CN104736800A - 磁性止推轴承、涡轮机和方法 - Google Patents

磁性止推轴承、涡轮机和方法 Download PDF

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Abstract

一种止推轴承包括具有定子表面26的电磁定子22和具有面对定子表面26的转子表面36的转子盘28。转子盘28包括径向内部，径向内部由第一材料制成，直接且唯一地连接到由第二材料制成的径向外部。第一材料为耐腐蚀金属或金属合金，且第二材料为铁磁性金属或金属合金。

Description

磁性止推轴承、涡轮机和方法
技术领域
本文公开的主题的实施例大体上涉及止推轴承(thrust bearing)，并且更具体而言，涉及用于涡轮机的磁性止推轴承。
背景技术
涡轮机，如涡轮膨胀器和压缩机，可用于促进从过程流体添加或提取能量。在典型的涡轮机中，安装在轴上的叶轮或转子受支承，以用于相对于机器定子旋转。为了抵消旋转轴中的可由叶轮和过程流体的相互作用生成的推力，涡轮机可包括轴向磁性轴承。
不同于更传统的轴承，如滚子轴承或流体膜轴承，轴向磁性轴承不要求润滑剂，润滑剂可能污染过程流体。结果，包括轴向磁性轴承的涡轮机可在没有过程流体与轴向磁性轴承之间的密封的情况下操作。然而，这可导致轴承暴露于可在过程流体中存在的有害污染物。例如，如果处理天然气体，则可存在较高水平的硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、水等。这些污染物与天然气体结合来形成称为酸气的混合物，其对常规轴向磁性轴承的钢构件特别有腐蚀性。持续暴露于酸气通常导致此类构件的硫化物应力开裂。该过程可导致轴承构件过早磨坏，或更坏的是灾难性地故障。
因此，所需的是一种轴向磁性轴承，其可更容易暴露于可能具有腐蚀性的流体，且其另外可对其安装在其中的涡轮机提供改善的性能。
发明内容
根据示范实施例，一种止推轴承包括具有定子表面的电磁定子和转子盘。转子盘能够相对于转子旋转，且具有面对定子表面的转子表面。转子盘包括径向内部，径向内部由第一材料制成，直接且唯一地连接到由第二材料制成的径向外部；第一材料为耐腐蚀金属或金属合金，且第二材料为铁磁性金属或金属合金。
根据另一个示范实施例，涡轮机包括机器定子和能够相对于机器定子旋转的机器转子。止推轴承设置在机器定子与机器转子之间。止推轴承包括具有定子表面的电磁定子和转子盘。转子盘能够相对于转子旋转，且具有面对定子表面的转子表面。转子盘包括径向内部，径向内部由第一材料直接制成，直接且唯一地连接到由第二材料制成的径向外部；第一材料为耐腐蚀金属或金属合金，且第二材料为铁磁性金属或金属合金。
根据另一个示范实施例，一种制作用于涡轮机中的电磁止推轴承的轴承转子盘的方法可包括以下步骤：由耐腐蚀金属或金属合金形成轴承转子盘的径向内部，由铁磁性金属或金属合金形成轴承转子盘的径向外部，和将径向内部直接地连接到径向外部。
附图说明
并入本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或更多个实施例，且与描述一起解释了这些实施例。在附图中：
图1为涡轮机的透视图。
图2为轴向磁性轴承的示范实施例的截面图。
图3为备选实施例的转子盘。
图4示出了根据示范实施例的轴承的测试结果的实例，示出了界面的直径与存在于界面处的应力之间的关系。
图5为另一备选实施例的转子盘。
图6为另一备选实施例的转子盘。
图7为另一备选实施例的转子盘。
图8示出了根据另一示范实施例的方法。
具体实施方式
示范实施例的以下描述参考附图。不同附图中的相同参考标号表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，关于涡轮机系统的用语和结构论述了以下实施例。然而，接下来论述的实施例不限于这些示范系统，而是可应用于其他系统。
遍及说明书提到的“一个实施例”或“实施例”是指结合实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，遍及说明书在不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定是指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特点可以以任何适合的方式在一个或更多个实施例中组合。
图1中示出了包括轴向磁性轴承14的涡轮机10的示范实施例。涡轮机10为组合的涡轮膨胀器和压缩机机器，其包括机器转子12和机器定子16。机器转子12包括一对叶轮18和19，但应理解的是，其他涡轮机可包括更多或更少的叶轮。在操作期间，涡轮机10的涡轮膨胀器区段的叶轮18对压缩机区段的叶轮19提供了抗衡推力。转子推力的其他控制可由轴向磁性轴承14提供。
如图2中所示，轴向磁性轴承14包括电磁定子22，电磁定子22限定一对相对的轴向表面26。转子盘28连接到机器转子12，具体而言是转子轴，且包括一对沿径向延伸的表面36，表面36各自面对电磁定子表面26中的相应的一个。
在操作期间，传感器42对处理器(未示出)提供关于转子盘28的轴向移动的信息，处理器控制去往定子22的线圈24的功率。由线圈24提供的所得电磁力将转子盘28的径向部分34朝定子22的轴向表面26中的一个拉，以将运转间隙38保持在可接受范围内。
施加到线圈24的功率与朝定子22的各轴向表面26拉转子盘28的力之间的关系部分地取决于用于构成转子盘28的材料的铁磁性性质。具体而言，具有良好铁磁性性质的材料要求较少功率来引起转子盘28的期望的轴向移动。然而，如前所述，具有化学成分和微结构性质以便呈现良好铁磁性性质的钢成分通常更易腐蚀，具体而言是源自硫化物应力开裂。
因此，根据实施例，轴承14可包括转子盘28，转子盘28具有由第一材料制成的径向内部32，第一材料例如是金属或金属合金，其耐腐蚀且能够耐受较高的弯曲和离心负载。转子盘28还包括由第二材料制成的径向外部34，第二材料例如是金属或金属合金，其具有足够的铁磁性性质来产生对电磁定子22的功率输入的有效响应。例如，径向外部34可由提供高于0.8特斯拉的磁通量密度的材料构成，且径向内部32可由耐腐蚀材料构成。例如，径向内部32可由具有低铁磁性性质的沉淀硬化镍合金构成，如，由Special Metals Corporation制造的INCONEL®718。因此，转子盘28，且因此轴承14，可提供优异的推力修正以及改善的强度和耐腐蚀性。
径向内部31为盘形，具体是圆柱形，且径向外部34为环形，具体而言具有矩形径向截面。
径向内部32在其两侧轴向地邻近机器转子12的轴；具体而言，径向内部32和机器转子轴具有大致相同的轴向截面。
径向内部32在界面44处例如通过化学连接(如，粘合剂或焊接)直接且唯一地连接到转子盘28的径向外部34；以此方式，径向内部31和径向外部34径向地相邻。备选地或此外，径向内部32可在界面44处由机械连接(如，收缩配合、槽道和键槽布置或紧固件)连接到径向外部34。
径向内部32和径向外部34可构造成使得界面44限定围绕转子轴线48的圆，该圆设置在离转子轴线48与电磁定子22的内径46大致相同的距离处。备选地，界面44可为非圆的，且/或设置成比电磁定子22的内表面离转子轴线48更远或更近。
由于轴承的铁磁性材料是自支承的且不包封在壳或盖内，故轴承的铁磁性材料与轴承的线圈之间的间隙对应于转子与定子之间的空气间隙；以此方式，轴承的有效性最大化。
图3示出了另一个示范实施例。转子盘128包括由耐腐蚀不锈钢合金(具体而言由Special Metals Corporation制造的INCONEL®625)制成的内径向部132，和由具有足够铁磁性性质的低合金钢制成的外径向部134，以优化轴承14的功率响应。如图3中进一步示出那样，内径向部132和外径向部134由根据NACE ISO 15156(MR0175)的耐腐蚀双金属焊缝152沿界面144连接。本领域的技术人员将认识到的是，该段落中提出的特定材料和焊缝仅是例示可用于实施例中的某些材料和焊缝，且本发明不限于此种特定材料和焊缝，而是可代替地包括其他材料类型和焊缝类型。
在模拟中，测试了具有60mm的内径和360mm的外径的根据图3的示范实施例的转子盘128。在第一测试中，界面144的直径和电磁定子22的内径46提供在离机器转子12的轴线48为100mm处。在第二测试中，界面44的直径和电磁定子22的内径46提供在离机器转子12的轴线48为125mm处。100mm的样品的所得负载能力为30kN，且125mm样品的所得负载能力为20kN。因此，可看到的是，推力能力与轴承14中的界面直径大体上成反比，轴承14具有由第一耐腐蚀材料制成的径向内部132和由根据实施例的第二铁磁性材料制成的径向外部134。
图4示出了界面144的直径与存在于转子盘128的界面144处的应力之间的示范关系，转子盘128具有60mm的内径和360mm的外径，以17860rpm自旋。在100mm下，数据点64示出了界面144处大约300MPa的应力。在125mm下，数据点66示出了界面144处大约275MPa的应力。由此关系，可看出界面144上的低离心负载(应力)可在界面144沿径向远离轴线48移动时实现。
保护层(或涂层)154可施加到外径向部134的低合金钢，以便提供相对于酸性腐蚀的进一步保护。如图3中所示，保护层154可延伸超过界面144，以为焊缝152提供保护。保护层154可包括包覆，如，金属，例如，内径向部132的金属、钽、或另一耐腐蚀金属、陶瓷或聚合物涂层。此种包覆例如可通过冷喷涂沉积工艺应用。保护层154可对外径向部134提供至少与内径向部132相同程度的耐腐蚀能力。
由于转子盘128可在内径向部132上没有保护层的情况下安装，故转子盘128对机器转子12的收缩配合不太可能破坏保护层154。该特征还允许其他连接布置的容易实施。例如，且如图5中进一步所示，转子盘228可包括在界面处由双金属焊缝252附接到彼此且具有涂层254的内径向部232和外径向部234。图5的实施例还可包括端面齿联接件(hirth coupling)257和中心系杆259，以提供机器转子12与转子盘228之间的增大的联接力。备选地，且如图6中所示，转子盘328可包括在界面处由双金属焊缝352附接到彼此且具有涂层354的内径向部332和外径向部334。转子盘328可例如通过界面358处的焊缝直接地连接到机器12。在图7中所示的又一个备选实施例中，转子盘428可包括在界面处由双金属焊缝452附接到彼此且具有涂层454的内径向部432和外径向部434。转子盘428还可设有止推轴环462，止推轴环462其提供更大的表面积，以用于将转子盘428连接到机器转子12。
层154、涂层254、涂层354、涂层454不设计成将转子盘的径向外部连接到转子盘的径向内部；实际上，由于它们的很小的厚度(例如，0.5mm或更小)，它们不提供任何连接或支承功能，而是仅提供保护功能。
因此，根据如图8的流程图中所示的示范实施例，制作用于涡轮机中的电磁止推轴承的轴承转子盘的方法(1000)可包括以下步骤：由耐腐蚀材料形成(1002)轴承转子盘的径向内部，由铁磁性金属形成(1004)轴承转子盘的径向外部，和将径向内部连接(1006)到径向外部。
上述实施例旨在在所有方面为例示性的，而非限制本发明。所有此类变型和改型认作是在如由以下权利要求限定的本发明的范围和精神内。本申请的描述中使用的元件、动作或指令对于本发明而言都不应当看作是关键或必要的，除非如此明确地指出。另外，如本文使用的冠词“一个”旨在包括一个或更多个物品。

Claims (14)

1. 一种止推轴承，包括：
电磁定子，其具有定子表面，和
转子盘，其能够相对于所述电磁定子旋转，且具有面对所述定子表面的转子表面；
其中，所述转子盘包括由第一材料制成的径向内部，所述径向内部直接地且唯一地连接到由第二材料制成的径向外部；
其中，所述第一材料为耐腐蚀金属或金属合金，并且
其中，所述第二材料为铁磁性金属或金属合金。
2. 根据权利要求1所述的止推轴承，其特征在于，所述径向内部为盘形，且所述径向外部为环形，且其中，所述外部径向地邻近所述内部。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的止推轴承，其特征在于，所述径向外部焊接到所述径向内部。
4. 根据任一前述权利要求所述的止推轴承，其特征在于，所述径向外部具有涂层。
5. 根据权利要求4所述的止推轴承，其特征在于，所述涂层由耐腐蚀材料制成。
6. 根据权利要求4或权利要求5所述的止推轴承，其特征在于，所述涂层由所述第一材料制成。
7. 一种涡轮机，包括：
机器定子；
机器转子，其能够相对于所述机器定子旋转；
止推轴承，其设置在所述机器定子与所述机器转子之间，所述止推轴承包括：
电磁定子，其具有定子表面，和
转子盘，其能够相对于所述电磁定子旋转，且具有面对所述定子表面的转子表面；
其中，所述转子盘包括由第一材料制成的径向内部，所述径向内部直接地且唯一地连接到由第二材料制成的径向外部；
其中，所述第一材料为耐腐蚀金属或金属合金，并且
其中，所述第二材料为铁磁性金属或金属合金。
8. 根据权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，所述止推轴承包括在权利要求2到6中的任一项中提出的技术特征。
9. 根据权利要求7或8所述的涡轮机，其特征在于，所述径向内部至少在一侧上且优选在两侧上轴向地邻近所述机器转子的轴。
10. 根据权利要求7至9中的任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述径向内部和所述机器转子轴具有相同的轴向截面。
11. 一种涡轮机，包括：
机器定子；
机器转子，其能够相对于所述机器定子旋转；
根据权利要求1至6中的任一项的止推轴承，其设置在所述机器定子与所述机器转子之间。
12. 一种制作用于涡轮机中的电磁止推轴承的轴承转子盘的方法，包括：
由耐腐蚀金属或金属合金形成所述轴承转子盘的径向内部；
由铁磁性金属或金属合金形成所述轴承转子盘的径向外部；和
将所述径向内部直接地连接到所述径向外部。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述径向外部焊接到所述径向内部。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括将由所述耐腐蚀材料制成的止推轴环形成到所述径向内环部，以用于与所述涡轮机的转子轴接合。
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