CN108223577B - 具有旋转衬套的轴承系统和涡轮机 - Google Patents
具有旋转衬套的轴承系统和涡轮机 Download PDFInfo
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Abstract
一种轴承系统(600)包括流体轴承(610)、具有实心部分(624)的轴(620),和围绕所述实心部分(624)定位且在所述流体轴承(610)的一个或多个垫片(612)前方的衬套(630);所述衬套(630)包括中空部分(632),和将所述衬套(630)的所述中空部分(632)固定到所述轴(620)的所述实心部分(624)的多个支撑元件(634)。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承系统和涡轮机。
背景技术
旋转机器的转子由特定装置可旋转地支撑;特定来说,机器的轴是由一个或多个轴承支撑。
图1示意性地示出包括定子110和转子120的涡轮机100。举例来说,转子120具有包括从第一侧突起的第一轴末端部分121和从第二侧突起的第二轴末端部分122的旋转轴,且定子110具有可旋转地支撑第一轴末端部分121的第一流体轴承111,和可旋转地支撑第二轴末端部分122的第二流体轴承112。
存在若干类型的“流体轴承”(也被称作可概括地分类成两个类型:“流体动力轴承”和“流体静力轴承”的“流体膜轴承”):普通轴承、莱蒙(lemon)轴承、斜垫轴承等。
图2示意性地示出根据现有技术的普通流体轴承系统200。其包括具有轴颈211(对应于所述轴在图2中由两条虚线定界的轴向部分)的旋转轴210(图2中部分地示出)和普通流体轴承220;轴颈211定位于轴承220内部。轴承220具有围绕旋转轴颈211的圆柱形轴承定子垫片221(此“垫片”由于其圆柱形形状常常被称为“衬套(bush)”),且垫片221与轴颈211之间存在围绕轴颈211的小间隙。在轴210的旋转期间,在垫片221与轴颈211之间喷射润滑剂流体LF以便避免接触并减少摩擦;润滑剂流体LF通常从垫片221的中间(有时为如图2中的中心)流到轴承220的两侧。
图2示出轴210的轴线与轴承220的轴颈底座的轴线230重合的理论情况(可视为理想情况);在此情况下,垫片221与轴颈211之间的间隙围绕轴颈211都是均匀的。
不管怎样,在轴210旋转期间的旋转机器中,两个轴线并不重合:其可能彼此远离和/或倾斜。
借助于实例,图3示出在轴210绕其轴线旋转时轴颈211在垫片221内部的四个连续位置;轴颈211绕其轴线进行旋转移动并绕轴承的轴线230进行轨道移动;从图3A中的位置开始,轴颈进行顺时针90°的旋转移动和顺时针90°的轨道移动并到达图3B的位置,接着轴颈进行顺时针90°的旋转移动和顺时针90°的轨道移动并到达图3C的位置,接着轴颈进行顺时针90°的旋转移动和顺时针90°的轨道移动并到达图3D的位置。
在此情况下,垫片221与轴颈211之间的间隙是不均匀的;特定来说,如果考虑在轴颈211的直径D上的点A,那么点A与垫片221之间的距离在任何时间都保持相同(或变化不大);这表示在点A的区域中的轴颈的温度将高于在例如轴颈的相对区域中的温度。
图4示出沿着轴颈211的直径D的示范性简化温度曲线图:在直径D的第一端E1(接近于点A)处存在高温T1,在直径D的第二端E2(远离点A)处存在低温T2;此温度曲线图是理想地直线线段;更切实来说,所述温度曲线图是略微弯曲的线段。轴颈内部的此不均匀温度分布会导致轴颈处的轴发生弯曲和同步转子振动,即所谓的“摩尔顿效应”;在某些条件下,尤其在高速涡轮机中,这可能导致同步转子不稳定性。
为了克服此问题,文档WO2015002924A1教示在轴颈处围绕轴布置管体;管体包括吸收由轴的旋转生成的热量的至少一部分的热屏障。以此方式,不均匀性减少就取决于热屏障的宽度和材料。
发明内容
因此,通常需要避免由流体轴承支撑的轴颈内部的不均匀温度分布,或至少大大地减少不均匀性。
对于例如那些用于“石油天然气”领域中的涡轮机,即用于勘测、开采、存储、精炼和配送石油和/或天然气的工厂的机器,此需求尤其高。
应注意,如图5中示出的不均匀温度分布并不会导致轴颈处的轴发生弯曲和同步转子振动;沿着直径D的此温度曲线图相对于轴颈的轴线对称(例如,第一端E1和第二端E2处的温度等于T4且轴线处的温度T5略微低于温度T4);此温度曲线图是放大的,因为更切实来说,其应为略微弯曲的线段。
本文中所公开的主题的第一实施例涉及一种轴承系统。
根据此类第一实施例,轴承系统包括流体轴承、具有可被称为“轴颈”的实心圆柱形部分的轴,和围绕所述实心圆柱形部分定位且在流体轴承的一个或多个垫片前方的衬套;衬套包括中空圆柱形部分,和将衬套的中空圆柱形部分固定到轴的实心圆柱形部分的多个支撑元件。
此衬套不仅为轴颈提供热绝缘,且还允许热量从轴颈的经受高加热的区域的部分传递到轴颈的经受较低加热的区域的其它部分。以此方式,可至少在轴颈的径向外围区域中实现均匀的温度。
本文中所公开的主题的第二实施例涉及一种涡轮机。
根据此类第二实施例,涡轮机包括至少一个轴承系统;轴承系统包括流体轴承、具有实心圆柱形部分的轴,和围绕所述实心圆柱形部分定位且在流体轴承的一个或多个垫片前方的衬套;衬套包括中空圆柱形部分和将衬套的中空圆柱形部分固定到轴的实心圆柱形部分的多个支撑元件。
附图说明
并入本文中且构成本说明书的组成部分的附图说明本发明的示范性实施例,且连同实施方式一起解释这些实施例。在附图中:
图1示意性地示出具有轴承系统的涡轮机,
图2示意性地示出根据现有技术的轴承系统,
图3示出图2的轴承系统中的轴颈在轴承垫片内部的四个位置,
图4示出在图2的轴承系统中的轴颈内部的示范性(简化)温度曲线图,
图5示出在根据本发明的轴颈内部的示范性(放大)温度曲线图,
图6示出轴承系统的概念,
图7部分且示意性地示出轴承系统的第一实施例,
图8部分且示意性地示出轴承系统的第二实施例,
图9部分且示意性地示出轴承系统的第三实施例,
图10部分且示意性地示出轴承系统的第四实施例,
图11部分且示意性地示出轴承系统的第五实施例,
图12部分且示意性地示出轴承系统的第六实施例,
图13部分且示意性地示出轴承系统的第七实施例,
图14部分且示意性地示出轴承系统的第八实施例,
图15部分且示意性地示出轴承系统的第九实施例,
图16部分且示意性地示出轴承系统的第十实施例,
图17部分且示意性地示出轴承系统的第十一实施例,
图18部分且示意性地示出轴承系统的第十二实施例。
具体实施方式
示范性实施例的以下描述参考附图。
以下描述并不限制本发明。实际上,本发明的范围由所附权利要求书界定。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此,在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必参考同一实施例。此外,在一个或多个实施例中,特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。
如已借助于图4所解释,定位于流体轴承内部的旋转轴的轴颈部分经受不均匀的加热;轴颈部分是轴的面向垫片流体轴承的一部分;换句话说,相比轴颈部分的其它(不同)部分,即第二部分,轴颈部分的一些部分,即第一部分热量更高;因此在旋转期间,第一部分达到某一温度而第二部分达到较低温度。此热量通常在轴的轴颈部分(图2中的211和图6中的611)与轴承的垫片(图2中的221和图6中的621)之间的间隙中在轴承流体(润滑剂流体LF)中产生。
减少不均匀性的第一方式为减少从轴承的热流体(润滑剂流体LF)到轴颈部分的热传递。
减少不均匀性的第二方式为从轴颈部分的第一部分移除热量并将移除的热量提供到别的地方。特定来说,减少不均匀性的方式为从轴颈部分的第一部分移除热量,并将移除的热量提供到轴颈部分的第二(不同)部分。因此,从轴颈部分的第一部分传递热量。
参考图6,在轴620绕轴线622旋转期间均匀化由流体轴承610可旋转地支撑的轴620中的温度的方法是基于旋转衬套(bush)630;衬套630包括中空圆柱形部分632,和将衬套630的(旋转)中空圆柱形部分632固定到轴620的(旋转)实心(solid)圆柱形部分624的多个支撑元件634;轴620的实心圆柱形部分624在流体轴承610的一个或多个垫片612前方;间隙640在中空圆柱形部分632与一个或多个垫片612之间。在图6中,轴承系统整体标记为600。在图6中,多个支撑元件示意性地示出为单个方框(呈虚线)且标记为634。
应注意,替代于圆柱形,轴的实心部分的全长可例如为略微圆锥形,或在一侧上为圆柱形且在另一侧上为略微圆锥形,或在第一和第二侧上为略微圆锥形且在中间为圆柱形。
应注意,替代于圆柱形,衬套的中空部分的全长可例如为略微圆锥形,或在一侧上为圆柱形且在另一侧上为略微圆锥形,或在第一和第二侧上为略微圆锥形且在中间为圆柱形。
中空圆柱形部分632在间隙640中的热润滑剂流体LF与轴620的旋转实心圆柱形部分624之间提供热绝缘。
例如润滑剂流体LF或热交换流体HEF的流体可在中空圆柱形部分632内部流动;此流体流动允许将热量从实心圆柱形部分624的经受高加热的区域的部分传递到实心圆柱形部分624的经受低加热的区域的其它部分。
以此方式,可至少在实心圆柱形部分624的径向外围区域中实现均匀的温度。
图6的实施例中的中空圆柱形部分632完全由热绝缘材料层636覆盖。替代地,此部分可由热绝缘材料制成。以此方式,能阻挡热量在朝向轴线622的径向方向上流动。
图6的实施例中的中空圆柱形部分632由外表面具有突起和/或凹陷(优选为具有范围介于0.01mm到0.1mm的高度/深度)的层636完全覆盖。替代地,此部分的外表面可具有突起和/或凹陷(优选为具有范围介于0.01mm到0.1mm的高度/深度)。以此方式,此部分还可用于导向流体轴承的润滑剂流体。举例来说且有利的是,此类突起和/或凹陷可为人字形形状。应注意,突起和/或凹陷可在中空圆柱形部分632或其覆盖层636的外表面上,和/或轴承垫片612的内表面上。
中空圆柱形部分632可为钢制、宽度可为10mm到50mm(其外径可比其内径大10%到15%)、长度可为轴承垫片或轴颈部分的直径的0.4到1.0倍。其可在轴颈部分处收缩拟合到轴上。
层636可由热绝缘材料制成,特定来说为PEEK(=聚醚醚酮)或PTFE(=聚四氟乙烯)、宽度可为0.1mm到1.0mm、长度可为轴承垫片或轴颈部分的直径的0.4到1.0倍。可在将套筒安装到轴上之前将所述层涂覆(例如,沉积)到套筒上。
在图6的实施例中,润滑剂流体在垫片612与部分632的层636之间的间隙640中流动,以便避免接触并减少摩擦。
在下文中将描述八个实施例;其在衬套方面和润滑剂流体和/或热交换流体流动方面不同。
应注意,其它实施例属于本发明的范围内。
在图7到10的轴承系统700、800、900、1000中,存在定位于中空圆柱形部分732、832、932、1032的第一端处的第一组支撑元件734A、834A、934A、1034A,和定位于中空圆柱形部分732、832、932、1032的第二端处的第二组支撑元件734B、834B、934B、1034B;以此方式,环形腔室738、838、938、1038界定于衬套的中空圆柱形部分732、832、932、1032与轴620的实心圆柱形部分624之间。
替代地,支撑元件中的一个或多个可能并不定位于中空部分的末端处,而是定位于例如与末端隔一段距离的位置处。
图15的轴承系统1500和图16的轴承系统1600类似于图9的轴承系统,但实现额外技术效果且将在本发明描述中稍后加以描述。
图17的轴承系统1700和图18的轴承系统1800类似于图9的轴承系统,但实现额外技术效果且将在本发明描述中稍后加以描述。
轮叶在第一组和第二组支撑元件734A、734B、834A、834B、934A、934B、1034A、1034B中。
支撑元件734A、734B、834A、834B、934A、934B、1034A、1034B可形成围绕部分624的拱顶,且支撑元件之间可相等地隔开。
由于支撑元件734A、734B、834A、834B、934A、934B、1034A、1034B之间是隔开的,因此流体可进入并离开环形腔室738、838、938、1038。此流体可为润滑剂流体LF或热交换流体HEF;如果适当地选择流体,那么所述流体既可充当润滑剂流体又能充当热交换流体。
在图7的实施例中,对轮叶734A和734B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立热交换流体HEF从流体轴承的第一侧S2到流体轴承的第二侧S1的流动。
在图8的实施例中,对轮叶834A和834B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立热交换流体HEF从侧S1到侧S2的流动。
优选地,对轮叶734A、734B、834A、834B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立从侧S1到侧S2的在环形腔室738、838内部具有螺旋形流体路径的流体流动。
在图9的实施例中,对轮叶934A和934B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立从环形腔室938到流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2的流体流动。在图9的实施例中,此流体(充当热交换流体)为流动于间隙640中的同一润滑剂流体LF;润滑剂流体例如通过中空圆柱形部分932中的多个孔进入环形腔室938。替代地,此流体可为不同于流动于间隙640中的润滑剂流体LF的流体。
在图10的实施例中,对轮叶1034A和1034B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立从流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2到环形腔室1038的流体流动。在图10的实施例中,此流体(充当热交换流体)为流动于间隙640中的同一润滑剂流体LF;润滑剂流体例如通过中空圆柱形部分1032中的多个孔离开环形腔室1038。替代地,此流体可为不同于流动于间隙640中的润滑剂流体LF的流体。
优选地,对轮叶934A、934B、1034A、1034B进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立在环形腔室938、1038内部具有螺旋形流体路径的两个流体流动。
在图11到14的轴承系统1100、1200、1300、1400中,支撑元件为界定用于流动流体的螺旋形通路的一组或两组螺旋形壁1134、1234、1334A、1334B、1434A、1434B。
此流体可为润滑剂流体LF或热交换流体HEF;如果适当地选择流体,那么所述流体既可充当润滑剂流体又能充当热交换流体。
在图11的轴承系统1100和图12的轴承系统1200中,支撑元件为一组螺旋形壁1134和1234,其界定至少在流体轴承的第一侧S1与流体轴承的第二侧S2之间延伸的多个螺旋形通路1138和1238;这些通路1138和1238布置为用于在轴620的旋转期间使热交换流体HEF从流体轴承的一侧流到流体轴承的另一侧。
在图11的实施例中,对壁1134进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立热交换流体HEF从流体轴承的第一侧S2到流体轴承的第二侧S1的流动。
在图12的实施例中,对壁1234进行塑形和定位,以便在轴620的旋转期间建立热交换流体HEF从侧S1到侧S2的流动。
在图13的轴承系统1300和图14的轴承系统1400中,支撑元件为第一组螺旋形壁1334A和1434A与第二组螺旋形壁1334B和1434B,所述第一组螺旋形壁界定至少在流体轴承的中心分区1338和1438与流体轴承的第一侧S1之间延伸的第一多个螺旋形通路,所述第二组螺旋形壁界定至少在流体轴承的中心分区1338和1438与流体轴承的第二侧S2之间延伸的第二多个螺旋形通路;所述通路布置为用于在流体轴承的中心分区1338和1438与流体轴承的侧S1和S2之间流动流体。
在图13和图14的实施例中,此流体(充当热交换流体)为流动于间隙640中的同一润滑剂流体LF。
在图13的实施例中,流体在轴620的旋转期间从流体轴承的中心分区1338流到流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2。
在图14的实施例中,流体在轴620的旋转期间从流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2流到流体轴承的中心分区1438。
在图13的轴承系统1300和图14的轴承系统1400中,环形腔室界定于衬套的中空圆柱形部分1332和1432与轴620的实心圆柱形部分624之间,且包括第一侧部分(其中定位有壁1334A和1434A)、第二侧部分(其中定位有壁1334B和1434B)以及中心部分1338和1438。
上文所提及的通路中的每一个可包括绕轴620的轴线622的数个转弯部;转弯部的数量范围可介于0.1到10.0,优选为0.25到4.0,更优选为0.5到2.0。
上文所提及的通路中的每一个的间距可等于流体轴承的轴向长度的倍数;所述倍数的范围可介于10.0到0.1,优选为4.0到0.25,更优选为2.0到0.5。在图6到14的实施例中,流体轴承的轴向长度可被视为一个或多个垫片612的长度或中空圆柱形部分632的长度。
应注意,轴620的旋转能沿着界定于衬套630的中空圆柱形部分632与轴620的实心圆柱形部分624之间的环形腔室泵浦流体。
在图15的轴承系统1500和图16的轴承系统1600中,存在定位于中空圆柱形部分1532和1632的第一端处的第一组支撑元件1534A和1634A,和定位于中空圆柱形部分1532和1632的第二端处的第二组支撑元件1534B和1634B(支撑元件1634B可为单件结构);以此方式,环形腔室1538和1638界定于衬套的中空圆柱形部分1532、1632与轴620的实心圆柱形部分624之间。
轮叶在支撑元件1534A、1534B、1634A中。
支撑元件1534A、1534B、1634A可形成围绕部分624的拱顶,且支撑元件之间可相等地隔开。
由于支撑元件1534A、1534B、1634A之间是隔开的,因此流体可离开环形腔室1538和1638。通常,在轴620并不旋转时,环形腔室1538和1638充满润滑剂流体LF,在轴620开始旋转时,建立润滑剂流体流动且润滑剂流体LF开始离开环形腔室1538和1638,在轴620旋转时,环形腔室1538和1638完全或部分排空润滑剂流体LF(“排空”包括环形腔室1538和1638内部的润滑剂流体LF的压力低于环形腔室1538和1638外部的可能性)。以此方式,能实现隔离轴承系统1500和1600的间隙中的热润滑剂流体LF与轴620的圆柱形部分624的技术效果。
在图15的实施例中,对轮叶1534A和1534B进行塑形和定位,以便建立从环形腔室1538到流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2的流体流动。
在图16的实施例中,对轮叶1634A和一个或多个支撑元件1634B进行塑形和定位,以便建立从环形腔室1638到流体轴承的仅一侧,特定来说为到流体轴承的第一侧S1的流体流动。
当使用螺旋形通路时,也可实现类似于图15和16的实施例中的技术效果的技术效果。
考虑图11或12,轴承系统可布置成使得螺旋形通路在轴的旋转期间完全或部分排空。
考虑图13,轴承系统可布置成使得第一和第二组螺旋形通路在轴的旋转期间是排空的。
在图17的轴承系统1700和图18的轴承系统1800中,存在定位于中空圆柱形部分1732和1832的第一端处的第一组支撑元件1734A和1834A,和定位于中空圆柱形部分1732和1832的第二端处的第二组支撑元件1734B和1834B(支撑元件1834B可为单件结构);以此方式,环形腔室1738和1838界定于衬套的中空圆柱形部分1732、1832与轴620的实心圆柱形部分624之间。
轮叶在支撑元件1734A、1734B、1834A中。
支撑元件1734A、1734B、1834A可形成围绕部分624的拱顶,且支撑元件之间可相等地隔开。
由于支撑元件1734A、1734B、1834A之间是隔开的,因此流体可进入环形腔室1738和1838。通常,在轴620并不旋转时,环形腔室1738和1838部分充满润滑剂流体LF,在轴620开始旋转时,建立润滑剂流体流动且润滑剂流体LF开始进入环形腔室1738和1838,在轴620旋转时,环形腔室1738和1838完全充满润滑剂流体LF(“完全充满”包括环形腔室1738和1838内部的润滑剂流体LF的压力高于环形腔室1738和1838外部的可能性)。以此方式,能实现隔离轴承系统1700和1800的间隙中的热润滑剂流体LF与轴620的圆柱形部分624的技术效果。此外,环形腔室1738和1838内部的流体可围绕轴620流动,从而因此均匀化轴620中的温度。
在图17的实施例中,对轮叶1734A和1734B进行塑形和定位,以便建立从流体轴承的第一侧S1和流体轴承的第二侧S2到环形腔室1738的流体流动。
在图18的实施例中,对轮叶1834A和一个或多个支撑元件1834B进行塑形和定位,以便建立从流体轴承的仅一侧,特定来说为流体轴承的第一侧S1到环形腔室1838的流体流动。
当使用螺旋形通路时,也可实现类似于图17和18的实施例中的技术效果的技术效果。
考虑图11或12,轴承系统可布置成使得螺旋形通路在轴的旋转期间完全充满。
考虑图14,轴承系统可布置成使得第一和第二组螺旋形通路在轴的旋转期间完全充满。
如上文所描述或与之类似的轴承系统可有利地用于涡轮机中,例如图1中示出的涡轮机中。
应注意,在“石油天然气”领域中,即用于勘测、开采、存储、精炼和配送石油和/或天然气的工厂的机器中,存在对如下涡轮机的尤其高的需求:所述涡轮机能避免由流体轴承支撑的轴颈内部的不均匀温度分布,或至少大大地减少不均匀性,且因此存在对使用此轴承系统的需求。
Claims (7)
1.一种轴承系统,其包括
流体轴承,
具有实心部分的轴,
围绕所述实心部分定位且在所述流体轴承的一个或多个垫片前方的衬套,其中所述衬套包括中空部分,和将所述衬套的所述中空部分固定到所述轴的所述实心部分的多个支撑元件;
第一组支撑元件定位于所述中空部分的第一位置处,且第二组支撑元件定位于所述中空部分的第二位置处,
环形腔室界定于所述衬套的所述中空部分与所述轴的所述实心部分之间;
其中所述第一组和/或所述第二组的所述支撑元件为轮叶,从而润滑剂流体或热交换流体流入所述环形室或从所述环形室流出;
其中,对所述轮叶进行塑形和定位,以便在所述轴的旋转期间建立所述润滑剂流体或所述热交换流体从所述流体轴承的第一侧到所述流体轴承的第二侧/从所述流体轴承的第二侧到所述流体轴承的第一侧的流动;
其中所述中空部分由外表面具有突起和/或凹陷的层完全覆盖,或者所述中空部分具有带有突起和/或凹陷的外表面,用于导向流体轴承的润滑剂流体。
2.根据权利要求1所述的轴承系统,其特征在于:所述环形腔室在所述轴的旋转期间排空了润滑剂流体。
3.根据权利要求1所述的轴承系统,其特征在于:所述润滑剂流体从所述衬套与所述一个或多个垫片之间的间隙穿过所述中空部分进入到所述环形腔室中。
4.根据权利要求1所述的轴承系统,其特征在于:对所述轮叶进行塑形和定位,以便在所述轴的旋转期间建立润滑剂流体或热交换流体从所述流体轴承的第一侧和/或所述流体轴承的第二侧到所述环形腔室的流动。
5.根据权利要求4所述的轴承系统,其特征在于:所述环形腔室在所述轴的旋转期间充满润滑剂流体。
6.根据权利要求4所述的轴承系统,其特征在于:所述润滑剂流体从所述环形腔室离开并穿过所述中空部分到所述衬套与所述一个或多个垫片之间的间隙中。
7.一种涡轮机,其包括根据权利要求1所述的至少一个轴承系统。
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