CN109983234A

CN109983234A - 涡轮机

Info

Publication number: CN109983234A
Application number: CN201780071658.3A
Authority: CN
Inventors: 赖纳·高斯曼; 韦春胜
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: US20190264691A1; JP6918108B2; US10837454B2; EP3542067A1; EP3542067B1; CN109983234B; DE102016222786A1; WO2018091250A1; JP2019535952A

Abstract

本发明涉及一种涡轮机，尤其涡轮压缩机(TCO)，包括转子(R)，所述转子至少部分地设置在壳体(CAS)中并且沿着旋转轴线(X)延伸，其中涡轮机具有至少一个径向轴承(RB)，在所述径向轴承中，转子(R)径向地支承在径向轴承部位(RBP)上，其中径向轴承(RB)构成为油润滑的滑动轴承，其中转子(R)在径向轴承部位(RBP)的轴向区域中具有环形地沿着环周方向(CDR)位于转子(R)的径向轴承部位(RBP)的直径的外20％的区域中的空腔(CAV)，所述空腔在转子(R)的在径向轴承部位(RBP)的区域中位于径向内部的芯区域(COR)和转子(R)的在径向轴承部位(RBP)的区域中位于径向外部的区域之间热绝缘。为了尽可能好地平稳运行而提出，转子(R)的第一轴端部(RN1)从径向轴承部位(RBP)的轴向中心起以突出部(OVH)伸出于径向轴承部位(RBP)，其中突出部(OVH)与转子(R)的总长度(TLE)的第一商(QLO)为QLO＝OVH/TLE>0.15。

Description

涡轮机

技术领域

本发明涉及一种涡轮机，尤其涡轮压缩机，包括转子，所述转子至少部分地设置在壳体中并且沿着转动轴线延伸，其中涡轮机具有至少一个径向轴承，在所述径向轴承中，转子径向地支承在径向轴承部位上，其中径向轴承构成为油润滑的滑动轴承，其中转子在径向轴承部位的轴向区域中具有环形地沿着环周方向位于转子的径向轴承部位的直径的外20％的区域中的空腔，所述空腔在转子的在径向轴承部位的区域中位于径向内部的芯区域和转子的在径向轴承部位的区域中位于径向外部的区域之间热绝缘。

背景技术

从EP 983 448B1中已知一种用于涡轮机的转子轴，其中热绝缘的空腔设置在径向的支承装置的区域中。

已证实，并非在所有涡轮机中这种用于避免Morten效应的措施都是同样有意义的。伴随所述措施发生的在径向轴承区域中的直径的增大，以不期望的方式改变转子动力学，而无法在相同的程度上引起轴强度的正面改善。附加的生产耗费和这种装置所需的较大结构空间同样是不期望的。另一方面，所述措施在某些情况中对于改善机器的平稳运行、实现在其它情况下可能不可行的运行状态或者避免损伤是非常可行的。原则上，机器的平稳运行也对关于例如轴密封件的间隙需求产生影响从而也对其密封性产生影响，使得在此也能够实现效率的改进。

发明内容

因此，本发明的目的是，当这种措施有意义时，为涡轮机的相应的转子在轴承部位处提供这种热绝缘部。

为了实现所述目的，提出一种开始限定类型的装置，其具有独立权利要求的特征部分的附加特征。引用独立权利要求的从属权利要求包含本发明的有利的改进形式。

术语如径向的、轴向的、切向的或者环周方向分别参考转子的轴线，除非另做说明。根据本发明的径向轴承也能够构成为组合式径向-轴向轴承并且在任何情况下都用于支撑静态的和动态的径向轴承力。

由于根据本发明转子的第一轴端部从径向轴承部位的轴向中心处起以突出部伸出于径向轴承部位，其中突出部与转子的总长度的第一商为QLO＝OVH/TLE>0.15，所以商QLO自然始终小于1，因为突出部OVH不能够大于转子的总长度TLE。就此而言，其不是单侧开区间而是至少逻辑上在技术方面借助于为1的上限限界的区间。在实践中，按照适宜的改进形式，有意义地设定0.5>QLO＝OVH/TLE>0.15。

本发明所使用的术语“转子的芯区域”涉及如下区域，所述区域从根据本发明的用于热绝缘的空腔起位于径向内部。芯区域在这种情况下是转子的在径向轴承部位的区域中用于吸收静态力和动态力的主要的组成部分。在径向轴承部位的区域中的空腔削弱转子横截面，使得主要的强度特性通过芯区域来确定。

空腔的一个优选的实施方案可行性在于，套筒在径向轴承部位的区域中被施加到转子上，所述套筒通过位于径向内部的表面径向向外限定空腔。该套筒在位于径向内部的表面上具有留空部和/或经由在径向轴承部位的区域中位于转子处的相应的留空部定位，使得空腔径向地延伸到套筒的区域中和/或径向地大量减少转子的芯区域。

本发明的决定性的教导基于：当转子的第一轴端部从径向轴承部位的轴向中心起以突出部伸出于径向轴承部位时，涡轮机应当尤其有利地在径向轴承部位的区域中配备有这种热绝缘部，其中该轴向的突出部与转子的总长度的第一商大于0.15。该公式基于：在径向轴承部位的一侧上设置有转子的主要质量，而在径向轴承部位的轴向另一侧上突出部伸出于径向轴承部位。在存在转子的较大的质量份额的侧上，在一定轴承间距内也设有第二径向轴承部位或第二径向轴承。在等式中，关于总长度与突出部的长度比的上述事实情况可如下表示：

QLO＝OVH/TLE>0.15

其中

QLO:第一商

OVH:突出部(以长度为单位,例如mm)

TLE:总长度(以长度为单位,例如mm)。

本发明的一个有利的改进形式提出，转子的突出部的轴向延伸部具有突出部质量并且整个转子具有总质量，其中突出部质量与总质量的商>0.06。在等式中，上述事实情况如下表示：

QUT＝OVM/TMS>0.06，

其中

QUT:第二商

OVM:突出部质量(以kg为单位)

TMS:总质量(以kg为单位)。

本发明的另一有利的改进形式提出，径向轴承构成为，使得静态的轴承压力大于6bar。已证实，这种设置尤其倾向于构成Morten效应。

当由转子和径向轴承构成的装置具有至少0.1的相对偏心率时，涡轮机配设有所限定的热绝缘部是尤其适宜的。

在这种情况下，术语“相对偏心率”是指在径向轴承的径向的中轴线和轴承部位处的转子轴线之间的间距，所述间距标准化为转子和径向轴承的滑动轴承面之间的径向间隙。所述关系可从图4中看到并且在下文中详细阐述。

相对偏心率ecb＝e/Cb(无量纲)

其中：

RAJ＝在轴承处转子的半径(在轴向延伸部上取平均值)

RAB＝关于滑动面的轴承半径(在轴向延伸部上取平均值)

Cb＝在转子和轴承之间的径向间隙＝RAB-RAJ

h＝作为环周位置的函数的径向间隙，在所述环周位置处测量所述间隙

hmin＝MOFT＝最小油膜间隙

e＝偏心率，在轴承的径向中心和转子的径向中心之间的径向间距

ecb＝e/Cb＝相对偏心率，如果为零，那么转子在轴承中定心；

如果ecb达到值1，那么转子接触轴承，使得转子的重心相对于转子轴线偏心并且与之相应地构成不平衡。

另一有利的改进形式提出，涡轮机构成为，针对以在轴颈(轴或转子在径向轴承的区域中的部段)的最外部的环周处>60m/s的环周速度的额定运行状态。在这种情况下，额定运行状态表示存在机器的如下运行参数，大部分时间以所述运行参数进行运行。

尤其适宜的是，径向轴承构成为等熵支承。

当突出的第一轴端部具有联轴器时，尤其有利地使用本发明，其中联轴器的质量为转子的总质量的至少2％。对于这种设置而言，针对Morten效应的措施是极其适宜的。

当突出部质量的重力为径向轴承的轴承负荷的至少12％时，使用本发明是尤其优选的。此外，当突出部具有如下质量重心时，使用本发明是尤其适宜的，所述质量重心距转子的轴向端部比距径向轴承的轴向中心更近。

此外，当转子针对额定运行设计为使得在额定转速中突出部的不平衡离心力在径向轴承处以1°弯曲的情况下为径向轴承中的静态的轴承力的至少60％时，使用本发明是尤其有意义的。

本发明的一个有利的改进形式提出，空腔的径向高度小于在径向轴承位置处转子直径的10％，优选小于5％。

附图说明

接下来根据特定的实施例参照附图详细说明本发明。附图示出：

图1示出根据本发明的涡轮压缩机的示意性地极其简化的视图，

图2在纵截面中示出根据本发明的空腔的示意性视图，

图3示出在转子的径向轴承的区域中具有1％的弯曲的情况下根据本发明的涡轮机的示意性视图，

图4在轴向截面中示出在径向轴承部位处的几何关系的示意性视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的涡轮机即涡轮压缩机TCO的示意性描述。极其简化地描述纵截图作为简单的线条图，具有转子R和壳体CAS，所述壳体部分地包围转子R。转子R在该实例中承载三个转动的叶轮，即第一工作轮IMP1、第二工作轮IMP2和第三工作轮IMP3。

术语“右”和“左”在此仅关于附图来使用。事实上，所述设置也能够反向，使得左仅表示所述设置的第一侧，而右仅表示所述设置的另一第二侧。

转子R沿着转子轴线X延伸并且在径向上借助于两个径向轴承RB支承。设置在左边的径向轴承RB构成为固定轴承并且与之相应地具有所连接的轴向轴承，所述轴向轴承未在进一步详细示出。该径向轴承在第一轴端部RN1和转子R的其余部分之间支承转子R。设置在右边的径向轴承RB借助于该径向轴承部位将转子划分为第二轴端部RN2和转子R的其余部分。左侧的径向轴承RB的径向轴承部位RBP从第一工作轮IMP1的右侧设置，使得第一工作轮IMP1构成为突出部并且与之相应地构成为转子R的突出部OVH的组成部分。在第一轴端部RN1的端部处还存在联轴器CP以联接到其它旋转机械例如驱动器上。替选地，也能够在第二轴端部RN2上设有联轴器CP’(在此可选地构成)。转子R具有总长度TLE并且突出部OVH具有突出部长度OVL。突出部OVH除此之外具有突出部质量OVM，所述突出部质量与转子R的总质量TMS成一定比例。示例性地在左边的径向轴承RB处绘制轴承负荷BLO和由所述轴承负荷BLU引起的静态的轴承压力SBP。在第一叶轮IMP1处同样示意性地描绘转子R的最外部的环周CMX，在所述最外部的环周处在额定运行时产生沿着环周方向CDR的最大的环周速度RSP。

图2示出关于图1中热绝缘的空腔在左边的径向轴承RB的径向轴承部位RBP处构成的细节。空腔CAV在此借助于套筒SLV构成，所述套筒在径向轴承部位RBP的区域中热压配合到第一轴端部RN1上。在套筒SLV的两个热压配合座之间在轴向上在套筒SLV的径向内侧上存在具有径向高度RHT的径向凹槽。在径向轴承部位RBP的区域中，转子R具有转子直径RDM，其中空腔的径向高度RHT小于转子直径RDM的10％，优选小于5％。以这种方式实现所期望的热绝缘效果。

图3示意性地示出第一轴端部RN1在径向轴承部位RBP的区域中以角度α的弯曲，以至于突出部OV的质量重心MSPOV(为了区分整个转子R的质量重心MSP和质量重心MSP关于转子轴线X的偏心率EXT)以偏心率EXT2偏心地移置。由于第一轴端部RN1的偏心率，由于所产生的不平衡而出现离心力CFF。

在图1、3中，转子R的第一轴端部RN1从径向轴承部位RBP的轴向中心起以突出部OVH伸出于径向轴承部位RBP，其中突出部OVH与转子R的总长度TLE的第一商QLO为QLO＝OVH/TLE>0.15。

转子R的突出部OVH的轴向延伸部具有突出部质量OVM并且整个转子R具有总质量TMS，其中突出部质量OVM与总质量TMS的第二商QOT为QOT＝OVM/TMS>0.06。

径向轴承RB构成为，使得静态的轴承压力SBP大于6bar。

涡轮机构成为，针对以在转子R的最外部的环周CMX处RSP>60m/s的环周速度RSP的额定运行状态。径向轴承RB针对等熵支承构成。伸出的第一轴端部RN1具有联轴器CP，其中联轴器CP的质量为转子R的总质量TMS的至少2％。

突出部质量OVM的重力为径向轴承RB的轴承负荷BLO的至少12％。

突出部具有质量重心，其中突出部的质量重心距转子R的轴向端部比距径向轴承RB的轴向中心点更近。

转子R针对额定运行设计为，使得在额定转速NN下突出部的不平衡离心力在径向轴承RB处存在1°的弯曲的情况下为在径向轴承RB中的静态的轴承力的至少60％。

在图2中，空腔CAV的径向高度RHT小于在径向轴承位置RBP处的转子直径RDM的10％，优选小于5％。

轴承RB具有为EXT<0.1的相对偏心率EXT。

图4示出转子R或转子R的轴在左边的轴向轴承RB的区域中的示意性的轴向截面图。转子R在图4中以在相对于固定的径向轴承RB转动ROT的方式示出。转子R轴向地沿着转动轴线X延伸。径向轴承RB具有径向中心X’。图4的视图示出特定的轴向截面，所述轴向截面描绘几何参数，所述几何参数沿着轴向方向在径向轴承RB的长度上取平均。径向轴承RB关于滑动面的内表面具有径向轴承半径RAB。转子R具有半径RAJ。转子的半径RAJ与轴承的半径RAB相比更小地构成。由于转动ROT，转子R在径向轴承RB中在一定的径向方位中定位。在该径向方位中存在转动轴线X，并且径向轴承RB的径向中心X’位于多个轴线LOC中的一个轴线上。在多个轴线LOC中的一个轴线的延长部中，在该运行状态中在转子R的表面和径向轴承RB的滑动面之间存在最小的径向间隙。最小的径向间隙HMIN在此也称为OFT。通常，在转子R的表面和径向轴承RB的滑动面之间的径向间隙称为H，具有环周位置AAG的函数(所述环周位置在此作为角度表示)。在转子轴线X和径向轴承RB的径向中心X’之间的间距是偏心率E。由此，与理论上的径向间隙(在轴承的半径RAB和转子的半径RAJ之间的差)组合计算出相对偏心率。

Claims

1.一种涡轮机，尤其涡轮压缩机(TCO)，包括转子(R)，所述转子至少部分地设置在壳体(CAS)中并且沿着旋转轴线(X)延伸，其中所述涡轮机具有至少一个径向轴承(RB)，在所述径向轴承中，所述转子(R)径向地支承在径向轴承部位(RBP)上，其中所述径向轴承(RB)构成为油润滑的滑动轴承，其中所述转子(R)在所述径向轴承部位(RBP)的轴向区域中具有空腔(CAV)，所述空腔环形地沿着环周方向(CDR)位于所述转子(R)的径向轴承部位(RBP)的直径的外20％的区域中，所述空腔在所述转子(R)的在所述径向轴承部位(RBP)的区域中位于径向内部的芯区域(COR)和所述转子(R)的在所述径向轴承部位(RBP)的区域中位于径向外部的区域之间热绝缘，

其特征在于，

所述转子(R)的第一轴端部(RN1)从所述径向轴承部位(RBP)的轴向中心起以突出部(OVH)伸出于所述径向轴承部位(RBP)，其中突出部(OVH)与所述转子(R)的总长度(TLE)的第一商(QLO)为QLO＝OVH/TLE>0.15。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，

其中所述转子(R)的突出部(OVH)的轴向延伸部具有突出部质量(OVM)并且整个转子(R)具有总质量(TMS)，其中突出部质量(OVM)与总质量(TMS)的第二商(QOT)为QOT＝OVM/TMS>0.06。

3.根据权利要求1、2中至少一项所述的涡轮机，

其中所述径向轴承(RB)构成为，使得静态的轴承压力(SBP)为SBP>6bar。

4.根据上述权利要求1至3中至少一项所述的涡轮机，

其中所述转子(R)具有为EXT<0.1的偏心率(EXT)。

5.根据上述权利要求1至4中至少一项所述的涡轮机，

其中所述涡轮机构成为，针对以在所述转子(R)的最外部的环周(CMX)处RSP>60m/s的环周速度(RSP)的额定运行状态。

6.根据上述权利要求1至5中至少一项所述的涡轮机，

其中所述径向轴承(RB)针对等熵支承构成。

7.根据上述权利要求1至6中至少一项所述的涡轮机，

其中突出的第一轴端部(RN1)具有联轴器(CP)，其中所述联轴器(CP)的质量为所述转子(R)的总质量(TMS)的至少2％。

8.根据上述权利要求1至7中至少一项所述的涡轮机，

其中所述突出部质量(OVM)的重力为所述径向轴承(RB)的轴承负荷(BLO)的至少12％。

9.根据上述权利要求1至8中至少一项所述的涡轮机，

其中所述突出部具有质量重心，其中所述突出部的质量重心距所述转子(R)的轴向端部比距所述径向轴承(RB)的轴向中心更近。

10.根据上述权利要求1至9中至少一项所述的涡轮机，

其中所述转子(R)针对额定运行设计为，使得在额定转速(NN)中所述突出部的不平衡离心力在所述径向轴承(RB)处以1°弯曲的情况下为所述径向轴承(RB)中的静态的轴承力的至少60％。

11.根据上述权利要求1至10中至少一项所述的涡轮机，

其中所述空腔(CAV)的径向高度(RHT)小于所述径向轴承位置(RBP)处的转子直径(RDM)的10％，优选小于5％。