CN103470319B - 用于涡轮的轴颈轴承垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮的轴颈轴承垫。提供一种液动轴颈垫轴承，其具有围绕大型蒸汽涡轮的转子沿周向分布的若干个垫，各个垫安装到平台上，平台隔开垫与圆柱形笼，圆柱形笼又连接到容纳涡轮的大厅的地板上，并且液动轴颈垫轴承在若干个垫中的至少一个和若干个垫中的至少一个安装在其上的平台之间具有交接部，该交接部形成为以便包括具有不同曲率的至少两个区域，以在垫和平台之间有相对移动的情况下，提高交接部的刚度。

Description

用于涡轮的轴颈轴承垫

技术领域

本发明涉及液动(hydrodynamic)轴承，特别地涉及用于功率装置中的重型转子的液动轴承。

背景技术

在液动轴承中，固定轴承垫通过加压流体(诸如油、空气或水)来支承诸如轴的旋转对象。液动轴承利用这一事实，即，当旋转对象移动时，它不会沿着流体的顶部滑动。与旋转对象接触的流体而是紧紧地粘附到旋转对象上，而且该移动伴随着在流体膜的整个高度上的流体微粒之间的滑动或剪切。

因而，如果旋转对象和流体接触层以已知的速度移动，则在流体厚度的中间高度处的速度以已知的速率减小，直到与固定轴承垫接触的流体粘附到轴承垫上且不再移动为止。当轴承垫由于支承旋转对象而产生的负载的原因而相对于旋转部件以小角度偏转时，流体将被吸到楔形开口中，而且将在流体膜中产生足以支承负载的压力。在用于液力涡轮和船舶的推进器轴的推力轴承中，以及在传统的液动轴颈轴承中利用了这一事实。

推力轴承和径向轴承或轴颈轴承两者的特征通常在于，支承轴的垫围绕轴线而隔开。垫围绕其而隔开的轴线一般对应于待由推力轴承和轴颈轴承支承的轴的纵向轴线。这个轴线可被称为主轴线。

在大型蒸汽涡轮中，若干级叶片安装在蒸汽涡轮轴上，并且沿着轴沿轴向间隔开而形成完整的转子。各组叶片或翼型件或各个涡轮级会改变沿轴向传送通过涡轮(其使转子旋转)的蒸汽的热函。允许进入涡轮的蒸汽的力会影响转子。如现有技术中众所周知的那样，这个力的方向和幅度受到涡轮的运行的特定控制模式的影响，即，全周(fullarc)蒸汽进入模式或部分进汽(partialarc)模式。因此，虽然转子主要围绕其轴线旋转，但由于这些力，涡轮轴也会经历水平移动和竖向移动。

多个轴承通常位于沿着轴的各种轴向位置处。蒸汽涡轮的一些轴承包括若干个垫，垫使可旋转的轴与轴承壳体间隔开。通常用油润滑这些轴承，而且将这种油中的一些分配在各个垫面和轴表面之间。在运行中，在垫面和轴表面之间的空隙中的油以液动的方式使轴升离垫的面。在轴承中形成的升力的量确定轴承针对对轴起作用的水平力和竖向力的刚度。照这样，轴承会抑制轴的水平移动和/或竖向移动，以及可旋转地支承轴，而不在轴上施加大的摩擦力，摩擦力会阻止轴旋转。旋转轴表面和垫的面限定的空隙中的油会最大程度地降低在轴承内固有的摩擦力以及因此降低功率损失。另外，油膜会冷却由于摩擦而被加热的垫面，从而保护轴承的完整性。

由于由轴承载的涡轮的大重量以及轴的旋转速度的原因，失去其空隙中的一个或全部中的这种油的轴承会快速退化，因为轴表面会刮擦垫面，并且因此，轴和/或垫面可能被擦伤。被刮擦的轴承的产生的低效率在现有技术中是众所周知的。另外，当轴表面与垫面成刮擦接触时，那个接触会产生大的摩擦力，这会影响蒸汽涡轮的即时性能。

由于涡轮轴移动的水平和竖向抑制是轴承的重要功能，所以已经开发了三种轴颈垫轴承。三种轴颈垫轴承会减少与轴表面相互作用的垫面面积的总量，从而降低油的总的粘性剪切，并且因此，降低轴承内形成的总摩擦力和功率损失。但是，最大程度地减少轴表面/垫面交接部会在各个垫之间引入弓形空间，即，由前面的垫的后缘、下一个或后面的垫的前缘、轴表面和轴承壳体的径向内表面限定的空间。

由于润滑油会冷却垫面，以及对轴提供支承，所以连续的油流通常流过各个垫面和相邻轴表面之间的空隙。油在各个垫的后缘附近喷射出。喷射出的油在弓形空间内搅动，而且相信这种搅动会在轴承中导致有一些功率损失。

例如在美国专利No.4497587中描述了这样的轴承。

在现代蒸汽涡轮中，转子的负载可超过200吨。不管负载如何大，典型地都以非常小的公差制造轴承。

可被看作本发明的目标的是，改变轴承的刚度，并且因此提高轴承及其支承结构的刚性。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种液动轴颈垫轴承，其具有围绕大型蒸汽涡轮的转子沿周向分布的若干个垫，其中，各个垫安装到平台上，平台隔开垫与圆柱形笼，圆柱形笼又连接到容纳涡轮的大厅的地板上，其中，在若干个垫中的至少一个和若干个垫中的至少一个安装在其上的平台之间的交接部形成为以便包括具有不同曲率的至少两个区域，以在垫和平台之间有相对移动的情况下，提高交接部的刚度。

在本发明的第一变型中，若干个垫中的至少一个在垫和平台之间的接触区域处具有在接触区域的中心处的第一曲率半径，以及在接触区域的中心之外的第二曲率半径，其中，第一半径为第二曲率半径的五倍至十倍。通过使垫的底部略微较平来提高其所支承的轴承的刚度。

在第二变型中，垫在接触区域中具有仅一个曲率半径，而支承垫的接触区域的曲率由平坦变成略微弯曲。

这两种变型也可结合起来。

轴承设计成允许垫沿周向方向倾斜，以补偿转子在轴承内的对应的轮廓。

在优选实施例中，若干个垫中的至少一个包括一个主垫或承载垫，主垫或承载垫在运行时位于笼的底部处，并且与其它垫相比，在周向方向上具有显著地更大的宽度。

在优选实施例的变型中，支承承载垫的平台沿轴向方向在垫本身的轴向长度的124/305至230+/305之间延伸。这个大的接触区域会减小垫和转子对平台的负载，并且因此可避免接触区域的形状有变形。实际结果是接触区域使其形状保持在期望公差内达较长的时间。

通过减小通过平台的中心孔的大小，可使实际上支承重量的有效轴向延伸部较大。在优选变型中，与在笼中和/或在垫本身中相比，中心孔在平台内具有更小的直径。

在另一个优选实施例中，通过两个可移除式锁定螺栓来将垫固定到笼上，可移除式锁定螺栓定位在位于平台的中心轴向平面的并列的侧部处的孔中，并且优选沿平行于垫的倾斜轴线而不确切地在倾斜轴线上或靠近倾斜轴线的方向延伸。

装置的整体尺寸适于承载超过100吨且处于10Hz或更高的旋转速度的转子负载。

根据以下详细描述和下面列出的图，本发明的以上方面和另外的方面将是显而易见的。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例，其中：

图1A是根据本发明的示例的液动轴颈垫轴承的示意性周向横截面；

图2A、B显示根据本发明的示例的轴承垫的放大视图；

图3显示根据本发明的另一个示例的、具有弯曲的支承平台的轴承垫的放大视图；以及

图4A、B是分别在轴向方向和周向方向上的图1A的一部分的横截面。

部件列表

10轴颈垫轴承

11圆柱形框架或笼

121、122、123平台

131、132、133轴承垫

12转子

14中心孔

141油分配凹槽

142通道

124环形突起

R1、R2曲率半径

151、152螺钉。

具体实施方式

在以下描述中更详细地描述本发明的示例的各方面和细节。

在图1A中，显示根据本发明的示例的液动轴颈垫轴承10的示意性周向横截面。它包括环形的圆柱形框架或笼11，其最终连接到大型蒸汽涡轮的静态部件上。在笼内的是平台121、122、123。安装到平台121、122、123中的各个上的是对应的轴承垫131、132、133。轴承的中心空间由转子12占据。

虽然共用大部分组成构件，但各个垫彼此不同，以在它们的相应的位置处较好地匹配负载和力。在各特征之中，所有垫共有的是中心孔14，中心孔将周向油分配凹槽141连接到垫内的通道142上，通道142通往垫的端部处的小室。小室具有通往转子的表面的开口，并且将成薄膜的油分配到转子上。在垫之中，底部平台121和安装到其上的垫131有特别的作用。垫131比其它两个垫更宽，因为垫131设计成承载转子12的大部分重量。

各个平台和垫以及它们的连接部设计成提供有限的自由度来允许围绕平行于轴承的中心轴线的倾斜轴线有倾斜。在倾斜期间，垫基本上在其平台的表面上滚动。在下面的图中，更详细地显示了轴承的这方面。

如图2A、2B中显示的那样，垫131具有中心开口14，中心开口正好大得足以在平台121上的短的匹配环形突起124上面以故意形成的小间隙滑动，以适应垫131的同样少量的倾斜移动。垫131的相对于轴承的中心轴线而言的外表面在与平台的接触区域处被加工成曲率半径为R1的圆柱形形状。但是，朝着接触区域的重心，这个半径R1局部地增加到R2，使得垫在接触区域的对应的部分变得略微较平。图2A中的虚线显示没有变化的曲率。曲率半径R2为R1的大约7倍。

垫的外表面的局部曲率可减小到垫的半径的大约5倍，或者增大到垫的半径的大约10倍。但是，认为这对于使这个半径保持低于无穷大地对应于平坦表面是有利的。可使用两个半径的比来调节针对轴承垫的倾斜的期望刚度或阻力量。

在图3的示例中，平台121的从桩124的外径开始的相对的面不再是平坦的，如图2A、B的示例中那样，但该相对的面被加工成曲率半径为R2的圆柱形表面。在这个示例中，垫131具有均匀的曲率半径R1。再次可使用两个半径R1、R2的比来调节针对轴承垫的倾斜的期望刚度或阻力量。

为了在轴承的整个寿命中保持这个期望量的刚度或阻力，认为重要的是阻止接触区域的形状由于过度负载而变形。为了降低负载，支承承载垫的平台沿轴向方向在垫本身的轴向长度的124/305至230+/305之间延伸。通过使平台的轴向宽度延伸到最大范围，即，延伸到200/305至250/305之间，可有效地最大程度地降低负载。实际结果是接触区域使其形状保持在期望公差内达较长的时间，即使在重型负载下。

可通过减小通过平台121的中心孔14的大小来实现较大接触区域的相同的作用。中心孔14从平台的外侧或分配环141变窄到垫121和平台131相接触所处的内表面。这个相对于油供应的外部通道的变窄会使平台区域朝其中心增大，并且帮助减少潜在变形。但是，如有需要，也可使用通过减小通过平台的油供应通道的直径而获得的区域来增加桩的厚度。

在图4A、B中，另外显示了两个螺钉151、152，它们通过笼的缘边区段中的通道或孔而插入到垫中。螺钉阻止垫131进行径向移动，并且在轴承的组装或维护期间固定垫。图4A的轴向横截面剖开第一螺钉151，而图4B是周向横截面。

螺钉151、152位于平台121的中心轴向平面的并列的侧部处，并且沿平行于垫131的倾斜轴线而不确切地在倾斜轴线上或靠近倾斜轴线的方向延伸。如图4B中显示的那样，螺钉移动远离接触区域的中心。

上面描述的对蒸汽涡轮的已知轴颈垫轴承的修改的整体效果在于在机械上加强轴承。这个加强效果可用来补偿支承蒸汽涡轮转子的底座的其它部件的较大的柔性。这在例如大型蒸汽涡轮中是有利的，大型蒸汽涡轮的内部壳体未直接安装到基础柱上，而是安装到支承内部壳体和轴承两者的板上。例如在2012年12月13日提交的欧洲专利申请EP11193149中描述的这样的设计在轴承的位置处内在地更有柔性，而且根据本发明的各方面而恰当地设计的轴承可补偿该柔性。

上面仅以示例的方式描述了本发明，但特别是在垫和平台的形状和设计方面，可在本发明的范围内作出修改。本发明还在于本文中描述或暗含的或图中显示或暗含的任何单独的特征，或者任何这样的特征的任何组合，或者任何这样的特征或组合的任何一般形式，这延及其等效方案。因而，本发明的宽度和范围不应当受任何以上描述的示例性实施例的限制。

说明书(包括附图)中公开的各个特征都可由用于相同、相等或类似目的的备选特征代替，除非另有规定。

除非在本文中另有明确的陈述，否则在说明书中对现有技术的任何论述都不表示承认这种现有技术是广为人知的，或者形成本领域中的一般普通知识的一部分。

Claims (9)

1.一种液动轴颈垫轴承，其具有围绕大型蒸汽涡轮的转子沿周向分布的若干个垫，各个垫安装在平台上，所述平台隔开所述垫与圆柱形笼，所述圆柱形笼又连接到容纳所述大型蒸汽涡轮的大厅的地板上，其中，在若干个所述垫中的至少一个和所述平台之间的交接部形成为以便包括具有不同曲率的至少两个区域，以在所述垫和所述平台之间有相对移动的情况下，提高所述交接部的刚度，并且其中，若干个所述垫中的至少一个在所述垫和所述平台之间的接触区域处具有在所述接触区域的中心之外的第一曲率半径，以及在所述接触区域的中心处的第二曲率半径，并且所述第二曲率半径为所述第一曲率半径的五至十倍。

2.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，若干个所述垫中的至少一个包括一个主垫或承载垫，所述主垫或承载垫在运行中位于所述圆柱形笼的底部处，并且在周向方向上比其它垫具有显著更大的宽度。

3.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，支承所述垫的所述平台在所述垫的轴向长度的124/305至250/305之间沿轴向方向延伸。

4.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，与在所述圆柱形笼的区域中和/或在所述垫本身中相比，中心孔在所述平台内具有更小的直径。

5.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，通过位于所述平台的中心轴向平面的并列的侧部处的孔中的两个可移除式锁定螺栓或螺钉，来将所述垫固定到所述圆柱形笼上。

6.根据权利要求5所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，通过位于所述平台的所述中心轴向平面的并列的侧部处的孔中且沿平行于所述垫的倾斜轴线而不确切地在所述倾斜轴线上且不接近所述倾斜轴线的方向延伸的两个可移除式锁定螺栓或螺钉，来将所述垫固定到所述圆柱形笼上。

7.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，所述液动轴颈垫轴承设计成在其重心上承载超过50吨的转子。

8.根据权利要求1所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，所述液动轴颈垫轴承是在功率发生装置中使用的蒸汽涡轮的一部分，所述功率发生装置产生用于公共电功率的功率。

9.根据权利要求8所述的液动轴颈垫轴承，其特征在于，所述液动轴颈垫轴承连接到在所述液动轴颈垫轴承和所述蒸汽涡轮的内部壳体之间共用的承载板上，并且所述承载板又由基础柱支承，使得所述承载板的移动导致所述圆柱形笼和所述内部壳体有相同的移动。