CN105358848A - 具有适应性支承轴颈的旋转机械和操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有适应性支承轴颈的旋转机械和操作方法。具体而言，公开了一种用于操作旋转机械的方法，该旋转机械包括转子、转子轴(1)和支撑转子轴(1)的至少一个轴颈轴承(5)。轴承(5)包括轴承壳体(7)、轴承壳体中的支承表面、扭转地且轴向地配合在轴(1)上的套筒(13)、和填充在套筒(13)的外表面与支承表面之间的间隙的润滑油膜。该方法包括通过作为轴(1)的旋转速度的函数修改套筒(13)的外表面的径向尺寸来修改间隙的步骤。

Description

具有适应性支承轴颈的旋转机械和操作方法

技术领域

在本文中公开的主题涉及旋转机器，尤其但不排他地涉及涡轮机，例如，燃气涡轮、蒸汽涡轮、轴向和离心压缩机。更具体地，本主题涉及与用于此种机器的转子的轴承相关的改善。

背景技术

轴颈轴承或流体膜轴承通常用来支撑机械转子的旋转轴，例如，涡轮转子和压缩机转子的轴。图1示意地示出了涡轮机械转子100，其包括轴1，轴1被支撑在两个端部轴承103、105中。轴承103、105可为轴颈轴承或所谓的流体动力或流体膜轴承，如在图2中示意地显示的。轴1被支撑于轴承105内，其中油膜107填充在轴1的外表面101A与轴颈轴承105的内支承表面105A之间的环带或间隙。轴101的旋转生成油移动，该油移动具有会聚的油边缘109和发散的油楔或发散的油膜111。轴101通过流体动压力支撑，该流体动压力由油运动生成，且具有如在图2中显示的分布图的典型的分布图112。支承表面101A可通过轴承105的基本上圆柱形的表面或绕轴101的旋转轴线布置的多个枢转轴承垫形成。

轴颈轴承的重要的流体动力系数为轴承的刚性和阻尼。刚性涉及润滑油膜对轴颈或轴101的与其移动相反的移位的反应。轴101的向下移动与由油膜生成的向上定向的回复力对抗。竖直刚性通过回复力除轴的移位而给出。导致由油膜生成的水平回复力的水平移位导致轴承的水平刚性。

轴颈轴承的另一重要的流体动力参数是阻尼。该阻尼系数是速度相关的。轴的向下速度波动将以与吸震器相当相似的方式导致由油膜生成的向上回复力。移动越快，则由膜生成的相反力越大。还在水平方向上提供相似的阻尼作用。阻尼关于在某些操作条件下抑制振动是有益的。更大的阻尼可利用在支承表面与容纳在轴承中的旋转轴的外表面之间的更大的间隙获得。然而，更大的间隙将降低轴承的刚性，这在转子的正常操作条件下可能是有害的。有时适当的是在跨过临界速度时具有最大的阻尼，且在远离临界速度和接近全速操作时具有最大刚性。

发明内容

为了改善轴颈轴承在不同操作条件下行为，轴颈设计为使得其外径可径向地变形，来选择地减小或增大在轴颈的外表面与轴颈轴承的支承表面之间的间隙。在低旋转速度下保持更大的间隙，来在跨过临界速度时增大阻尼作用且降低放大因数，而在增大的旋转速度下，轴颈的径向尺寸增大，以减小间隙且提高轴承刚性。

根据一些实施例，提供一种用于操作旋转机械的方法，该旋转机械包括：转子、转子轴、和至少一个轴颈轴承，该至少一个轴颈轴承支撑所述转子轴且由以下组成：轴承壳体、支承表面、扭转地且轴向地配合在轴上的套筒、和填充在套筒的外表面与支承表面之间的间隙的润滑油膜。该方法包括通过作为轴的旋转速度的函数修改套筒的外表面的径向尺寸来修改在套筒的外表面与支承表面之间的间隙的步骤。

在一些实施例中，修改间隙的步骤包括以下步骤：将轴的旋转速度从第一旋转速度(例如，零)增大至第二旋转速度(例如，机械的额定速度)，在增大旋转速度时减小间隙。

在一些实施例中，修改间隙的步骤包括以下步骤：将轴的旋转速度从第二旋转速度减小至第一旋转速度，例如减小至零；在降低旋转速度时增大间隙。在从较高速度至较低速度(例如至零)的此种减速运转期间，可提供以下步骤：将轴的旋转速度维持于在第二旋转速度与第一旋转速度之间的中间旋转速度来冷却轴并增大间隙。

在优选实施例中，套筒的外表面的径向尺寸至少通过由轴的旋转生成的离心力的作用来修改。在一些实施例中，对套筒的径向尺寸的额外控制可通过例如使用加压流体(诸如但不限于油)来获得，该加压流体被输送至在套筒的面对轴的内表面与轴的外表面之间形成的环形腔。

根据另一方面，提供了一种旋转机械，其包括转子、转子轴和支撑轴的至少一个轴颈轴承。轴颈轴承包括轴承壳体，该轴承壳体具有支承表面，轴旋转地容纳于该轴承壳体中。还提供外套筒，其扭转地且轴向地被约束至所述轴且与其一体地旋转。外套筒具有面对支承表面的外表面和面对轴的内表面。套筒厚度可为恒定的，或者可沿其轴向长度变化。套筒的外表面可为圆柱形或非圆柱形。轴颈轴承可具有固定的基本上圆柱形的支承表面。在其他实施例中，轴颈轴承由多个倾斜垫组成，倾斜垫被枢转地支撑在壳体中，并且绕轴承的轴线有角度地分布。填充润滑油的间隙形成在套筒的外表面与支承表面之间。而且，套筒的外表面当轴旋转时能够径向地变形，使得填充润滑油的间隙的径向尺寸当轴旋转速度增大时减小。

在一些实施例中，轴的径向变形由离心力引起。在其他实施例中，轴的径向变形可由加压流体单独地或与在套筒上的由旋转速度生成的离心力的作用结合地控制。

特征和实施例在下面公开，且在形成本说明书的一体部分的所附权利要求中进一步阐述。上面的简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细的描述可被更好地理解，且以便使对本领域的当前贡献可被更好地理解。当然，存在本发明的将在下文中描述并且将在所附权利要求中阐述的其他特征。在该方面中，在详细地说明本发明的若干实施例之前，应当理解，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和在下列描述中提出或在附图中示出的构件的布置。本发明能够有其他实施例且以各种方式实践和执行。此外，应当理解，在本文中采用的措词和用语用于说明的目的，且不应认为是限制。

因此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的构思可易于用作用于设计其他结构、方法、和/或用于执行本发明的若干目的的系统的基础。因而，重要的是，认为权利要求包括此种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图说明

本发明的公开实施例及其附随优点中的许多的更完全的理解将易于获得，因为其当结合附图考虑时通过参照下列详细描述而变得更好理解，其中：

图1示意地示出了由两个轴颈轴承支撑的转子；

图2示意地示出了轴颈轴承的剖视图及其相关流体动压力分布图；

图3示出了根据本公开的由第一实施例中的轴颈轴承支撑的轴端部；

图4示出了配合在图3的轴上的套筒的示意放大图；

图5和6示出了显示在轴的不同操作情况下沿着套筒的轴向展开的套筒的外表面的径向移位的图示；

图7和8示出了显示作为在不同的操作情况下的轴的旋转速度的函数的振幅的图示；

图9示出了另一实施例中的具有轴颈轴承布置的转子；且

图10A和10B显示了套筒的两个实施例。

具体实施方式

示范实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同标号指示相同或相似的元件。此外，附图不一定遵循比例绘制。而且，下列详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围通过所附权利要求来限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的引用指的是与实施例结合地描述的具体特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”贯穿说明书中在各种地方的出现不一定意指相同的(多个)实施例。此外，具体特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或更多个实施例中。

图3示出了沿着轴端部和根据本公开的相关轴颈轴承的轴向平面的截面。轴以在1处示意地显示，1E是轴的端部。参考标号3示意地指示布置在轴1的端部1E与轴颈轴承5之间的密封部件。在一些实施例中，轴颈轴承5包括轴颈轴承壳体7，在其中布置轴颈轴承垫9。轴颈轴承垫以可倾斜的方式被支撑在轴颈轴承壳体中，且绕轴1的轴线A-A有角度地分布。在其他实施例中，轴颈轴承可由支承表面组成，该支承表面由围绕轴1的刚性圆柱形构件形成。

在轴1由轴颈轴承5支撑的区域中，轴1具有较小直径d的一部分。这可例如通过在轴1的外表面中加工浅的环形凹槽11而获得。在一些实施例中，浅环形凹槽11的轴向长度，即，在轴向方向上的延伸近似对应于或大于轴颈轴承垫9的轴向延伸。在其他实施例中，浅环形凹槽11的轴向长度可小于轴颈轴承垫9的轴向延伸。

如在图4中更好地显示的，套筒13绕凹槽11配合在轴上。套筒13的轴向长度L1大于凹槽11的轴向长度L2，以便套筒在其两个端部处接触轴1的外表面1S。套筒可分成三个部分，即第一端部部分13A、第二端部部分13B、和中间部分13C。端部部分13A和13B对应于套筒13的其中内表面13X与轴1的外表面1S紧密接触的区域。套筒13的中间部分13C在凹槽11上方跨过，以至于环形腔15形成在环形凹槽11的底部11B与套筒13的面对轴1的内表面13X之间。

套筒13的外表面13Y面对轴颈轴承5的支承表面。在附图中示出的示范实施例中，所述支承表面主要由轴颈轴承垫9的径向向内面对的表面9X形成。在图4中，在垫表面9X与套筒13的外表面13Y之间的距离已夸大，以用于表示的清晰性。附图因而是不成比例的。然而应当理解的是，实际上，所述距离比在附图中绘出的距离小得多。在套筒13的外表面13Y与轴颈轴承垫的内部径向向内面对的表面9X之间的空间形成环带或间隙C。由于轴1与支承表面9X不精确地同轴，故间隙C的径向尺寸以与在图2中表示的油膜相当相同的方式沿着套筒13的周向延伸可变。

轴1和套筒13的直径选择为以便沿长度I1提供第一过盈度(即，负公差)，在长度I1处，套筒13的第一端部13A与轴1的外表面1S紧密接触。该接触区域中的过盈使得外套筒13将配合在轴1上，以便在每个操作情况下，即，在轴可达到的最大旋转速度和最高温度下轴向地以及扭转地约束至其。

在一些示范实施例中，过盈也沿着在图4中的标记I2的区域生成在套筒13的第二端部13B与轴1的外表面1S之间。在一些实施例中，沿区域I2的过盈度小于沿区域I1的过盈。这允许了套筒13在增大温度条件下的自由热膨胀。套筒的第一端部13A通常朝轴的中心定向，而轴的第二端部13B通常为朝轴1的端部1E定向的端部。

在其他示范实施例中，套筒13和轴1可在尺寸方面确定为以便套筒13配合在轴1上，其中在其第二端部13B处没有过盈。

在中间部分13C中，由于在环形凹槽11的底部与套筒13的内表面13X之间形成的环形腔15，套筒13不接触轴1的外表面。

一旦套筒13已配合在轴1上，那么加工其外表面13Y，以获得y要求的外径。直径在尺寸方面确定为在套筒13的外表面与轴颈轴承5的支承表面9X之间留下间隙C。

当轴1开始旋转时，在套筒13上生成离心力。因而，不经历过盈应力的套筒部分将在离心力的作用下径向向外膨胀。在图4中，作为实例以虚线示出在离心力的作用下处于径向向外变形情况的套筒13。套筒的径向向外膨胀将间隙，即，在套筒13与支承表面之间的填充油的缝隙或环带的径向尺寸从原始值C减小至减小的值C1。

图5和6示出了沿套筒13的轴向延伸的径向移位。该径向移位已考虑到离心力以及热膨胀的作用，基于应用于如在图4中显示的轴和套筒的几何形状的有限元法(FEM)计算，该热膨胀是由轴承在增大的操作速率下的温度增大引起的。沿水平轴线记录了沿套筒的轴向位置，而竖直轴线以mm记录了径向移位。图5中的图示示出了标为RD1、RD2、RD3、RD4的四个不同曲线。各曲线对应于轴-轴承系统的不同操作条件。

曲线TD1表示仅温度的作用，而没有通过旋转生成的离心力的作用。曲线RD2、RD3和RD4显示了由在如下的增大的旋转速度下的温度和离心力的组合作用引起的径向移位：8000rpm(曲线RD2)、10000rpm(曲线RD3)、11800rpm(曲线RD4)。由于在套筒与轴之间没有过盈，故对应于套筒的部分13C的中心区域经历更大的径向移位。在图5中标绘的曲线是在沿区域I1在套筒13的第一端部13A与轴1之间的2.5°/°°的起始过盈(即，在环境温度和零速度下的过盈)和沿区域I2在套筒13的第二端部13B与轴1之间的0°/°°的起始过盈的情况下获得的。

图6例示了套筒13和轴1之间的不同初始过盈条件下的相似图示。在相同的操作条件下，相同的参考标号指示与在图5中相同的曲线。假定在区域I1中的2.5°/°°和在区域I2中的0.6°/°°的开始过盈，已通过FEM获得图6的曲线。在两个端部部分13A和13B处的过盈导致在其端部处的套筒的外表面13Y的减小的径向移位。中间部分13C经历与在图5的实例中基本上相同程度的径向移位。

套筒13的径向膨胀在两种情况下都减少在套筒13的外表面13Y与由轴颈轴承垫9形成的内支承表面9X之间的间隙。

通过在轴1上配合可径向向外变形的套筒13，轴颈轴承的几何形状因而可作为轴1的旋转速度的函数来修改。如可从上面的公开清晰地理解的，在套筒13的外表面13Y与支承表面9X之间的间隙在低旋转速度下更大(C)，且在更高旋转速度下，尤其是在轴1的额定旋转速度下更小(C1)。这导致轴承的转子动力系数的作为轴1的旋转速度的函数的修改：轴承在更高速度下更刚性(小间隙C1)，而其在更低速度下具有更高的阻尼作用(大间隙C)。

该现象尤其是在机器的起动时，即，在轴1的加速运转期间具有有益作用。当由轴1支撑的转子从零速度开始旋转至最终操作速度时，转子将跨过一个或更多个临界旋转速度，即，转子将经历共振现象的速度，带有比在全速下的轴承间隙大的轴承间隙。由共振生成的振动由于在套筒表面13Y与为9X的支承表面之间的大间隙C而以有效的方式得到阻尼。一旦转子的旋转速度高于临界速度且接近稳态旋转速度，那么轴颈轴承5由于减小的间隙C1而变得更刚性，从而由于非共振现象而减少振动作用。

在图7和8中显示的图示提供了通过轴颈轴承的可变几何形状获得的有益作用的视觉表示。在图7中显示的图示中，在水平轴线上记录旋转速度，且在竖直轴线上记录转子的振幅。曲线V1显示了当转子从0加速至额定速度RS时，在加速运转阶段期间的转子的振动。沿曲线V1显示了两个峰值P1和P2。这些峰值对应于临界速度ω1、ω2。由于在套筒13的外表面13Y与支承表面9X之间的大间隙C的阻尼作用，故峰值P1、P2相对浅。

导致与轴承的旋转动力系数有关的有益作用的施加在套筒13上的离心力与温度的作用结合，该温度当轴在渐增的速度下旋转时逐渐增大，直至当机械在最终额定速度RS下旋转时实现稳定的温度。温度增大导致套筒13的径向膨胀，这通常大于轴颈轴承的径向膨胀，这导致间隙C、C1的进一步减小。因而，如通过图7中的曲线V2示意地显示的，在减速运转期间，当旋转机械从额定速度RS逐渐减慢至零时，不存在任何其他干扰，临界速度下的振幅将大于加速运转期间。P2X和P1X分别指示在减速运转期间对应于临界速度ω1、ω2的振幅的峰值。减速运转期间的更高的振幅是因为温度引起的间隙减小。

为了当跨过临界速度时还在减速运转期间降低振幅，旋转机械可受控制，以便其将在零和额定速度RS之间的中间速度下旋转足以冷却轴颈轴承，且因而减小套筒13的径向尺寸的时间。这在图8的图示中示意地显示，其中，曲线V1与在图7中相同。减速运转曲线V2显示了对应于第二临界速度ω2的峰值P2X。当旋转机械已达到在零和额定速度RS之间中间的较低速度LS时，机械被维持在此种降低的旋转速度条件下，直至套筒13和轴1已被冷却到足以减小在套筒13的径向方向上的热膨胀，从而增大在套筒13的外表面13Y与支承表面9X之间的间隙的尺寸。然后持续减速运转，直至转子完全停止。减速运转曲线的从速度LS至零的第二部分与加速运转曲线V1几乎一致，加速运转曲线V1显示了在第一临界速度ω1下的减小的振幅峰值。

根据一些实施例，轴颈轴承的几何形状可通过在环形腔15中输送加压流体而进一步受控制。图9示意地示出转子100，转子100由轴1组成，轴1由两个轴承5支撑。轴承5可如图3和4中显示地设计。还提供冷却流体回路21，以用于将加压冷却流体输送到在轴1中形成的两个环形腔15中。流体可通过在23处示意地显示的泵送布置来流通，该泵送布置从贮存器25吸引流体。参考标号26A、26B指示输送导管，其将加压流体输送至两个轴颈轴承5。参考标号27A、27B指出了用于将流体回送至贮存器25的两个回送导管。流体可由热交换器布置29A、29B冷却。流体可穿过三级密封或在轴承附近形成的适当的孔而到达环形腔15。在一些实施例中，流体可为液体，例如油。流体压力可用来在套筒13上施加额外的膨胀力，从而增大套筒的径向膨胀。此外或备选地，流体可用作温度控制介质，其从轴颈轴承移除热并且/或者加热轴颈轴承，以控制套筒13的热膨胀。

在一些实施例中，可使用气态流体，例如环境空气或气体，例如由相同的旋转机械处理的气体或空气。

在上述示范实施例中，套筒13已表示为具有恒定厚度的圆柱形中空主体。然而，这不是强制的。在一些实施例中，套筒的厚度可沿其轴向延伸而改变。图10A和10B示意地示出了具有可变厚度的套筒13的两个可能的实施例。通常，考虑到上面提及的任务，套筒厚度分布是可用于实现轴承间隙的期望控制的自由度之一。

在一些实施例中，轴1可没有环形凹槽11，且腔15可省去或形成在具有恒定半径的圆柱形轴与具有可变厚度的套筒13之间，例如，如在图10A和10B中所显示的。

虽然在本文中描述的主题的公开实施例已在附图中显示，并且结合若干示范实施例具体且详细地在上面完全描述，但对于本领域技术人员将是显而易见的是，许多修改、改变和省略是可能的，而不本质上脱离在本文中陈述的新颖教导、原理和构思，和在所附权利要求中叙述的主题的优点。因而，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最宽泛的释义确定，以便涵盖所有此种修改、改变和省略。此外，根据备选实施例，任何过程或方法步骤的顺序或次序可改变或重新排序。

Claims (19)

1.一种用于操作旋转机械的方法，所述旋转机械包括转子、转子轴、和至少一个轴颈轴承，所述至少一个轴颈轴承支撑所述转子轴且由以下组成：轴承壳体；所述轴承壳体中的支承表面；扭转地且轴向地配合在所述轴上的套筒，所述套筒具有面对所述支承表面的外表面和面对所述轴的内表面；和润滑油膜，所述润滑油膜填充所述套筒的外表面与所述支承表面之间的间隙，所述方法包括通过作为所述轴的旋转速度的函数修改所述套筒的外表面的径向尺寸来修改所述间隙的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修改所述间隙的所述步骤包括以下步骤：将所述轴的旋转速度从第一旋转速度增大至第二旋转速度，在增大所述旋转速度时减小所述间隙。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一旋转速度与所述第二旋转速度之间增大所述旋转速度的所述步骤包括跨过所述转子的至少一个临界旋转速度。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，修改所述间隙的步骤包括以下步骤：将所述轴的旋转速度从第二旋转速度减小至第一旋转速度；在降低所述旋转速度时增大所述间隙。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括将所述轴的旋转速度维持于在所述第二旋转速度与所述第一旋转速度之间的中间旋转速度以冷却所述轴且增大所述间隙的步骤。

6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，所述套筒的外表面的径向尺寸至少通过由所述轴的旋转生成的离心力的作用来修改。

7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，还包括以在轴向方向上可变的过盈度将所述套筒配合在所述轴上的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以比所述套筒的轴向中间部分高的过盈将所述套筒的至少一个轴向端部部分配合在所述轴上的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在所述套筒的内表面与所述轴之间形成环形腔的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：利用加压流体加压所述环形腔且作为所述旋转速度的函数修改所述流体的压力来增大或减小所述套筒的外径，从而减小或增大所述间隙。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括借助于所述加压流体从所述轴承移除热的步骤。

12.一种旋转机械，其包括转子、转子轴和支撑所述轴的至少一个轴颈轴承，所述轴颈轴承包括：

轴承壳体，其具有支承表面，所述轴旋转地容纳在所述轴承壳体中；

外套筒，其扭转地且轴向地被约束至所述轴且与其一起旋转，所述外套筒具有面对所述支承表面的外表面和面对所述轴的内表面；

和填充润滑油的间隙，其在所述套筒的外表面与所述支承表面之间；

其中，所述套筒的外表面当所述轴旋转时能够径向地变形，使得所述填充润滑油的间隙的径向尺寸当轴旋转速度增大时减小。

13.根据权利要求12所述的旋转机械，其特征在于，所述套筒的所述外表面在由轴颈的旋转生成的离心力的作用下能够径向地变形。

14.根据权利要求12或13所述的旋转机械，其特征在于，所述套筒具有第一端部部分、第二端部部分和在所述第一端部部分与所述第二端部部分之间的中间部分，且其中，所述第一端部部分和所述第二端部部分中的至少一者以比在所述中间部分与所述轴之间的过盈大的过盈配合在所述轴上。

15.根据权利要求14所述的旋转机械，其特征在于，所述第一端部部分和所述第二端部部分中的另一者以比与在所述第一端部部分和第二端部部分中的所述一者之间的过盈小的过盈配合在所述轴上。

16.根据权利要求14或15所述的旋转机械，其特征在于，环形腔在所述套筒的所述中间部分处提供在所述套筒的内表面与所述轴之间。

17.根据权利要求16所述的旋转机械，其特征在于，还包括导管，所述导管用于在所述环形腔中输送加压流体。

18.根据权利要求17所述的旋转机械，其特征在于，提供压力控制布置，以用于作为所述转子的旋转速度的函数来控制所述加压流体的压力。

19.根据权利要求12至18中的一项或更多项所述的旋转机械，其特征在于，所述套筒具有沿其轴向展开而改变的径向厚度。