CN104712380B - 具有背盘密封件和排出口的压缩机或涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有背盘密封件和排出口的压缩机或涡轮机，特别地涉及安装在壳体中的涡轮机或压缩机叶轮。叶轮被承载于均安装在壳体的壁中的两个径向轴承上。该壁具有不受到诸如轴承的运动部件阻碍的排出孔口。该壁还具有圆形的密封构件，该密封构件在仅有非常小的间隙的情况下朝向叶轮的背盘延伸。密封构件由比叶轮的材料显著更软的材料构成。

Description

具有背盘密封件和排出口的压缩机或涡轮机

技术领域

本发明一般地涉及压缩机和涡轮机，并且更具体地涉及在轴承安装中具有轴承壳体软密封件和校准排出口的径向涡轮机和/或压缩机叶轮。

背景技术

许多机械的和电机械的机器都是旋转机器。这些旋转机器典型地包括由一个或多个子壳体形成的旋转设备壳体并且包括转子，转子具有多个叶轮、电绕组、磁体以及其他可以沿着转子排列的此类转子设备。典型地，这样的转子由一组轴承支撑在壳体内，轴承包括在沿着转子的多个轴向位置中的多个径向支撑轴承，以及在至少一个轴向位置中的一个或多个轴向支撑轴承。

典型地，转子被设计及平衡以使偏轴运动最小，并由此使径向支撑轴承的尺寸和旋转能量损失最小。然而，可沿着转子排列的大量叶轮和其他转子设备可以提供大量的轴向力。由转子设备产生的轴向载荷的总和必须由轴向支撑轴承吸收。因此，对于这样的转子而言，具有产生影响性能、重量、成本和功能寿命（例如由于磨损）的旋转阻力的轴向支撑轴承并非是罕见的。

旋转压力改变叶轮（例如压缩机叶轮和涡轮机叶轮）在许多旋转机器中被用作转子设备。例如当期望对气体加压时，压缩机的叶轮在转子上可以被连接至形成旋转动能来源的一个或多个转子设备（例如电马达的绕组）。同样，涡轮机的叶轮可被连接在转子上作为转子设备，以形成动能的来源以驱动各种其它转子设备，例如发电机的绕组。压缩机和涡轮机可以被组合在涡轮增压器中，涡轮增压器典型地被构造成在转子上具有转子设备，该转子设备包括涡轮机叶轮和压缩机叶轮，从而将加压空气提供至发动机，随后使用加压并加热的排出空气以在转动压缩机叶轮时驱动涡轮机叶轮。

一些旋转机器被构造成在几乎恒定的工作状态中工作，该工作状态仅仅在起动和停止状态时改变。这些设备可被设计成具有轴向载荷特征，该轴向载荷特征通过在恒定工作状态中具有来自转子设备的抵消轴向力而使得轴向转子力最小。

其他旋转机器被构造成在多种工作状态中工作。对于这些设备，可能希望在任何工作状态中将每个转子设备产生的轴向力最小化，从而在任何工作状态中将所有转子设备的最高总轴向力最小化，以及/或者在旋转机器的寿命期间将力的净有害效果最小化。这些设备优选地被设计成具有轴向载荷特征，该轴向载荷特征被调节至转子设备轴向转子力的最优组合，即通过具有来自不同转子设备的抵消力，其使得基于旋转机器要求的性能、重量、成本和功能寿命最大化。在任一情形（恒定的工作状态或者多种工作状态）中，所期望的是转子设备的设计可以被调节至旋转机器的特定轴向载荷需求。

径向流叶轮和混合流叶轮（即部分径向且部分轴向流的叶轮）在形成压缩机和涡轮机的旋转机器中是经常使用的转子设备。这些叶轮通常包括轮毂和围绕轮毂排列的多个叶片。轮毂包括承载和支撑叶片的叶片表面，还包括为了本专利申请目的的背表面，该背表面将被称作“背盘”。典型地，背盘面向轴承壳体的壁，该轴承壳体是旋转设备壳体的子壳体。

在叶轮工作期间，气体（例如空气或排气）从进口导流器经过叶片至出口导流器，引起气体的加压改变。该气体中的一些可能从叶片之间的预期气体路径渗漏至轮毂后的背盘腔，背盘腔在背盘和背盘后面的壁（例如轴承壳体的壁）之间。该气体可引起转子上的不期望的轴向载荷。

已经知道在背盘上形成周向延伸的突出部（环形减速突起）以使得到背盘腔中的气体流量最小。由于减速突起和背盘后面的壁之间的接触将引起工作和机械可靠性的显著下降，这样的减速突起与背盘后面的壁必须具有显著的间隙。这种大的间隙限制了减速突起的有效性。

还知道从背盘腔经过轴承壳体中的轴承排出气体，该轴承壳体形成了背盘后面的壁。该排出口的流量是不受控制的，并且由于轴承磨损可随时间改变。

相应地，需要一种旋转机器构造，其包括具有轴向载荷的转子设备，该轴向载荷可通过控制背盘腔中的气体压力而被精细地调节。本发明的优选实施例满足这些要求和其他要求，并提供进一步的相关优势。

发明内容

在各种实施例中，本发明解决了上述需求中的一些或全部，典型地提供一种成本有效的旋转机器，其特征在于由于转子叶轮的背盘后面的压力而被最小化或被调节的轴向载荷。

该旋转机器包括壳体和转子。转子被构造成在壳体内沿着转子旋转轴线而旋转。转子包括旋转压力改变叶轮，例如压缩机叶轮或者涡轮机叶轮。该叶轮被构造成具有轮毂并具有多个叶片。叶片被构造成交换通过叶片的气体的压力和转子旋转动能。对于压缩机叶轮，叶片被构造成压缩空气，而对于涡轮机叶轮，叶片被构造成被加压气体旋转驱动。

轮毂包括承载及支撑叶片的叶片表面，以及在轮毂的与叶片表面轴向相对的侧面上的背盘。壳体形成面向背盘的腔壁。腔壁和背盘限定背盘腔。

有利地，腔壁形成了将背盘腔打开至环境的孔口，环境具有与背盘腔不同的压力。所述孔口没有受到例如轴承的运动部件的阻碍。孔口为背盘腔提供出口，限制了由加压气体施加在背盘上的轴向载荷。孔口的有效尺寸可被选择以限制经过孔口的背盘腔的压力变化。

旋转机器的进一步特征可以是在仅有非常小的间隙的情况下大体上在背盘和腔壁之间延伸的背盘密封构件。背盘密封构件围绕背盘腔周向延伸，并由比轮毂和腔壁的材料显著更软的材料构成。有利地，如果间隙太小并且密封构件与另一个表面形成接触，密封构件的柔软性使其能够无关紧要地磨损。这允许将间隙设计为小于其它情况所可能的尺寸。

旋转机器的进一步特征可在于背盘密封构件从腔壁朝向背盘延伸，其中，腔壁在第一轴向位置处径向地支撑第一径向支撑轴承，并在第二轴向位置处径向地支撑第二径向支撑轴承。腔壁是轴承壳体的一部分，所述轴承壳体被构造成使得腔壁随着转子偏轴地扭转。这有利地提供了随叶轮的偏轴扭转，这限制了密封构件和背盘之间接触的可能性，从而允许比其它方式所能得到的更小的间隙。

本发明的其它特征和优点将由以下的优选实施例的具体描述连同以示例方式说明本发明原理的附图而将变得明显。正如在下文中陈述以使得本领域技术人员能够建立和使用本发明的实施例，特定优选实施例的详细描述意图不在于限制所列举的权利要求，相反地其意图在于充当所要求保护的发明的特定示例。

附图说明

图1是安装至轴承壳体的壁的涡轮机或压缩机叶轮的截面视图。

具体实施方式

上文概括并由列举的权利要求限定的本发明可通过参考以下详细说明连同阅读附图而被更好地理解。本发明的特定优选实施例的该详细描述在下文陈述以使得本领域技术人员能够建立和使用本发明的特定实施方式，该详细描述意图不在于限制所列举的权利要求，相反地其意图在于提供所列举的权利要求的特定示例。

本发明的典型实施例在于一种配备有旋转压力改变叶轮（例如压缩机叶轮或涡轮机叶轮）的旋转机器，该旋转压力改变叶轮具有限制和/或调节由该叶轮在正常工作状态期间（即在叶轮被设计以工作的工作状态范围内）产生的轴向力的改动。

参考图1，在本发明的第一个实施例中，旋转机器由壳体101和转子103形成。转子被构造成在壳体内沿着转子旋转轴线105而旋转。转子包括被构造成具有轮毂111和多个叶片113的旋转压力改变叶轮107（例如压缩机叶轮或涡轮机叶轮）。

叶片113被构造成在通过叶片的气体流115的压力的势能和转子103的旋转动能之间交换能量。例如，如果叶轮107是压缩机叶轮，该叶轮可被构造成接收周围空气，并利用转子的旋转动能对其加压。类似地，如果叶轮是涡轮机叶轮，转子被构造成接收被加压的空气（例如排气流）并降低其压力，将其势能转换为转子的动能。

轮毂111包括在轮毂的一个轴向侧上的叶片表面121。叶片表面承载并支撑叶片113。轮毂还包括在轮毂的与叶片表面轴向相对的侧面上的背盘123（表面）。背盘面向壳体101的腔壁125，腔壁125进而面向背盘。在它们之间，腔壁和背盘限定了背盘腔127的边界，背盘腔127是背盘和腔壁之间的间隙区域。

腔壁125形成了一个或多个偏离中心的孔口131，其将背盘腔127开口到具有与叶轮正常工作情况期间的背盘腔不同压力的环境中。典型地，该环境是周围压力空气。优选地，每个孔口都不受到诸如轴承部件的运动部件的阻碍，其可改变气体流动经过孔口的阻力。更优选地，每个孔口是腔壁中的校准孔。一个或多个孔口被校准以获得在背盘腔和具有与正常工作情况期间的背盘腔不同压力的环境之间的期望压力降。由此，一个或多个孔口的有效尺寸被选择以限制在正常工作期间经过一个或多个孔口的背盘腔的压力变化。压力降可因此被调节以获得背盘腔中的期望压力水平。

旋转机器还包括背盘密封构件141，其大体上在背盘123和腔壁125之间延伸。背盘密封构件优选地从腔壁轴向地突出，并围绕背盘腔127周向地延伸，形成限定背盘腔的径向范围（边界）的圆形对称突出部。

背盘密封构件由比轮毂和腔壁的材料显著更软的材料构成。如果背盘密封构件与相对的表面（例如背盘）实现接触，其将马上磨损，而不会显著地影响旋转机器的性能。这个特征允许背盘密封构件和相对的表面之间的间隙是极为紧密的。优选地，背盘密封构件由塑料组成，如果背盘密封构件与相对的表面实现接触（例如，如果其被安装至腔壁并与轮毂背盘的金属实现接触；或者如果其被安装至背盘并与腔壁的金属实现接触），其将很快被磨损。

背盘密封构件141形成多个单独的圆形轴向子突出部143。在多个不同的径向位置处，每个单独的子突出部围绕转子的圆周并朝向背盘延伸。这个特征允许不同子突出部上的不同磨损量，而同时使得整个背盘密封构件上的总压力损失最小。

为使得背盘密封构件和其相对的壁之间的间隙最小，并使得背盘密封构件的磨损最小，腔壁在第一轴向位置处径向地支撑第一径向支撑轴承151，并在第二轴向位置处径向地支撑第二径向支撑轴承153。第一和第二径向支撑轴承径向地支撑转子，而允许其自由旋转。壳体被如此调整以使得腔壁125被构造成在转子的偏轴运动期间偏轴地弯曲。这样，背盘密封构件141将偏离转子的偏轴运动。这个特征将使得背盘密封构件和其相对的表面（例如背盘）之间的接触最小，同时使得两者之间的间隙距离最小。

虽然本发明的特定形式已经被说明和描述，将明显的是可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。由此，尽管本发明已经仅参考优选实施例被详细描述，本领域普通技术人员将意识到可以在不偏离本发明范围情况下进行各种修改。相应地，本发明意图不受上述讨论的限制，而是参考所附权利要求而限定。

Claims (10)

1.一种旋转机器，包括：

壳体；以及

转子，所述转子被构造成在所述壳体内沿着转子旋转轴线而旋转，所述转子包括旋转压力改变叶轮，所述旋转压力改变叶轮被构造成具有轮毂并具有多个叶片，所述多个叶片被构造成交换通过所述叶片的气体的压力和转子旋转动能，并且所述轮毂包括叶片表面和背盘，所述叶片表面承载并支撑所述叶片，所述背盘在所述轮毂的与所述叶片表面轴向相对的侧面上；

其中，所述壳体形成了面向所述背盘的腔壁，所述腔壁和背盘限定了背盘腔，所述腔壁将所述背盘腔与轴承壳体的内部分开；

其中，所述腔壁形成了孔口，所述孔口将所述背盘腔打开至所述轴承壳体的内部，所述孔口不受到运动部件的阻碍；并且

其中，所述背盘腔形成了在叶片之间通过的气体和所述孔口之间的环形通道，所述环形通道没有其它的加压气体来源。

2.如权利要求1所述的旋转机器，其中，所述旋转机器在标准的正常工作压力范围内工作，并且其中，在所述旋转机器在所述标准的工作压力范围内工作的情况下，所述孔口的有效尺寸限制经过所述孔口的所述背盘腔的压力变化。

3.如权利要求1所述的旋转机器，还包括：

背盘密封构件，所述背盘密封构件大体上在所述背盘和所述腔壁之间延伸，所述背盘密封构件围绕所述背盘腔周向地延伸；

其中，所述背盘密封构件由比所述轮毂和所述腔壁的材料显著更软的材料构成。

4.如权利要求3所述的旋转机器，其中，所述背盘密封构件形成了多个单独的子突出部，在多个径向位置处，每个单独的子突出部围绕所述转子的圆周延伸。

5.如权利要求4所述的旋转机器，其中，所述多个单独的子突出部包括在多个径向位置处围绕所述转子的圆周延伸的至少三个单独的子突出部。

6.如权利要求5所述的旋转机器，其中，所述旋转机器在标准的正常工作压力范围内工作，并且其中，在所述旋转机器在所述标准的工作压力范围内工作的情况下，所述孔口的有效尺寸限制经过所述孔口的所述背盘腔的压力变化。

7.如权利要求3所述的旋转机器，其中，所述背盘密封构件从所述腔壁朝向所述背盘延伸，其中，所述腔壁在第一轴向位置处径向地支撑第一径向支撑轴承，并在第二轴向位置处径向地支撑第二径向支撑轴承，并且其中，所述腔壁是轴承壳体的一部分，所述轴承壳体被构造成使得所述腔壁随着所述转子偏轴地扭转。

8.如权利要求7所述的旋转机器，其中，所述背盘密封构件形成多个单独的子突出部，在多个径向位置处，每个单独的子突出部围绕所述转子的圆周并朝向所述背盘延伸。

9.如权利要求8所述的旋转机器，其中，所述多个单独的子突出部包括在多个径向位置处围绕所述转子的圆周延伸的至少三个单独的子突出部。

10.如权利要求9所述的旋转机器，其中，所述旋转机器在标准的正常工作压力范围内工作，并且其中，在所述旋转机器在所述标准的工作压力范围内工作的情况下，所述孔口的有效尺寸限制经过所述孔口的所述背盘腔的压力变化。