本發(fā)明涉及旋轉機械振動控制領域，特別涉及一種碰摩保護裝置及應用其的旋轉機械。

背景技術：

旋轉機械在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用，它主要由轉子、定子、軸承、聯(lián)軸器等部件構成。轉子是旋轉機械的重要部件，一旦發(fā)生故障造成停機，很可能造成巨大的經(jīng)濟損失。碰摩故障是旋轉機械運行過程中常見的一種故障形式。當前，在高轉速高效率的要求下，旋轉機械中轉子與定子之間的間隙越來越小，導致動靜碰摩現(xiàn)象不斷發(fā)生，輕者造成故障停機，重者會產(chǎn)生轉子斷裂、抱死以及機組損毀等一系列非常嚴重的后果。

動靜碰摩是旋轉機械領域的一個重大研究課題，近些年，發(fā)展出了大量的碰摩故障診斷方法，如振動信號分析、聲發(fā)射信號識別等，此類方法和措施，對于旋轉機械碰摩故障預先診斷和預報有一定效果，但是仍然屬于故障預防領域，而當故障發(fā)生后，如何有效控制故障發(fā)展、減輕故障損害是一個較新的課題。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明提出一種碰摩保護裝置及應用其的旋轉機械，解決工程實際中旋轉機械的碰摩故障問題，可以有效控制碰摩發(fā)展，減輕碰摩損害，并回收碰摩動能，轉化為電能儲存。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種碰摩保護裝置，用于旋轉機械，包括碰摩吸振器和動能緩沖器；其中，所述碰摩吸振器包括至少一層耐磨材料層、以及套設在耐磨材料層外的至少一層阻尼減振層；最外層的阻尼減振層安裝于所述動能緩沖器。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述碰摩吸振器還包括一基座，最外層的阻尼減振層嵌裝于所述基座，所述基座安裝于所述動能緩沖器。

在本發(fā)明的一些實施例中所述動能緩沖器包括形成一體的飛輪和凸軸，所述基座安裝于所述飛輪內(nèi)壁。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述動能緩沖器為與滾珠軸承一體的環(huán)狀結構。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述耐磨材料層采用硅膠、橡膠、石墨或帶孔密封塑料；所述阻尼減振層采用金屬橡膠、彈簧圈、金屬纏繞墊。

本發(fā)明還提供了一種旋轉機械，包括轉子以及任一上述碰摩保護裝置。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述轉子為儲能飛輪，所述動能緩沖器的凸軸通過滾珠軸承安裝于旋轉機械，所述儲能飛輪由所述動能緩沖器和旋轉機械的支撐軸承支撐，插入所述碰摩吸振器并與最內(nèi)層的耐磨材料層留有間隙。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述動能緩沖器的凸軸與發(fā)電機固接于一體。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述轉子由兩套支撐軸承支撐，所述碰摩保護裝置安裝于支撐軸承外側，所述轉子穿過所述碰摩吸振器并與最內(nèi)層的耐磨材料層留有間隙。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述碰摩吸振器最內(nèi)層的耐磨材料層與轉子的間隙等于所述支撐軸承與轉子之間的間隙。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明碰摩保護裝置及應用其的旋轉機械具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明可以有效控制儲能飛輪碰摩發(fā)展，將旋轉動能盡快的轉移給動能緩沖器，并可以通過發(fā)電機進一步制動發(fā)電。

(2)碰摩吸振器具有很好的剛度和阻尼效應，可以很好的吸收飛輪轉子的碰摩能量，有效保護轉子碰摩面。

(3)對于一般做功轉子軸系，比如透平發(fā)電機，當發(fā)生葉輪和渦殼小間隙碰摩時，本發(fā)明能快速吸收碰摩能量，避免碰摩進一步發(fā)展導致轉軸與氣體軸承抱死。

(4)本發(fā)明的碰摩保護裝置屬于故障控制和修復領域，具有較好的經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實施例的碰摩保護裝置結構示意圖。

圖2是本發(fā)明第二實施例的碰摩保護裝置結構示意圖。

圖3是本發(fā)明第三實施例的旋轉機械結構示意圖。

圖4是本發(fā)明第四實施例的旋轉機械結構示意圖。

【符號說明】

10-碰摩吸振器；11-橡膠層；12-金屬橡膠層；13-碳素鋼環(huán)基座；

20-動能緩沖器；21-飛輪；22-凸軸；23-滾珠軸承；

31-基座；32-滑動軸承；33-電動/發(fā)電機；34-真空外殼；35-儲能飛輪；36-發(fā)電機；37-永磁軸承；

41-透平；42-壓氣機；43-蝸殼；44-機殼；45-轉子；46-轉軸；47-支撐軸承。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種旋轉機械碰摩，可以有效控制碰摩進程、大幅減輕故障危害，具有很好的推廣價值和經(jīng)濟效益。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明第一實施例的旋轉機械碰摩保護裝置，包括碰摩吸振器10和動能緩沖器20。

其中，碰摩吸振器10為三層環(huán)狀套裝結構，包括同軸設置的內(nèi)層的橡膠層11、中間層的金屬橡膠層12、以及外層的碳素鋼環(huán)基座13，橡膠層11和金屬橡膠層12嵌裝于碳素鋼環(huán)基座13。

動能緩沖器20包括形成一體的飛輪21和凸軸22，飛輪21為一端開口的圓筒狀結構，凸軸22與飛輪21同軸，設置于飛輪未開口的一端，凸軸22的一端安裝有滾珠軸承23。碳素鋼環(huán)基座13同軸安裝于飛輪21內(nèi)壁，使得碰摩吸振器10整體安裝于動能緩沖器20。碰摩保護裝置通過滾珠軸承23安裝于旋轉機械，碰摩吸振器10和動能緩沖器20與旋轉機械的轉子45同軸，轉子45伸入碰摩吸振器10中，并與內(nèi)層的橡膠層11留有間隙。

本實施例的旋轉機械碰摩保護裝置，當轉子與內(nèi)層橡膠層發(fā)生動靜碰摩時，轉子的動能通過碰摩吸振器的各層快速傳遞給動能緩沖器，轉子的動能轉化給動能緩沖器，使得轉子平穩(wěn)降速，防止旋轉機械故障和損壞。

轉子與內(nèi)層橡膠層的碰摩型式有多種，其發(fā)展階段一般都是由單點碰摩到多點碰摩或局部碰摩，直至全周碰摩；從接觸點受力來看，是從單純的摩擦到摩擦與碰撞的合力過程；按照碰摩的力學性質分類為干摩擦、滑動摩擦、磨粒磨損、滾動、碰撞等。

碰摩吸振器10中間層為金屬橡膠層12，其是一種均質的彈性多孔物質，可通過將螺旋狀態(tài)的金屬絲有序地排放在沖壓(或碾壓)模具中，然后用冷沖壓方法而制成，在高溫、低溫、高壓、高真空及劇烈振動等環(huán)境下的具有很好的阻尼減振效果。

當轉子與碰摩吸振器的橡膠層發(fā)生動靜碰摩時，高速旋轉的轉子所儲存的大量機械動能中，約有5～10％的旋轉動能以干摩擦、磨損、碰撞等多種碰摩形式所損耗，轉化為聲、振、熱等多種形式的能量；約有5～10％的旋轉動能將被碰摩吸振器的金屬橡膠層的阻尼效應耗散，轉化為熱量和碰摩吸振器的振動；而超過80％旋轉動能將由動能緩沖器吸收，轉化為動能緩沖器的旋轉動能。該過程將轉子動能以碰摩形式傳遞給動能緩沖器，實現(xiàn)轉子碰摩能量的傳遞和轉化。

以上僅是示例性的對本實施例進行了說明，但本實施例并不限于此。碰摩吸振器10也可以是多于三層的套裝結構，其中包括至少一層類似橡膠層的耐磨材料層、套裝在耐磨材料層外層的至少一層類似金屬橡膠層的阻尼減振層、以及套裝阻尼減振層的類似碳素鋼環(huán)基座的基座；其各層的形狀可以是除環(huán)狀以外的其他軸對稱結構。

碰摩吸振器10內(nèi)層也可以采用硅膠，或者其他耐磨彈性材料，比如石墨、帶孔密封塑料等。中間層也可以采用彈簧圈、金屬纏繞墊等高可彈性結構材料。最外層也可以采用保證結構強度的其他金屬材料。

動能緩沖器也可以是其他的軸對稱旋轉結構，其具體型式取決于轉子的結構。本實施例的動能緩沖器為筒狀飛輪式，其適用于轉子為儲能飛輪的旋轉機械。動能緩沖器的作用為吸收轉子儲存的動能，將轉子的旋轉動能通過碰摩轉化為自身的旋轉動能。為了單位體積儲存盡可能多的能量，動能緩沖器可選擇密度較高的碳素鋼材質，使得動能緩沖器具有較大的轉動慣量。

采用本實施例的碰摩保護裝置，可以有效控制轉子碰摩發(fā)展，將旋轉動能盡快的轉移給動能緩沖器，使得轉子平穩(wěn)降速，有效防止旋轉機械故障和損壞。碰摩吸振器具有很好的剛度和阻尼效應，可以很好的吸收轉子的碰摩能量，有效保護轉子碰摩面。

本發(fā)明第二實施例的旋轉機械碰摩保護裝置，為了達到簡要說明的目的，上述第一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

如圖2所示，與第一實施例不同的是，碰摩吸振器10僅包括內(nèi)層的橡膠層11和中間層的金屬橡膠層12，金屬橡膠層12直接套裝于動能緩沖器20，動能緩沖器20為與滾珠軸承一體化的環(huán)狀結構，通過滾珠軸承將碰摩保護裝置安裝于旋轉機械，碰摩吸振器10、動能緩沖器20與旋轉機械的轉子同軸，轉子伸入碰摩吸振器10中，并與內(nèi)層的橡膠層11留有間隙。

與第一實施例類似，其同樣可以有效控制轉子碰摩發(fā)展，將旋轉動能盡快的轉移給動能緩沖器，使得轉子平穩(wěn)降速，有效防止旋轉機械故障和損壞，并很好的吸收轉子的碰摩能量，有效保護轉子碰摩面。

本實施例的動能緩沖器為多層圓環(huán)結構，其適用于一般做功轉子的旋轉機械，比如，透平機械的轉軸、電機/發(fā)電機的轉子、電主軸轉子等，由于這種轉子轉動慣量較小，與儲能飛輪相比，儲存的旋轉動能較少，碰摩發(fā)生時碰摩吸振器消耗動能，轉化為動能緩沖器的動能，轉子逐漸平穩(wěn)降速，可以有效防止軸系損壞以及軸承抱死等故障發(fā)生。

如圖3所示，本發(fā)明第三實施例提供了一種旋轉機械，包括儲能飛輪以及前述第一實施例所述的碰摩保護裝置。

旋轉機械還包括基座31，固定于基座31上的真空外殼34，真空外殼34底端安裝有滑動軸承32，碰摩保護裝置的滾珠軸承23安裝于真空外殼34頂端，動能緩沖器飛輪21的面向滑動軸承32的內(nèi)壁安裝有永磁軸承37，儲能飛輪35一端的軸由滑動軸承32支撐，該軸與真空外殼34之間有電動/發(fā)電機33，另一端的軸伸入碰摩吸振器10中并與其內(nèi)層留有一定間隙，由永磁軸承37或電磁軸承支撐，可繞其對稱軸旋轉。動能緩沖器的凸軸22與一發(fā)電機36固接于一體，發(fā)電機36可以是永磁發(fā)電機或其他類型的感應發(fā)電機。永磁軸承37也可以用電磁軸承代替。

對于這種旋轉機械，由于儲能飛輪由于存儲有大量的旋轉動能，因此其轉動慣量較大，一般的機械軸承難以承受高速重載的工作條件，因此儲能飛輪一般采用圖3所示的立式支承，并聯(lián)合永磁軸承進行軸向重力卸載，一般卸載70％的重量，再由滑動軸承或者滾珠軸承作為輔助支承。

儲能飛輪軸系一旦失穩(wěn)，由于巨大的轉動動能，造成的損傷會很大，而且修復成本很高。對于圖3所示的儲能飛輪系統(tǒng)，軸系失穩(wěn)后，儲能飛輪頂端將與碰摩吸振器發(fā)生直接作用，由于碰摩吸振器內(nèi)層為橡膠層，有很好的彈性和耐磨性，可以很好的保護儲能飛輪頂端不受損傷，進而碰摩形式從點碰摩快速發(fā)展為局部和全周碰摩，儲能飛輪的旋轉動能將很快傳遞給動能緩沖器，動能緩沖器也旋轉起來。

動能緩沖器和發(fā)電機固接于一體，具有很好的負載制動效果，將動能快速轉化為電能輸出，給蓄電池充電。儲存飛輪的旋轉動能通過與碰摩吸振器的相互作用，快速傳遞給動能緩沖器，由于動能緩沖器的凸軸安裝有永磁或者感應發(fā)電機，發(fā)電機連接電負載后，失穩(wěn)飛輪儲存的大量動能將轉化為電能，給蓄電池充電，供用戶使用，從而提高了儲能飛輪系統(tǒng)的整體能效。與動能緩沖器固接一體的發(fā)電機相當于向動能緩沖器施加了反向扭矩，通過電負載制動，將儲能飛輪旋轉動能最終轉化為電能，可以快速的制動儲能飛輪、大幅減少碰摩作用時間，最大限度的保護飛輪免受碰摩損壞，具有很好的保護作用和較好的經(jīng)濟效益。

如圖4所示，本發(fā)明第四實施例提供了一種旋轉機械，包括透平和壓氣機以及前述第二實施例所述的碰摩保護裝置。

圖4所示旋轉機械為一透平發(fā)電機，可以用于有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電，也可以用于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電，其軸系結構為一端透平41，另一端壓氣機42，透平41和壓氣機42位于蝸殼43中，機殼44的中間裝有永磁發(fā)電機，轉子45兩側的轉軸46各安裝一套支撐軸承47，例如氣體軸承或者滑動軸承，以支撐轉子45旋轉。在支撐軸承47的外側各安裝一碰摩保護裝置，碰摩保護裝置通過滾珠軸承安裝于機殼44，碰摩吸振器、動能緩沖器20與轉子45同軸，轉子的轉軸46穿過碰摩吸振器，并與內(nèi)層的橡膠層11留有間隙。

為了提高透平和壓氣機的效率，透平和壓氣機的葉輪與渦殼的間隙越來越小，而氣體軸承或者滑動軸承運行時，很容易出現(xiàn)半速渦動甚至氣膜、油膜振蕩，振幅會短時間增大，造成葉輪與渦殼碰摩，一旦失穩(wěn)將進一步造成轉子與支撐軸承碰摩、抱死，甚至導致永磁發(fā)電機也損毀。

與儲能飛輪的立式支承結構不同，透平發(fā)電機的轉子均采用臥式結構，運行時通常轉子兩端振幅較大，即氣體軸承或者滑動軸承外側轉軸的振幅會大于軸承軸徑部位轉軸的振幅。將碰摩保護裝置安裝在軸承外側，當發(fā)生碰摩時，碰摩吸振器將是碰摩的第一道屏障，轉子的旋轉動能將很快通過碰摩吸振器耗散，并快速傳遞給動能緩沖器，有效控制碰摩發(fā)展，避免轉子損毀。

進一步地，為了使得碰摩吸振器先于支撐軸承與轉子發(fā)生碰摩，其與轉子轉軸的間隙等于支撐軸承與轉子之間的間隙，即碰摩吸振器內(nèi)層橡膠層與轉子轉軸的間隙等于支撐軸承與轉子之間的間隙。由于碰摩吸振器位于支撐軸承外側，此處振幅更大，因此將優(yōu)先發(fā)生碰摩，起到保護作用。由于類似于透平發(fā)電機的旋轉機械，轉子的轉動慣量很小，儲存的旋轉動能很少，因為沒有必要進行電能回收，僅通過碰摩吸振器和動能緩沖器進行碰摩保護。本實施例對于一般做功轉子軸系，比如透平發(fā)電機，能快速吸收碰摩能量，避免碰摩進一步發(fā)展導致轉軸與支撐軸承抱死。

至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明的碰摩保護裝置及應用其的旋轉機械的有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。