CN108779800A - 用于涡轮机械的磁性轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮机械的磁性轴承(1)，所述磁性轴承包括：定子(2)，所述定子能够固定到涡轮机械的结构(C)；转子(3)，所述转子磁性连接到所述定子(2)并且限定旋转轴线(A)，所述转子(3)具有前中心表面(3a)、与所述前中心表面(3a)相对的后中心表面(3b)以及相对于所述旋转轴线(A)的外表面(3c)；所述转子(3)设置有内部通道(4)，所述内部通道配置成转移冷却流体。

Description

用于涡轮机械的磁性轴承

技术领域

本公开涉及一种用于涡轮机械的磁性轴承。在以下公开内容中，将详细讨论所述轴承的具体应用，即电动压缩机的轴。但这并不会丧失一般性，因为相同原理同样适用于类似应用。

背景技术

通常，电动压缩机(motorcompressor)单元包括处理工艺气体的离心(centrifugal)压缩机。压缩机与电机(motor)一起布置在壳体中，所述电机通常由电动机(electric motor)组成。所述压缩机产生压缩工艺气体流。

更详细地说，所述电机经由每一端处由磁性轴承(magnetic bearings)支撑的共用旋转轴来驱动压缩机。所述轴连接电动机的转子和离心压缩机的转子，其中所述压缩机的叶轮安装在所述离心压缩机的转子上。所述轴通常不会伸出一个或多个外壳之外。用于产生或传送碳氢化合物(hydrocarbons)的电动压缩机单元设有由转子轴承系统支撑的共用旋转轴。

当用于直接驱动压缩机例如离心压缩机时，所述轴需要以相对高速度旋转。此外，在电动机的情况下，所述电气系统将生热，这是电动机驱动器的特性。除了电损耗机构(mechanisms)产生热量之外，以高速操作电动压缩机装置还增加了由旋转部件产生的摩擦损失。由于旋转部件在加压气体中操作，因此这种效果进一步增加。

如果此热量没有适当地消散，则会对电机的性能产生负面影响并且可能损坏定子的绝缘。升高的温度还会对压缩机和电机两者的转子轴承系统产生不利影响，因而导致轴承损坏和/或故障。

为了冷却电动压缩机单元中的电机和轴承，提供冷却回路，所述冷却回路可以是开环冷却回路或类闭环(quasi-closed-loop)冷却回路。在开环中，使用外部冷却气体，而在类闭环回路中，冷却气体是在压缩过程中的某个点从工艺流中抽出的工艺气体。然后，此冷却气体通过电机和轴承区域以吸收热量。

根据现有技术，冷却介质可以通过外部冷却器冷却。在此情况下，所述冷却气体可以在进入电机区域之前通过附接到轴的风扇或叶轮加压。所述叶轮还迫使冷却介质流入冷却管道(ducts)中以冷却必须冷却的其他部分，例如轴承和电气设备。工艺气体然后循环通过外部冷却器，所述外部冷却器中本身将冷却。

在开路的情况下，通常不需要使用风扇或冷却器。

现有技术情形的轴向磁性轴承部分包括：定子元件，所述定子元件附接到电动压缩机的支撑结构；以及转子元件，所述转子元件机械连接到所述轴。所述转子元件和定子元件磁性连接，使得在使用中，机器中由于各种影响例如跨表面差压、气体动量变化、重量等而产生的轴向推力(axial thrust)被形成于轴承转子元件上的磁力对抗(opposed by amagnetic force)，而不与定子进行任何接触。所述电动压缩机还包括机械支承轴承(mechanical backup bearings)，所述机械支承轴承在磁性轴承故障或者作用于轴上的力大于磁性轴承的对抗能力时起作用。在所述轴上，所述磁性轴承可以设置于所述电机附近。所述机械轴承设置于所述磁性轴承旁边。在一些构造中，所述叶轮设置于所述轴的端部上，因此处于相对于电机的悬伸(overhang)位置。

发明内容

因此，本发明的第一实施例涉及一种用于涡轮机械的磁性轴承。所述磁性轴承包括能够固定到涡轮机械的结构的定子。转子磁性连接(magnetically coupled)到所述定子，并且限定旋转轴线。所述转子设置有内部通道(internal channel)，所述内部通道配置成转移(displace)冷却流体。

有利地，通过这种方式，所述磁性轴承的所述转子也可以用作用于所述冷却流体的叶轮。因此，可以从涡轮机械中省略所述叶轮，从而减小必须附接到轴的部件的重量和尺寸。因此，减少轴上的总悬伸成为可能。此外，所述机器可以更短，并且由于具有更少部件，因此可以在更短时间内组装。

附图说明

进一步的详述和具体实施例将参见附图说明，其中：

图1是根据本发明第一实施例的磁性轴承的侧视截面图；

图2是根据本发明第二实施例的磁性轴承的侧视截面图；以及

图3是根据本发明第三实施例的磁性轴承的侧视截面图。

具体实施方式

下文将参见附图对示例性实施例进行说明。不同附图中的相同参考数字是指相同或类似的元件。以下详细说明并非限制本发明。相反，本发明的范围由随附权利要求书限定。

整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用表示结合实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，说明书全文中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定是指相同的实施例。另外，具体特征、结构或者特性可以以任何适当方式组合在一个或多个实施例中。

参见附图，使用数字1表示用于涡轮机械的磁性轴承。

所述磁性轴承1通常安装在涡轮机械的结构“C”与轴“S”之间。实际上，所述磁性轴承1安装在涡轮机械的结构“C”与轴“S”之间。所述磁性轴承1的用途是支撑轴“S”本身，所述轴“S”具有涡轮机械的所有转子级(图中未示出)。

所述磁性轴承1包括定子2，所述定子2能够固定到上述结构“C”。更详细地说，所述定子在优选情况下是包括多个线圈5的电磁体(electromagnet)。本公开中不再对已知类型的电磁体2和线圈5进行进一步详细描述。

所述磁性轴承1还包括转子3，所述转子磁性连接到定子2。所述转子3限定旋转轴线“A”。更详细地说，所述转子3具有相对于旋转轴线“A”横向(transversally)设置的前中心表面(front central surface)3a。后中心表面3b与前中心表面3a相对，也相对于旋转轴线“A”横向设置。此外，外表面3c限定成相对于旋转轴线“A”设置于外部(placedexternally)的大体周向表面。此外，所述转子3具有相对于前中心表面3a设置于外部的前外周表面3d。所述前外周表面3d也与外表面3c接界。同样，所述转子3具有相对于后中心表面3b设置于外部的后外周表面3e。所述后外周表面3e也与外表面3c接界。

上述线圈5、定子2的一部分围绕转子3布置。确切地说，所述线圈5成对布置。在每对线圈中，一个线圈5面对转子3的前外周表面3d，而另一个线圈5面对后外周表面3e。所述成对线圈5沿从旋转轴线“A”延伸的径向方向布置。一对或多对线圈可以设置在单个径向方向上。如图1到图3所示，在目前描述的实施例中，提供一对线圈5。这些线圈5沿定子2的整个圆周大体上连续。在附图中未示出的其他实施例中，可以沿径向布置任意数量的线圈对5。换言之，所述线圈5沿转子3的圆周(periphery)均匀分布。因此，所述转子3和定子2执行轴承1中的轴向磁性轴承功能。

如图1到图3所示，所述转子3设置有内部通道(internal channel)4，所述内部通道4配置成移动冷却流体。实际上，所述转子3优选地设置有多个内部通道4，所述内部通道4围绕旋转轴线“A”以径向对称方式布置。此外，换言之，所述转子3在内部配置成离心式叶轮(centrifugal impeller)，确切地说，带护罩叶轮(shrouded impeller)，从而使其能够执行除了其在磁性轴承1中的机械作用之外的其他功能。

更进一步详述，每个通道4具有设置在转子3的前中心表面3a上的进口(intake)4a。此外，每个通道具有位于转子3的外表面3c上的出口(outlet)4b。实际上，所述通道4配置成将冷却流体引导到所述涡轮机械的电机(附图中未图示)上。在其他实施例中，所述转子3可以将冷却流体引导到涡轮机械中需要冷却的任何部分上。应注意，在所有实施例中，转子3提供其本身的冷却，从而不需要为转子3提供冷却系统。

应特别注意，上述转子3能够附接到涡轮机械的轴“S”的一端。换言之，所述转子3设置成悬伸构造(overhanging configuration)。为将转子3固定在轴“S”的端部，转子3设有用于螺钉13的孔12。孔12与旋转轴线“A”同轴。在附图中未示出的本发明的其他实施例中，可以使用其他已知固定装置来替代孔12和螺钉13。例如，在附图中未示出的本发明的其他实施例中，转子3可以与涡轮机械的轴“S”形成单一件(single piece)。此外，在附图中未示出的其他实施例中，转子3可以设置成与上述悬伸构造不同的构造。

参见图1到图3，所述磁性轴承1还包括径向磁性轴承6。所述径向磁轴承6直接作用于涡轮机械的结构“C”与轴“S”之间。所述径向磁性轴承6为已知类型，因此不再进一步描述。

此外，所述磁性轴承1包括机械支承轴承7，所述机械支承轴承7配置成作用于轴“S”上以为其提供支撑，特别是当轴向磁性轴承故障时，或者作用于磁性轴承1上的力大于所述磁性轴承的对抗能力(capacity to counteract)时。更详细地说，所述机械支承轴承7作用于转子3上，以通过转子3来支撑轴“S”。

更详细地说，所述机械支承轴承可以是滚珠轴承或衬套轴承。

为接合所述机械支承轴承7，所述转子3设置有支撑件(support)8，所述支撑件8从前中心表面3a延伸。更详细地说，所述支撑件8具有内表面8a，所述内表面8a限定圆柱形腔10。所述支撑件8还具有外表面8b，所述外表面8b附接到机械支承轴承7。实际上，应注意，用于机械轴承7的支撑件8相对于转子3的其余部分并且相对于涡轮机械轴“S”向外延伸。

更详细地说，着陆套筒(landing sleeve)9附接到转子3，确切地说，附接到支撑件8。所述着陆套筒9配置成直接与机械支承轴承7接合。

根据本发明的第一实施例，如图1和图2所示，所述着陆套筒9附接到支撑件8的外表面8b。根据本发明的另一个实施例，如图3所示，所述着陆套筒9与转子3制成单一件。在此情况下，所述支撑件8的外表面8b部分地限定在着陆套筒9上。

为容纳定子2，磁性轴承1还包括盒体(cartridge)11，所述盒体11具体附接到涡轮机械的结构“C”。此外，所述转子3的一部分也容纳在盒体11内。更详细地说，所述盒体11相对于转子3设置于外部，而所述转子3仍然部分地容纳在盒体11内。实际上，转子3的外周表面3d、3e以及外表面3c被定子2包围(enveloped)，因此大部分位于盒体11内。

还应注意，根据图2和3所示的本发明的实施例，上述机械支承轴承7也容纳在盒体11内。

如图1所示，在另一个实施例中，磁性轴承1还可以包括与盒体11不同的另一个盒体14。在此情况下，所述机械支承轴承7容纳在所述另一个盒体14内。

此外，所述另一个盒体14附接到上述盒体11。所述另一个盒体14相对于转子3设置于外部，并且确切地说，相对于着陆套筒9设置于外部。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机械的磁性轴承(1)，所述磁性轴承包括：定子(2)，所述定子能够固定到涡轮机械的结构(C)；转子(3)，所述转子磁性连接到所述定子(2)并且限定旋转轴线(A)，所述转子(3)具有前中心表面(3a)、与所述前中心表面(3a)相对的后中心表面(3b)以及相对于所述旋转轴线(A)的外表面(3c)；其中所述转子(3)设置有内部通道(4)，所述内部通道配置成转移冷却流体。

2.根据前述权利要求所述的磁性轴承(1)，其中所述内部通道(4)配置成将所述冷却流体引导到所述涡轮机械的电机上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的磁性轴承(1)，其中所述内部通道(4)具有位于所述前中心表面(3a)上的入口(4a)以及位于所述侧表面(3c)上的出口(4b)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的磁性轴承(1)，还包括机械支承轴承(7)，所述机械支承轴承配置成作用于所述转子(3)上以支撑所述转子(3)。

5.根据前述一个权利要求所述的磁性轴承(1)，其中所述转子(3)设置有从所述前中心表面(3a)延伸的支撑件(8)，所述机械支承轴承(7)配置成接合所述支撑件(8)。

6.根据权利要求4或5所述的磁性轴承(1)，还包括着陆套筒(9)，所述着陆套筒附接到所述转子(3)并且配置成接合所述机械支承轴承(7)。

7.根据前述一个权利要求所述的磁性轴承(1)，其中所述着陆套筒(9)与所述转子(3)制成单一件。

8.根据权利要求4到7中任一项所述的磁性轴承(1)，还包括盒体(11)，所述定子(2)容纳在所述盒体(11)内。

9.根据前述一个权利要求所述的磁性轴承(1)，其中所述机械支承轴承(7)也容纳在所述盒体(11)内。

10.根据权利要求8所述的磁性轴承(1)，还包括与所述盒体(11)不同的另一个盒体(14)，所述机械支承轴承(7)容纳在所述另一个盒体(14)内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的磁性轴承(1)，其中所述转子(3)能够附接到涡轮机械的轴(S)的端部。

12.根据前述一个权利要求所述的磁性轴承(1)，其中所述转子(3)设置有用于螺钉(13)的孔(12)，所述孔(12)与所述旋转轴线(A)同轴。

13.根据前述权利要求中任一项所述的磁性轴承(1)，其中所述转子(3)具有相对于所述前中心表面(3a)而在外部的前外周表面(3d)，和相对于所述后中心表面(3b)而在外部的后外周表面(3e)；所述定子(2)包括多个线圈(5)，每个线圈(5)面对所述转子(3)的所述前外周表面(3d)或者所述后外周表面(3e)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的磁性轴承(1)，其中所述转子(3)是带护罩叶轮。