CN109763985B - 一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩机技术领域的一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，包括壳体、轴承组件，轴承组件包括一对推力气体轴承，推力气体轴承包括轴承座、以轴承座的轴线为准环向均布的若干静压多孔质轴承片，还包括设置在轴承座中的进气通道，还包括以轴承座的轴线为准环向均布的若干动压箔片组件，该进气通道具有进气端以及若干出气端，且该进气通道的若干出气端与若干静压多孔质轴承片一一对应；输出管、二级蜗壳的出气端均旁通有通向两个轴承座的进气通道的通气管路。以解决在大压比工况下因气压过大而致压缩机叶轮的动态轴向力过大、轴承组件容易损坏的问题。

Description

一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，具体来说，是高速离心压缩机。

背景技术

离心压缩机是一种透平式压缩机，通过叶轮高速旋转轮给予气体的离心力作用，对其动能进行提升，之后经过扩压器作用气体流速下降，从而提高气体压力。由于离心压缩机的气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小等优点，目前广泛应用于化工、石油、制冷、污水处理等行业中。随着应用的不断深入细分出适用于不同工况、不同行业的不同类型的离心压缩机。而其中中小型功率的离心压缩机(500kW以下)更趋向于高转速、高效能。对于低压比、大流量的离心压缩机，目前最有效的解决方案是直驱式离心压缩机。直驱式离心压缩机结构上要求传动部件少、转速高，传统的滑动轴承在此条件下就显得能耗过大、线速度低、稳定性不足等问题，因此目前国内外常用的解决方案是用气体轴承替换滑动轴承，其中最常用的是动压气体箔片轴承。

动压气体箔片轴承是利用转子与轴承支承面之间形成的楔形产生的楔形效应，随着转子转速的升高由于气体的粘性周围环境中的气体被拖入楔形中，转速升到一定时楔形中的气体气压增加到支撑起转子。因此动压气体箔片轴承工作在离心压缩机中具有非常低的的能耗，其能耗来源主要是气体摩擦产生的损耗。然而也正因如此，动压气体箔片轴承的承载能力远不如滑动轴承。而对于静压气体轴承承载能力的问题就迎刃而解，静压气体轴承由于其需要外部供气，其承载能力很大程度上决定于出气孔的出气压力。然而，也正因如此静压气体轴承的支承气体在高转速、高线速度下很容易产生动压效应，对转子系统产生自激振动。

目前气体轴承应用于离心压缩机上的主要方案主要是采用动压气体箔片轴承，其工况主要是大流量，低压比。在大压比工况下由于气体压力大，压缩机叶轮产生的动态轴向力较大，推力气体轴承经常容易损坏。静压气体轴承在压缩机领域也有应用，但是由于其稳定性差，容易对转子系统产生自激振动，往往难以应用于高转速、高线速度下。

发明内容

本发明的目的是提供一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，以解决在大压比工况下因气压过大而致压缩机叶轮的动态轴向力过大、轴承组件容易损坏的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，包括壳体、轴承组件，还包括通过轴承组件转动设置在壳体内的电机转子，以及安装在壳体内的电机定子，还包括一级压缩叶轮、一级蜗壳、一级冷却器、二级压缩叶轮、二级扩压器、二级蜗壳、二级冷却器、用于输出高压气流的输出管，所述轴承组件包括一对与电机转子同轴设置的推力气体轴承，所述一对推力气体轴承安装在壳体中，所述电机转子外周设置沿其径向外凸的、圆片状的凸缘，所述电机转子的凸缘转动支承两个推力气体轴承，两个推力气体轴承以电机转子的凸缘为准相对布置并分别支承凸缘的两轴端面；

所述推力气体轴承包括如下部分：

回转体结构的、与电机转子同轴设置的轴承座；

以轴承座的轴线为准环向均布且贴装在轴承座轴端侧上的若干静压多孔质轴承片，所述静压多孔质轴承片采用透气的多孔石墨材质制成；

设置在轴承座中的进气通道，该进气通道具有进气端以及若干出气端，且该进气通道的若干出气端与若干静压多孔质轴承片一一对应且贴靠静压多孔质轴承片上与轴承座相接触的配合面；以及

以轴承座的轴线为准环向均布且安装在轴承座轴端侧上的若干动压箔片组件；

其中，所述输出管、二级蜗壳的出气端均旁通有接通轴承座进气通道进气端的通气管路；

所述若干动压箔片组件与若干静压多孔质轴承片在环向交错相间排列，且若干动压箔片组件与若干静压多孔质轴承片共同支承电机转子的凸缘的轴端面。

进一步地，上述设置在轴承座中的进气通道包括一进气孔以及若干一一对应若干静压多孔质轴承片的接气孔，所述进气孔的入口构成进气通道的进气端，所述接气孔的出口构成进气通道的出气端，所述若干接气孔的进口与进气孔连通。

进一步地，所述轴承座的轴端侧上设有若干插入槽，若干静压多孔质轴承片分别对应若干插入槽且一一插入若干插入槽中，所述若干接气孔与若干插入槽一一对应，且所述接气孔的出口与插入槽槽底相接续，所述静压多孔质轴承片通过耐高温树脂粘接在插入槽内。

进一步地，所述动压箔片组件包括轴承波箔以及片状结构的顶箔，所述轴承波箔和顶箔均由高弹性材料制成，所述轴承波箔固定在轴承座上，所述轴承波箔支撑顶箔且与顶箔的内侧面固定连接，所述顶箔的外侧面支承电机转子的凸缘，且所述顶箔的外侧面具有楔形部以及平面部，所述楔形部相对于轴承座轴端侧倾斜，所述平面部平行于轴承座轴端侧。

进一步地，所述通气管路包括控制阀、接气管，所述控制阀具有两个分别通过管道旁通二级蜗壳出气端、输出管的出气端的进气端，所述控制阀具有与接气管入口接通的出气端，所述接气管穿过壳体并分两个输出支路分别接通两个轴承座的进气孔入口。

进一步地，所述进气孔的入口处于轴承座的外周侧。

进一步地，所述轴承组件还包括一对设置在壳体内的、与电机转子同轴设置的径向动压箔片轴承，所述电机转子的外周侧转动支承径向动压箔片轴承，所述径向动压箔片轴承设置为圆套状的轴瓦结构。

本发明的有益效果在于：首先，能够解决在大压比工况下因气压过大而致压缩机叶轮的动态轴向力过大、轴承组件容易损坏的问题；其次，在启动阶段或低速工况下，电机转子所受的轴向力较小，可利用推力气体轴承作为电机转子的轴向支承，在高速大载荷工况下回收利用压缩机输出的高压气流，以使得高压气流能够通入接气管，并通过静压多孔质轴承片后渗入电机转子与推力气体轴承之间的间隙中，形成空气支承的效果，不需要专门设置高压外接气源向接气管提供高压气流；另外，若干动压箔片组件与若干静压多孔质轴承片在环向交错相间排列，使得推力气体轴承能够均匀受载，而且在高速工况下，输出管和二级蜗壳的出气端将压缩机输出的高压气流输到接气管中，然后高压气流依次经过轴承座的进气孔、接气孔后渗出静压多孔质轴承片，使得气体不断进入电机转子与推力气体轴承之间的间隙中，气体经过动压箔片组件的楔形效应后得到进一步的压缩，以进一步提升推力气体轴承对电机转子的轴向支承性能；最后，压缩机在降速和停机过程中可以持续为静压多孔质轴承片提供高压气源，动压箔片组件在此降速和停机过程中几乎处于毫无磨损的工况下，因而减少了推力气体轴承的损耗，提升了压缩机系统整体的寿命。

附图说明

图1是本发明的总体布置示意图。

图2是推力气体轴承的分解结构示意图。

图3是静压多孔质轴承片的使用原理示意图。

图4是推力气体轴承的支承原理示意图。

图中，1壳体，2电机定子，3电机转子，3a凸缘，4一级压缩叶轮，5一级蜗壳，6一级冷却器，7二级压缩叶轮，8二级扩压器，9二级蜗壳，10二级冷却器，11输出管，12控制阀，13接气管，14平面腔，15推力气体轴承，1501轴承座，1501a进气孔，1501b接气孔，1501c插入槽，1502静压多孔质轴承片，1503动压箔片组件，1503a顶箔，1503b楔形部，1503c平面部，1503d轴承波箔，16径向动压箔片轴承，17楔形腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，目前该压缩机的结构包括壳体1、轴承组件，还包括通过轴承组件转动设置在壳体1内的电机转子3，以及安装在壳体1内的电机定子2，还包括一级压缩叶轮4、一级蜗壳5、一级冷却器6、二级压缩叶轮7、二级扩压器8、二级蜗壳9、二级冷却器10、用于输出高压气流的输出管11，一级蜗壳5和二级蜗壳9均安装在壳体1上。一级压缩叶轮4、二级压缩叶轮7分别同轴套装在电机转子3的两轴端，一级压缩叶轮4正对壳体1的吸气端口；一级蜗壳5、一级冷却器6、二级压缩叶轮7、二级扩压器8、二级蜗壳9、二级冷却器10、输出管11依次接通，电机转子3在高速转动时使得一级压缩叶轮4、二级压缩叶轮7同时转动，不断地输出高压气流。

目前公知的轴承组件包括一对与电机转子3同轴设置的推力气体轴承15，一对推力气体轴承15安装在壳体1中，电机转子3外周设置沿其径向外凸的、圆片状的凸缘3a，电机转子3的凸缘3a转动支承两个推力气体轴承15，两个推力气体轴承15以电机转子3的凸缘3a为准相对布置并分别支承凸缘3a的两轴端面，因而两个推力气体轴承15能够对电机转子3形成轴向的支承。

如图2、3、4所示，为了对电机转子3形成更好的轴向支承效果，并保护轴承组件，上述推力气体轴承15包括如下部分：

回转体结构的、与电机转子3同轴设置的轴承座1501；

以轴承座1501的轴线为准环向均布且贴装在轴承座1501轴端侧上的若干静压多孔质轴承片1502，静压多孔质轴承片1502采用透气的多孔石墨材质制成；

设置在轴承座1501中的进气通道，该进气通道具有进气端以及若干出气端，且该进气通道的若干出气端与若干静压多孔质轴承片1502一一对应且贴靠静压多孔质轴承片1502上与轴承座1501相接触的配合面；以及

以轴承座1501的轴线为准环向均布且安装在轴承座1501轴端侧上的若干动压箔片组件1503；

其中，输出管11、二级蜗壳9的出气端均旁通有接通轴承座1501进气通道进气端的通气管路。

上述若干动压箔片组件1503与若干静压多孔质轴承片1502在环向交错相间排列，且若干动压箔片组件1503与若干静压多孔质轴承片1502共同支承电机转子3的凸缘3a的轴端面。以使得电机转子3在轴向上存在支承。

上述轴承组件还包括一对设置在壳体1内的、与电机转子3同轴设置的径向动压箔片轴承16，电机转子3的外周侧转动支承径向动压箔片轴承16，径向动压箔片轴承16设置为圆套状的轴瓦结构。使得电机转子3拥有足够的径向支承。

上述设置在轴承座1501中的进气通道包括一进气孔1501a以及若干一一对应若干静压多孔质轴承片1502的接气孔1501b，进气孔1501a的入口构成进气通道的进气端，接气孔1501b的出口构成进气通道的出气端，若干接气孔1501b的进口与进气孔1501a连通。上述进气孔1501a的入口处于轴承座1501的外周侧。上述通气管路包括控制阀12、接气管13，控制阀12具有两个分别通过管道旁通二级蜗壳9出气端、输出管11的出气端的进气端，控制阀12具有与接气管13入口接通的出气端，接气管13穿过壳体1并分两个输出支路分别接通两个轴承座1501的进气孔1501a入口。

上述轴承座1501的轴端侧上设有若干插入槽1501c，若干静压多孔质轴承片1502分别对应若干插入槽1501c且一一插入若干插入槽1501c中，若干接气孔1501b与若干插入槽1501c一一对应，且接气孔1501b的出口与插入槽1501c槽底相接续，静压多孔质轴承片1502通过耐高温树脂粘接在插入槽1501c内。

上述动压箔片组件1503包括轴承波箔1503d以及片状结构的顶箔1503a，轴承波箔1503d和顶箔1503a均由高弹性材料制成，轴承波箔1503d固定在轴承座1501上，轴承波箔1503d支撑顶箔1503a且与顶箔1503a的内侧面固定连接，顶箔1503a的外侧面支承电机转子3的凸缘3a，且顶箔1503a的外侧面具有楔形部1503b以及平面部1503c，楔形部1503b相对于轴承座1501轴端侧倾斜，平面部1503c平行于轴承座1501轴端侧。那么楔形部1503b与电机转子3的凸缘3a之间形成楔形腔17，平面部1503c与电机转子3的凸缘3a之间形成平面腔14，在电机转子3高速旋转时(旋转方向从楔形部1503b到平面部1503c，如图4所示)，带有一定粘性的气流不断从楔形腔17进入平面腔14，相当于在电机转子3与推力气体轴承15之间形成了一个具有一定强度的气膜以支撑电机转子3的凸缘3a，从而减少电机转子3与推力气体轴承15之间的摩擦作用。

在公知的正常工况下，进入压缩机的气体经过一级压缩叶轮4的初步压缩后温度和压力均上升，经过初步压缩的气流经过一级冷却器6的散热冷却后通到二级压缩叶轮7的位置，以得到进一步的压缩后，通过二级扩压器8、二级蜗壳9后经过二级冷却器10的冷却作用输出，提供可使用的气源，打开控制阀12，使得输出管11和二级蜗壳9的出气端将压缩机输出的高压气流输到接气管13中，然后高压气流依次经过轴承座1501的进气孔1501a、接气孔1501b后渗出静压多孔质轴承片1502，使得气体不断进入电机转子3与推力气体轴承15之间的间隙中，气体经过动压箔片组件1503的楔形效应后得到进一步的压缩，以进一步提升推力气体轴承15对电机转子3的轴向支承性能。随着电机转子3的转速不断加快，压缩机输出的高压气流也升高，升高的高压气流依次通过控制阀12、接气管13、进气孔1501a后进入若干接气孔1501b，使得渗出静压多孔质轴承片1502的气体增多，从而使得电机转子3与推力气体轴承15之间形成的平面腔14气压升高，以便对支承电机转子3形成更好的轴向支承，使得电机转子3在高速旋转的情况下能够保持足够的轴向支承，能够很好地适应高速运行的工况。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，包括壳体(1)、轴承组件，还包括通过轴承组件转动设置在壳体(1)内的电机转子(3)，以及安装在壳体(1)内的电机定子(2)，还包括一级压缩叶轮(4)、一级蜗壳(5)、一级冷却器(6)、二级压缩叶轮(7)、二级扩压器(8)、二级蜗壳(9)、二级冷却器(10)、用于输出高压气流的输出管(11)，所述轴承组件包括一对与电机转子(3)同轴设置的推力气体轴承(15)，所述一对推力气体轴承(15)安装在壳体(1)中，所述电机转子(3)外周设置沿其径向外凸的、圆片状的凸缘(3a)，所述电机转子(3)的凸缘(3a)转动支承两个推力气体轴承(15)，两个推力气体轴承(15)以电机转子(3)的凸缘(3a)为准相对布置并分别支承凸缘(3a)的两轴端面；其特征在于，所述推力气体轴承(15)包括如下部分：

回转体结构的、与电机转子(3)同轴设置的轴承座(1501)；

以轴承座(1501)的轴线为准环向均布且贴装在轴承座(1501)轴端侧上的若干静压多孔质轴承片(1502)，所述静压多孔质轴承片(1502)采用透气的多孔石墨材质制成；

设置在轴承座(1501)中的进气通道，该进气通道具有进气端以及若干出气端，且该进气通道的若干出气端与若干静压多孔质轴承片(1502)一一对应且贴靠静压多孔质轴承片(1502)上与轴承座(1501)相接触的配合面；以及

以轴承座(1501)的轴线为准环向均布且安装在轴承座(1501)轴端侧上的若干动压箔片组件(1503)；

其中，所述输出管(11)、二级蜗壳(9)的出气端均旁通有接通轴承座(1501)进气通道进气端的通气管路；

所述若干动压箔片组件(1503)与若干静压多孔质轴承片(1502)在环向交错相间排列，且若干动压箔片组件(1503)与若干静压多孔质轴承片(1502)共同支承电机转子(3)的凸缘(3a)的轴端面；

上述设置在轴承座(1501)中的进气通道包括一进气孔(1501a)以及若干一一对应若干静压多孔质轴承片(1502)的接气孔(1501b)，所述进气孔(1501a)的入口构成进气通道的进气端，所述接气孔(1501b)的出口构成进气通道的出气端，所述若干接气孔(1501b)的进口与进气孔(1501a)连通；

所述动压箔片组件(1503)包括轴承波箔(1503d)以及片状结构的顶箔(1503a)，所述轴承波箔(1503d)和顶箔(1503a)均由高弹性材料制成，所述轴承波箔(1503d)固定在轴承座(1501)上，所述轴承波箔(1503d)支撑顶箔(1503a)且与顶箔(1503a)的内侧面固定连接，所述顶箔(1503a)的外侧面支承电机转子(3)的凸缘(3a)，且所述顶箔(1503a)的外侧面具有楔形部(1503b)以及平面部(1503c)，所述楔形部(1503b)相对于轴承座(1501)轴端侧倾斜，所述平面部(1503c)平行于轴承座(1501)轴端侧。

2.根据权利要求1所述的一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，其特征在于：所述轴承座(1501)的轴端侧上设有若干插入槽(1501c)，若干静压多孔质轴承片(1502)分别对应若干插入槽(1501c)且一一插入若干插入槽(1501c)中，所述若干接气孔(1501b)与若干插入槽(1501c)一一对应，且所述接气孔(1501b)的出口与插入槽(1501c)槽底相接续，所述静压多孔质轴承片(1502)通过耐高温树脂粘接在插入槽(1501c)内。

3.根据权利要求1所述的一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，其特征在于：所述通气管路包括控制阀(12)、接气管(13)，所述控制阀(12)具有两个分别通过管道旁通二级蜗壳(9)出气端、输出管(11)的出气端的进气端，所述控制阀(12)具有与接气管(13)入口接通的出气端，所述接气管(13)穿过壳体(1)并分两个输出支路分别接通两个轴承座(1501)的进气孔(1501a)入口。

4.根据权利要求1所述的一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，其特征在于：所述进气孔(1501a)的入口处于轴承座(1501)的外周侧。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种动静压气体混合轴承支承的高速离心压缩机，其特征在于：所述轴承组件还包括一对设置在壳体(1)内的、与电机转子(3)同轴设置的径向动压箔片轴承(16)，所述电机转子(3)的外周侧转动支承径向动压箔片轴承(16)，所述径向动压箔片轴承(16)设置为圆套状的轴瓦结构。