CN103299066B - 船用涡轮机轴的轴承组件及包含该轴承组件的船用涡轮机 - Google Patents

船用涡轮机轴的轴承组件及包含该轴承组件的船用涡轮机 Download PDF

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Abstract

为了补偿由旋转轴(12)传递的轴向力，本发明的轴承组件(8)包括多个分布开的轴承单元(30)。每个轴承单元(30)包含：固定基座(70)；具有固定部分和沿被支撑的力的主方向(X50)整体移动的部分的弹性构件(50)；以及和所述轴(12)一起限定水膜的轴承面。所述轴承面被连接到所述可移动部分上。所述轴承面的最小半径(R31)在1m和3m之间。弹性构件(50)和基座(70)限定至少一个水的腔体。多个导管被布置为将所述腔体连结到一起，并因此限定闭合回路。

Description

船用涡轮机轴的轴承组件及包含该轴承组件的船用涡轮机
技术领域
本发明涉及一种轴承组件，所述轴承组件用于支撑旋转的船用涡轮机轴，即用于吸收由所述轴施加的轴向力。此外，本发明涉及一种包含可旋转轴和这种轴承组件的船用涡轮机。特别地，本发明可被应用于安装到液体流动适用于在两个方向中的任一方向循环的发动机里的船用涡轮机上。
背景技术
根据现有技术的液力涡轮机通常包含一根直径大约1m的轴和浸入油中以支撑所述旋转轴的轴承组件。特别地，多个轴承单元关于旋转轴线分布以吸收所述轴所施加的径向力。所述轴承单元通常包含固定的底座、弹性构件以及和轴一起限定出大约0.5mm厚的油膜的轴承面。
所述轴承单元和所述油膜的功能是限制所述轴对所述轴承面的碰撞。所述碰撞特别是由相对运动部件的装配缺陷和因相对运动部件的制造公差所造成的几何缺陷引起的。在标准情况下，所述轴具有大约1m的直径，并且所述油膜为大约0.5mm厚，所述轴承组件良好地适应于相对小的装配缺陷和几何缺陷。
然而，根据现有技术的这种轴承组件不适宜有效地限制船用涡轮机轴的碰撞。事实上，油的可压缩性导致惯性易于减缓所述轴承组件的反应。然而，所述船用涡轮机轴的大直径引发相对大和多的装配缺陷和几何缺陷，这就要求所述轴承组件能非常快速地对轴的振动做出反应。此外，将所述船用涡轮机轴承浸在油中引发对所述船用涡轮机布置处的环境产生污染的风险。
发明内容
本发明的一个目的在于特别地通过提出一种快速反应并且无油的轴承组件，来改善上述缺陷。
为了这个目的，本发明涉及一种轴承组件，所述轴承组件用于吸收关于旋转轴线旋转的船用涡轮机轴所传递的轴向力，所述轴承组件包含多个关于所述旋转轴线分布的轴承单元，每个所述轴承单元包含：
-固定基座；
-弹性构件，所述弹性构件具有刚性连接到所述基座上的固定部分和可沿被支撑的力的主方向移动的部分；
-轴承面，所述轴承面和所述轴一起限定了能容纳液体膜的容积，所述轴承面被连接到所述弹性构件的可移动部分上。
所述轴承组件的特征在于，所述液体膜为水膜，所述轴承面的最小半径在1m到3m之间，所述弹性构件和所述基座限定至少一个容纳水的腔体，所述弹性构件和所述基座与水接触的表面包括防锈材料，并且所述轴承组件还包含多个适用于循环水的导管，每个所述导管被布置为至少将2个腔体连结到一起，所述导管和所述腔体限定关于所述旋转轴线延伸的封闭回路。
换句话说，作为具有非常低的可压缩性的液体的水抑制由相对运动部件的装配缺陷和几何缺陷引发的反冲。通过水回路连接的轴承组件能够快速反应。
以单独的或以技术上可行的组合方式使用的根据本发明的其它有利的但非强制性的特征如下：
-所述可移动部分大致沿与所述旋转轴线平行的方向移动，并且所述轴承面或每个轴承面垂直于所述旋转轴线；
-一个轴承面被连接到单个可移动部分上；
-一个轴承面被连接到分别属于多个轴承单元的多个可移动部分上；
-所述轴承面包含具有大于800Hv的硬度的材料，例如为陶瓷材料；
-所述基座包含具有大致环状形状的板并且每个所述导管由在所述基座中延伸的孔形成；
-所述弹性构件形成弹性可变形的薄膜；
-每个所述腔体包含具有大致超环面形状的部分，所述超环面形状可选地具有圆形横截面；
-所述弹性构件包含薄板；
-所述弹性构件包含厚部件；
-至少一个轴承单元包含部分为球形的凸起以形成在所述弹性构件和所述基座之间的点连接；
-所述轴承组件包含10到20个轴承单元，优选为16个轴承单元。
此外，本发明涉及一种船用涡轮机，所述船用涡轮机包含装配有可关于所述旋转轴线旋转的轴的涡轮机，所述涡轮机的特征在于，所述船用涡轮机包含至少一个如上所述的轴承组件。
以单独的或以技术上可行的组合方式使用的根据本发明的其它有利的但非强制性的特征如下：
-所述水膜具有小于0.10mm的厚度，优选为小于0.06mm的厚度；
-所述船用涡轮机包含两个如上所述的轴承组件，所述两个轴承组件和所述旋转轴线同轴，所述两个轴承组件位于相互隔开一段距离处以限定用于轴法兰的壳体。
附图说明
根据下文的描述，本发明将被更清楚地理解，并且本发明的优点也将更好地呈现，所述描述参考附图作为非限制性的示例给出，在附图中：
-图1A为根据本发明的船用涡轮机的轴向半截面视图，所述船用涡轮机包含根据本发明的第一实施方式的轴承组件；
-图1B为图1A所示的船用涡轮机的全截面视图；
-图2为图1A中细节II的放大视图；
-图3为图1A中细节III的放大视图；
-图4为沿图3中线IV-IV的横截面视图；
-图5为沿图4中线V-V的横截面视图；
-图6为示出了图1A-图5所示的轴承组件的第一状态的示意图；
-图7为示出了图1A-图5所示的轴承组件的类似于图6的第二状态的示意图；
-图8为根据本发明第二实施方式的轴承元件的类似于图2的视图；以及
-图9为图8中所示的轴承元件的类似于图3的视图。
具体实施方式
图1A和图1B示出了一种船用涡轮机1，所述船用涡轮机1包含条带2、
固定导叶4、叶片7和轴毂10。所述条带2在形状上通常是环状的并且通过重力底座被连接到地面，所述结构由底盘和多个支柱组成。
所述轴毂10通过所述固定导叶4被附连到所述条带2上。所述轴毂10包含轴12、发电机14和支撑构件16。所述轴12可关于旋转轴线X-X′旋转。所述轴12包含法兰13，所述法兰13和所述轴12呈整体，并且和所述轴12制成一体件。所述法兰13的径向面13.1和13.2具有平坦的环状形状。
所述叶片7被附连到所述轴12的一端。所述叶片7通过条带2中的水流关于所述轴线X-X′旋转，所述旋转沿箭头5指示的方向或沿箭头6指示的另一个方向进行。
所述固定导叶4和所述叶片7通常沿径向方向延伸，并且分布在所述轴线X-X′周围。所述轴12、所述轴毂10、所述发电机14、所述支撑构件16和所述条带2各自都具有关于所述轴线X-X′的旋转对称性。
在本申请中，术语“轴向”表示与所述旋转轴线X-X′平行的方向，或表示与所述旋转轴线X-X′大致垂直的表面。在本申请中，术语“径向”表示与所述旋转轴线X-X′垂直的方向，或表示和所述径向大致垂直的平面。术语“周向”表示切线方向C-C′，所述切线方向C-C′不和所述旋转轴线X-X′交叉(secant)。
所述轴毂10还包含用于支撑所述轴12的两个轴承组件8和9，特别用于吸收所述轴向力。实际上，所述轴承组件8被称为“推力轴承”，所述轴承组件9被称为“反向推力轴承”。
所述轴承组件8和9关于所述轴线X-X′同轴。所述轴承组件8和9位于相互隔开一段距离处以便限定出用于所述法兰13的壳体。由于所述轴承组件9与所述轴承组件8相同或类似，下文中对所述轴承组件8的描述也可以应用到所述轴承组件9上。
如图1A-图5所示，所述轴承组件8包含多个轴承单元20、20.1、20.2和关于所述轴线X-X′分布的等同单元。所述轴承组件8包含16个轴承单元20、20.1、20.2和等同单元。每个轴承单元20、20.1、20.2和等同单元包含基座70、弹性构件50和轴承面31。所述基座70通过螺纹连接、焊接、嵌入或其它等同的方法附连到所述支撑构件16上。
如图3所示，所述弹性构件50形成弹性可变形的薄膜，其具有刚性连接到所述基座70的固定部分58和通常可沿轴向方向X50移动的部分54。所述轴向方向X50是被支撑的力的主方向，所述被支撑的力在图6和图7中以附图标记F1和F2示出。
在这种情况下，所述轴承面31呈平坦的圆环的形式并且垂直于所述轴X-X′。所述轴承面31的作用是支撑所述旋转轴12。所述轴承面31适用于和所述轴12一起限定容纳液体膜的容积。
被包含在所述薄的容纳容积内的液体膜因此可形成用于所述旋转轴12的流体动力轴承。所述液体膜为水膜，其中厚度E13小于0.10mm，优选地，厚度E13小于0.06mm。形成所述润滑膜的水可以来源于驱动所述叶片7的水流。
换句话说，所述轴承面31以及所述法兰13的径向表面13.1大体上是重合的并且被功能性的间隙分开。如图1A所示，所述轴承面31的最小半径R31等于所述轴12的直径D12的一半。所述轴承面31的半径R31的范围在1m到3m之间。因此，所述直径D12处于2m和6m之间。
所述轴承面31和/或所述法兰13的径向表面13.1包含具有硬度超过800Hv(维氏硬度)的比如为陶瓷材料的材料，例如三氧化二铬或氧化铬(III)(Cr2O3)。这种材料可极大地限制所述轴承面31和/或所述径向表面13.1的磨损。任何其它具有等同硬度的材料可以用来代替陶瓷材料。
所述弹性构件50包含关于所述轴线X50具有旋转对称性的薄板，例如不锈钢片材。所述薄板使得所述弹性构件50相对紧凑。形成所述弹性构件50的所述薄膜因此具有圆盘的整体形状。其固定部分58由平坦外围圆环形成，其可移动部分54由中心的圆盘形成。大致呈具有半圆形横截面的超环面的形状的凸起56位于所述固定部分58和所述可移动部分54之间。所述凸起56使所述弹性构件50能够弹性变形。
所述轴承面31被连接到所述弹性构件50的所述可移动部分54上。在本申请中，动词“连接”表示运动学连接或刚性连接。在这种情况下，所述轴承面31由垫块30限定，其中底板35支承在所述可移动部分54上。所述垫块30和所述底板35通过包含夹具和螺钉的附连装置36被附连到一起。特别地，每个所述轴承面31被连接到单个可移动部分54上。换句话说，所述轴承单元20是独立的。
所述弹性构件50和所述基座70限定了含有水的腔体52。所述腔体52包含大致呈具有半圆形横截面形状的超环面的部分，因为所述腔体52由所述凸起56限定。所述弹性构件50和所述基座70与水接触的表面包括防锈材料，所述防锈材料遍及整个表面涂层或处于所述表面涂层上，所述表面涂层特别是限定了所述腔体52的表面的表面涂层。
所述基座70包含柔性垫圈76和由弹性材料制成的O型圈78，其中弹性材料例如为橡胶或弹性体。所述垫圈76和所述O型圈78在所述固定部分58和所述基座70之间以被压缩以使所述腔体52相对紧密。
如图4和图5所示，所述轴承组件8还包含多个适用于循环水的导管74。每个所述导管74被布置为在各自相应的凹槽72处将至少两个腔体52.1和52.2连结到一起。每个所述凹槽72具有T形横截面。所述导管74连结所有的腔体52，因此所述导管74和所述腔体52限定了关于所述轴线X-X′延伸的封闭回路。在本申请中，所述动词“连结”表示液体连结，特别是水的连结。
所述基座70特别地包含具有大致环状的形状的座板。每个所述导管74包含两个延伸到所述基座70中的会聚的且倾斜的盲孔。水因此可以流入所述导管74中并且处于周向方向C-C′上两个连续的腔体52.1和52.2之间。换句话说，液压可通过所述导管74在所述腔体52之间传递，趋于使所述腔体52中主导的水压平衡。
如图6和图7所示，在第一状态下，所述法兰13施加由图6中箭头F1表示的压力到垫块30.1的轴承面31.1并且此过程经由所述水膜E13。在所述第一状态下，所述压力在所述轴承单元52之间不均匀分布。
因此所述底板35.1向对应的可移动部分54施压。所述可移动部分54迫近所述基座70并且压缩容纳于所述腔体52.1内的水。然后，水流从所述腔体52.1内循环到包含所述腔体52.2在内的邻近的腔体中，如图4中的箭头L74所示。
所述水流使容纳于多个腔体52内的水的主导的压力平衡。在图7所示的第二状态下，所述轴承面31.1和31.2吸收相等的力F1和F2。在所述第二状态下，所有的轴承单元20、20.1和20.2被平衡。所述轴承组件8因此补偿了相对运动部件的几何缺陷和装配缺陷。
图8和图9示出一种根据本发明第二实施方式的轴承组件108。所述轴承组件108类似于所述轴承组件8。除了下文中提到的差别以外，涉及到图1-7中的上述关于所述轴承组件的描述可应用到所述图8和图9中的轴承组件108上。
与所述轴承组件8的实体相同或一致的轴承组件108的实体由相同的附图标记加上100表示。这样标记，轴承组件108、水膜厚度E113、固定支撑构件116、轴承单元120、垫块130、轴承面131、附连装置36、最小半径R151、弹性构件150、轴线X150、腔体152、可移动部分54、凸起156、固定部分158、基座170、凹槽172和O型圈178。
所述轴承组件108和所述轴承组件8的区别在于所述弹性构件150包含形成通过所述凸起156连接的可移动部分154和固定部分158的厚部件。所述可移动部分154和所述固定部分158因此分别比所述可移动部分54和所述固定部分58厚。这使得如果需要的话其可以支撑更大的载荷。
所述弹性构件150和所述基座170由防锈材料构成或涂有防锈材料，以致所述弹性构件150和基座170与水接触的表面包含防锈材料以抵抗容纳在所述腔体152内的水的腐蚀。
此外，所述轴承组件108和所述轴承组件8的区别在于，至少一个轴承单元120包含刚性连接到所述可移动部分154上的推力轴承155。所述推力轴承155包含部分为球形的凸起157。所述凸起157在所述弹性构件150和所述基座170之间形成球节点连接。所述推力轴承155和所述凸起157的作用是限制所述可移动部分154的行程，以限制随着其弹性变形施加到所述凸起156上的机械应力。
此外，所述基座170仅仅包含所述O型圈178以使所述腔体152相对紧密，而没有包含例如为76的垫圈。实际上，通过借助于螺纹连接将所述固定部分174紧固在所述基座170上，以及通过与所述固定部分174和所述基座170相接触的表面的调节加工，所述腔体152的紧密性也得以确保。
根据本发明未示出的其它实施方式：
-替换和轴12成整体的法兰13，法兰可由两部分组成，所述两部分例如为两个轴向并列并且/或安装到所述轴上的半法兰；
-所述轴承组件包含10到20个所述轴承单元，例如20、21个；
-相同的所述轴承面被连接到分别属于多个轴承单元的多个可移动部分；换句话说，所述垫块为所有的所述弹性构件共用；特别地，相同的轴承面被连接到所有的可移动部分。

Claims (18)

1.轴承组件（8、9），所述轴承组件（8、9）用于吸收关于旋转轴线（X-X'）旋转的船用涡轮机（1）轴（12）所传递的轴向力，所述轴承组件（8、9）包含多个关于所述旋转轴线（X-X'）分布的轴承单元（30、30.1、30.2、31；130、131），每个轴承单元（30、30.1、30.2、31；130、131）包含：
- 固定基座（70；170）；
- 弹性构件（50；150），所述弹性构件（50；150）具有刚性连接到所述基座（70；170）上的固定部分（58；158）和大致能够沿被支撑的力（F1、F2）的主方向（X50；X150）移动的可移动部分（54；154）；
- 轴承面（31；131），所述轴承面（31；131）适用于和所述轴（12）一起限定用于容纳液体膜的容积，所述轴承面（31；131）被连接到所述弹性构件（50；150）的所述可移动部分（54；154）上，
所述轴承组件（8、9）的特征在于，所述液体膜为水膜，所述轴承面（31；131）的最小半径（R31；R131）在1 m和3 m之间，所述弹性构件（50；150）和所述基座（70；170）限定至少一个容纳水的腔体（52、52.1、52.2；152），所述弹性构件（50；150）和所述基座（70；170）的与水接触的表面包含防锈材料，并且所述轴承组件（8、9）还包含多个适用于循环水的导管（74），每个导管（74）被布置为将至少两个腔体（52、52.1、52.2；152）连结到一起，所述导管（74）和所述腔体（52、52.1、52.2；152）限定关于所述旋转轴线（X-X'）延伸的封闭回路，
其中所述基座（70；170）包含具有大致环状形状的板，并且每个导管（74）由在所述基座（70；170）中延伸的孔形成。
2.根据权利要求1所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述可移动部分（54；154）大致沿与所述旋转轴线（X-X'）平行的方向（X50）移动，并且所述轴承面（31；131）或每个轴承面（31；131）垂直于所述旋转轴线（X-X'）。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的轴承组件（8、9），其特征在于，一个轴承面（31；131）被连接到单个可移动部分（54；154）上。
4.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，一个轴承面（31；131）被连接到分别属于多个轴承单元（30、30.1、30.2、31；130、131）的多个可移动部分上。
5.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述轴承面（31；131）包含硬度大于800 Hv的材料。
6.根据权利要求5所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述轴承面（31；131）包含陶瓷材料。
7.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述弹性构件（50；150）形成弹性可变形的薄膜。
8.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，每个腔体（52、52.1、52.5；152）包含具有形状为大致超环面的部分，所述超环面可选地具有圆形横截面。
9.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述弹性构件（50）包含由片材构成的板。
10.根据权利要求9所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述弹性构件（50）包含由不锈钢片材构成的板。
11.根据权利要求1或2所述的轴承组件，其特征在于，所述弹性构件（150）包含形成所述可移动部分（154）和所述固定部分（158）的部件。
12.根据权利要求11所述的轴承组件，其特征在于，至少一个轴承单元（120）包含部分为球形的凸起（157），以形成在所述弹性构件（150）和所述基座（170）之间的点连接。
13.根据权利要求1或2所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述轴承组件（8、9）包含10到20个所述轴承单元（20、20.1、20.2、21；120、121）。
14.根据权利要求13所述的轴承组件（8、9），其特征在于，所述轴承组件（8、9）包含16个所述轴承单元（20、20.1、20.2、21；120、121）。
15.船用涡轮机（1），所述船用涡轮机（1）包含装配有能够关于旋转轴线（X-X'）旋转的轴（12）的涡轮机，所述涡轮机的特征在于，所述涡轮机（1）包含至少一个根据上述权利要求中的任一项所述的轴承组件（8、9）。
16.根据权利要求15所述的船用涡轮机，其特征在于，所述水膜具有小于0.10 mm的厚度（E13）。
17.根据权利要求16所述的船用涡轮机，其特征在于，所述水膜具有小于0.06 mm的厚度。
18.根据权利要求15所述的船用涡轮机，其特征在于，所述船用涡轮机包含两个根据权利要求1所述的轴承组件（8、9），所述两个轴承组件（8、9）和所述旋转轴线（X-X'）同轴，所述两个轴承组件（8、9）位于相互隔开一段距离处以限定出用于轴（12）法兰（13）的壳体。
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