的軸向氣體推力軸承中，軸的軸向運(yùn)動(dòng)減小了，旋轉(zhuǎn)的盤/葉輪和靜止的徑向壁之間的距離(即，流體力)增加，其進(jìn)一步阻止軸在軸向方向上的運(yùn)動(dòng)。軸向推力軸承的徑向長(zhǎng)度，以及定子和盤之間的間隙依賴于機(jī)器和氣體軸承區(qū)域的徑向位置的壓力比，其產(chǎn)生流體力，應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)于摩擦損耗和負(fù)載能力進(jìn)行優(yōu)化。
該目的通過用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子的軸向軸承來實(shí)現(xiàn)，其中，軸承包括與轉(zhuǎn)子一體或緊固到轉(zhuǎn)子的至少一個(gè)徑向盤、面向每個(gè)盤的一個(gè)固定的密封件或定位為圍繞每個(gè)盤的兩個(gè)固定密封件，密封件的下部與轉(zhuǎn)子的距離允許在相應(yīng)盤和密封件之間的間隙通過的壓縮流體的流入，從而將平衡活塞和推力軸承盤的性質(zhì)組合起來。
形成在軸向氣體軸承內(nèi)的空氣間隙幾何結(jié)構(gòu)包括但不限于a)收縮的，b)擴(kuò)張的， 以及c)平行的。另外，供應(yīng)到軸向氣體軸承中的空氣間隙的氣體可以來自軸承的徑向內(nèi)側(cè)或外側(cè)。還應(yīng)該懂得，術(shù)語(yǔ)“盤”應(yīng)該包括葉輪等。
旋轉(zhuǎn)盤或定子不平整度可以是不同的特別限定的幾何結(jié)構(gòu)的形式，例如但不限于凹口、蜂巢(HC)或孔形狀(HP)，未示出。
有多種可能的構(gòu)造1.軸向盤構(gòu)造，見圖2。使用典型的軸向盤，軸向氣體軸承位于盤徑向表面的每一側(cè)。 過程氣體從壓縮機(jī)最后一級(jí)葉輪(但不限于從該壓縮機(jī)最后一級(jí)葉輪)從外側(cè)或內(nèi)側(cè)供應(yīng)到該盤的兩側(cè)，即，這種氣體軸向軸承將是雙作用的，并且能夠在兩個(gè)方向上穩(wěn)定軸向的軸運(yùn)動(dòng)。另外，來自該軸向氣體推力軸承的用過的氣體返回到壓縮機(jī)的吸入側(cè)。
2.背對(duì)背壓縮機(jī)構(gòu)造，見圖3。采用與軸向盤構(gòu)造相同的軸向氣體軸承原理，然而，葉輪轂用作旋轉(zhuǎn)部分，而軸向氣體軸承定子位于兩個(gè)壓縮機(jī)段之間。過程氣體從每個(gè)壓縮機(jī)段中的最后的葉輪供應(yīng)，在葉輪和定子之間的空氣間隙中通過的流體將產(chǎn)生氣體軸承負(fù)載能力，從而將平衡活塞和推力軸承的功能組合起來。
可以通過在推力軸承的下游安裝閥來控制泄漏速率和氣體軸承壓力，獲得可控的泄漏速率和力/阻尼系數(shù)。這種閥還可以在操作速度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性和壓縮機(jī)效率。
3.葉輪構(gòu)造，見圖4。采用與軸向盤構(gòu)造相同的軸向氣體軸承原理，然而，在壓縮機(jī)的所有的葉輪中采用圍繞的定子壁作為在葉輪徑向表面的一側(cè)或兩側(cè)上的推力軸承，以便均衡來自葉輪的凈軸向力。這種軸向氣體軸承解決方案將可能降低級(jí)泄露，并且可能在壓縮機(jī)中不需要或降低對(duì)級(jí)間密封件(迷宮密封件)的需要。
本發(fā)明的其它有利方面從從屬權(quán)利要求和以下的討論來理解。
轉(zhuǎn)子可以更短和更為剛性，造成更好的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)性能，和/或更短和更薄，帶來重量的節(jié)約。傳統(tǒng)的離心氣體壓縮機(jī)或緊湊緊密密封的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)是本發(fā)明能夠具有優(yōu)勢(shì)的兩種有用但不唯一的應(yīng)用。


現(xiàn)在將借助于附圖中示出的優(yōu)選示例實(shí)施例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中圖1示出了具有平衡活塞和推力盤軸承的壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的示意性截面圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的示意性截面圖，其具有徑向盤和圍繞盤的氣體軸承定子，從而將這種現(xiàn)有技術(shù)中的平衡活塞和推力軸承的功能組合起來；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的示意性截面圖，其將葉輪轂用作盤，將圍繞的壁用作氣體軸承定子。這應(yīng)用于背對(duì)背壓縮機(jī)的兩段中，從而將這種現(xiàn)有技術(shù)的平衡活塞和推力軸承的功能組合起來；以及圖如和圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的示意性截面圖，其將一個(gè)或若干個(gè)葉輪用作旋轉(zhuǎn)盤，將圍繞的表面用作氣體軸承定子，從而將這種現(xiàn)有技術(shù)的平衡活塞和推力軸承的功能組合起來。
具體實(shí)施方式
盡管在論述中提到的是壓縮機(jī)，但可以應(yīng)用所有其它形式的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，例如泵、渦輪和膨脹機(jī)，其中，流體(例如氣體)被賦予增加或降低的壓力。
軸向軸承要求壓力差來工作。因此可能需要用于啟動(dòng)/停止的裝置。這可以通過從儲(chǔ)存器空氣靜壓作用地抽取氣體或使用適當(dāng)類型的較小容量的支承軸承(未示出)來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明公開了一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子4的軸向氣體推力軸承，其中，軸承包括與轉(zhuǎn)子4 一體或緊固到轉(zhuǎn)子4的至少一個(gè)徑向盤5，以及面對(duì)每個(gè)盤的一個(gè)固定密封件2 或定位為圍繞每個(gè)盤的兩個(gè)固定密封件2。密封件的下部與轉(zhuǎn)子的距離允許在相應(yīng)的盤和密封件之間的間隙中通過的壓縮流體的流入。因此，創(chuàng)新的概念是將平衡活塞和推力軸承盤的性質(zhì)組合到僅一個(gè)構(gòu)件中。該新的概念與舊的解決方案發(fā)揮相同的所需功效，但空間更小并且沒有支撐系統(tǒng)。
因此，預(yù)先假定使用標(biāo)準(zhǔn)類型的徑向盤5，或如上所述的葉輪，其平面的表面與相應(yīng)的密封件面對(duì)面，或盤可以替代性地以槽類型的盤來增強(qiáng)，以在軸向獲得更高的負(fù)載能力，沒有示出。為了確保氣體高壓被相等地分到兩側(cè)，徑向盤自身能夠包含至少一個(gè)平衡孔 6，由此允許在盤的兩側(cè)之間的相等壓力。如圖2所示，有四個(gè)這種孔，但應(yīng)該懂得，可以等同地應(yīng)用其它數(shù)量。
圖3提供了稱為背對(duì)背的壓縮機(jī)類型的解決方案，其中，在一個(gè)壓縮機(jī)內(nèi)部的兩段壓縮氣體。每段的最高出口壓力在機(jī)器的中部相遇。對(duì)于該構(gòu)造，從每段中的高壓泄露的氣體泄露通過葉輪軸向平衡密封件，回到吸入側(cè)或用作整體馬達(dá)壓縮機(jī)器的冷卻氣體。
在圖4中，氣體壓力從高壓泄露到低壓側(cè)。通過葉輪的壓力和表面產(chǎn)生凈軸向力。 由于在葉輪的一側(cè)上減小的面積，軸向力不被平衡，但將該軸向密封組合在該側(cè)上，使來自壓力的軸向力均衡。這在有利的構(gòu)造中可用于一個(gè)或多個(gè)葉輪，從而獲得有限量的軸向力。
來自壓縮機(jī)的壓力上升的氣體進(jìn)入徑向密封件2中。在這種密封件的有利構(gòu)造中，旋轉(zhuǎn)盤5應(yīng)該是光滑的，而定子表面應(yīng)該是粗糙的，以降低泄露并且增強(qiáng)剛性和阻尼的動(dòng)態(tài)系數(shù)。定子粗糙度可以是蜂巢(HC)或孔形狀(HP)錐形密封件的形式，未示出。如圖2 所示，密封件可以在徑向上是收縮的，或者與盤是平行的或擴(kuò)張的，或者甚至是它們的任意組合。因此，密封件設(shè)計(jì)和軸承性質(zhì)能夠限定最終的系統(tǒng)。
當(dāng)氣體流過密封件表面，在軸向產(chǎn)生壓力，產(chǎn)生剛性和阻尼。該剛性和阻尼試圖保持兩個(gè)密封件之間的中間的軸位置。當(dāng)氣體離開兩個(gè)徑向密封件2的出口之后，其返回到作為正常壓縮機(jī)平衡活塞系統(tǒng)的壓縮機(jī)的吸入側(cè)3。
如果存在極端的推力，能夠通過對(duì)徑向HP或HC密封件2在需要額外力(S卩，主動(dòng)推力或被動(dòng)推力)的方向上施加更長(zhǎng)的徑向長(zhǎng)度來平衡軸承。轉(zhuǎn)子4和至少面對(duì)葉輪的密封件的下端之間的距離也能夠變化以調(diào)整氣體沿著盤5的側(cè)面的流入。
因此，本發(fā)明使用在旋轉(zhuǎn)盤和兩個(gè)徑向密封件之間產(chǎn)生的氣體力在軸向方向上平衡渦輪壓縮機(jī)。整體的解決方案提供了推力軸承性質(zhì)，即，盤和密封件之間的剛性、阻尼和負(fù)載能力。可以通過調(diào)整徑向密封件之一來提供或多或少的軸承性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)軸向方向的平
通過將平衡活塞從在軸向方向上泄露移動(dòng)到在徑向方向上泄露，可以在轉(zhuǎn)子的穩(wěn)5定性(即，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性效應(yīng))方面期待非常有利的效果。大大地降低了軸長(zhǎng)度，這對(duì)于速度關(guān)鍵和緊湊的機(jī)器來說是有利的。機(jī)械對(duì)于徑向振動(dòng)不敏感，因?yàn)槊芊饧挥谳S向方向上， 通常徑向密封件隨著時(shí)間而損壞。由于盤的長(zhǎng)度，在該特定設(shè)計(jì)中可以期待較大的負(fù)載能力。
權(quán)利要求
1.一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子(4)的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述軸承包括與所述轉(zhuǎn)子(4) 一體或緊固到所述轉(zhuǎn)子(4)的至少一個(gè)徑向盤(5)、面向每個(gè)盤(5)的一個(gè)固定的密封件(2)或定位為圍繞每個(gè)盤(5)的兩個(gè)固定的密封件(2)，所述密封件(2)的下部與所述轉(zhuǎn)子(4)的距離允許在相應(yīng)盤(5)和密封件(2)之間的間隙通過的壓縮流體的流入，從而將平衡活塞和推力軸承盤的性質(zhì)組合起來。
2.如權(quán)利要求1所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述密封件(2)是徑向收縮的、擴(kuò)張的或與所述徑向盤(5)平行的，或者是它們的組合。
3.如以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述密封件(2)的徑向延伸是變化的，以便對(duì)于極端的推力來平衡軸承。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述密封件(2) 在面對(duì)所述盤(5)的表面中設(shè)有蜂巢或孔形狀。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(4)和至少面對(duì)流入流體的密封件(2)之間的距離是可變的，以便改變軸承的阻尼和剛性性質(zhì)。
6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述徑向盤(5) 形成有面對(duì)所述密封件(2)的平面的或凹槽的表面。
7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸向氣體推力軸承，其特征在于，所述徑向盤(5) 設(shè)有至少一個(gè)平衡孔(6)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子(4)的軸向氣體推力軸承，其包括與所述轉(zhuǎn)子(4)一體或緊固到所述轉(zhuǎn)子(4)的至少一個(gè)徑向盤(5)、面向每個(gè)盤(5)的一個(gè)固定的密封件(2)或定位為圍繞每個(gè)盤(5)的兩個(gè)固定的密封件(2)，所述密封件(2)的下部與所述轉(zhuǎn)子(4)的距離允許在相應(yīng)盤(5)和密封件(2)之間的間隙通過的壓縮流體的流入，從而將平衡活塞和推力軸承盤的性質(zhì)組合起來。
文檔編號(hào)F04D29/041GK102483091SQ201080027908
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者昂德巴克 H., 布雷內(nèi) L., T. 基布斯加爾德 S. 申請(qǐng)人:挪威國(guó)家石油公司