CN101765719B - 在利用电磁轴承的涡轮机中定位密封件的方法 - Google Patents

Abstract

一种在利用电磁轴承的涡轮机中将轴和相关联的密封件定位的方法。该方法包括给电磁轴承的绕组施加电力的步骤，其中轴中心处在第一位置并且其中轴与相关联的密封件接触。通过调整给电磁轴承的电力，密封件可以通过使轴以一系列的减幅运动移动到这样一个位置而用轴来控制：在该位置，在轴在涡轮机的正常运行期间在其定中位置旋转时密封件与轴不接触。当轴心线与电磁轴承的轴线基本共轴时，轴在正常运行期间处在其定中位置。所述一系列的减幅运动可以包括在一个或多个轴线附近的减幅振荡，或者可以包括以具有减幅的半径的螺旋形旋转以将轴的中心从初始位置移动到最终位置。轴的移动是通过调整给电磁轴承的绕组的电力而实现的。

Description

在利用电磁轴承的涡轮机中定位密封件的方法

发明背景

在本说明书中阐述的方法和装置总体涉及具有利用主动磁技术的轴承的涡轮机(turbomachinery)，诸如压缩机或涡轮，更具体地，涉及对涡轮机轴的密封布置的改进。

目前，主动磁技术以电磁轴承的形式用在一些涡轮机中以使转子和轴浮起，代替了如滚动元件轴承或流体膜轴承的传统技术。转子的位置由位置传感器监测。通常有至少4个位置传感器等间隔围绕在磁轴承的孔周围。这些传感器输送信息给控制器，该控制器转而调整提供给电磁轴承的电流以将轴的中心保持在期望位置或在期望公差范围内。一般，轴承电子元件试图保持轴离所有传感器等距。在此位置，轴心线(shaft axis)和电磁轴承轴线基本共轴。基本共轴意味着轴可以偏离电磁轴承的轴线一容许公差，该容许公差不影响涡轮机的运行但可以根据涡轮机的设计以及根据与理想情况的各种偏离而变化，所述各种偏离诸如不平衡、偏摆或不稳定的空气动力。如在本说明书中使用的，轴的正常运行位置也被称为定中位置，其意味着轴心线与轴承轴线重合(或位于轴承轴线的可接受公差范围内)。因为涡轮机一般包括至少两套径向轴承——在此是电磁轴承，在本说明书中给出的描述适用于每套轴承。

在轴承电子元件在旋转期间失电或者控制电子元件发生故障的情况下，磁轴承失效，轴不再能被电磁轴承支撑。然后，轴会被电磁轴承的为此目的而被提供的机械部件支撑和/或被密封件支撑。这些部件和轴不是被设计为进行永久机械接触的，特别是在涡轮机正旋转时。因此，机械轴承被设置作为备用或安全部件以在磁轴承失效时支撑轴。机械轴承相对于电磁轴承是固定的，并且如制造公差允许的那样与它们既同心又共轴。因此，如在本说明书中所使用的，电磁轴承和机械轴承的该公共中心被称为轴承的中心，这意味着电磁轴承和机械轴承既同心又共轴。当磁轴承失效时，轴在重力和可能存在的其他静力的作用下停止移动。当轴线在涡轮机中为水平取向时，静止位置一般会是在机械轴承的容许间隙内的最低位置。当轴线竖直时，静止位置是不可预计的。虽然诸如轴和轴承的部件之间的间隙会根据设备尺寸而变化，但是在用于一般离心式压缩机的轴和电磁轴承之间的径向间隙在大约1mm(0.040英寸)的数量级。在涡轮机正常运行或动力推动运行(powered operation)期间，该旋转的机器必须在不接触机械轴承的情况下运行以避免轴和轴承的磨损，与此同时机械轴承保持静止。因此，当轴被磁性浮起时，必须在轴和备用机械轴承之间有一定间隙。轴和机械轴承之间的径向间隙通常是大约0.25mm(0.010英寸)。当电磁轴承失效时，机械轴承支撑轴，与此同时涡轮机停止或正滑行停止，而在轴和电磁轴承之间没有任何接触。虽然各种轴承中的任一种均可用作备用或安全轴承，但是经常优选滚动元件型轴承。

在涡轮机中，轴还通常与气密封件(gas seal)相关联以减少或防止沿着轴的任何泄漏。对于离心式压缩机，还在利用闭式叶轮的装置的叶轮入口处减少或防止气体泄漏。将机械轴承用作备用轴承影响用来减少涡轮机中的气体泄漏的密封件的设计和机械布置。密封件的最直截了当的设计是具有一个以小间隙面对轴的圆柱套筒。用来减少沿着轴的泄漏流的另一种设计是一种具有迷宫式几何结构的密封件，该密封件又被称为迷宫式密封件。迷宫式密封件使用多个节流台阶来实现泄漏流的减少，而不是试图用单个长障碍物密封。

气密封件通常由具有精密匹配直径和几何形状的两个硬表面制成，使得它们在正常运行时不接触辅助表面(adjutant surface)。不仅减少或避免轴和密封件之间的机械摩擦，而且更重要的是减少或避免了密封件和轴磨损。如上所述，减少气体泄漏的最简单和最好的方法是最小化密封件和轴之间的间隙，同时避免接触。在轴和密封件之间，气密封件的一般期望径向间隙是0.1mm至0.15mm(0.004-0.006英寸)，其小于备用机械轴承的一般径向间隙，备用机械轴承的一般径向间隙一般为0.25mm(0.010英寸)。机械轴承的间隙大于密封件的期望间隙使得该密封件的设计复杂化。密封件的设计必须考虑机械轴承的影响。如果密封件邻近轴刚性地固定到壳体，那么密封件间隙应至少等于轴和机械轴承之间的间隙，以在磁轴承失效并且机械轴承被依靠以给轴提供支撑时避免密封件和轴之间的接触。不能提供这一间隙会导致密封件的磨损，这会导致机器效率的损失。在更严重的情况下，会发生对轴的损坏，以及会因摩擦导致的高温而发生接触部分即轴和密封件的过热。另外，因为与将密封件与轴适当对准相关的困难，将固定密封件邻近轴装配是困难且耗时的。

一种减少轴和密封件之间的间隙的方法是安装密封件使得它不是刚性安装到壳体。相反，密封件被可移动地安装为使得它可径向滑动，从而在轴位置妨碍密封件时在有限的阻力下跟随轴的运动。众所周知，使用弹簧来促进密封件移动并且使密封件相对于轴基本自定中(self-center)。在这样的设计中，当将给电磁轴承的电力接通和断开时，密封件跟随轴的移动，因为轴影响密封件的位置；但轴和密封件不一定同心，并且可能保持接触。例如，对于水平取向的轴，当给电磁轴承断电时，轴因重力落到轴承上，直到它接触备用机械轴承。然后，密封件偏向下抵靠在其静止位置的轴，但是密封件和轴接着相互接触并且不同心。在轴和密封件之间会发生一些磨损，如果轴在此位置旋转的话，例如当轴在掉电(power down)过程中正滑行停止时。当给电磁轴承恢复供电时，轴被浮起回到其正常运行位置并向上推密封件，此时密封件与轴残余接触。因为密封件仍与轴接触，所以当机器在此位置旋转时会发生磨损。

虽然当电磁轴承在恢复供电后被重新浮起时接触力小，但是在涡轮机重新开始旋转时在轴和密封件之间仍存在摩擦。密封件的设计必须考虑此摩擦。必须选择材料来承受此摩擦而没有过度磨损和受热，这使得设计更复杂和昂贵。尽管有这些设计上的努力，密封件最终仍会显现一定量的磨损和性能退化。可能需要定期维护以恢复涡轮机的运行特性，这可能需要替换密封件和/或修理或替换轴，除非在设计中设置附加的磨损套筒以保护轴，在这种情况下，在维护过程中可能需要替换这些套筒。

需要的是一种这样的系统，其允许在密封件和轴之间有最小间隙而不需要设计昂贵和复杂的密封件。最小间隙应在机器的装配和运行期间被保持。本发明提供满足这些需要中的一个或多个的方法，并提供其他有利特征。

发明内容

一个实施方案涉及在利用电磁轴承的涡轮机中在涡轮机起动之前相对于轴将轴密封件定中。如在本说明书中所使用的，术语“电磁轴承”包括那些将主动电磁运行与永磁体的被动作用结合以补偿诸如重力的永久静载的轴承，还包括没有永磁体仅在施加电流的情况下运行的“电磁轴承”。通常，气密封件的间隙小于备用轴承的间隙，这对于涡轮机的高效运行是期望的。通过相对于密封件将轴基本定中，轴和密封件基本同心。如在本说明书中所使用的，术语同心是指轴的几何中心和密封件的几何中心基本相同。由于轴具有轴向长度，并且密封件，尤其是迷宫式密封件，也具有轴向长度，所以密封件的几何轴线和轴的心线也可以基本共轴，这种情况被包含在术语同心的范围内，如在本说明书中所使用的。

在本说明书中提出一种在利用由控制器控制的电磁轴承的涡轮机中将在径向方向上可移动的密封件定位的方法。该方法包括用一控制器给电磁轴承施加电力的步骤。该控制器通过以程控顺序给电磁轴承的绕组施加电力来控制轴的运动。通过利用控制器给轴承施加电力来移动轴使其与密封件接触，该控制器在径向方向上移动轴，从而将密封件移动到一径向位置。选择该径向位置以在轴处于其定中位置并旋转时避免轴和密封件之间的接触。

在密封件通过轴被置于期望位置之后，该方法可以包括附加的步骤，在该步骤中，轴被回移而不与密封件接触并且被定中，使得在启动轴的旋转之前轴心线与电磁轴承的轴线基本共轴。

在控制器内的逻辑，或被称为程序设计，控制施加给电磁轴承的电力以便以预定轨迹移动轴的中心。该轨迹被设计为使得当沿着该轨迹时，轴接触密封件，从而将密封件移动到期望的位置。

实现相对于轴承的中心将密封件完美定中，通过在正常运行中将轴和密封件之间的接触和磨损的风险最小化，而提供了许多好处。但是，它也引入了潜在缺点。万一电源失效或轴承电子元件发生故障，轴会到达其静止位置同时机器仍会滑行，这会产生一些磨损。总体结果或理想结果是将在正常运行中以及在这样的异常情况下的总体接触风险最小化。代替试图相对于轴承将密封件完美定中，可以进行折衷，使得将密封件中心定位在介于完美定中和轴在其静止位置的中心之间的某个位置。例如，对于水平安装的机器，密封件的中心必须从其静止时的位置向上移动。但是，该选择可以不将它一直移动到轴承的中心，而是将它移动到在静止位置和轴承的中心之间的一居间位置，只要密封件被移动得足以在正常运行中避免轴和密封件之间的接触。将密封件的位移减少到该最小值会降低在异常情况下磨损的风险。以下描述的各程序意在将密封件的中心置于期望位置，该期望位置被隐含地假定为与轴承的中心重合。如果将不同于轴承的中心的位置选择为密封件的中心，那么相同的程序将适用；仅改变目标位置。

仅为了说明的目的，轴可以水平安装，但不受此限制。在水平取向的情况下，在给电磁轴承断电后，涡轮机的轴被重力向下拉。轴的中心从第一正常运行位置移到第二静止位置，在该第一正常运行位置，轴的中心与轴承的中心重合，在该第二静止位置，轴与被设置作为安全部件的备用轴承接触。当轴被向下拉到静止位置时，轴首先接触密封件，该密封件也向下移动，从而将密封件的中心相对于轴承的中心移动，直到轴和密封件在轴与备用机械轴承接触起来时停止移动。轴和密封件现在都处于较低的第二静止位置。在重新起动机器之前，给电磁轴承的绕组施加电力以沿第一预选径向轴线移动轴中心。通常，该轴线延伸通过轴在静止时的中心，到达在其正常定中位置的轴中心。对于水平取向的轴，该径向轴线通常竖直延伸，并且初始运动沿该竖直轴线向上到达定中位置，然后到达该定中位置的另一边，即，超过该定中位置，到达位于在该定中位置上方大约轴和机械安全轴承之间的径向间隙的一半处的第三位置，而不接触机械安全轴承。该运动导致轴接触密封件并且将它移动到一新位置。然后给电磁轴承施加电力以将轴回移到其定中位置。这相对于密封件调整如所述的第一预选轴线即轴的竖直轴线。

上述方法假定密封件间隙是已知的。实际上，由于多种因素，包括制造公差和可能已经发生的磨损，密封件间隙不是精确已知的。为了克服该不确定性，可以进一步改进对密封件的定位。代替沿第一预选轴线超过为该间隙的量，应最初超过一大于理论密封件间隙但小于机械轴承间隙的距离。轴然后可以沿该轴线在电磁轴承的几何中心附近以振幅衰减的振荡或往复运动的方式来回移动。这样，轴会来回移动密封件，同时运动的振幅大于密封件间隙。轴跨越该几何中心的振幅越来越小的继续振荡或往复最终会导致小于密封件间隙的运动，轴在这些运动期间不会接触密封件。因此，密封件会被完美定中在第一预选轴线附近。

在另一个实施方案中，在利用电磁轴承的涡轮机中将轴和在径向方向上可移动的、相关联的密封件定中的方法，包括给电磁轴承的绕组施加电力，其中轴中心位于在第一位置的轴心线上，并且其中轴与相关联的密封件接触，并且其中一半径可以被限定在轴中心和电磁轴承的轴线之间。调整给电磁轴承的绕组的电力来以具有不断减小半径的螺旋形移动轴和其中心，初始半径由从电磁轴承的轴线延伸到轴中心的垂直线限定，并且当轴心线与轴承的轴线基本共轴时最终半径接近零，从而沿轴承的轴线(或在轴承的轴线的允许公差范围内)定位轴中心。调整给电磁轴承的绕组的电力，直到不断减小的半径接近零。然后，位置传感器测量轴的位置，并且将其与固定的电磁轴承的位置相比较，以确定和验证在正常运行配置下的轴心线与电磁轴承轴线是否基本共轴。如果测量结果确定共轴性不在所要求的公差范围内，或者确定轴中心不在所要求的公差范围内位于电磁轴承在其正常运行配置下的轴线上，那么可以根据需要重复这些步骤，直到轴心线和电磁轴承轴线基本共轴。

在又一个实施方案中，在利用电磁轴承的涡轮机中将轴定中以及将相关联的密封件定位的方法，包括提供可在径向方向上移动的密封件。施加电力给电磁轴承以从轴处于静止并且密封件处于静止的初始位置移动轴和密封件使其相互接触。提供电力给电磁轴承以将轴和密封件径向定位，使得密封件位于第二位置，该第二位置在轴和电磁轴承之间提供间隙。间隙区域是轴半径和轴承半径之间的径向空间，在该径向空间中，当轴被定中在该轴承内时，轴和密封件不会接触。通过进一步控制给电磁轴承的电力，轴心线可以被定位为与电磁轴承的轴线基本共轴，使得轴被定中在电磁轴承的轴线上并且与密封件不接触。一旦密封件位置已由轴控制，当轴在正常运行期间在其定中位置旋转时，在旋转的轴和定位在第二位置的密封件之间存在最小接触，理想地没有接触。最小间隙可能在旋转的轴正好接触密封件时出现，但没有什么会不利地影响密封件间隙的磨损。虽然最小间隙的情况不是优选的，但应认识到，它可能出现，并且被包括作为可接受的情况并被包括在本公开内容的范围内。当轴心线与电磁轴承的轴线基本共轴并且密封件位于其第二位置时，在轴的周缘周围在360度的范围内在轴和密封件之间都存在径向间隙。

在程序的该步骤中，密封件现在被基本完美地定中在第一预定径向轴线附近，但不一定在轴承的几何中心附近。为了实现将密封件定中在该几何中心附近，选择一垂直于第一轴线的第二径向轴线，同时保持轴沿第一轴线被定中。现在，沿第二轴线重复如上所述的衰减、振荡或往复运动的步骤。或者，轴中心可以与电磁轴承的轴线的距离渐减的方式移动，使得轴中心的移动是衰减的螺旋形——其导致轴中心被定位在电磁轴承的径向轴线上，并且轴的纵轴线与电磁轴承的纵轴线共轴。轴的以振幅渐减的方式的振荡或往复运动易于由适当编程的控制器控制，该控制器控制施加电力给电磁轴承的绕组。

当在重新起动涡轮机之前如上所述地将轴移动时，轴和密封件可以被定位为与轴承基本同心，并且涡轮机可以在轴和密封件之间存在小空隙的情况下以正常运行重新开始旋转，因此不存在密封件与轴的接触。通过将密封件和轴返回到它们基本同心的位置，因轴和轴承之间的残余接触以及与之相关的磨损而带来的问题被消除。通过以衰减的振幅重复该过程，可以校正轴相对于密封件的任何变动，由于制造公差的变化而引起的或者由于失电后在滑行期间轴的偏心运动而引起的。另外，预选的径向轴线不仅仅限于相互垂直的第一和第二预选径向轴线。衰减的螺旋形可以通过对控制电磁轴承的控制器的适当编程尽可能接近地近似所期望的。

用于定位的过程可以被引入已有的涡轮机而不增加额外的设备。该过程减少了由密封件和轴之间的残余接触而导致的磨损，使得密封件的使用期限更长，同时消除了轴的损害源头。另外，可以在密封件和轴之间保持比在具有刚性安装的密封件的涡轮机中更小的空隙。密封件和轴之间的径向间隙可以被减小并保持更长的时间，因为在密封件和轴之间会出现更少的接触。

替换的示例性实施方案涉及其他特征和特征组合，如可在权利要求书中概括记载的。

附图说明

图1示出具有加热和冷却系统的建筑物，该加热和冷却系统包括位于地下室的涡轮机即离心式压缩机，以及屋顶冷却塔。

图2为图1的使用电磁轴承的离心式压缩机的截面图。

图3为本发明的离心式压缩机的细节图，示出了被定中在轴周围的迷宫式密封件。

图4为在各种情形下轴与迷宫式密封件的相对位置的截面图，图4A示出在电磁轴承失电后迷宫式密封件相对于轴的位置，图4B示出在定中程序期间处于一居间位置的迷宫式密封件的位置，图4C示出在完成定中程序后相对于轴被定中的迷宫式密封件。

图5示出轴沿一预选径向轴线的移动序列，通过给电磁轴承施加电力该移动序列使用渐减振幅，使得轴和密封件变得同心，同时在轴的周围提供基本均匀的间隙。

图6示出轴的实现轴和密封件同心性的、替代的渐减螺旋形形式的移动序列。

具体实施方式

图1示出一装备有一般加热和冷却系统的建筑物10。该加热和冷却系统包括在地下室中的锅炉12和离心式压缩机14，以及蒸发器和冷凝器15。离心式压缩机14装备有电磁轴承。冷凝器15与冷却塔16流体连通，该冷却塔被示为位于屋顶上，但其位置不受此限制。建筑物10的每层都装备有空气调节系统18以给建筑物的每层分配空气。

图2为图1的离心式压缩机14的截面图。离心式压缩机14与其他现有技术的离心式压缩机相似，只是它装备有围绕轴22每端的电磁轴承20。当被供电时，电磁轴承20将轴22悬在轴承20和电动机24内，使得轴22能以最小摩擦损失使叶轮26旋转。气密封件28设置在轴22和壳体30之间以防止流体穿过轴22和壳体30之间的缝隙泄露。

图3为离心式压缩机14在壳体30的具有密封开口的末端处的细节图。如该细节图中可见的，迷宫式密封件28被包括柔性垫圈40的弹簧状组合件抵靠在旋转轴22上，该柔性垫圈压靠在迷宫式密封件28的背面上，以当轴22旋转时使密封件28保持靠着轴22。柔性垫圈40由垫圈支座42保持在位，该垫圈支座由螺栓44保持在位。

用在空气调节或制冷应用中的涡轮机——诸如压缩机，例如离心式压缩机14——的旋转轴22和密封件28利用电磁轴承20来将轴22定中。然而，当离心式压缩机14被有意或无意断电时，轴22不再被定中。图4A示出在电磁轴承20被断电时轴和密封件的位置。离心式压缩机14包括通常为滚动元件轴承的安全机械备用轴承46，该安全机械备用轴承以常规方式在轴22周围360度延伸以允许涡轮机在电磁轴承20失电时安全滑行以停止。在失电且压缩机14停止时，密封件28、轴22以及滚动元件轴承具有在下接触点60处相交的弧，如图4A所示。在该位置，轴22的中心62不再与密封件28的中心64同心，这两个中心现在偏离为轴22和轴承28之间的间隙的量，轴中心62位于线72上，线72为图4中的固定参考线。图4B示出当轴被电磁轴承正常浮起而没有执行在本说明书中概述的程序时轴和密封件的位置。当恢复供电时，轴22被轴承的电磁场移动，从而轴中心62移动到位于线70上的位置，因图4的缘故线70也是固定参考线，位于参考线72上方。由电磁轴承20引起的轴22的移动还导致迷宫式密封件28的移动，然而，密封件中心64和轴中心62不沿线70同心，轴中心62位于密封件中心64上方，密封件28和轴22在上接触点74处相交。在这种情形下——这种情形在给电磁轴承20恢复供电时发生，轴中心62和密封件中心64不同心，如图4B中清楚可见的。随着轴22旋转，会沿靠近接触点74的相交弧发生磨损，这是不希望的。轴中心62和密封件中心64应如图4C所示同心以避免不必要的磨损。

当然，在恢复供电之后，优选地不运行涡轮机，诸如压缩机14，其中轴22和密封件28处于图4B所示的位置。图4C示出在使用本说明书中阐述的方法对轴22进行控制之后轴22和密封件28的位置，这恢复了轴22和密封件28之间的适当间隙使得轴中心62和密封件中心64同心。

再参见图4B，如在恢复供电时发生的，轴22通过使用电磁轴承20首先被浮起到这样一个位置：在该位置，轴中心62被移到一在上参考线70上的位置。这只是轴中心62沿竖直参考线76平移到轴22的正常运行中心位置。然而，本领域技术人员应理解，图4B中示出的竖直线可以最初不对应轴22的原中心位置，而可以沿上参考线70向原中心位置的左边或右边偏移，这将是显而易见的。同样将显而易见的是，轴22的最初移动可以被预选为沿着任意直线，因为轴22的移动能够由施加给电磁轴承20的电流控制。优选的是，控制轴22以直线方式经过原中心位置，所述原中心位置位于图4中参考线70和76的相交处。轴22可在此中心位置与迷宫式密封件28形成接触，或者轴22可移至稍微超过其原中心点，在这里是在竖直方向上，如图5所示。轴22继续沿该线移动到如图5中点B指示的第一预选位置，这也在该方向上进一步移动密封件中心64，结果在该方向上提供了密封件28和轴22的所需间隙。轴中心然后回到与线70相交的位置，优选地回到由图5中点C指示的其原中心位置，结果在该方向上在轴和密封件之间留出间隙。轴22接下来沿着相同轴线但以相反方向以减小的距离移动。重复该过程，其中每个运动都引起轴22以渐减的距离移动，如图5中代表距离的渐减振幅所示。在图5中，仅示出了沿竖直轴线的移动序列，这保证密封件28在轴22的正常运行位置沿竖直轴线的情况下被适当定中。在沿该竖直轴线已完成该序列后，可沿水平轴线重复它以沿水平轴线将轴22适当定中。此外，如果需要的话，可以一起执行这些序列，从而以一系列距离渐减的运动实现竖直对准和水平对准，不将竖直对准和水平对准作为分开的操作来实现。另外，这些序列不限于仅仅竖直轴线和水平轴线，因为可以选择任意轴线组，或者这些序列不限于仅仅两根轴线，虽然优选的是，仅选择两根轴线，优选地这两根轴线正交定位。

轴22的运动是通过改变施加给电磁轴承20的电流而实现的。轴中心位置由可存储在控制器中的坐标值限定，并且轴22的位置由位置传感器监测，所述位置传感器是已存在的，如前所述。轴22的中心的期望轨迹可以被编程到磁轴承控制器中。该控制器将比较由位置传感器得知的轴的实际位置和所编程的期望位置，然后给电磁轴承28发送适当的电流，以根据需要移动轴22。根据期望的结果，可以将各种程序实现到控制器中。轴的期望位置通常为这样的位置：在该位置，轴心线与处在其正常运行位置的电磁轴承的轴线共轴，电磁轴承的正常运行位置是固定的、已知的位置。

如所示的，轴22在与轴22的在先移动成90度的方向上沿位置线70移动，通过轴的原中心点到达第二预选位置。由于如上所述的轴22的在先移动是在竖直方向上，因而轴22的此次移动是在水平方向上。如果密封件28未被定中，轴22的移动会引起与密封件28的接触并且随着轴22移动而使密封件28移位。第二预选位置被选择为使密封件28位于其原位置，同时在密封件28和轴22之间有间隙，使得密封件中心和轴中心62基本同心。当轴22之后被浮起时，它会基本回复到图4C中所示的位置，从而将轴中心62放置为与密封件中心64基本同心。该过程使轴22和密封件28回复到各自的位置，其中在诸如压缩机14的涡轮机的运行期间，在电磁轴承20的正常运行期间在轴22和密封件28之间存在适当的间隙。

可以通过使用如图5所示的减幅过程，通过首先使用上述的“交叉运动(cross motion)”过程来实现密封件中心64和轴中心62的更精确定位。如上所述，该过程可以之后沿着不同的轴线对重复几次(优选地，每对轴线都是相互正交的)，对于连续的位置振幅渐减。这将使得可几乎完美地将轴和密封件定中，即使间隙不是准确已知的。

在本说明书中描述的过程使得可进行可接受的密封件定中，甚至在诸如由于制造公差和磨损而不准确知道密封件间隙时。该过程虑及密封件28的使用，其可减少密封件28和轴22之间的间隙，因为定中过程使在轴22圆周周围在密封件28和轴22之间的间隙均一。当压缩机14停止时，密封件间隙和轴承间隙可被监测。使用“交叉”运动技术，当轴开始拖拽密封件时移动轴所需的增量力可以通过监测电磁轴承20所需的电流(安培)来测量，从而提供密封件28和轴22之间磨损的指示。控制密封件28的位置所需的程序设计指令易被包含在可由控制器管理的轴承控制系统中。甚至在定期维护间隔之间可以实现临时密封件间隙维护，从而使得可进行“智能”条件维护。

在一个实施方案中，且仅为了说明的目的，轴可以水平安装，但不受此限制。在该取向的情况下，在给电磁轴承断电之后，涡轮机的轴被重力向下拉。轴从第一旋转位置移位到第二静止位置，在该第二静止位置，轴接触作为安全部件设置的备用轴承。当轴正被向下拉到静止位置时，轴首先接触密封件，该密封件也向下移动，从而也相对于轴的中心移动了该密封件的中心，直到在轴与备用机械轴承接触起来时轴和密封件停止移动。轴和密封件现在都处于较低的第二静止位置。在涡轮机的旋转重新启动之前，以预定顺序给电磁轴承供电以相对于密封件将轴定中。

给电磁轴承的绕组施加电力以沿第一预选径向轴线移动轴中心。通常，该轴线通过当轴处于静止时轴的中心，到达正常定中位置。对于水平取向的轴，该径向轴线通常是竖直轴线，并且初始运动沿该竖直轴线向上到达定中位置，然后到达该定中位置的另一边，即，超过该定中位置，到达位于在该定中位置上方大约轴和密封件之间的径向间隙的一半处的位置，而不接触机械安全轴承。因此，运动使得轴接触密封件并使其移动到一新位置。然后，改变给电磁轴承的电力以将轴移回到其定中位置。该移动相对于密封件调整如所述的第一预选径向轴线即轴的竖直轴线。轴的位置被位置传感器监测。上面的方法假定，密封件间隙是已知的。实际上，由于多种因素，包括制造公差以及可能已经发生的磨损，密封件间隙不是精确已知的。为了克服该不确定性，可以进一步改善对密封件的定位。代替沿第一预选轴线超过为(未知)径向间隙的量，应最初超过一大于理论密封件间隙但小于机械轴承间隙的距离。轴然后可沿该径向轴线，在该轴线的几何中心附近以振幅衰减的振荡或往复运动的方式来回移动。这样，轴会来回移动密封件，同时运动的振幅大于密封件间隙。轴跨越该几何中心的振幅越来越小的继续振荡或往复，最终会导致比密封件间隙小的运动，轴在这些运动期间不会接触密封件。因此，密封件会被完美地定中在第一预选径向轴线附近。

在过程的此步骤中，密封件现在被基本完美地定中在第一预定径向轴线附近，但不一定在轴承的几何中心附近。为了实现将密封件定中在该中心附近，选择垂直于第一轴线的第二径向轴线，同时保持轴沿第一轴线被定中。现在沿第二轴线重复如上所述的衰减、振荡或往复运动的步骤。或者，轴中心可以与电磁轴承的轴线的距离渐减的方式移动，使得轴中心的移动是衰减的螺旋形——其导致轴中心被定位在电磁轴承的轴线上，并且轴的纵轴线与电磁轴承的纵轴线共轴。轴的以振幅渐减的方式的振荡或往复运动易于由适当编程的控制器控制，该控制器控制施加电力给电磁轴承的绕组。

当在重新起动涡轮机之前如上所述地移动轴时，轴和密封件可以被定位为相互不接触，并且涡轮机可以在轴和密封件之间存在小空隙的情况下以正常运行重新开始旋转，因此没有与密封件的接触。通过将密封件和轴返回到它们不接触的位置，消除了因在轴和密封件之间的残余接触以及与该残余接触相关的磨损而带来的问题。通过以衰减的振幅重复该过程，可以校正轴相对于密封件的任何变动，由于制造公差的变化而引起的或者由于在失电之后在滑行期间轴的偏心运动而引起的。

在又一个实施方案中，轴22和密封件28的定中是通过以衰减的螺旋形移动轴22及其中心62实现的，该衰减的螺旋形即如图6中所示的半径r不断减小的螺旋形，其中初始半径r₁为从由点C表示的在电磁轴承20内基本居中的轴线到由点A表示的在轴承12未被供电时的轴中心62的距离。这与上述方法不同，上述方法沿各个径向轴线以沿所述轴线的振幅或距离减小的方式移动轴。在该实施方案中，第一预选位置可以被选择为在密封件28和轴22之间提供最大可能间隙，而最终位置将轴中心62和密封件中心64定位为使得它们沿在电磁轴承20内基本居中的轴线同心。平稳、连续地调整给绕组的电力以将轴22和轴中心62从初始半径移动到接近零的半径。当半径接近零时，轴中心62和密封件中心64应沿在电磁轴承之间居中的轴线基本同心，如位置指示器装置所确定的。衰减的螺旋形可以通过对控制电磁轴承的控制器的适当编程尽可能接近地近似所期望的。

重要的是注意，如在各示例性实施方案中示出的轴和密封件的结构和布置仅是说明性的。应理解，该申请不限于在以下描述中阐述或在图中示出的细节或方法。还应理解，在本说明书中使用的措辞和术语仅为了描述，不应被认为是限制性的。

虽然在图中示出的以及在本说明书中描述的示例性实施方案目前是优选的，但应理解，这些实施方案是仅以举例的方式提供的。因此，本申请不限于具体实施方案，而扩展到仍然落在所附权利要求的范围内的各种改型。所有过程或方法步骤的次序或顺序都可以根据替代实施方案改变或重新排序。

本申请预期方法、系统和任何机器可读媒体上的执行轴的所需移动以实现其运行的程序产品。本申请的实施方案可以使用现有计算机处理器或控制器执行，或者通过专用计算机处理器执行——该专用计算机处理器用于为此目的或其它目的引入的合适系统，或者通过硬连线(hardwired)系统执行。

虽然在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但阅读该公开内容的本领域技术人员容易理解，许多改型是可能的(例如各种元件的大小、尺寸、结构、形状以及比例，参数值，安装布置，材料的使用，色彩，取向等方面的变化)，而实质上不偏离权利要求所记载的主题的新颖教导和优点。例如，被示为整体形成的元件可以由多个零件或元件组成，元件的位置可以颠倒或者以其它方式改变，并且分立元件的性质或数量，或者位置可以调整或改变。因此，所有这样的改型意在被包括在本申请的范围内。所有过程或方法步骤的次序或顺序可以根据替代实施方案改变或重新排序。在权利要求书中，任何装置加功能的条款意在覆盖在此被描述为执行所述功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等同结构。可以对示例性实施方案的设计、运行条件以及布置进行其他替换、改型、变化以及省略，而不偏离本申请的范围。

Claims (16)

1.一种在利用由控制器控制的电磁轴承的涡轮机中将轴定中以及将在径向方向上可移动的、相关联的密封件定位的方法，包括以下步骤：

利用所述控制器给所述电磁轴承施加电力，所述控制器控制所述轴的运动；以及

通过利用所述控制器给所述轴承施加电力来移动所述轴使其与所述密封件接触并且在径向方向上移动所述轴，从而将所述密封件移动到一径向位置，选择该密封件的所述径向位置以在所述轴回到定中位置并且旋转时避免与所述轴接触。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括附加的步骤：移动所述轴使其与所述密封件不接触并且将所述轴定中，使得在启动所述轴的旋转之前，轴心线与所述电磁轴承的轴线基本共轴。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该涡轮机还包括位置指示装置，并且在启动轴旋转之前，该位置指示装置确定所述轴心线和轴承轴线的共轴性。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述涡轮机还包括在所述控制器内的程序设计，该控制器控制施加给所述电磁轴承的电力，该程序设计控制轴中心沿一使所述轴接触到所述密封件的预定轨迹移动，从而移动该密封件，该预定轨迹将该密封件置于一预定位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其中利用所述电磁轴承的涡轮机为离心式压缩机。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述轴与所述密封件接触并且就在给所述电磁轴承施加电力之前还与一机械轴承接触。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

(a)确定轴中心初始位置和轴中心最终位置之间的初始半径，其中所述轴在其初始位置与所述密封件接触并且所述轴在其最终位置与所述密封件不接触；

(b)调整施加给所述电磁轴承的电力，以采用环形运动将所述轴及轴中心从所述初始位置以不断减小的半径移动到其最终位置；

(c)继续调整给所述电磁轴承的电力，直到所述轴中心接近其最终位置并且所述减小的半径接近零。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述轴中心的最终位置位于沿所述电磁轴承的轴线处，使得轴心线与所述电磁轴承的轴线基本共轴并且所述轴与所述密封件不接触，所述轴中心的最终位置和密封件中心的最终位置基本同心。

9.根据权利要求7所述的方法，其中利用所述电磁轴承的涡轮机为离心式压缩机。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述轴与所述密封件接触并且还与一机械轴承接触。

11.根据权利要求7所述的方法，其中给所述电磁轴承施加电力的步骤包括将所述轴移动到第一预选位置，该第一预选位置在所述密封件和所述轴之间提供最大间隙。

12.根据权利要求7所述的方法，其中所述轴被水平安装，还包括一步骤，用于：确定所述轴及轴心线的位置，比较轴心线和所述电磁轴承的水平轴线的共轴性，以及调整所述轴的位置，直到当所述轴中心处于该轴中心的最终位置时所述轴与所述电磁轴承间隔开。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

调整提供给所述电磁轴承的电力，以径向定位所述轴和所述密封件，使得所述密封件位于第二位置，在该第二位置，当所述轴正在其正常旋转定中位置旋转时所述轴和密封件不接触；

控制提供给所述电磁轴承的电力，以将轴心线与所述电磁轴承的轴线基本共轴地定位，使得所述轴被定中；并且

其中当所述轴在正常运行期间在其定中位置旋转时，在旋转的轴和定位于所述第二位置的所述密封件之间有最小接触。

14.根据权利要求13所述的方法，其中从所述轴处于静止并且所述密封件处于静止的初始位置移动所述轴和所述密封件使其相互接触。

15.根据权利要求13所述的方法，其中当所述轴在正常运行期间在其定中位置旋转时，在旋转的轴和所述密封件之间没有接触。

16.根据权利要求13所述的方法，其中当轴心线与所述电磁轴承的轴线基本共轴并且所述密封件位于所述密封件的第二位置时，在所述轴的周缘周围在360度的范围内在所述轴和所述密封件之间都存在径向间隙。

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