CN105431638B - 带有至少一个主动磁力轴承和辅助滚动轴承的旋转机械 - Google Patents

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Abstract

一种旋转机械，包括：轴14；外壳12；至少一个主动磁力轴承16，该磁力轴承连接到轴以用于将轴可旋转地支撑在外壳内；布置在轴和外壳之间的至少一个辅助径向滚动轴承18和至少一个辅助轴向滚动轴承22，以相应地仅支撑径向负载和仅支撑轴向负载。

Description

带有至少一个主动磁力轴承和辅助滚动轴承的旋转机械
所公开的实施例大体上涉及带有至少主要主动磁力轴承和辅助滚动轴承的旋转机械。具体而言，实施例涉及旋转涡轮机械，诸如压缩机、膨胀器、涡轮、泵等。该涡轮机械用于发动机、涡轮、发电、冷冻应用、油气、石化应用等。
工业中常用的一种涡轮机械包括离心压缩机，其通过使用机械能(借助于由气体行进通过的旋转离心叶轮)来增大可压缩气体的压力。叶轮附连到压缩机轴。旋转轴和相关联的叶轮形成转子组件，其通过主动径向和轴向磁力轴承支撑在压缩机的定子中。
主动磁力轴承通过在所述组件上沿着轴向和径向方向施加电磁力使转子组件在定子内悬浮并维持就位。为此，主动磁力轴承包括供应有电能的电磁体。利用这种磁力轴承，转子组件无机械接触地保持。这种保持需要为电磁体供应足够的电力。
在电力供应中断的情况下，有时可发生主动磁力轴承的失效或不足以正常操作。如果过多的负载施加在转子组件上，也可能发生失效。
在这些情形中，主动磁力轴承不再使转子组件在定子内居中。因此，出现“登陆(landing)”阶段，在该阶段期间，转子组件倾向于与定子接触且利用机械接触保持。
为了克服这种缺点，离心压缩机还包括两个单排角接触滚珠轴承，它们轴向地靠近主动磁力轴承面对面地安装在压缩机轴上。每个辅助滚动轴承设置成在“登陆”阶段出现时支撑径向负载和轴向负载两者。
然而，利用这种滚珠轴承，在所述轴承的间隙尺寸中没有任何不能允许的改变的情况下可维持的登陆阶段的数目是有限的。这导致旋转机械的可靠性降低且导致维护操作的增加。此外，对于带有有限可达性的旋转机械来说，这种维护操作的成本可能很高。
本发明的一个目标是克服这些缺点。
本发明的特定目的是提供带有增加的使用寿命的具有辅助滚动轴承的旋转机械，以便允许更大数目的登陆阶段。
本发明的进一步的目的是提供带有低的维护成本(由于这种登陆阶段引起)的旋转机械。
在示例性实施例中，旋转机械包括：轴；外壳；至少一个主要磁力轴承，其连接到轴用于在外壳内可旋转地支撑所述轴；布置在轴和外壳之间的至少一个辅助径向滚动轴承和至少一个辅助轴向滚动轴承，以相应地仅支撑径向负载和仅支撑轴向负载。
由于径向滚动轴承和轴向滚动轴承之间用于承载径向和轴向登陆负载的裂口，每个轴承的负载容量大大地增大。每个滚动轴承仅沿着一个方向作用，即，径向方向或轴向方向。因此，可通过滚动轴承维持的登陆阶段的数目增加。
径向滚动轴承可与轴向滚动轴承轴向地间隔开。
在一些实施例中，径向间隙设在轴以及径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承的内环之间。有利地，设在轴与轴向滚动轴承的内环之间的径向间隙可大于设在轴与径向滚动轴承的内环之间的径向间隙。
在一个实施例中，轴包括径向地置于所述轴的外表面以及径向滚动轴承和轴向滚动轴承之间的至少一个套筒。径向间隙可设在径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承的内环以及相关联的套筒之间。
在一个实施例中，辅助滚动轴承靠近主要磁力轴承轴向地布置。
在一个实施例中，旋转机械包括轴向地彼此接触的两个径向滚动轴承和轴向地彼此接触的两个轴向滚动轴承。径向滚动轴承可为深槽滚珠轴承或四点接触滚珠轴承。轴向滚动轴承可为角接触推力滚珠轴承。
有利地，旋转机械还可包括在径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的至少一个上施加轴向力的至少一个预加应力和阻尼元件。
借助于可减小动态轴向登陆负载影响的至少一个轴向预加应力和阻尼元件，还增加了每个轴承的使用寿命。
在一些实施例中，旋转机械可包括在径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承上施加轴向力的至少一个预加应力和阻尼元件。
在一个实施例中，第一预加应力和阻尼元件可安装在外壳上且轴向地承靠轴向滚动轴承的外环。第二预加应力和阻尼元件还可在与第一预加应力元件相对的侧上轴向地安装在外壳和轴向滚动轴承的外环之间，所述第一和第二预加应力和阻尼元件在所述轴向滚动轴承上施加两个轴向相对的力。
在一个实施例中，预加应力和阻尼元件可安装在外壳上且轴向地承靠径向滚动轴承的外环。该预加应力和阻尼元件可包括弹性板弹簧或锥形垫圈。
在阅读通过非限制性示例的方式给出且通过附图示出的本发明的特定实施例的以下详细描述时，将出现使用的其他特性，在附图中：
图1是根据示例性实施例的旋转机械的局部轴向剖面，
图2是图1的更大比例的局部剖面。
示例性实施例的以下详细描述参考附图。不同附图中的相同参考标号标识相同的元件。
图1部分地示出本发明的旋转机械10的示例性实施例。旋转机械10包括外壳12、旋转轴14，旋转轴14沿着轴线14a延伸且适于支撑转子部件(未示出)。例如，如果旋转机械是离心压缩机，则转子部件包括叶轮。旋转轴和相关联的转子部件形成转子组件。
旋转机械10还包括：至少一个主要主动磁力轴承16，其连接到轴14且将所述轴支撑在外壳12内；以及，辅助滚动轴承18到24，其关联到磁力轴承16且径向地安装在轴14与外壳12之间，以在所述磁力轴承16不正常地操作时支撑和传递其间的径向负载和轴向负载。旋转机械10还包括环状套筒26、28，其径向地布置在辅助滚动轴承18到24与轴14之间。辅助滚动轴承18到24在所述轴承的相同侧靠近磁力轴承16轴向地布置。辅助滚动轴承18到24固定到外壳12且径向地包绕轴14。滚动轴承18、20与滚动轴承22、24轴向地间隔开。
主要磁力轴承16可设在外壳12的一端处。磁力轴承16为轴向型。主要径向型磁力轴承(未示出)还可关联到轴向磁力轴承16以支撑旋转轴14。主动磁力轴承16包括固定到外壳12的定子电枢30和具有紧固到旋转轴14的盘的形式的转子电枢32。定子电枢30包括定子磁路34，其在传统方式中包括环状线圈36和铁磁体38，铁磁体38可为局部块状的或者层叠的。定子电枢30还包括保护性环状支撑件40，磁路34放置在其中。支撑件40紧固到静止支撑元件41，静止支撑元件41本身固定到外壳12。定子磁路34无机械接触地轴向地面向转子电枢32放置。
在正常操作中，即，在(多个)磁力轴承正常操作且在轴14上没有过多的负载的情况下，所述(多个)轴承保持转子组件在外壳12中居中。当(多个)磁力轴承不正常地操作时，滚动轴承18、20形成径向滚动轴承，其适于限制轴14在外壳12内的径向移动且适于仅支撑和传递在其间的径向负载。滚动轴承22、24形成轴向滚动轴承，其仅适于承载轴向负载。滚动轴承18、20和滚动轴承22、24在轴14和外壳12之间的配置适于该目的。
在所公开的实施例中，滚动轴承18、20是轴向地彼此接触的深槽滚动轴承，且滚动轴承22、24同样是轴向地彼此接触的角接触推力滚动轴承。径向滚动轴承18、20轴向地靠近主动磁力轴承16布置在轴14上，而轴向滚动轴承22、24关于旋转轴承18、20在与所述磁力轴承相对的侧上布置在所述轴上。由于滚动轴承18和20、相应的22和24是相同的，所以这里将仅描述它们中的一个，应当理解，另一个滚动轴承的相同元件具有相同的标号。
如图2上更清楚地示出，径向滚动轴承18包括内环18a、外环18b和多个滚动元件18c，其在该情形中是径向地置于所述环之间的滚珠。滚动轴承18的轴线与轴的轴线同轴。内环18a包括安装在套筒26的外圆柱表面周围的圆柱孔、外圆柱表面、轴向地限定孔和外表面的两个相对的径向面，以及形成到外表面上用于滚动元件18c的环状圆形座圈，所述座圈沿径向朝外引导。外环18b包括安装到外壳的轴向孔42中的外圆柱表面、圆柱孔、轴向地限定外表面和孔的两个相对的径向面，以及形成到孔上用于滚动元件18c的环状圆形座圈，所述座圈沿径向朝内引导。
如上所述，两个径向滚动轴承18、20轴向地彼此接触地安装。轴向地朝另一个滚动轴承20定向的滚动轴承18d的内环18a和外环18b的径向面轴向地承靠所述轴承的内环20a和外环20b的对应径向面。每个内环18a、20a的相对的径向面不与轴向紧固在套筒26或轴14上的装置轴向接触。内环18a、20a的所述径向面未被覆盖。滚动轴承18关于外壳的孔42略微朝内突起。在与滚动轴承18轴向相对的侧上，外环20b的径向面轴向地承靠形成在外壳的孔42上且沿径向朝内延伸的径向突起44。
滚动轴承18、20径向地布置在套筒26周围，套筒26安装在轴14的外表面上。第一径向间隙45设在滚动轴承18、20的内环的孔与套筒26的外表面之间。套筒26在一端轴向地承靠形成在轴上的径向肩部46，且在相对的轴向端，承靠与滚动轴承22、24关联的另一个套筒28。
轴向滚动轴承22包括内环22a、外环22b和多个滚动元件22c，滚动元件22c在该情形中是径向地置于所述环之间的滚珠。滚动轴承22的轴线与轴的轴线同轴。内环22a与径向滚动轴承18的内环18a相同，且包括安装在套筒28的外圆柱表面周围的圆柱孔、外圆柱表面、两个相对的径向面和用于滚动元件22c的环状圆形座圈。外环22b包括径向地安装成与外壳的孔42接触的外圆柱表面、具有小直径的第一圆柱孔、具有较大直径的第二圆柱孔，以及圆形座圈，用于使滚动元件22c连接到所述孔以便滚动轴承22可仅沿一个方向适应轴向负载。外环22b还包括轴向地限定外表面和孔的两个相对的径向面。
如上所述，两个轴向滚动轴承22、24轴向地彼此接触地安装。滚动轴承22、24面对面地布置以便适应沿两个方向作用的轴向负载。轴向地朝另一个滚动轴承24定向的滚动轴承22的内环22a和外环22b的径向面轴向地承靠所述轴承的内环24a和外环24b的对应径向面。内环22a的相对的径向面轴向地面向形成在套筒28的轴向端处的径向环状肋48。轴向间隙49设在肋48和内环22a之间。套筒28的包括肋44的轴向端轴向地承靠套筒26。邻接环50紧固在轴14上且轴向地面向内环24a的径向面，其轴向地定位在与滚动轴承22相对的侧上，即，轴向地朝外定向。轴向间隙51设在邻接环50与内环24a之间。邻接环50在与肋48相对的侧上轴向地邻接抵靠套筒28。扣环52紧固在外壳12上且径向地包绕邻接环50。扣环52轴向地面向外环24b的沿轴向朝外定向的径向面。外环22b的沿轴向朝内定向的径向面面向突起44。滚动轴承22、24的外环通过形成或紧固在所述外壳上的止挡或保持装置(即，突起44和扣环52)在外壳的孔42中轴向地维持就位。滚动轴承24关于外壳的孔42略微朝外突起。
在滚动轴承22、24的内环与套筒28的外表面之间，存在第二径向间隙54，其比对于外壳12内的轴14所预见的最大径向间隙更小，且比设在滚动轴承18、20和套筒26之间的第一径向间隙45更大。
旋转机械10还包括弹性弹簧56、58和60，其设置为轴向地预加载滚动轴承18、20和22、24。弹性弹簧56固定在外壳12上且作用在径向滚动轴承的外环18b的径向面上，其沿轴向朝内定向，即，在与另一个径向滚动轴承20相对的侧上轴向地定位。弹性弹簧56在所述滚动轴承18上施加持久的轴向力。弹性弹簧56还趋向于经由滚动轴承18抵靠外壳的突起44轴向地推动和预加载另一个滚动轴承20。由弹性弹簧56施加的负载因此抵靠外壳的突起44对滚动轴承18、20两者轴向地预加应力。
类似地，弹性弹簧58固定在外壳12上且作用在轴向滚动轴承的外环24b的径向面上，其沿轴向朝外定向，即，在与另一个轴向滚动轴承22相对的侧上轴向地定位。弹性弹簧58在一侧抵靠滚动轴承24轴向接触，且在另一侧与扣环52轴向接触。弹性弹簧58在所述滚动轴承24上施加持久的轴向力。弹性弹簧58还趋向于经由滚动轴承24朝外壳的突起44轴向地推动和预加载另一个滚动轴承22。由弹性弹簧58施加的负载因此朝外壳的突起44对滚动轴承22、24两者轴向地预加应力。在所公开的实施例中，轴向弹性弹簧56、58各自包括两个叠置的金属弹性板弹簧。
弹性弹簧60轴向地布置在外壳的突起44与轴向滚动轴承的外环22b的径向面之间。弹性弹簧60在一侧抵靠滚动轴承22轴向接触且在另一侧与突起44轴向接触。弹性弹簧60沿着与由弹性弹簧58施加的轴向力相反的方向在滚动轴承22上施加持久的轴向力。弹性弹簧58、60两者轴向地预加载两个滚动轴承22、24。此处，弹性弹簧60的径向尺寸与外环22b和突起44的径向尺寸大致相等。在所公开的实施例中，轴向弹性弹簧60是金属弹性垫圈，例如为贝氏弹簧垫圈(Belleville washer)类型。
旋转机械还包括环状阻尼套筒62，其安装在外环18b、20b的外表面上且与外壳的孔42径向接触。阻尼套筒62可由弹性材料制成。
在正常操作中，(多个)主动磁力轴承保持轴14在外壳12中居中，且在滚动轴承18到24的内环与安装在所述轴上的套筒26、28之间没有接触。轴向地预加载滚动轴承18、20和22、24的弹性弹簧56、58和60防止所述轴承的意外旋转。
如果发生登陆阶段，轴14可在外壳12内沿轴向和径向两者移动。轴14可依靠设在滚动轴承22和24、套筒28和邻接环50之间的轴向间隙49、51轴向地移动。轴14可依靠设在套筒26和滚动轴承18、20的内环之间的径向间隙45径向地移动，直到其与所述环径向接触。这导致所述轴承的内环18a、20a的旋转。在轴14与滚动轴承18、20之间的这种径向接触之后，在安装在轴上的套筒28与滚动轴承22、24之间仍然存在径向间隙54。在登陆阶段期间，径向间隙54继续存在。因此，径向动态登陆负载仅由径向滚动轴承18、20支撑。
在登陆阶段期间轴14的轴向移位的情形中，轴向动态登陆负载仅由轴向滚动轴承22、24支撑。轴向动态负载根据负载的方向通过肋48与内环22a之间的轴向接触或者通过邻接环50与内环24a之间的轴向接触传递至滚动轴承22、24，且然后传递至扣环52或突起44。
如果发生登陆阶段，滚动轴承18、20形成径向地作用的登陆机械轴承，其适于限制轴14在外壳12内的径向移动且仅支撑径向负载。滚动轴承22、24形成轴向地作用的登陆机械轴承，其仅适于支撑轴向负载。另外，弹性弹簧56、58和60能够缓冲轴向登陆负载。所述弹性弹簧执行双重功能，即，轴向地预加载滚动轴承18到24以及额外地缓冲轴向登陆负载。当登陆阶段出现时，轴14从无接触保持的状态转为依靠与滚动轴承18到24的机械接触保持的状态。
由于径向滚动轴承18、20与轴向滚动轴承22、24之间的用于承载径向和轴向登陆负载的裂口，每个轴承的负载能力大大地增加。轴向和径向登陆负载通过彼此不同的两种类型的滚动轴承支撑。每个滚动轴承仅沿径向或轴向方向作用。因此，可通过辅助滚动轴承18到24维持的登陆阶段的数目增大。另外，借助于减小动态轴向负载影响的轴向弹性阻尼件，还增加每个轴承的使用寿命。
在所公开的实施例中，轴向滚动轴承22、24是角接触推力滚珠轴承。作为备选，轴向滚动轴承可例如为深槽滚珠轴承、四点接触滚珠轴承、圆锥滚柱轴承、球面滚柱轴承等。在所公开的实施例中，由于甚至当出现登陆阶段时径向间隙54也继续存在于由轴14支撑的套筒28与所述轴承的内环之间，轴向滚动轴承22、24仅沿着轴向方向作用。滚动轴承22、24在轴14与外壳12之间的布置因此仅适于承载轴向负载。作为备选，还可能使用具有可仅适应轴向负载的结构的滚动轴承，例如，推力滚珠轴承或推力锥形或球面滚柱轴承或推力滚针轴承。在这种情形中，在这些推力轴承与轴之间预见的径向间隙可等于设在径向滚动轴承与所述轴之间的径向间隙。因此，在登陆阶段期间，轴向滚动轴承和径向滚动轴承两者都与轴径向接触。
在所公开的实施例中，径向滚动轴承18、20是深槽滚珠轴承。作为备选，径向滚动轴承可例如为角接触滚珠轴承或四点接触滚珠轴承。在所述实施例中，滚动轴承18、20在轴14与外壳12之间的配置适于仅支撑径向负载。作为备选，还可能预见具有仅可适应径向负载的结构的滚动轴承，例如圆柱或环状滚柱轴承或滚针轴承。
上述描述参考包括两个轴向和两个径向滚动轴承(各自具有单排滚动元件)的旋转机械。然而，其可在类似的方式下应用于包括一个轴向滚动轴承和一个径向滚动轴承(各自具有一排滚动元件或至少两排滚动元件)的旋转机械。

Claims (13)

1.一种旋转机械，包括：轴(14)、外壳(12)和至少一个主要磁力轴承(16)，所述磁力轴承(16)连接到所述轴以用于将轴可旋转地支撑在所述外壳内，其特征在于，所述旋转机械还包括布置在所述轴的径向外表面和所述外壳之间的至少一个径向滚动轴承(20)和至少一个轴向滚动轴承(22)以相应地仅支撑径向负载和仅支撑轴向负载；
其中所述轴与所述径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承的内环(20a，22a)之间彼此间隔形成径向间隙，且设在所述轴与所述轴向滚动轴承的内环(22a)之间的径向间隙(54)大于设在所述轴与所述径向滚动轴承的内环(20a)之间的径向间隙(45)。
2.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述径向滚动轴承(20)与所述轴向滚动轴承(22)轴向地间隔开。
3.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述轴包括径向地置于所述轴的外表面以及所述径向滚动轴承和轴向滚动轴承之间的至少一个套筒(26，28)。
4.根据权利要求3所述的旋转机械，其特征在于，所述径向间隙设在所述径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承的内环以及相关联的套筒之间。
5.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述径向滚动轴承和所述轴向滚动轴承靠近所述主要磁力轴承(16)轴向地布置。
6.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括轴向地彼此接触的两个径向滚动轴承(18，20)和轴向地彼此接触的两个轴向滚动轴承(22，24)。
7.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述径向滚动轴承是深槽滚珠轴承或四点接触滚珠轴承。
8.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述轴向滚动轴承是角接触推力滚珠轴承。
9.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械还包括在所述径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的至少一个上施加轴向力的至少一个预加应力和阻尼元件(56，58，60)。
10.根据权利要求9所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括在所述径向滚动轴承和轴向滚动轴承中的每个轴承上施加轴向力的至少一个预加应力和阻尼元件(56，58，60)。
11.根据权利要求9或10所述的旋转机械，其特征在于，第一预加应力和阻尼元件(58)安装在所述外壳上且轴向地承靠所述轴向滚动轴承的外环。
12.根据权利要求11所述的旋转机械，其特征在于，第二预加应力和阻尼元件(60)在与所述第一预加应力元件(58)相对的侧上轴向地安装在所述外壳与所述轴向滚动轴承的外环之间，所述第一和第二预加应力和阻尼元件在所述轴向滚动轴承上施加两个轴向相对的力。
13.根据权利要求9所述的旋转机械，其特征在于，预加应力和阻尼元件(56)安装在所述外壳上且轴向地承靠所述径向滚动轴承的外环。
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