CN102449267A - 用于涡轮机的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的转子(2)，其具有轴(6)和设置在所述轴上的作为用于止推轴承的元件的纵向止推垫圈(8)，所述止推轴承用于轴向支承所述轴(6)。本发明提出，所述纵向止推垫圈(8)具有用于径向支承在所述轴(6)上的第一圆柱形接触面(14)和用于在所述轴(6)上自定心的第二锥形接触面(22)。本发明能够实现一种用于涡轮机的转子，所述转子既设计用于借助化学腐蚀性气体工作，也能够以在超过10000转/分钟的范围内的高转速工作。

Description

用于涡轮机的转子
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的转子，其具有轴和设置在所述轴上的作为用于止推轴承的元件的纵向止推垫圈，所述止推轴承用于轴向支承所述轴。
背景技术
在如燃气轮机或蒸汽轮机或涡轮压缩机的涡轮机的轴上设置有例如具有叶轮的形式的工作机构，通过所述工作机构增加或减少在涡轮机的流入口和流出口之间的静压差。通过操作工作机构，能够将大的力沿轴的轴向方向传递到轴上，所述力由止推轴承吸收。止推轴承包括纵向止推垫圈和在定子上的轴承元件，所述纵向止推垫圈是转子的部件，纵向止推垫圈根据通过磁力或通过润滑的滑动的轴承类型支承在所述轴承元件上。
在工业涡轮机中，特别是在化学工业中使用的涡轮机中，时常需要在大于每分钟10000转的范围内的转速。这样的高的转速要求工作机构和纵向止推垫圈具有极高的强度，为了吸收和传递高的轴向推力，所述纵向止推垫圈具有相对大的半径，并且因此受到高的离心力。为了确保所要求的高强度，通常情况下使用屈服点为1000N/mm2的高合金钢。
如果特别是在工业领域中，涡轮机与腐蚀性气体发生接触，例如在压缩含硫化氢的气体时，那么工作机构和纵向止推垫圈也发生化学作用，以至于影响它们的强度。但是，不被硫化氢腐蚀的钢仅具有最大为700N/mm2的强度。因此，与不设计成暴露于如此腐蚀性的化学气体的机器相比，与硫化氢或类似的腐蚀性气体发生接触的涡轮机仅能够以更低的转速工作。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于涡轮机的转子，所述转子既设计用于借助化学腐蚀性气体工作，也能够以在超过10000U/min(转/分钟)的范围内的高转速工作。
所述目的通过开始所述类型的转子得以实现，其中，根据本发明，所述纵向止推垫圈具有用于径向支承在轴上的第一圆柱形接触面和用于在轴上自定心的第二锥形接触面。
在这种情况下，本发明基于下述思想，即，在已知的实施形式中，纵向止推垫圈借助于以液压方式的收缩配合安装在转子的轴上。在这种情况下，纵向止推垫圈液压地扩宽，并且朝着止挡推到轴的略呈锥形的接触面上。轴螺母将热压套装的纵向止推垫圈轴向保持在位置上。为了使纵向止推垫圈不在轴的接触面上滑动，所述纵向止推垫圈还必须在大的离心力的情况下仍然能够保持它的在接触面上的稳定压配合，这要求压配合必须非常牢固。因此，纵向止推垫圈的钢受到非常高的负载。
如果在没有热压配合的情况下也实现稳定的连接，那么取消由于收缩而作用在纵向止推垫圈上的力，并且所述纵向止推垫圈能够将它的全部强度用于承受离心力。通过由于消除来自热压配合的应力而出现的应力的降低，即便在高转速时也能够使用用于纵向止推垫圈的适于压缩硫化氢的材料。
通过第一圆柱形的接触面，纵向止推垫圈能够径向保持在它的位置上，并且因此避免了不平衡。第二锥形接触面用于将切向力从纵向止推垫圈传递到轴上，以便所述纵向止推垫圈不相对于轴转动。为了传递所述力，纵向止推垫圈的锥形接触面适宜地由轴螺母压靠在轴的或固定在所述轴上的构件的配对面上。
有利的是，涡轮机是一种涡轮机械，特别是涡轮压缩机。特别有利的是，本发明可应用于为磁性轴承的部件的这样的纵向止推垫圈。由于磁性轴承，所述纵向止推垫圈相对大地构成，并且因此在快速转动的情况下受到很强的机械负载。通过磁性的支承能够实现特别低摩擦的支承。
锥形接触面用于使纵向止推垫圈在轴上自定心。锥形接触面适宜地不直接邻接在第一圆柱形接触面上，以便避免锋利的边缘，所述边缘能够在将纵向止推垫圈推到轴上时损坏所述轴。因此，两个接触面例如通过如斜面的平坦的中间平面适宜地相互间隔一定距离，或者能够通过倒圆部相互连接。
在本发明的一个有利的实施形式中，第二接触面是锥形，使得相对于纵向止推垫圈的径向挤压回弹。因此，避免了在支承面挤压时纵向止推垫圈的扩宽，以至于纵向止推垫圈受到机械地保护。所述挤压反作用于离心力，并且因此在纵向止推垫圈的强度上产生有利地影响。
为了同时传递切向力，锥形接触面和它的配对面能够构成为赫斯连接(Hirthverbindung)。但是，所述实施形式具有的缺点是，所述实施形式伴随着高的制造耗费。因此，具有截锥面的形式的锥度是优选的，在所述锥度的情况下通过力配合，即通过静摩擦，实现将力从接触面传递到配对面。在这种情况下，使纵向止推垫圈的锥形接触面压靠在配对面上的力大到使得在接触面上产生的力由于摩擦力矩能够将必要的起动力矩在第二接触面不滑动的情况下传递到所述第二接触面的配对面上。
有利的是，第二接触面构成有相对于轴的径向方向在5°和30°之间的倾角。倾角越大，在相同的预应力的情况下在接触面和配对面之间的摩擦力矩越高，但是，也伴随着纵向止推垫圈和轴的更高的机械负载。通过倾角的优化能够根据相应的需求情况匹配所产生的力。
适宜的是，纵向止推垫圈安装为，使得随着转速的增加，作用在第二接触面上的支承力也增加。这特别是能够通过第二接触面的回弹的锥度来实现。在转速增加的情况下，变大的径向力导致第二接触面在它的配对面上的变大的压紧力，因此，通过两个接触面的相互摩擦作用而产生的可传递的力矩变大。
纵向止推垫圈的温度升高有利地导致第二接触面的增加的支承力。因此能够克服在接触面上摩擦力的减少。
此外，有利的是，纵向止推垫圈借助第一接触面无应力地支承在轴上。纵向止推垫圈能够受到机械地保护，并且因此以高的转速运行。当纵向止推垫圈能够用手推到轴上，以用于将第一接触面支承在它的相应的配对面上时，提供无应力性。
当第二接触面紧贴在轴中加工的锥形配对面上时，能够实现纵向止推垫圈的安全的安装和转子的安全的工作，因此，锥形配对面直接是轴的一部分，以至于能够省去轴环或类似的构件。
有利的是，第二接触面是止推垫圈的端面，其中，端面能够理解为与轴的径向方向具有小于45°的倾斜度的平面。
为了避免纵向止推垫圈在拆卸和重新安装后的不平衡，适宜的是，存在扭转止动机构，所述扭转止动机构规定了纵向止推垫圈在轴上的固定的切向位置。扭转止动机构也能够在工作时吸收例如在转子起动时或通过纵向止推垫圈在轴承中的摩擦而产生的切向力。但是，有意义的是，扭转止动机构尽可能小地构成，以便不过度影响纵向止推垫圈的稳定性。因此有利的是，第二接触面设计成，用于将切向力的至少大部分从轴传递到纵向止推垫圈上。大部分是多于50％的切向力。
在本发明的另一有利的实施形式中，转子构造有扭转止动机构，所述扭转止动机构通过形状接合将纵向止推垫圈保持在切向的预定位置上。在拆卸和重新安装后平衡状态的改变能够得以避免。
例如能够通过在第一接触面内或附近的槽榫连接直接在纵向止推垫圈和轴之间进行形状接合。但是，由于纵向止推垫圈的径向向内指向的表面的切口，纵向止推垫圈在它的强度上不受到显著的影响。因此有利的是，扭转止动机构的形状接合元件接合在纵向止推垫圈的端面中。在端面中的切口导致在快速转动的情况下纵向止推垫圈的根部的机械负载显著降低。适宜的是，所述端面与第二接触面相对地设置。第二接触面能够设计为是不接合的，并且是完全摩擦传递的。
扭转止动机构有利地包括扭转止动环，所述扭转止动环至少间接地与纵向止推垫圈形成形状接合，并且在相同方向上至少间接地与轴形成形状接合。从纵向止推垫圈到扭转止动环上的形状接合的力传递能够以简单的方式在相同的方向上，例如在切向方向上，进一步向轴传递。当两个形状接合分别通过与形状接合地连接的元件接合的形状接合元件形成时，能够保持所述元件的制造简单。在扭转止动环和轴之间的形状接合适宜地通过接合到扭转止动环的和轴的槽中的滑键实现。由于平衡的原因，适宜的是，为两个形状接合的每个设有两个形状接合元件。
滑键和形状接合元件适宜地设置为切向地相互偏移，在存在两个形状接合元件和两个滑键时，所述两个形状接合元件和两个滑键有利地设置成相互呈90°角，其中有利的是，所述两个形状接合元件和所述两个滑键分别相对地支承。
在温度急剧增加的情况下，纵向止推垫圈也能够在轴向方向上特别强地膨胀。第二接触面可能以不希望大的力压靠它的配对面，以至于因此产生高的机械负载。为了减轻所述机械负载，适宜的是，转子包括用于吸收作用在第二接触面上的支承力的弹簧机构。所述弹簧机构能够通过切口获得它的弹簧作用，所述切口在弹性运动时被挤压。所述切口能够是在纵向止推垫圈上或者在形成纵向止推垫圈的锥形接触面的配对面的构件中，特别是直接在轴中。
具体实施方式
借助于在附图中示出的实施例详细阐述本发明。本发明的唯一的附图示出具有轴向压缩机的形式的涡轮机械的转子2的剖视图。所述转子2包括沿轴向方向4延伸的轴6，在所述轴上固定有纵向止推垫圈8。所述纵向止推垫圈8是止推轴承10的部件，其中为了更好的理解，示意地示出两个磁极12，所述磁极沿轴向方向4支承所述纵向止推垫圈8。因此，所述止推轴承10是用于将轴6保持在规定的轴向位置上的磁性轴承。
纵向止推垫圈8设有第一空心圆柱形的接触面14，所述接触面安置在轴6的同样是圆柱形的配对面16上。通过所述接触面14和所述配对面16形成的轴承将所述纵向止推垫圈沿径向方向18无间隙地保持在所述轴6上。所述纵向止推垫圈8具有第一端面20和与所述第一端面相对置的第二端面，所述第二端面构成为第二锥形接触面22。所述接触面22紧贴在配对面24上，直接在所述轴6的材料中加工所述配对面。
所述接触面22设有25°的倾角α，其中，所述接触面22构成为回弹的，即，使得所述配对面24在接触面22的区域中一定程度地搭接所述纵向止推垫圈8。因此，在所述纵向止推垫圈8轴向张紧时，纵向止推垫圈8被挤压，并且克服离心力作用压在所述轴8上。由于所述接触面22的锥度引起纵向止推垫圈8在所述轴6上的自定心，所述自定心通过面14、16的接触辅助所述纵向止推垫圈8的定心。
为了避免纵向止推垫圈8的边缘撞在轴的材料上，在两个接触面14、22之间加工斜面26，其中，在所述接触面14、22之间的倒圆也是有意义的。在纵向止推垫圈8沿轴向方向4压向所述轴6的压紧力高的情况下，在轴的材料中的凹部28导致在轴6的材料中的负载峰值降低。凹部30以相同的目的形成在所述纵向止推垫圈8的两侧，其中，有利的是，所述凹部28、30通过按照有限元法的计算构成，以便在沿着所述凹部28、30的壁上引起尽可能均匀的材料应力。
通过螺纹34与所述轴6形状接合地连接的轴螺母32朝向扭转止动环36张紧，以用于安装纵向止推垫圈8，所述扭转止动环将所述纵向止推垫圈的接触面22压靠在相应的配对面24上。由所述轴螺母32施加的预紧力FV的大小选择为，使得接触面22的由轴向力FAX和倾角α产生的作用在配对面24上的法向力FN达到高的摩擦作用，使得所述纵向止推垫圈8在转子2起动时不在所述轴6上沿切向方向滑动。
在转速增加的情况下，变大的径向力FR导致更大的法向力FN。因此，可传递的力矩自动地变大，所述力矩通过纵向止推垫圈8在配对面24上的摩擦作用产生。由于所述纵向止推垫圈8沿轴向方向4的扩展，在纵向止推垫圈8中的温度升高也产生更高的法向力FN，并且因此产生更高的可传递的力矩。所产生的轴向力FAX由所述轴螺母32吸收。
为了在纵向止推垫圈8的非常高的温度下避免过大的法向力FN或轴向力FAX，并且因此避免在纵向止推垫圈8或轴6上的材料损坏，在轴8中形成切口38。所述切口环绕轴6，并且因此形成略有弹性的腹板40，所述腹板将两个接触面22、24的相互的压紧力限制到不使材料损坏的大小。
通过将所述纵向止推垫圈8用手推到轴6上或者从所述轴6移除，能够以简单的方式进行纵向止推垫圈8的安装或拆卸。为了避免在拆卸后的不平衡，所述纵向止推垫圈8应在重新安装时再次回到它的在轴6上的初始的切向位置上。为了确保上述情况，在轴螺母32和纵向止推垫圈8之间设置有扭转止动环36，所述扭转止动环通过两个具有螺栓形式的形状接合元件42在切向方向上，即在圆周方向上，与纵向止推垫圈8形状接合地连接。
所述形状接合元件42，——其中鉴于清楚起见仅示出一个，另一形状接合元件偏移180°，即设想为相对于轴6的转动轴线44偏移180°——，接合到所述纵向止推垫圈8的端面20中，以至于所述纵向止推垫圈8的接触面14保持不受影响。扭转止动环36和轴6都设有槽46或48，所述槽通过构成为矩形的钢的滑键50相互沿切向方向保持在位置上。以这种方式，在轴6和纵向止推垫圈8之间形成间接的形状接合，使得所述纵向止推垫圈8沿切向方向仅能够安装在预定的位置上，并且保持在所述位置上。
滑键50也设计成双滑键的实施形式，其中，两个滑键50同样相对于转动轴线44彼此相对地设置。滑键50设置成相对于形状接合元件42在切向方向上偏移90°。为了简化附图，所述形状接合元件仅在相同的剖面中示出，以便能够省去围绕所述转动轴线44旋转90°的通过转子2的另一剖视图。
所述形状接合元件42和滑键50能够构成为防止纵向止推垫圈8在轴6上切向扭转的附加的保险装置。但是，为了保持稳定性，并且因此为了保持所述两个元件的尺寸小，预应力FV、接触面22和倾角α的相互作用选择为，使得即使没有所述两个元件，纵向止推垫圈8也不会沿切向方向上在轴6上滑动。因此，所述元件主要用于安装辅助，并且用作用于吸收在不希望的或没有预料到的状态下的切向力的保险装置。

Claims (14)

1.用于涡轮机的转子(2)，具有轴(6)和设置在所述轴上的作为用于止推轴承的元件的纵向止推垫圈(8)，所述止推轴承用于轴向支承所述轴(6)，
其特征在于，所述纵向止推垫圈(8)具有用于径向支承在所述轴(6)上的第一圆柱形接触面(14)和用于在所述轴(6)上自定心的第二锥形接触面(22)。
2.如权利要求1所述的转子(2)，其特征在于，所述第二接触面(22)是锥形，使得相对于所述纵向止推垫圈(8)的径向挤压回弹。
3.如权利要求1或2所述的转子(2)，其特征在于，所述第二接触面(22)具有相对于所述轴(6)的径向方向(18)在5°和30°之间的倾角。
4.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，所述纵向止推垫圈(8)安装为，使得随着转速的增加，作用在所述第二接触面(22)上的支承力也增加。
5.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，所述纵向止推垫圈(8)借助所述第一接触面(14)无应力地支承在所述轴(6)上。
6.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，所述第二接触面(22)紧贴在锥形的配对面(24)上，在所述轴(6)中加工所述配对面。
7.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，所述第二接触面(22)是所述纵向止推垫圈(8)的端面。
8.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，所述第二接触面(22)设计成用于将切向力的至少大部分从所述轴(6)传递到所述纵向止推垫圈(8)上。
9.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，设有扭转止动机构，所述扭转止动机构通过形状接合将所述纵向止推垫圈(8)保持在切向的预定位置上。
10.如权利要求9所述的转子(2)，其特征在于，所述扭转止动机构的形状接合元件(42)接合到所述纵向止推垫圈(8)的端面(20)中。
11.如权利要求9或10所述的转子(2)，其特征在于，所述端面(20)与所述第二接触面(22)相对地设置。
12.如权利要求9到11之一所述的转子(2)，其特征在于，所述扭转止动机构具有扭转止动环(36)，所述扭转止动环至少间接地与所述纵向止推垫圈(8)形成形状接合，并且在相同方向上至少间接地与所述轴(6)形成形状接合。
13.如上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，设有用于吸收作用在所述第二接触面(22)上的支承力的弹簧机构。
14.如权利要求13所述的转子(2)，其特征在于，所述弹簧机构通过切口(38)获得它的弹簧作用，所述切口在弹性运动的情况下被挤压。
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