CN107786024B - 着落轴承组件和配备有这种组件和磁性轴承的旋转机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于旋转机械(1)的着落轴承组件(10)，其包括定子组件(20)、转子组件(30)和磁性轴承(40)，着落轴承组件(10)包括与定子组件(20)整合的定子着落部分(21)和与转子组件(30)整合的转子着落部分(32)。第一涂层(26、36)是耐磨损和/或耐摩擦涂层，分布在转子着落部分(32)和定子着落部分(21)中的至少一个上。本发明还涉及这种旋转机械。

Description

着落轴承组件和配备有这种组件和磁性轴承的旋转机械
技术领域
本发明涉及用在旋转机械中的着落轴承组件(landing bearing assembly)，旋转机械包括转子组件、定子组件和磁性轴承，且能运行在腐蚀环境中。本发明还涉及包括着落轴承组件的旋转机械。
背景技术
常规的旋转机械(例如压缩机或涡轮膨胀机(turboexpander)，其用在油气产业，用于提取和输送天然气或石油)包括转子组件、定子组件和磁性轴承。它们全部在例如天然气这样的工业气体(process gas)且在高度几百bar的压力下运行。不幸的是，这种天然气是腐蚀性的，因为含有腐蚀性污染物或物质，例如硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)和水。在积极的一面，循环流过旋转机械的这种工业气体用于使得机械且尤其是磁性轴承冷却。
磁性轴承包括安装在定子组件上的电磁线圈，其径向和/或轴向围绕转子组件，所述转子组件包括铁磁体材料。电磁线圈在铁磁体材料上生产磁性力，其趋于径向和/或轴向地吸引转子组件。为了避免定子和转子之间的任何物理接触(在最坏的情况下这会在高速旋转时对机械造成破坏)，着落轴承(也称为紧急轴承或备用轴承)布置在机械中。着落轴承包括与定子组件整合的部件。这些部件可以是滚动轴承或滑动轴承，且设计为在转子轴上“着落(land)”，以便在磁性轴承故障或关停的情况下可旋转地支撑转子。在着落期间，滚动轴承的内环接触转子组件，直接接触在转子本身上或接触到转子安装的着落套筒上。
从US 7,847,454 B2可知要用在腐蚀环境中的机械的封装定子组件具有滚动轴承，其内环用高氮马氏体不锈钢制造，且机械的转子具有着落套筒，其用钴基超合金钢或镍钴基合金形成。
目前，着落轴承组件在机械的全部寿命期间必须主动或不主动地运行几次。换句话说，需要的是使其寿命增加。进一步地，期望的是它们应具有与机械一样寿命，以便避免昂贵的维护成本。因此，重要的是，着落轴承组件不仅在运行于腐蚀环境中是应对侵蚀有抵抗力，而且它们的将要彼此接触的表面应具有高硬度，以便尽可能多地避免或至少限制其磨损。
因此，存在改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供要用在旋转机械中的改进着落轴承组件，其包括定子组件、转子组件和磁性轴承，
为此，本发明涉及着落轴承组件，包括定子着落部分和转子着落部分，这两个部分被设计为在转子组件着落时彼此接触。定子着落部分与定子组件整合，而转子着落部分与转子组件整合，且特别是与转子组件的轴整合。
根据本发明，定子着落部分和转子着落部分中的至少一个被涂布耐磨损和/或耐摩擦的第一涂层。
由于本发明，着落轴承组件可具有增长的寿命，因为在转子着落期间将接触的定子着落部分和转子着落部分的表面磨损被降低。因此，可避免昂贵的维护成本，且可使得旋转机械的运行时间最大化。
而且，涂层优选地也对腐蚀有抵抗作用，使得着落轴承组件可运行为与腐蚀流体直接接触，这因此有利地对着落轴承组件的冷却有贡献，而不会危及着落轴承组件和旋转机械的运行。
根据本发明的进一步方面(其是有利的但不是必须的)，这种着落轴承组件可以与以下特征中的一个或多个合并：
第一涂层分布在定子着落部分和转子着落部分两者上。
第一涂层用碳化钨制造。
第一涂层用DLC制造。
第一涂层用以钴铬为基体的碳化钨制造。
第一涂层用以钛为基体的氧化铝制造，且首先施加镍铝合金的子层。
DLC制造的第二涂层施加到第一涂层上。
定子着落部分用高氮钢制造。
转子着落部分用镍基合金制造。
定子着落部分包括双排角接触轴承或一对单排角接触轴承。
定子着落部分包括单个环。
转子着落部分包括着落套筒。
每一个涂层的厚度为十分之一毫米到一毫米。
每一涂层仅分布在定子着落部分和/或转子着落部分的在转子组件着落期间将彼此接触的表面上。
本发明的另一目的旋转机械，其包括定子组件、转子组件、磁性轴承、和根据本发明的着落轴承组件。
附图说明
现在将针对附图、示例性例子对本发明进行描述，而不对本发明的目的进行限制。在附图中：
图1是根据本发明的着落轴承组件的第一实施例和根据本发明的旋转机械的纵向截面图，所述旋转机械包括定子、转子、磁性轴承和着落轴承；
图2是根据本发明的着落轴承组件的第二实施例和根据本发明的旋转机械的纵向截面图，所述旋转机械包括定子、转子、磁性轴承和着落轴承；
具体实施方式
图1和2显示了在中心轴线X1上的中心定位的旋转机械1。
旋转机械1是用于提取石油和天然气的电压缩机或涡轮膨胀机。旋转机械1的大部分部件在增压的腐蚀介质(例如天然气或酸性气体)中运行。
旋转机械1包括定子组件20、转子组件30、磁性轴承40、和着落轴承组件10。
定子组件20包括外壳(未示出)、柔性管状衬套23、侧向保持器22和背衬装置29。管状衬套23装配在外壳的内侧。保持器22和背衬装置29形成用于将定子着落部分21紧固到定子组件20且对其施加预负荷的器件。定子着落部分21构成着落轴承组件10的第一元件。
管状衬套23具有两个功能。第一个功能是将定子着落部分21相对于定子外壳保持紧固和中心定位。第二个功能是对旋转机械1中产生的振动进行缓冲。
转子组件30包括(优选但非必要的中空的)转子轴31和转子着落部分32，所述转子着落部分构成着落轴承组件10的第二元件。
着落轴承组件10包括与定子组件20整合的定子着落部分21和与转子组件30整合的转子着落部分32。在转子组件30着落时，定子着落部分21和转子着落部分32彼此直接接触。
转子组件30绕轴线X1沿旋转方向R1运动。
磁性轴承40示意性地显示在图1和2中，其相对于定子组件20和转子组件30布置，出于简化的目的而未详细示出。磁性轴承可以包括径向磁性轴承、轴向磁性轴承、或至少一个径向磁性轴承和一个轴向磁性轴承的组合。磁性轴承优选是主动类型的。
着落轴承组件10(也称为紧急轴承、备用轴承或下触轴承)主要在旋转机械1的起动或停止操作期间且还在磁性轴承40有完全或部分故障时有冲击载荷的情况下在短暂的间歇期间支撑转子组件30。
为了实现定子着落部分21和转子着落部分32之间的良好摩擦行为，这些部分的接触表面中之一或两者被处理，以便增加其硬度。这种处理包括一个或几个涂层。
配备有着落轴承组件10的旋转机械1的目的是在其全部寿命中用在非常腐蚀的环境中，特别是在石油或天然气的提取和输送过程中。构成旋转机械1和着落轴承组件10的不同元件的目的是与腐蚀环境直接接触，通常是非常高的温度(几百摄氏度)和非常高的压力(几百bar)下的酸性气体。
因此，定子着落部分21和转子着落部分32用耐腐蚀材料制造。
在优选实施例中，定子着落部分21用高氮钢制造，例如NitroMax。
进一步地，定子着落部分21包括第一涂层26，其具有耐磨损和/或耐摩擦性能。在本发明的优选实施例中，第一涂层是耐磨损涂层，且用碳化钨或DLC制造。
在本发明的另一实施例中，第一涂层是耐磨损涂层且由以钛为基体的氧化铝制造。为了增强该第一涂层的粘附性，镍铝合金的子层首先施加到定子着落部分21上。以钛为基体的氧化铝制造的涂层随后直接施加到镍铝合金的子层上。
在本发明的另一中，第一涂层是耐磨损涂层且用以钴铬为基体的碳化钨制造。
有利地，定子着落部分21包括具有耐磨损和/或耐摩擦性能的第二涂层27。在本发明的优选实施例中，第二涂层是耐磨损涂层。该第二涂层27优选用DLC(类金刚石)制造。
在优选实施例中，转子着落部分32用镍基合金制造，优选是铬镍铁合金(例如Inconel718)或奥氏体不锈钢(例如Nitronic60)或可硬化不锈钢(例如马氏体或奥氏体高氮不锈钢)。在另一实施例中，转子着落部分32用钴基合金制造。
转子着落部分32包括具有耐磨损和/或耐摩擦性能的第一涂层36。在本发明的优选实施例中，第一涂层36是耐磨损涂层，且用碳化钨或DLC制造。
在本发明的另一实施例中，第一涂层36用以钛为基体的氧化铝制造，且镍铝合金的子层被首先施加到转子着落部分21。以钛为基体的氧化铝制造的涂层随后直接施加到镍铝合金的子层上。
在本发明的另一实施例中，第一涂层是耐磨损涂层且用以钴铬为基体的碳化钨制造。
有利地，转子着落部分32包括具有耐磨损和/或耐摩擦性能的第二涂层37。该第二涂层37优选用DLC制造。
不同涂层可根据不同的已知方法施加，可在热喷涂、PEPVD或PECVD中选择。
涂层可以是陶瓷基涂层或氧化物基涂层。陶瓷涂层(例如以钴铬为基体的碳化钨，在其上添加了薄层DLC)很适于抵抗磨损和摩擦。
每一个涂层的厚度为十分之一毫米到一毫米。
因为涂层是昂贵的手段，所以优选的是，涂层仅分布在定子着落部分21和转子着落部分21的、在转子轴31着落期间将接触彼此的表面上。
而且，每一个涂层优选地也对腐蚀有抵抗作用，使得着落轴承组件可运行为与腐蚀流体直接接触，这因此有利地对着落轴承组件的冷却有贡献，而不会危及着落轴承组件和旋转机械的运行。
进而，非常优选的是让定子着落部分和转子着落部分用对腐蚀有很好抵抗性的材料制造，因为在最初存在于定子着落部分和/或转子着落部分上的第一涂层或第一和第二涂层在与着落表面接触(其方式是构成定子着落部分和转子着落部分的材料与腐蚀环境直接接触)时已经被去除的情况下，着落轴承组件仍然对腐蚀表现出高的抵抗性。
在图1示出的本发明的优选实施例中，定子着落部分21包括两个邻近的球轴承24和25，也称为串行设置的球轴承，其被施加预负荷且尤其适于一种加压环境中。轴承24包括外环242和内环241，而轴承25包括外环252和内环251。
优选地，定子着落部分21为双排角接触球轴承。
替换地，定子着落部分21是一对单排角接触轴承。
球50位于每一个球轴承24、25的内环和外环之间。球50可以用陶瓷或钢制造。外环242和252装配在管状衬套23中。侧向保持器22定位为抵靠外环242，而背衬装置29定位为抵靠外环252。保持器22和装置29形成用于将外环242和252紧固到定子组件20的器件。
内环241和251用耐腐蚀材料制造，例如高氮钢。优选地，内环用NitroMax制造。
内环241和251包括具有耐磨损和/或耐摩擦性能的第一涂层26。在本发明的优选实施例中，第一涂层用碳化钨或DLC制造。在本发明的另一实施例中，第一涂层用以钛为基体的氧化铝制造且镍铝合金的子层被首先施加。在本发明的另一实施例中，第一涂层用以钴铬为基体的碳化钨制造。
有利地，内环241和251包括DLC制造的第二涂层27。
仍然如图1示出的，转子着落部分32包括安装在转子轴31上的着落套筒33。优选地，着落套筒33可与转子轴一同旋转。着落套筒33通过压配合或通过在温度的影响下进行热膨胀而安装在轴上。着落套筒33用例如Inconel718这样的耐腐蚀材料制造。
着落套筒33是L形或U形的。
着落套筒可包括单个部件或用两个部件制造。
着落套筒的特征是轴向部分331，其具有在一个端部处的第一径向部分332。着落套筒还可以包括第二径向部分333。
由于第一径向部分332和/或第二径向部分333，转子组件30可安全地着落，以便避免转子组件30相对于定子组件20的不期望的不受控和过多的轴向位移。
着落套筒33包括具有耐磨损和/或耐摩擦性能的第一涂层36。在本发明的优选实施例中，第一涂层36是耐磨损涂层，且用碳化钨或DLC制造。在本发明的另一实施例中，第一涂层36用以钛为基体的氧化铝制造和镍铝合金的子层被首先施加，以便增强涂层的粘合性。在本发明的另一实施例中，第一涂层用以钴铬为基体的碳化钨制造。有利地，着落套筒33包括DLC制造的第二涂层37。
图2示出了本发明的另一优选实施例，其中，出于简单和清楚的目的，图1上示出的相同元件被赋予相同的附图标记。
图2的实施例不同于图1实施例之处在于，定子着落部分21包括单个环，且在于，转子着落部分32不是例如前述着落套筒的额外部件，而是代替地是形成转子组件30一部分，且特别是转子轴31本身。
由于本发明，旋转机械1可在对构成着落轴承组件10的元件有很小的腐蚀风险的情况下运行。这还允许延长维护间隔并改善运行次数。进而，更加腐蚀的流体可在与构成着落轴承组件10的元件直接接触的情况下被处理，由此避免例如迷宫式密封件或干燥气体的复杂解决方案。
此外，不同实施例的技术特征可全部或部分彼此组合。由此，着落轴承组件10可适应应用的具体需求。例如，在本发明另一优选实施例中，定子着落部分21包括双排角接触轴承且转子着落部分32包括与转子轴31整体地形成的一部分。
如前详细所述的旋转机械1是用于提取石油和天然气的电压缩机或涡轮膨胀机。替换地，旋转机械1可以是适于运输车辆、机械工具、家庭设备等的任何。例如，旋转机械1可以是用于装配到汽车的电压缩机。
附图标记
1 旋转机械
10 着落轴承组件
20 定子组件
21 定子着落部分
22 保持器
23 管状衬套
24 球轴承
241 内环
242 外环
25 球轴承
251 内环
252 外环
26 第一涂层
27 第二涂层
28 着落环
29 背衬装置
30 转子组件
31 转子轴
32 转子着落部分
33 着落套筒
331 轴向部分
332 第一径向部分
333 第二径向部分
36 第一涂层
37 第二涂层
40 磁性轴承
50 球

Claims (13)

1.一种用于旋转机械(1)的着落轴承组件(10)，其包括定子组件(20)、转子组件(30)和磁性轴承(40)，着落轴承组件(10)包括与定子组件(20)整合的定子着落部分(21)和与转子组件(30)整合的转子着落部分(32)，
其特征在于
第一涂层(26、36)，其是耐磨损和/或耐摩擦的涂层，分布在定子着落部分(21)和转子着落部分(32)中的至少一个上，
所述定子组件(20)包括侧向保持器(22)、背衬装置(29)和管状衬套(23)；
所述侧向保持器(22)和所述背衬装置(29)形成用于将定子着落部分(21)紧固到定子组件(20)且对其施加预负荷的器件；
所述管状衬套(23)装配在所述定子组件(20)的外壳的内侧；
所述管状衬套(23)设置成用于将定子着落部分(21)相对于外壳保持紧固和中心定位并且对所述旋转机械(1)中产生的振动进行缓冲。
2.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于第一涂层(26；36)分布在定子着落部分(21)上和转子着落部分(32)上。
3.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于所述第一涂层(26；36)用碳化钨或DLC或以钴铬为基体的碳化钨制造。
4.如权利要求2所述的着落轴承组件(10)，其特征在于所述第一涂层(26；36)用以钛为基体的氧化铝制造，且镍-铝合金的子层被首先施加。
5.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于DLC制造的第二涂层(27；37)被施加到第一涂层(26；36)上。
6.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于定子着落部分(21)用高氮钢制造。
7.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于转子着落部分(32)用镍基合金制造。
8.如权利要求1所述的着落轴承组件(10)，其特征在于定子着落部分(21)包括双排角接触球轴承或一对单排角接触轴承。
9.如权利要求1到7中任一项所述的着落轴承组件(10)，其特征在于定子着落部分(21)包括单个环。
10.如权利要求1到7中任一项所述的着落轴承组件(10)，其特征在于转子着落部分(32)包括着落套筒(33)。
11.如权利要求1到7中任一项所述的着落轴承组件(10)，其特征在于转子着落部分(32)形成转子轴(31)本身的一部分。
12.如权利要求1到7中任一项所述的着落轴承组件(10)，其特征在于每一个涂层仅分布在定子着落部分(21)和转子着落部分(32)的、在转子组件(30)着落期间彼此接触的表面上。
13.一种旋转机械(1)，包括定子组件(20)，转子组件(30)，磁性轴承(40)和如前述任一项权利要求所述的着落轴承组件(10)。
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