CN102099589A - 轴承装置和带有磁性径向轴承和用于旋转设备的俘获轴承的轴承座 - Google Patents

轴承装置和带有磁性径向轴承和用于旋转设备的俘获轴承的轴承座 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轴承装置以及一种由磁性的径向轴承(4)和俘获轴承(5)组成的轴承座，所述径向轴承用于无接触地支承旋转设备(10)的转子轴(7)，而所述俘获轴承用于俘获该旋转设备(10)。按照本发明，两个轴承(4，5)轴向对齐并且相互固定连接以及关于轴承端盖(11)、设备壳体(2)或者所述旋转设备(10)的基座(20)弹性地悬挂。

Description

轴承装置和带有磁性径向轴承和用于旋转设备的俘获轴承的轴承座
技术领域
本发明涉及由磁性的径向轴承和俘获轴承组成的两个轴承装置，用于无接触地支承和俘获功率为1000kW或更大的涡轮机的转子轴，其中，两个轴承轴向对齐地容纳在一个公共的轴承壳体中。
此外，本发明涉及用于功率为1000kW或更大的涡轮机的两个轴承座，其中，各个轴承座关于涡轮机布置在轴向外部，并且具有容纳在一个公共的轴承壳体中的用于无接触地支承转子轴的磁性径向轴承和用于俘获涡轮机转子轴的俘获轴承，并且，两个轴承轴向对齐地容纳在所述公共的轴承壳体中。
背景技术
由日本的公开文献JP6335199A公开了一种这样的上述轴承座。
在德国公开文本DE3011078A中记载了一种带有实际上零纵向间隙的轴承的轴承座。其中的轴承座具有带有滚动部件的轴承。轴承的至少一个套圈与磁性装置固定连接，并且这样布置所述磁性装置，即，该磁性装置使得轴承的套圈在轴承座的轴向形成相对的间隔关系，以便实际上消除轴承的纵向间隙。
由欧洲专利EP0768467B1的翻译文本DE69625870T2公开了一种在密封的真空系统中应用的涡轮分子泵。其中公开的轴承单元包括定子侧的、带有多个永磁体的被动径向磁性轴承。这些永磁体与设置在涡轮分子泵的转子上的另外的永磁体相对置，其中，在受调节的状态下分别将相同的磁极相对布置。此外，轴承单元包括与磁性轴承的定子侧的部件固定连接的保护轴承元件(紧急保护轴承元件)，以便防止转子和定子之间的直接接触。此外，磁性轴承定子侧的部件可活动地悬挂在定子内并且借助于圆柱形的弹性预紧器件沿轴向预紧，以便能够为轴向调节轴承而与轴承单元的主动的磁性轴向轴承共同作用。此外，通过预紧器件吸收在转子起动或加速(Hochlauf)时在主轴或转子的径向产生的共振。
旋转设备优选是涡轮机，例如涡轮发电机、涡轮马达或者涡轮压缩机。这种设备的最大允许转速通常大于4000转每分。这种设备通常具有1000kW或更高的功率。在涡轮压缩机的情况下，电动机单元驱动透平单元。电动机单元的转子轴和透平轴优选对齐地布置。两个轴可以通过耦连元件相互连接。
在已知的设备中，越来越多地使用主动的磁性径向轴承替代滑动轴承来支承转子轴，以便减少该处的摩擦损失。在此，支撑力通过受调节的电磁体产生。在调节失效时，转子轴或转子轴端部掉在俘获轴承中，该俘获轴承用于在有限的时间内提供旋转设备的应急运行特性。磁性的径向轴承和俘获轴承能够布置在轴承端盖或在旋转设备的设备壳体中。作为替代，磁性的径向轴承和俘获轴承可以轴向相邻地容纳在轴承座的公共的轴承壳体中。通常设置有两个用于支承旋转设备的分别一个轴向轴端的轴承座。还可以在轴承壳体中容纳一轴向磁性轴承，用于轴向固定所容纳的转子轴。
磁性的轴承保证转子轴在非常高的转速时无接触、无磨损并且稳定的支承。在按运行规定使用时，径向的磁性轴承和待支承的转子轴之间的气隙通常保持在约0.5至1.0mm的范围内。因为系统原因可以省略一个磁性轴承，设置一个俘获轴承，该俘获轴承在磁性轴承失效或者通常在电设备断开时能够俘获所述转子轴。为此，俘获轴承具有比轴直径略大的内径，使得转子轴在磁性轴承按规定运行时不与俘获轴承接触。俘获轴承和转子轴之间的气隙比磁性的径向轴承运行的气隙略小。该气隙通常在0.1至0.5mm的范围内。
磁性的径向轴承通常具有空心圆柱形的、带有环形磁芯的环状结构，在其径向内侧设置有用来形成用于磁性支承的电磁体的电流线圈。这种磁性的径向轴承通常通过螺纹连接与轴承壳体或轴承端盖固定连接。作为替代，磁性的径向轴承是轴承座的一部分，该轴承座与待支承的旋转设备的基座固定连接。通常，旋转设备的所有支撑的部件、包括磁性的径向轴承设计为刚性的。
如果旋转设备的转子轴在磁性的径向轴承失效时掉到俘获轴承内，则在整个轴承上出现强烈的冲击负荷。这种冲击负荷原则上可以通过俘获轴承的弹性支承减小。然而，俘获轴承可用的压缩路程受到磁性轴承的主动部分的气隙限制。在转子轴坠落到俘获轴承内时是不允许超过所述气隙，以便避免磁性的径向轴承的损坏和失效。因此明显限制了俘获轴承的弹性支承的设定参数。
磁性的径向轴承与旋转设备的基座或与轴承端盖或与旋转设备的设备壳体至少间接地固定连接，也就是说硬或者刚性地连接。由于刚性地连接，磁性轴承尤其在非常高的转速时特别敏感。原因在于，为调节磁性的径向轴承所需的位置传感器通过机械激励从外部，例如通过机械壳体或者通过基座同样被激励。因此，位置传感器检测固定的磁性轴承和设备轴线、也就是旋转设备的(结构上的)旋转轴线之间的相对运动。该相对运动不仅通过转子轴的运动导致，而且也通过传感器运动导致。在这种情况下，磁性轴承不利地不能在高转速范围内运行。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种相对现有技术改进的轴承装置以及一种用于旋转设备的改进的轴承座。
本发明的技术问题对于两个轴承装置而言通过权利要求1和2的特征解决。本发明对于两个轴承座而言的技术问题通过权利要求3和4的特征解决。在从属权利要求5至7中给出了前述装置有利的实施形式。
按照本发明，轴承装置的轴承壳体通过两个相互固定连接的轴承关于轴承端盖或涡轮机的设备壳体弹性地悬挂。两个轴承优选固定地以螺纹方式拧在轴承壳体上。
关于可选的轴承装置，两个轴承根据本发明弹性地悬挂在公共的轴承壳体中。轴承壳体与轴承端盖或设备壳体固定连接。反之，由俘获轴承和磁性的径向轴承组成的机械固定连接可在一定的程度上弹性活动地容纳在轴承壳体中。机械连接例如可以是轴向延伸的夹紧连接。
因此，有利地在磁性轴承失效时明显减小了俘获轴承上的冲击负荷。另一个优点是，由于俘获轴承的弹性，通过串联俘获轴承的弹性和悬挂装置的弹性为转子轴在掉到俘获轴承中时提供了明显更大的压缩路程。在此，俘获轴承相对磁性轴承气隙的压缩路程保持不变。另一个优点是，通过这种扩展的缓冲可能性明显提高了轴承装置的寿命并尤其是提高了俘获轴承的寿命。此外，例如通过基座耦合到轴承装置或者轴承座中的机械干扰通过磁性轴承的弹性去耦尽可能地抑制。因此，通过位置传感器不再能测量到固定的磁性轴承和转子轴之间严重的相对运动。
为解决关于轴承座的技术问题，两个相互固定连接的轴承按照本发明弹性地容纳在轴承壳体中。轴承座具有用于将轴承座固定在设备壳体或者涡轮机的基座上的轴承座支撑部。轴承座支撑部尤其固定地、也就是刚性或者坚固地与设备壳体或者基座连接。
作为前述实施方案的替代，在带有两个固定容纳的轴承的轴承壳体和轴承座支撑部之间和/或在轴承座支撑部和设备壳体之间或在轴承座支撑部和基座之间设置至少一个弹性的元件。
按照两个装置、也就是轴承装置和轴承座的一种特殊的实施形式，为了弹性地悬挂，可以设置由弹性材料(例如橡胶、塑料弹性体、橡胶金属复合体)制成的弹性元件。由橡胶金属复合体制成的缓冲元件例如公知为商标名称
Figure BDA0000044221090000041
弹性元件除了可恢复的弹性特性之外还具有缓冲特性。缓冲在此本身包含损耗，也就是说，作用在该弹性元件上的机械动能的一部分在此转化为热能。
按照装置的一种实施形式，弹性元件具有这样确定的弹性和缓冲特性，使得转子轴在磁性轴承掉落时压缩一个压缩路程。在此，压缩路程在此涉及旋转设备的结构轴线。其具有在俘获轴承气隙的运行额定值到该额定值的多倍、尤其是10至20倍之间的最大值。由于与现有技术相比明显更高的压缩路程，因而实现了对掉落到俘获轴承中的转子轴特别柔和的缓冲。通过磁性的径向轴承和俘获轴承之间的固定连接，磁性轴承、尤其是磁性轴承的线圈在任何时候都不会被转子轴的外侧接触到并被损坏。
按照另一种实施形式，磁性的径向轴承和俘获轴承设计用于无接触地支承并俘获轴向负荷直至1t的转子轴承。在特殊的设计中，轴向负荷也可以设定更高的值，如5t、10t或更多。
最后，装置可以具有与两个轴承固定连接的、相对其轴向布置的磁性轴向轴承，用于轴向固定转子轴。这种轴向轴承和与其不接触的、与转子轴固定连接的、径向突出的凸轮共同作用。
附图说明
以下参照附图说明本发明以及有利的实施形式。在附图中示出：
图1是带有示例地支承在轴承座中的转子轴端部和容纳在旋转设备的轴承端盖中的轴承装置的旋转设备，
图2是穿过图1中所示的、带有设置在轴承壳体和轴承座的设备支撑部之间的弹性元件的轴承座的转动轴的垂直截面图，
图3是按图2所示的轴承座在磁性的径向轴承失效时的视图；
图4是穿过按图1的轴承装置的转动轴的垂直截面图；
图5是按图4所示的轴承座在磁性的径向轴承失效时的视图；
具体实施方式
图1示出了带有例如支承在轴承座1中的转子轴端部71和容纳在旋转设备10的轴承端盖11中的轴承装置的旋转设备10。在图1中所示的旋转设备10例如是涡轮压缩机，其具有透平单元13和用于驱动公共的转子轴7的电机单元14。一方面，没有详细示出的透平和用于驱动透平的电机单元14的转子叠片16安放在转子轴7上。用附图标记15表示电机单元14的定子。用附图标记12表示旋转设备10的设备壳体。整个设备壳体12固定在基座20上的两个设备支撑部8上。用附图标记9表示相应的固定器件、尤其是固定螺栓。
在图1的左部，转子轴7的左端容纳在用于支承的轴承座1中。用附图标记3表示轴承座支撑部。所示的轴承座1具有轴承壳体2，用于无接触地支承转子轴7的磁性径向轴承4和用于俘获转子轴7的俘获轴承5设置在该轴承壳体中。反之，转子轴7的右端71示例地容纳在轴承装置中，该轴承装置本身设置在旋转设备10的轴承端盖11中。轴承端盖11本身可以与旋转设备10的设备壳体12连接。以附图标记A、LA、S表示转子轴7的转动轴、轴承装置或者轴承座1的(结构)支承轴线以及旋转设备10的(结构上的)旋转轴线。所有三根轴线A、LA、S在旋转设备10正常运行时实际上相互对齐。
现在，按照本发明，磁性的径向轴承4和俘获轴承5轴向对齐并且相互固定连接。此外，轴承4，5相对轴承端盖11、设备壳体12或旋转设备10的基座20弹性地悬挂。
在图1的例子中，在所示的轴承座1中在轴承壳体2和轴承座支撑部3之间设置用于弹性的悬挂的弹性元件6。作为替代或补充，弹性元件6也可以如在图1所示的例子中以虚线示出的那样，设置在基座20和轴承座支撑部3之间。所示的材料尤其是塑料弹性体或者橡胶材料。所述材料可以替代或补充地具有机械的弹性元件，例如碟形弹簧等。轴承座支撑部3例如借助于固定螺栓9拧在轴承座1的轴承壳体2上。作为替代，轴承座1可以具有公共的轴承壳体，该轴承壳体由轴承壳体2和轴承座支撑部3一体地组成。该部件例如可以由注塑制成。在图3的右边，所示的轴承装置同样固定地容纳在轴承壳体2中。轴承壳体2通过例如环形的弹性元件6与所示的轴承端盖11连接，轴承端盖本身可以与旋转机械10的设备壳体12固定连接。轴承端盖11通常借助于法兰以螺纹方式拧在设备壳体12的端侧上。
图2示出了按图1的轴承座1穿过旋转设备10在正常运行时的转子轴7的转动轴线A的垂直剖面图。所示的转子轴7因此无接触地悬挂在磁性的径向轴承4中。在这种情况下，转子轴7的转动轴线A、旋转设备10的结构上的支承轴线LA以及结构上的旋转轴线以及设备轴线S实际上重合。用附图标记41表示磁性轴承4的线圈体，用附图标记42表示磁性轴承4的环形芯。用附图标记51表示俘获轴承5的轴承外圈，该轴承外圈如磁性轴承4的芯部42一样固定地容纳在轴承壳体2内。附图标记52表示轴承外圈51的内侧上的摩擦元件，该摩擦元件在磁性的径向轴承4的供电取消时接触并支撑转子轴7的径向外侧。
用附图标记LM表示在旋转设备10或者磁性的径向轴承4运行时形成的磁气隙。用LF表示转子轴外侧和俘获轴承5之间的运行气隙。该运行气隙通常明显小于磁气隙LM。磁气隙LM通常具有在0.5至1.0mm范围内的值。反之，俘获轴承气隙LF通常具有从0.1mm至0.5mm范围内的值。
在所示的轴承座1中，轴承壳体2通过弹性元件6与设备支撑部3连接，该设备支撑部本身与没有详细示出的基座20固定连接。用附图标记B1、B2表示两个固定设备的参考面，所述参考面是相对旋转设备10的设备壳体12或者基座20而言的。
图3示出了按图2的、在磁性轴承4失效时的轴承座1。由于现在缺少磁力，转子轴7掉落到俘获轴承5内。通过俘获轴承5和磁性的径向轴承4相互固定连接——如在此在当前的例子中通过公共的轴承壳体2——可以使转子轴承7不与磁性的径向轴承4接触并因此不被损坏。由于轴承壳体2通过弹性元件6与固定的轴承座支撑部3弹性地悬挂，转子轴7可以弹性地压缩。因此可以避免俘获轴承5的冲击负荷和可能的损坏。由于转子轴7掉落在俘获轴承5中，前述一起对齐的轴线A，S，LA由于弹性的压缩现在不再一致。如图3所示，轴承壳体2较图2由于弹性元件6的挤压向后移动。该路程相当于轴承装置相比现有技术能够弹性地屈服的压缩路程EW。在此，弹性元件6具有这样地设计的弹性特性和缓冲特性，使得转子轴7在磁性的支承失效时能够压缩所述压缩路程EW。该压缩路程具有在俘获轴承气隙LF的运行额定值和该额定值的多倍之间的最大值。所述多倍可以在10倍至20倍的范围内。
图4以放大的视图和穿过旋转设备10的转动轴线A的剖视图示出了在图1右边的轴承装置。
与按图2和图3的前述方案相比，按本发明的轴承装置现在通过例如两个弹性的元件6与旋转设备10的轴承端盖11连接。替代两个沿垂直方向作用的弹性元件6，轴承装置可以具有环形的、相对转动轴线径向布置的弹性元件6。作为替代，轴承装置固定地容纳在轴承壳体2中，其中，该轴承壳体然后以两个垂直作用的弹性元件6或者环形的弹性元件6包围。此外，轴承装置可以弹性地容纳并固定地、也就是说刚性地或坚固地与轴承端盖11或者旋转设备10的设备壳体12连接。
图5示出了在磁性轴承失效时的、按图4的轴承装置。转子轴7的所示的端部71又掉落在俘获轴承5内并且在此将按本发明的轴承装置的轴承壳体2向下压。因此，下面的弹性元件6或者环形的弹性元件6的下部被压缩而同时上面的弹性元件6或环形的公共的弹性元件6的上部被拉伸。还用EW表示相比现有技术有利地额外可用的、用于压缩转子轴7的压缩路程。
按本发明的轴承装置或者按本发明的轴承座1的磁性径向轴承4和俘获轴承5优选用于无接触地支承和俘获轴向负荷直至1t的转子轴7。在特别重的旋转设备时，轴向负荷也可以达到5t，10t或更大。
最后，按本发明的轴承座1和按本发明的轴承装置也可以具有没有详细示出的、轴向的磁性轴承，以用于轴向固定旋转设备10的转子轴7。

Claims (7)

1.一种由磁性径向轴承(4)和俘获轴承(5)组成的轴承装置，所述轴承装置用于无接触地支承和俘获具有1000kW或更大电功率的涡轮机(10)的转子轴(7)，其中，所述两个轴承(4，5)轴向对齐并且相互固定连接地容纳在一个公共的轴承壳体(2)内，其特征在于，所述轴承壳体(2)关于轴承端盖(11)或关于设备壳体(12)弹性地悬挂。
2.一种由磁性径向轴承(4)和俘获轴承(5)组成的轴承装置，所述轴承装置用于无接触地支承和俘获具有1000kW或更大功率的涡轮机(10)的转子轴(7)，其中，两个轴承(4，5)轴向对齐地容纳在一个公共的轴承壳体(2)内，其特征在于，所述两个轴承(4，5)弹性地悬挂在该公共的轴承壳体(2)中，并且所述轴承壳体(2)与轴承端盖(11)或设备壳体(12)固定连接。
3.一种用于功率为1000kW或更大的涡轮机(10)的轴承座，其中，所述轴承座相对涡轮机(10)布置在轴向外部并且具有容纳在一个公共的轴承壳体(2)中的磁性径向轴承(4)和俘获轴承(5)，所述磁性径向轴承(4)用于无接触地支承转子轴(7)，而所述俘获轴承(5)用于俘获涡轮机(10)的转子轴(7)，其中，两个轴承(4，5)轴向对齐并且相互固定连接，其特征在于，所述两个轴承(4，5)弹性地容纳在所述轴承壳体(2)中，并且所述轴承座具有用于将所述轴承壳体(2)固定在设备壳体(12)上或者固定在涡轮机(10)的基座(20)上的轴承座支撑部(3)。
4.一种用于功率为1000kW或更大的涡轮机(10)的轴承座，其中，所述轴承座相对涡轮机(10)布置在轴向外部并且具有容纳在一个公共的轴承壳体(2)中的磁性径向轴承(4)和俘获轴承(5)，所述磁性径向轴承(4)用于无接触地支承转子轴(7)，而俘获轴承(5)用于俘获涡轮机(10)的转子轴(7)，其中，两个轴承(4，5)轴向对齐并且固定地容纳在轴承壳体(2)中，其中，所述轴承座具有用于将所述轴承壳体(2)固定在所述设备壳体(12)上或者固定在涡轮机(10)的基座(20)上的轴承座支撑部(3)，其特征在于，在所述轴承壳体(2)和所述轴承座支撑部(3)和/或在所述轴承座支撑部(3)和设备壳体(12)之间或者所述轴承座支撑部(3)和所述基座(20)之间设置至少一个弹性元件(6)。
5.如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述弹性元件(6)由弹性材料，例如由橡胶、由塑料弹性体、橡胶金属复合体等制成。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述弹性元件(6)具有这样地设计的弹性和缓冲特性，使得转子轴(7)在磁性支撑取消时压缩一个压缩路程(EW)，该压缩路程是相对于旋转轴(7)的转动轴线(A)而言的并且具有一个在磁性轴承气隙(LM)的运行额定值到该额定值的多倍、尤其是10至20倍之间的最大值。
7.如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，磁性径向轴承(4)和俘获轴承(5)设计用于无接触地支承并俘获轴向负荷直至10t的转子轴承(7)。
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