CN104541076A - 具有转子、固定部分或定子以及带有相应具体功能的不同类型液体包装滑动件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有转子、固定部分或定子以及不同类型液体包装滑动件的设备，每个类型具有不同并且具体的功能，所述液体包装滑动件优选地安装在转子的最外表面处。此设备可以包括普通的包装：滑动件(3)，其具有在转子(5)上的载荷支撑与轴承自居中的功能；“前哨”包装滑动件(4)，其具有预测故障和/或监控在转子周围的载荷的分布的功能；预载荷包装滑动件(10)，其具有补偿处于给定速率的转子的可能的不平衡的功能。

Description

具有转子、固定部分或定子以及带有相应具体功能的不同类型液体包装滑动件的设备

技术领域

本本发明大体上涉及关于包括转子、布置在转子周围的固定部分、以及用于支撑并且允许转子相对于固定部分旋转的轴承的设备的技术领域。

具体地说，本发明涉及此种类型的设备，其中，轴承的特定布置以及它们的属性和构造允许解决不能通过普通球轴承或者通过辊子或诸如箔轴承的本技术领域的其它轴承补救的一系列问题。在下面的描述中将说明全部解决的问题。

通常地说，所谓“固定部分”或“定子”是指相对于装置(例如，涡轮机)固定的部分，所述定子直接地围绕转子的周边部分，同时术语“转子”表示与旋转轴一体的旋转部分，并且其周边表面直接地面向固定部分。旋转轴构成设备的最内部的旋转部分；当然，其与转子的周边/圆周共轴。

例如，如果本发明的设备构成安装在涡轮装置(涡轮机、压缩机、泵、风扇等)中的设备，固定部分与壳体相应，同时通过实际涡轮机以及通过与其一体的全部旋转构件形成设备的转子；例如，在CMG(控制瞬间回转仪)的情形中用于控制卫星的高度的卫星设备，转子包括飞轮同时固定部分包括电机的定子(通常电的)以及用于容纳飞轮的盒子。

背景技术

对于任何一个主要地由转子、定子与轴承构成的旋转装置装置来说，重要的是防止转子系统的轴的过度振动与振荡。此要求在涡轮装置(涡轮机、压缩机、泵、风扇等情形中可以是尤其重要的)的情形中可能是尤其重要的，其中定子与转子之间的空隙或间隙通常非常小，以使流量的返回减小到最小并且由此优化压缩比。在任何期望情形中缺少振动的功能都是非常期望的以便降低噪音，提高装置的效率以及延长其可操作寿命。更通常地，旋转速度以及转子的惰性瞬间越高，转子与良好平衡以及良好的转子定子对准就越重要。实际上，应该理解的是不平衡的效果，尽管小，旋转设定可以以可容忍方式以高速度放大，随着振幅的增加产生危险振动，加速在轴承上以及在轴上的磨损，并且可能地导致对于特定临界速度的共振这在最后可能造成整个系统的瘫痪。其中此问题尤其相关的设备的一个实例由机械回转仪构成，其中相对大的飞轮以相当大的速率旋转。关于此设备的种类，极端的情形是关于用于控制卫星的高度的内轮，稳定器轮，以及CMG(控制瞬间回转仪)设备。在这些情形中，实际上，在没有人的直接干涉，并且以高速率(通常地在3000与10000rpm之间)的情形下，有时对于多年连续工作来说，旋转元件(飞轮)必须在具有非常低压的环境中工作。因此，轴承与相关的润滑系统构成这些空间装置中的关键元件。CMG空间设备的润滑系统，例如，必须能够供给恰当质量(通常非常小)的润滑剂以便可靠地确保非常长的运行寿命时间，以补偿润滑剂的恶化与磨损，并且防止轴承与轴的磨损，或者甚至最终滞塞。此外，由于在用于控制高度的空间设备中使用的属于现有技术的此轴承通常地是辊子轴承或球轴承，因此必须以极端精确地机械地处理它们的旋转元件并且通过特定的抗磨损涂层硬化。它们必须不引入对于卫星的正确运行可能是有害或者极其危险的任何振动。此外，此轴承必须能够在不承受任何损坏的情况下抵抗在发动过程中发生的机械应力。

为了解决这些问题中的至少一个，现有技术的装置不仅是宽敞的一个，通常提供了非常硬质并且精确轴承的使用，特征在于相当重的轴以及相当复杂的润滑系统的结构。实际上，传统装置的轴与轴承具有与转子交换转矩的功能以及将转子的振动的振幅保持在最低可能高度的功能。实践中，通过轴的高惯性通过发展的能量与质量之间的相当差的比率，以及由此通过燃料与润滑剂的高消耗，这在不涉及高的制造成本的情况下解决了非常重的装置的使用。此外，如果在一个方面轴设计并且制造为重的、庞大部件，在另一个方面球轴承如果布置在小的轴周围就具有较高的性能；这表示轴的半径越小，其最大运行角速度(按照rpm)就越大。实际上，轴承的线速度越大，局部产生的热量就越大，具有由此的润滑剂的粘度损失以及负载能力的孙损失。因此，通过球轴承，轴的高角速度仅可能使用小的半径，以使线速度保持在适当值。因此，轴承的要求可能是与装置整体性能的要求是对立的，大部分时间必须实现可接受的妥协。

最后，用于控制卫星的高度的CMG设备自动功能(没有人类直接介入)意指必须获得用于检测可能地由于轴承系统的磨损性能开始恶化的自动装置。这些意味着当系统已经损坏到一定程度时通常相当复杂并且能够检测性能恶化的开始。

实际上，它们检测已经被损坏的机构中的结果，诸如振动(噪音)或者增加的摩擦(通过要求使旋转速度保持在恒定值的增加的能量)。在其中振动被监控以便检测形成的初始恶化的这些情形中，通常将压电式加速度计用作检测器。此传感器/检测器通常固定在轴承上或者定子上，但是问题然后变成能够在与不同情形相关的频率之间进行区分。有时这些表示未执行以及CMG设备的故障突然地发生，在卫星的功能上具有戏剧性结果；其它时候即使利用这些自动装置来检测初始故障，对于实施适当的应对措施来说可能太晚了。

因此，本发明的目的是提供新型结构的普通旋转装置，并且特别低具有用于控制卫星的高度的飞轮的设备，这允许解决现有技术的上面示出的问题。

发明内容

在根据本发明的设备中，对于本领域中的技术人员来说并非显而易见地在初始方式中使用特定类型的轴承；已经知道其通常形状的此轴承，由属于相同作者的专利申请WO2004/053346A1中描述的称作液体包装缓冲器的包装滑动件形成。根据类似的功能原理现有技术还包括轴承或包装滑动件的其它实例，但是没有情形作者已知具有与LPS滑动件类似的设备被用于此模式中并且用于在本发明中描述的功能。例如，属于A.Eshel的专利US4,170,389考虑(参见图17)填充有多种形态的流体或颗粒，构造为在不损坏的情况下容忍将其自身插入轴与轴承的模块之间的杂质的通道。或者，(参见图4)液体包装轴承87或89具有环形形状并且再次用作用于与轴82一体的盘状板83的轴向推力轴承。此结构还旨在容忍轴的小的未对准，然而它们不适于执行稳定轴的功能，也不适于执行任何诊断功能或故障防止功能。甚至WO2004/053346中描述的并且在本发明中使用的与属于J.L.DunhametAl的US5,114,244中描述的这些类似的轴承仅用作推力轴承，用作旋转轴的直接支撑或者用作用于在缸体中的活塞的滑动的支撑元件，同时关于优选的安装位置没有提及，其在本发明中指示为在转子周围的最外面可能位置，与其它设计限定兼容。此外，WO2004/053346与US5，114，244都未具体规定设计这些滑动件具有自适应表面以使其在转子上的自居中效果最大化的方式。即使振动消除并且获得系统的稳定，在本发明中，以非随机方式，仅在特定条件下以下面将阐明的方式从此设计可计算。特别地，在本发明中，通过将预载荷引入相位中，通过从由于特别地设置用于执行此功能的元件的不平衡获得的离心力，获得了由于转子的不完全平衡的振动的消除。最后，WO2004/053346与US5,114,244都不提供包装滑动件的使用，其功能不是支撑负载而是提前检测初期故障，即以下文描述的方式起到如前哨元件的作用。现有技术还包括具有自调节表面的其它液力轴承。例如，具有所谓的箔轴承，其结构实际上与WO2004/053346中描述的包装滑动件的结构不同。所述箔轴承具有几个与所述包装滑动件(例如，在没有液体润滑剂等的情况下一高速率运行的能力)共同的特征，但是将在下文清楚的是，在不考虑箔轴承具有比液体包装滑动件或缓冲器更加困难与昂贵的构造的情况下它们绝不可以被用于执行由在本发明中使用的设备执行的全部功能(例如，它们不能执行前哨元件功能等)并且与后者不同，它们必须是对于各特定应用定制设计的。

在属于G.Müller的US3,456,993中，由含有加压液体隔膜构成的轴承支撑柔性箔，其与放置在轴承上相对的面是支撑旋转中的轴的运行的表面。在此结构中，液体包装执行与箔轴承的所谓的泵箔的功能类似的功能，但是这里描述的系统不是设计为容忍箔的破坏，也不是用于施加稳定与自居中动作，或者用于预测初期的故障。

在下面的描述中，通过本发明以原始方式利用现有技术的以多个不同且特定的功能的特定轴承，将被称作液体包装滑动件(液体包装滑动件，缩写为LPS)，因为对于相同的包装滑动件来说此名称看起来比在WO2004/053346中使用的名称液体包装缓冲器(LPB)技术上地更加准确。将要强调为何通过利用根据特定形状与布置的这些LPS能够获得下面的积极效果的原因：

-容忍与补偿转子与定子之间的小的未对准；

-消除共振；

-出于防止故障的目的，设备功能的诊断控制；

-消除基于转子的不完全平衡的振动。

在控制卫星的高度的设备的情形中这些问题是尤其重要。在此设备中，飞轮必须能够在没有人直接监控的情况下旋转多年，从而有必要尽可能地避免下面：

-a)过度不平衡，下面以“e”指示；

-b)通过振动和/或通过摩擦造成的活动表面(即，受到相对滑动，在载荷下的表面)的磨损；

-c)不期望的功能不规则性。

具体地说，本发明的主要部分包括将这些具有特定地设计(并且可能地具有对于液体包装的个膜的特定限定件)的其它形状、预载荷以及刚性的特定的液体包装滑动件布置在转子的最为周边周围，而不是将传统的轴承(球轴承、辊子构成、箔轴承等)布置在转子的轴周围，并且将特定特征赋予一个或多个液体包装滑动件，其允许它们如“前哨元件”工作，其可能的破坏不涉及整个设备(例如，CMG控制瞬间回转仪卫星设备)的性能的任何恶化(或者仅可忽略的恶化)。

在下面的描述中，还将描述本发明潜在的理论，连同用于确定预载荷与最适于从此设计消除振动与共振的液体包装LPS滑动件的特征的方法。

出于上面指出的原因，通过利用传统轴承与根据本发明的结构类似的设备的结构将是可能的。实际上，在通常出现在以高的角速度旋转的转子的周边上的极端高的线性速度上，滚动轴承将不正确地运行；尤其即使只有一个损坏的旋转/滚动元件，诸如球或辊子，也可能不可避免地对CMG设备的剩余部分造成损坏。

在下文中，列出了现有技术的LPS轴承的主要基本特征：

-它们由一个或多个滑动件，而不是由诸如球或辊子的滚动元件构成；

-此滑动件主要地由具有高弹性模量的柔性隔膜形成，其固定在刚性结构上并且闭合，即，保持液体；

-它们能够在没有液体润滑的情况下操作(当滑动件在相对滑动表面上滑动时其可以基于粘性拖拽在相对滑动表面与LPS滑动件之间通过由空气或气体横穿形成具有特定速率轮廓的间隙)；

-在其中仅在临界速度以上的设备操作的环境中基于空气/气体以液动方式发生润滑，这是基于气体的特性、加载条件、材料等的；

-这些LPS滑动件/轴承的活动表面是封装液体的隔膜的外表面。这是非常多产的并且由此，在润滑剂的动作下，自发地采用最有效的可能形状(即，其使滑动件自身的载荷支撑能力最大化)，这继而取决于对于任意运行条件在所述润滑通道内部产生的压力的分布；

-在固定运行情形与速度处，这些滑动件根据完全的液压情形即在没有与活动表面接触的情况下工作。

-当设备静止时以及当其正常地工作时可以主动地调节LPS滑动件的刚性；

-它们使表面适合压力在润滑通道内部分布的能力基本上独立于它们的刚性。这意味着例如，可以在载荷支撑能力没有显著变化的情况下通过设备以任何给定速率改变LPS轴承的刚性。

-关于球轴承的主要区别在于它们载荷支撑能力随着功能速率的增加而增加，还因为产生的热量相对小并且由此润滑剂的粘性的变化相对地小；

-它们耐机械冲击的程度使得隔膜的张紧强度以及封装液体的可压缩性对于吸收此冲击是充分。

在提出的初始结构中，转子的轴与其标定方向的任何偏转都直接地与LPS滑动件/轴承相对，这趋于在朝向转子移动的点处更多加载，以便在转子上施加自居中动作。对于转子的小的不平衡来说，转子轴的偏转，以及由此LPS轴承的几个元件的载荷过度加载，绝不会过度增加因此每个LPS的反作用力都能够随着此LPS元件的压缩快速地施加增加。此外，已经承受一种此小的过载的LPS元件继续在液动条件下工作并且能够在不经历或者致使在受影响的表面上产生的摩擦与热量的过度增加的情况下对转子的小的偏转进行反应。

附图说明

现在将仅通过非限定实例的方式通过参照其几个特定实施方式以及参照相关理论/方法论的方式来描述本发明，在封闭视图中示出了全部，在附图中：

图1示出了移动对频率(或者脉冲)图表，对于固定在具有弹性常量k的本体上并且受到可随频率ω1变化的外力F(t)的质量M来说，此系统假设仅具有其一个频率ω₀＝(k/M)1/2以及仅一个自由度，此移动相对于移动d0标准化，假设以其最大振幅恒定地施加作用力；

图2示出了旋转系统的未对准“d”与不平衡“e”之间的比率对转子的旋转频率(角速度)ω1与系统的临界频率(共振)ω₀之间的比率的依赖性的图表，关于；此外在此情形中，通过仅考虑系统的一个自由度简化此处理；

图3示出了在转子上没有预载荷的情况下，分别由于向心力(通过LPS滑动件施加在转子上)与离心力(其也凭借不平衡“e”和/或移动＝未对准“d”作用在转子上)导致的影响之间的质量对比的图表；应该指出的是对于d＝d*来说力的和等于零；

图4非常示意性地分别示出了处于静止并且在载荷下的液体包装滑动件(8)，或者LPS滑动件(具有抵靠相对滑动表面2的挤压δ)；

图5具体示出了用于LPS滑动件的多个构造、布置与限定件；

图5a)在前视图中示出了九个(＝3x 3)具有半球形形状的LPS元件，限定件(6)也称作防护或保持架壁，即想象具有被所述半球形填充的面积l²的具体正方形表面；布置在各半球形周围的限定件/壁(6)防止将液体保持在相关半球中的滑动件的隔膜(8或9)的任何向外的移动；

图5b)示出了(总是想象在面积l²上的相对平面图)缺少限定件的的四个球形盖LPS；

图5c)示出了(总是想象在面积l²上的相对平面图)缺少限定件并且具有较大尺寸的单个球形盖LPS；

图6示出了载荷(W)对挤压(δ)的量化图表；应该指出的是曲率半径越小，对挤压的反作用越大，b)和c)表示前述图5的相应情形；

图7示出了在滑动件的系统的转子上的总力fT(由于不平衡“e”并且由于转子相对于处于静止状态的转子的对称轴的位置的转子的移动或未对准“d”，通过在横坐标上方示出的LPS轴承的向心牵引与横坐标下方的离心力的总和提供)，即LPS元件被充分地预载荷以便以最大角速度ω_M工作并且在存在转子自身的不平衡“e”的情况下；已知设计速率ω_M越大，要求的越大；此外从而fT在d＝0出具有最小值，不平衡“e”越大，在预载荷以后在系统LPS的刚性“dW/dδ”必须越大；

图8是在可能的实施方式中的本发明的设备的特定结构形状的示意性横截面试图(与转子的轴的轴线正交)，通过“前哨单元”类型(4)的4个LPS液体包装滑动件布置在“战略性”位置(这里以90°的间隔)以便在转子(5)的旋转过程中获得关于载荷的分布的信息；

图9是图8的放大细节的视图，其特别地示出了其必须想象完全地围绕每个元件LPS(3；4；10)的限定件(或者防护壁或保持架壁)(6)，以及与LPS包装或前哨单元(4)相关的传感器(7)。

图10是描述了安装在转子(5)上并且设有用于调节预载荷(11)的通用设备以及可以例如是压力传感器的传感器(7)或载荷元件的预载荷元件(10)的细节的视图。

具体实施方式

飞轮(或转子)的自居中功能原理的解释。

通常地，在机械或电机械系统中，振动的原因具有多种类型。因此，这些系统中的每个通常特征在于其多个频率。

然而，为了简单起见，在实例中将仅测验一个自由度的情形。在任何情形中，认为这足以描述本发明的潜在原理。

d0是当恒定力F0施加到那里时固定到具有弹性常量k的本体的质量M的移动。如果力施加到此系统，但是振幅F(t)随着频率ω1在0与F0之间变化，那么将通过公式提供质量M的移动d：

$d=\frac{d_0}{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中 ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{M}}.$

当ω₀＝ω₁时系统是共振的(参见图1的图表)。

现在，考虑转子：

M＝转子的质量

＝转子的质量中心距离转子的轴的距离(不平衡)

＝转子的轴距离旋转轴的理想的移动/未对准

＝转子的角速度

＝系统的临界频率。

在此情形中，转子将受到离心力，其除了以角速度ω1旋转以外，具有取决于此角速度的模量的强度。实际上：

和通常不同于彼此，因为取决于系统的特征，而通过外部致动器设定然而，整个系统都将以与离心力相同的频率，即ω1振荡。

对于给定的不平衡e来说，Fc随着转子的轴的移动d线性地增加并且因此构成去稳定力。

能够与现有技术的装置中的此离心力相对的任何稳定力必须通过轴承与轴的方式施加到转子，这由此需要尽可能刚性与平衡。由磁性支撑件支撑的转子是例外，这然而意味着主动控制以及更加复杂的实施方式。本发明替代地允许设计相当轻质的转子系统，具有简单的结构并且不要求主动控制，与此同时放松了轴承的一定要求。

如果系统不共振弹性力F_e＝kd可以能够平衡离心力。

因此，在平衡条件中：

F_c＝Mω₁ ²(d+e)＝kd＝F_e。

$\frac{d}{e}=\frac{M{{\mathrm{\ω}}_1}^2}{k-M{{\mathrm{\ω}}_1}^2}$

利用 ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{M}}$ 人们获得 $\frac{d}{e}=\frac{\frac{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}{1-\frac{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}$

因此，对于ω₁＞＞ω₀来说，转子将围绕其质心旋转，并且对于ω₁＝ω₀来说系统将是共振的。(参见图2)。

因此，即使在存在小的不平衡的情形中，对离心力的线性弹性反作用也产生振动与共振。对于小的弯曲来说遵守胡克定律的转子的轴，例如，构成具有此行为的弹性系统。类似地，箔轴承式样的轴承，即使安装在转子的外周边上，也不会解决共振的问题(前提是在最简单的结构中它们对载荷的反作用与d近似线性地成比例)。

在本发明中，轴不具有对作用在转子上的离心力产生弹性反作用的任务，通过安装在转子的周边上的液体包装滑动件(LPS)完成此功能的大部分并且将在下文中对此进行描述。

现在，此LPS滑动件或轴承的弹性反作用不是线性的。对于小的变形来说，可以通过公式估计：

因此，在平衡条件中我们得到：

Mω₁ ²(d+e)＝k_LPSd²。

k_LPSd²-Mω₁ ²d-Mω₁ ²e＝0

现在，设定得到：

因此：

因此，当ω₁＞＞ω_*时，获得以下解决方案：

$\frac{d}{e}=-1---a)$

以及

$\frac{d}{e}=2\frac{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}{{{\mathrm{\ω}}_{*}}^2}---b)$

其中通过应用定律获得公式a)。

解决方案b)由于系统被外部地限定因此不具有物理重要性。因此，d＝-e即，一旦更加在其质量中心周围转子就趋于旋转，使得，通过e≠0，其振动。

关于上面情形(通过Fe＝kd类型的弹性线性力平衡的离心力)的仅有区别是共振不再位于附图中。

这已经是好的结果，但是目标是同样消除振动。

此解决方案包括LPS滑动件或轴承的适当预载荷。

必须观察到预载荷必须通常与离心力同相，其以频率ω_1旋转。因此，在本发明的实施方式中，其中除了共振以外还期望消除甚至有限振幅的振动，将要做的最简单的事情将是直接在转子上获得具有预载荷元件(10)的功能的几个特定元件，在定子的内表面上获得相对的滑动表面。当然，如果其它LPS元件(3；4)固定到定子(2)的内表面，预载荷元件(10)必须沿着不同轴或径向位置固定在转子(5)上以便在旋转过程中不与其它LPS元件(3；4)干扰。此预载荷元件中的每个都将设有与前哨单元4类似的压力传感器，以及具有如权利要求7中的预载荷装置，适于以独立与全部其它元件的方式调节器内部压力。通过这种方式，以足够数量固定在转子的外表面上的预载荷元件，将随其一体地旋转，必要地与离心力同相以便平衡。

可操作地，可以通过利用以下程序获得对于消除在给定设计速度ω_M的振动必要的预载荷：

1.以相同的初始压力加压全部的预载荷元件；

2.使得转子以速率ω_M旋转并且测量在各预载荷元件内部产生的压力变化，此变化是由于基于不平衡的载荷的不均匀分布；

2.旋转停止，并且通过前述预载荷装置，当电机以速率ω_M旋转时在预载荷元件内部获得与此检测到的类似的压力分布。

在此点处，转子将以速率ω_M平衡。

让我们以数学方式检查，适当的预载荷如何能够消除全部振动。

设定k_LPSd²＝Mω_M ²e，并且试图补偿用于空运动的离心力(＝Mω_M ²e)的值d*。

这与期望的预载荷相对应。

人们获得d*＝±√(Mω_M ²e/k)＝±ω_M√(Me/k)，利用ω_M＝最大设计速率，并且k≡k_LPS来简化公式。

用于LPS轴承的预载荷条件成为：

Mω₁ ²(d+e)＝k(d+ω_M√(Me/k))²    (3)

通过解决d中的二次方程(3)，人们获得判别式：

Δ²＝M²ω₁ ⁴-4√kω_M√(Me)Mω₁ ²+4kMeω₁ ²，通过其

对于ω₁→ω_M  Δ²＝(M·ω_M ²–2√kω_M√(Me))²以及解决方案来说，通常对于ω₁→ω_M

d＝(2kω_M√(Me/k)-Mω_M ²±Δ)/2k  即d₊＝0。

通过此其遵循ω₁→ω_M，d→0。

相反，d_-＝2ω_M√(Me/k)-Mω _M ²

k

由于转子系统受限制并且d由此不能采用大的值因此后面的解决方案将被抛弃。

此外，然而，转子也必须是稳定的。

因此，对于d＝0来说其必须保持真使得总力

F(d)≡k(d+ω_M√(Me/k))²–Mω₁ ²(d+e)满足最小情形，即：

F′(d＝0)＝2ω_Mk√(Me/k)-Mω₁ ²＝0

即：

4ω² _MkMe＝M²ω⁴ ₁

通过其，通过写入代替k：

$\frac{4{{\mathrm{\ω}}^4}_M{M}^2{e}^2}{d^{*2}}=M^2{{\mathrm{\ω}}^4}_1$

并且由此：

$d^{*}=2e{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_M}{{\mathrm{\ω}}_1}\right)}^2---\left(4\right)$

因此，为了防止全部振动，预载荷d*必须大于不平衡并且此外使工作频率远离最大设计频率。

我们回忆此条件(4)在我们简化的近似中是正确的，与向心力相对的力的结果是类型然而，清楚的是即使与离心力相对的力的所述形成的力的精确形式略微不同本发明潜在的构思也保持正确。

可以图表地示出相同的概念，由于这构成定性的尽管可能更加直接的方法。

此外，下面的考虑对于理解由LPS滑动件的形状执行的作用来说可以是有用的并且为此原因该形状的正确选择是如此重要的。

参照本专利申请所附的图3，为了简单起见，其假设ω₁＝ω_*＝ω(不那么有利的条件)并且其，在静止处，转子优选地相对于其中心线对准，即d(ω＝0)＝0。假设在没有抵靠后者的预载荷的情况下LPS轴承很少接触转子。然后，当系统开始旋转时，d趋于增加直到其达到由上面等式(2)(1+√3)e提供的值，并且离心力将同样实现。

随着d的增加，LPS的向心反作用也增加，但是具有不同的规则(～d2)，并且最终地其平衡或补偿离心力。

距离d*(图3)，为此LPS滑动件或轴承的向心反作用平衡或补偿转子上的离心力，可以如上面示出的通过适当地预载荷这些LPS滑动件取消。通过此种方式，对于转子的给定速度来说，当转子的轴与系统的中心线一致时，此外在存在相同转子(参见图7，总力fT)的小的不平衡的未对准的情况下，达到系统的最小能量U。

系统在曲线的最小处是稳定的：

$U\left(x\right)=-{\∫}_{K0}^{K}F\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{d\ξ}+U\left(x_0\right)$

其中F(ξ)是基于运动的总力。

由于此推理是正确的，在两个绝对值相互补偿的点处，由于不平衡/未对准，因此LPS液体包装推力轴承的离心反作用曲线的倾斜或坡度必须大于离心力的坡度。只要人们正确地旋转LPS轴承的形状就证实此情形。通过术语LPS滑动件的“适当的预载荷”，其旨在人们必须考虑全部这些因素。

现在，尽管e≠0，对于d＝0来说离心力的绝对值类似ω²改变，LPS滑动件的向心反作用的绝对值仅通过预载荷确定并且不随着旋转速度改变。因此，具有适当的良好平衡的转子总是极其重要的。

也就是说，可以容忍转子的轴的甚至相对大的未对准(例如，基于存在横向重力的情况下的相对柔性的轴)因为其可以更加容易地以地速率补偿(即，立即在开始以后在装置达到较大速度以前)。当然地由于相对于轴的刚性的要求可以不那么严格，因此这构成了相对于传统装置的重要优点。

仅可以通过考虑LPS液体包装滑动件或轴承的形状以及它们的内部压力建立适当的预载荷。

通过广义拉普拉斯公式提供横跨隔膜的压力突变，

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{\τ}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})$

其中R1与R2是隔膜的表面的曲率半径并且隔膜的张力τ取决于隔膜的表面积(这对于液体不是真的，其中对于液体表面张力不取决于液体的表面积)。

空气膜(或者形成在LPS轴承与相对滑动表面之间的空气通道)必须经受的载荷大致通过隔膜(接触区域)的平坦部分的面积与跨越隔膜的压降之间的乘积提供。通过隔膜的张力τ、通过未变形隔膜(没有载荷)的初始形状、通以及通过LPS滑动件抵靠相对滑动表面(例如飞轮的表面)的LPS滑动件的挤压δ确定预载荷；参见图4。

张力还取决于构成材料的特性的弹性模量E。因此，对于任何一种给定的材料以及限定的初始形状来说，载荷(W)的图表可以设计为挤压(δ)的函数。

在本说明书的下文中，参照图5并且参照相应的图6。

下面的实例示出了对于给定的面积l²来说特定的几何构造影响LPS系统的刚性。

本发明实际上考虑选择自居中转子，其中以使LPS滑动件或轴承的刚性优化的方式选择安装在所述转子的周边(边缘)上的LPS系统的几何构造，以便获得具有ω的最大可能值和不平衡“e”的估计值的最小值的稳定系统(在转子的制造过程中此不平衡(e)在任何情况下都必须减小到可能的最小值)。

换句话说，此几何构造对于特定挤压(δ)相对于未受到载荷的系统趋于使LPS轴承的隔膜8的表面的曲率的变化最大化。本发明还包括这些情形，其中还通过考虑可能的设计要求/参数相对于非加载系统对于给定的挤压(δ)的表面的曲率的优化(最大化)的情形，这可能导致LPS隔膜的形状不同于理想的理论形式。

参照图5，具有面积l²的特定的正方形表面可以如上述附图示出的被不同的LPS构造填充。情形a)的LPS包装滑动件由防止隔膜(8)(LPS滑动件)朝向外部的任何移动的壁(6)限定，以便迫使隔膜(8)自身以比类似的非限定隔膜(8)更低的曲率半径弯曲。例如参见关于在LPS滑动件的此系统的载荷下的性能的图6的图表的实例。在图6中还指出曲率半径越小，载荷W的反作用越大。字母a)、b)和c)表示图5的情形。

现在，返回图5，如上所述，情形a)的防护壁6迫使隔膜(8)比未受到束缚的隔膜弯曲更多。为了正确地执行其功能，所述防护壁必须与沿着其固定线，即沿着其中隔膜(8)从其所固定到的刚性结构“出来”的周边线，与隔膜(8)的表面相切。通常地，此刚性结构是可移动的以便能够使滑动件抵靠所述相对滑动表面(图4，右侧)从静止位置(图4，左侧)朝向预载荷情形移动，或者可以通过增加滑动件的包装内部的液体(“膨胀”或者喷射液体)的内部压力获得预先加载。

最终，图7示出了由液体包装滑动件(LPS)或轴承的系统提供的作用在转子上的总力fT，其具有足以能够以最大设计角速度ω_M下工作的预载荷并且在存在不平衡“e”；观察到对于d＝0来说总力(离心力与向心反作用的矢量和)必须具有最小值以便确保转子5的稳定性。

在图8和图9中，示出了实施方式其中液体包装滑动件(LPS滑动件)(3)安装在定子(2)上，同时转子(5)的外(圆柱)表面构成相对滑动表面，即直接地面向内(圆柱)表面上的表面以将LPS轴承安装在定子(2)上。首先，还观察到数量(4)和(10)指示液体包装滑动件(LPS滑动件或轴承)，但是这些(即使它们基本上具有与在本发明的具体实施方式中通过附图标记(3)指示的LPS滑动件共同的多个特征)构成所谓的“前哨单元”(4)或者所谓的预载荷元件(10)，在下文中将以彻底的方式阐明其功能。

此外，观察到用于安装LPS滑动件(3)和(4)的构造可以与图8和图9中示出的本发明的实施方式相反；即所述滑动件(3)和(4)可以布置在定子(5)的外表面上，然后这可以构成面向定子(2)的内表面的安装表面，后者然后表示相对滑动表面。

在描述与前哨单元(4)相关的功能与重要性以前，观察到为了具有LPS滑动件抵靠相对滑动表面的特定初始预载荷，适合提供允许调节此预载荷的机械装置。液体包装滑动件(3；4)的预载荷装置有利地包括可移动结构(为了简单的目的在图8和图9中未示出)，LPS滑动件以及机械致动件(例如小活塞，在图8和图9中同样未示出)直接地安装在其上以便按压相关的LPS滑动件(3；4；10)，致使其抵靠相对滑动表面(或者根据上述的模式，并且如权利要求7中具体描述的)的挤压(δ)。

现在将更加详细地描述前哨单元(4)以及它们的核心优点。

可能故障的容限与初期恶化的及时检测。

以上述方式布置在转子周围的独立于彼此加压的一定数量的液体包装滑动件能够获得LPS滑动件的故障容忍系统。对传统球轴承的单个球造成的损坏，由于检查装置的故障或者由于磨损或润滑的恶化，可能造成形成快速恶化以及最后甚至整个机构的功能无规律。然而LPS轴承的单个、独立地加压的液体包装的损坏或者甚至破坏，将导致破损的隔膜(8)或(9)的立即加压，这由此将不再承受载荷，而且将不再对转子(5)产生损害。

通过此种方式，如果足够数量的加压包装保持加压，那么此系统不会经历任何损坏并且机构可以继续运行。

如果足够数量的LPS滑动件都同时地一起工作时，这些中的仅一个的损坏仅涉及对于剩余滑动件的载荷的微不足道的增加，从而系统的形成保持基本上相同。已经在WO2004/053346中示出了单个液体包装元件的破损的可容忍性。在本发明中，通过引入具有防止故障的单个、特定功能的LPS滑动件使用本构思，此功能未在前面引用的发明中构想。

实际上，可以特别地通过使得比其它LPS滑动件更弱的方式特别地获得几个LPS滑动件，这将称为“普通LPS滑动件”；较弱的LPS滑动件将被称作“前哨单元”。

此前哨单元可以以使得具有有限尺寸的方式获得，以便尽可能低地支持总载荷百分比，以加强使得单个前哨单元的故障不影响整体性能的构思。

在一些方面下，在前哨单元特别地制成是系统的最弱部件的前提下，在前哨单元的破坏指示已经超过操作极限的意义上，前哨单元用作电子装置的熔断器。

关于电熔断器的重要区别然而在于如果LPS前哨单元“烧坏”，这不停止此系统的事实，由于此系统在上面阐明的意义上是故障容忍的。相反地，前哨单元的破坏仅标志需要替换/更新轴承系统。

关于电熔断器的另一个区别是LPS前哨单元不用于保护系统的剩余部分免受损坏；它们代表诊断装置而不是保护装置。

前哨单元4与其它普通滑动件(3)并联地工作，而电熔断器串联地工作。LPS前哨单元(4)还可以经受由于延长运行由于逐渐恶化的过程的损坏，而不是跟随它们操作条件的不可支持/不可持续的变型。

在没有直接人员监管的自动运行的情况下，诸如对于用于控制卫星的姿势的CMG设备的轴承来说，前哨单元的故障可以由此使得可能的系统故障是可预测的，由此在此情形中远离地球布置控制以便采用适当的对策。

设有前哨单元的LPS轴承的早期恶化的适当信号通过监控LPS前哨单元是容易可获得的，以便容易地检测它们可能的不规则性。如在图9中指出的，可以通过传感器(7)的方式执行此监控。例如：

-能够检测LPS隔膜内部压力的变化的压力传感器，将立即地指示隔膜的破损及其随后的降压；

-载荷元件可以用于检测由于隔膜破损的载荷的变化；

-光学装置可以检测前哨单元的隔膜的形状的显著变化，这可能是由于其破损；

-测量LPS前哨单元内部的液体的温度的温度传感器，可以指示由于液体的损失的温度的不规则变化。

应该强调的是上面列出的用于检测前哨单元的损坏或者其不规则作用的装置应该视为仅是示例性的。因此，容易理解的是在前哨单元中使用其它检测装置可以要求为在本发明自身中。

原则上，在LPS元件上的径向载荷不是必须以非均匀方式分布在飞轮周围。因此，几个LPS元件可以比其它更加拉紧。为了解释此可能性，前哨单元将定位在关键即战略性位置处，以便监控在系统的几个点处的操作情况。

实际上，通过为此前哨单元提供特定传感器，此系统可以具有能够检测不规则性或者非标定功能情形的其它特征。例如，在各前哨单元中的压力传感器可以监控相关的内部压力，这继而与载荷的局部情形相关。这将构成信息的要素/重要件，由于围绕飞轮的非均匀载荷分布可能造成几个普通类型的液体包装滑动件(LPS滑动件)的预成熟破坏(即，除了前哨单元的破坏以外)。因此，前哨单元的功能可以不限于仅供给“是/否”类型的信息：它们还能够供给设备的一般功能条件的更完整的观点。

因此，本发明具有与现有技术区别的多个方面与优点。尽管现有技术的飞轮被其旋转轴周围的球轴承或辊子轴承支撑，根据本发明相同的飞轮被自动地支撑并且通过多个独立的LPS轴承居中，在此意义上，在这些中的一个破坏最多造成分散在周围环境中少量液体流出，而不干涉其它LPS液体包装的功能。在滑动件/轴承中产生的热量，除了更低以外还通过容纳在包装中的液体传送并且快速地分散。再次，前哨单元(其也执行轴承的功能)的破坏指示在特定的随后期间中的系统故障的可能性，并且由此前哨单元用作不与系统的功能性冲突的诊断装置(以便采取可能的对策)。与前哨单元相关的适当传感器的监控，此外在没有其损坏的情况下，可以供给关于全部功能的有用信息，例如指示在不同LPS元件之间的载荷的不规则分布。最后，可以在转子上而不是在定子上获得设有独立传感器与预载荷装置的几个元件，以便能够以使得在一定设计速度处完全地消除振动的方式引入与转子自身的可能的不平衡相关的离心力同相的预载荷。因此，尤其应用到卫星的CMG设备的飞轮的本发明提供了通过本技术领域的技术人员不容易直观知道的多个优点。

Claims (18)

1.一种旋转设备，包括：

与旋转轴(1)一体的转子(5)；定子(2)，其与所述转子(5)共轴并且其直接地面对所述转子(5)的外周边，以相对于所述后者形成环形间隙；液体包装滑动件(3；4；10)，其包括用于容纳液体的隔膜(8)并且在所述转子(5)的旋转过程中用作径向轴承，所述隔膜特征为张力(τ)以及高弹性模量(E)，即当牵引时基本上刚性，所述旋转设备提供用于抵靠相应的相对滑动表面预载荷所述液体包装滑动件(3；4；10)的装置，

其特征在于，所述液体包装滑动件(3；4；10)通过使它们的隔膜(8或9)固定到所述定子(2)内部的安装表面或者到所述转子(5)外部的安装表面而安装在所述周边环形间隙的内部，与所述安装表面相对的表面构成所述相对滑动表面；并且其中，给定所述转子(5)的可能不平衡(e)的预计最大值，并且给定所述转子(5)的最大设计角速度(ω_M)，通过所述液体包装滑动件(3；4；10)施加在所述转子(5)上的向心反作用力，使得通过限制由于所述转子(5)与所述定子(2)之间的可能的小的未对准和/或由于用于各旋转速度ω≤ω_M的向心力Mω²e的振荡的振幅来防止共振，假定“M”是包括所述轴(1)的所述转子(5)的质量；并且其中，所述液体包装滑动件(3；4)的弹性刚性(dW/dδ)使得作用在所述转子上的总力(fT)在d＝0具有局部最小值。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液体包装滑动件(3；4)的至少一个构成前哨单元(4)，其适于检测随着时间的经过可能造成其隔膜(9)的破损的过度载荷或过度磨损。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述至少一个前哨单元(4)与压力传感器(7)相关以便连续地或者间歇地测量通过所述隔膜(9)保持的液体的内部压力，以便验证在所述相关液体包装滑动件(4)外部的可能的液体损失。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述前哨单元(4)中的至少一个具有比普通类型的其它液体包装滑动件(3)更小的尺寸，其中，其它液体包装滑动件(3)不具有预测可能的设备故障的功能，并且因此该前哨单元(4)相对于普通类型的液体包装滑动件(3)支持较小百分比的总载荷。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述前哨单元(4)布置在战略位置处以便恒定地或者间歇地监控载荷在所述转子上即围绕所述转子自身的可能的非均匀分布，前提是它们距离彼此以规则间距设置在普通类型的液体包装滑动件(3)之间。

6.根据上述权利要求2至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述前哨单元(4)中的每个都与不同类型的一个或多个传感器相关，其中，一个或多个传感器适于检测其破损和/或所述承受载荷的变化，所述传感器(7)例如从以下类型中选择：

压力传感器；

测压元件；

光学传感器；

温度传感器。

7.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，用于预载荷所述液体包装滑动件(3；4；10)的所述装置(11)包括可移动结构以及用于致使所述滑动件(3；4；10)与所述相对滑动表面之间相对压紧的致动器，或者所述预载荷装置(11)包括用于改变所述液体包装滑动件(3；4；10)中的液体的内部压力的装置。

8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，通过利用下面措施中的一个或多个调节所述液体包装滑动件(3；4；10)的所述刚性(dW/dδ)：

通过例如利用小活塞的动作来调节液体的内部压力，其中，小活塞推动来自通过相应的导管与液体包装内部联通的箱体的液体；

提供具有甚至不均匀的曲率的表面，但是其在非拉紧放置状态中适配所述液体包装滑动件(3；4；10)的所述隔膜(8)的表面；

一旦以下被设定就提供适当的挤压(δ)：液体以及含有它的隔膜(8)的材料，所述液体的内部压力，以及对于δ＝0来说所述滑动件(3；4；10)的所述隔膜(8)的形状；

沿着所述隔膜(8)的边缘在其边缘处提供保持架/防护壁/限定件(6)以便固定到所述安装表面。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述保持架/防护壁/限定件(6)构成止动件，止动件限定所述转子(5)的最大振荡振幅并且通过使在接触的情形中对所述相对滑动表面损坏最小化的材料形成。

10.根据上述权利要求2至9中任一项所述的设备，其特征在于，在所述转子(5)上固定足够数量的LPS元件(10)以便能够引入与由于所述转子(5)的所述不平衡“e”导致的离心力同相的预载荷，能够以特定速度平衡所述离心力。

11.根据上述权利要求2至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述前哨单元(4)的隔膜(9)凭借其具有以下特征中的一个或多个的事实，适于在其它类型的液体包装滑动件(3；10)的隔膜(8)之前破裂；

以使得比其它类型的液体包装滑动件(3；10)的隔膜(8)更小例如更小50％的方式校准其厚度；

其材料不同于并且抵抗性差于其它类型的液体包装滑动件(3；10)的隔膜(8)；

其具有校准厚度小于其它类型的液体包装滑动件(3；10)的校准厚度的抗磨损和/或抗摩擦表面涂层；

其具有比其它类型的液体包装滑动件(3；10)的抵抗材料更差的抵抗材料的抗磨损和/或抗摩擦表面涂层。

12.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，还设有轴向推力轴承，或者同时地设有径向与轴向推力轴承(径向/轴向相对于推力方向)，其中这些中的至少一个但是优选地全部构成液体包装滑动件。

13.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，沿着隔膜(8；9)的边缘设置的所述保持架/防护壁/限定件(6)与隔膜(8；9)的表面在它们的固定边缘或线处相切。

14.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，其构成用于控制所述卫星的高度的所谓的CMG(控制瞬间回转仪)设备，其中所述转子(5)包括由电机驱动的飞轮(5)。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，在所述飞轮(5)的旋转过程中具有径向和/或轴向推力轴承的功能的所述液体包装滑动件安装在所述飞轮(5)的外部径向表面上，外部径向表面因此构成所述安装表面。

16.根据上述权利要求1至13中任一项所述的设备，其特征在于，如果所述设备构成涡轮装置、泵、涡轮机、压缩机等的一部分，那么所述转子(5)除了叶片等的系统以外，还包括环，该环的外表面形成用于所述液体包装滑动件(3；4；10)的安装或滑动表面。

17.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，至少几个但是优选地全部液体包装滑动件(3；4；10)独立于彼此被加压，以使所述设备容错。

18.根据上述权利要求中任一项所述的设备用于优化CMG设备的飞轮的功能并且用于及时地防止其故障的用途。