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，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)子的每個徑向軸承和密封點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?，軸向軸承可以根據(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，在這種簡化的軸向氣體推力軸承中，軸的軸向運動減小了，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動。軸向推力軸承的徑向長度，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)子的至少一個徑向盤、面向每個盤的一個固定的密封件或定位為圍繞每個盤的兩個固定密封件，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“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)最后一級葉輪(但不限于從該壓縮機(jī)最后一級葉輪)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，并且能夠在兩個方向上穩(wěn)定軸向的軸運動。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壓縮機(jī)段之間。過程氣體從每個壓縮機(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泄露，并且可能在壓縮機(jī)中不需要或降低對級間密封件(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)動的壓縮機(jī)是本發(fā)明能夠具有優(yōu)勢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)計的示意性截面圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實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)選實施例的示意性截面圖，其將一個或若干個葉輪用作旋轉(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/停止的裝置。這可以通過從儲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的至少一個徑向盤5，以及面對每個盤的一個固定密封件2 或定位為圍繞每個盤的兩個固定密封件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提供了稱為背對背的壓縮機(jī)類型的解決方案，其中，在一個壓縮機(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)造中可用于一個或多個葉輪，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密封件之間的中間的軸位置。當(dāng)氣體離開兩個徑向密封件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，能夠通過對徑向HP或HC密封件2在需要額外力(S卩，主動推力或被動推力)的方向上施加更長的徑向長度來平衡軸承。轉(zhuǎn)子4和至少面對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?？梢酝ㄟ^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。大大地降低了軸長度，這對于速度關(guān)鍵和緊湊的機(jī)器來說是有利的。機(jī)械對于徑向振動不敏感，因為密封件位于軸向方向上， 通常徑向密封件隨著時間而損壞。由于盤的長度，在該特定設(shè)計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)的至少一個徑向盤(5)、面向每個盤(5)的一個固定的密封件(2)或定位為圍繞每個盤(5)的兩個固定的密封件(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，以便對于極端的推力來平衡軸承。
4.如以上權(quán)利要求中任一項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)的至少一個徑向盤(5)、面向每個盤(5)的一個固定的密封件(2)或定位為圍繞每個盤(5)的兩個固定的密封件(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F04D29/041GK102483091SQ201080027908
公開日2012年5月30日 申請日期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. 申請人:挪威國家石油公司