CN110199129B - 具有轴向气体轴承的旋转系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有至少一个轴向气体轴承的旋转系统(10)，包括：壳体(11)、可相对于壳体(11)旋转的轴(12)、固定在轴(12)上的至少一个轴承盘(13)，和至少一个轴承组件(14)，该轴承组件通过轴向气体轴承相对于壳体(11)支撑轴承盘(13)。轴承组件(14)从内向外具有支撑轴承盘(13)的径向靠内区域(15)、径向中间区域(16)和由壳体(11)保持的径向靠外区域(17)。径向靠内区域(15)包含至少一个轴向轴承件(19)和至少一个保持件(20)。轴承盘(13)由轴向轴承件(19)支撑，并且保持件(20)沿轴向保持该轴向轴承件(19)。

Description

具有轴向气体轴承的旋转系统
技术领域
本发明涉及具有至少一个轴向气体轴承的旋转系统。
背景技术
具有轴向气体轴承的旋转系统包括壳体、能够相对于壳体旋转的轴、至少一个固定至轴的轴承盘和至少一个轴承组件，该轴承组件通过轴向气体轴承相对于壳体支承轴承盘。轴承组件包括至少一个轴向轴承件，该轴向轴承件在许多实施例中由两个轴向轴承盘形成，该轴承盘安装在轴向轴承盘之间。在轴承盘和轴向轴承盘之间形成气体间隙，该气体间隙形成气体轴承。
DE102007062496A1尤其揭示了与燃气涡轮发动机结合使用的轴承装置。该轴承装置包括一对片状止推轴承和一对弹簧机构，它们基本同轴设置在一对片状止推轴承上。通过这种方式，轴承在轴向上承受弹簧力。但这里存在的气体间隙取决于气体压力，这是不利的。此外，这些轴承装置中的每一个均包含大量独立零件，所有这些零件都受到累积公差的影响。
DE6907334U揭示了一种带有旋转轴的小型电机，该旋转轴承载至少一个在轴向上具有弹性的中间盘。
对于气体轴承，气体间隙的尺寸尽可能保持恒定至关重要。气体间隙过宽会局部地降低气体压力，因此轴承会不稳定。如果气体间隙过窄，则轴承表面可能会接触。这可能导致整个旋转系统尤其在高旋转速度下被破坏。然而，许多旋转系统经常暴露于高温和/或高温差和/或其它特别可变的操作影响因素，例如可变的气体压力或离心力。这会导致旋转系统的各个部件的明显变形。例如，壳体可以在高温下变形，该高温通过轴承装置传递到轴向轴承件的支撑表面。例如，面向轴承盘的两个轴向轴承盘的支撑表面可能失去其平直度或平行度。总的来说，不再能保证旋转系统的安全运行。
发明内容
本发明的任务是提供一种改进的旋转系统，该旋转系统即使在高转速和/或高温和/或高温差和/或进一步在尤其可变的操作影响因素(例如可变的气体压力或离心力)下也尽可能地满足所述要求。因此，即使在这些条件下，即尽可能独立于这些条件，在轴承组件和轴承盘之间形成的气体间隙也应尽可能保持恒定。特别是在各个实施例中，轴向轴承盘的支承表面应尽可能保持彼此平行。
这些和其它任务由本发明的旋转系统解决。该旋转系统包括壳体、能相对于该壳体旋转的轴、至少一个例如紧固至轴的板状轴承盘以及至少一个轴承组件，该轴承组件通过轴向气体轴承相对于壳体支承该轴承盘。因此在轴承组件特别是下面描述的轴向轴承盘与轴承盘之间形成气体间隙。轴向气体轴承装置可以是空气动态气体轴承装置、空气静态气体轴承装置、倾斜垫气体轴承装置或箔片轴承装置。如上所述，轴承盘可以是板状的；但是，替代地它也可以是圆锥形或具有自由几何形状，只要相对的支承表面允许限定的气体间隙即可。
根据本发明，轴承组件从内向外具有支承轴承盘的径向靠内区域、径向中间区域和由壳体保持的径向靠外区域。径向靠内区域包括至少一个轴向支承件和至少一个保持件，轴承盘借助于轴向支承件安装，并且保持件在轴向方向上保持轴向支承件。
由于本发明的设计，即使在高转速和/或高温和/或高温差和/或其它特别可变的操作影响(如可变的气体压力或离心力，即实际上与这些操作影响无关)下，在轴承组件和轴承盘之间形成的气体间隙也可保持非常恒定。特别地，取决于操作影响因素，可以使得到的壳体变形最小化，使得期望的气体间隙在非常小的允许范围内变形。因此，旋转系统也可以在这些条件下运行，而没有气体间隙过度变形的风险。
在一些实施例中，轴承组件的径向中间区域可以比其径向靠内区域更具弹性。由此支撑轴承盘的轴承组件的部分可以整体上更具刚性，使得例如轴承组件的轴向轴承盘即使在壳体变形的情况下也能保持彼此相对平行。由于其相对更具弹性的设计，径向中间区域作为整体允许径向靠内区域相对于变形壳体具有一定的弹性。径向中间区域可以比径向靠内区域更具弹性，特别是由于径向中间区域的至少一个材料弱化部。
此外，轴承组件的径向中间区域可以比其径向靠外区域更具弹性。以这种方式，轴承组件可以以固定和/或精确限定的方式连接到壳体。径向中间区域特别由于径向中间区域的至少一个材料弱化部可以比径向靠外区域更具弹性。
此材料弱化部和中间区域弹性地形成进一步有助于这样的事实，即在高转速和/或高温和/或高温差/或进一步特别是可变的操作影响因素例如可变气体压力或离心力下，在轴承组件和轴承盘之间形成的气体间隙保持非常恒定，并因此旋转系统也可以在这些条件下运行，而不会产生气体间隙过度变形的风险。
至少一个其中材料弱化部可以由沿轴向形成的凹部或由穿过轴承组件的开口形成。例如凹部或开口可以形成在下面更详细描述的间隔盘中，特别是可以形成在这种间隔盘的靠内区段中。凹部例如可通过激光烧结结构、孔、轴向凹陷、激光结构、铸筋和/或铣削肾形孔(
Figure BDA0002088707960000031
Niere)形成。
或者，可以通过不同材料的组合和/或具有不同性质的相同材料的组合来实现材料弱化。不同的金属可以连接在一起形成双金属。通过混合两种或更多种材料，特别是两种或更多种金属，也可以实现材料弱化。例如，通过不同的生产方法和/或加工方法，例如软退火、发泡和/或激光烧结，可以获得本身相似且具有不同性质的材料。
在有利的实施例中，保持件通过夹持、螺纹连接、熔接、焊接、收缩、压制、胶粘、结晶复合、压紧连接、塑料注制和/或激光烧结来保持轴向轴承件。
至少一个轴向轴承件可以包含两个轴向轴承盘或由两个轴向轴承盘形成，轴承盘安装在该两个轴向轴承盘之间。所述至少一个保持件可以包含两个夹持环或者由两个夹持环形成，所述夹持环沿轴向方向夹持轴向轴承盘。这种夹持不会以不允许的方式影响轴向轴承盘的基本几何形状和/或防止不允许的位移。由于所述夹持，在不会不允许地影响气体间隙的情况下可实现在径向方向上的小位移。
保持件优选地包括两个夹持块，每个夹持块在径向靠内区域中均具有其中一个夹持环。为了简化设计，夹持块均可被设计成一体件。
轴承组件的径向中间区域优选由间隔盘的靠内区段形成，轴承组件的径向靠内区域附接到间隔盘的靠内区段。此间隔盘允许轻松和/或精确地调节气体间隙。间隔盘可包含至少一种金属和/或至少一种塑料或由其组成。
特别是，上述夹持环或包含夹持环的夹持块可以连接到间隔盘的靠内区段。优选地，夹持环或包含夹持环的夹持块沿相反的轴向方向远离间隔盘的靠内区段延伸。
特别有利的是，如果轴承组件的径向靠外区域由被壳体保持的间隔盘的靠外区段形成。在间隔盘与壳体的结合中，这导致更高的稳定性，但也具有精确的连接。
如果间隔盘的靠内区段在轴承组件的径向靠内区域在两个轴向轴承盘之间延伸，那么也是有利的。使用上述夹持环，轴向轴承盘然后可以在轴向方向上夹持抵靠在间隔盘的靠内区段上，使得两个轴向轴承盘中的每一个均在轴向方向上被夹持在间隔盘的靠内区段和其中一个夹持块之间。
有利地，径向中间区域，特别是间隔盘，具有1000MPa至700000MPa，优选3000MPa至400000MPa，特别优选60000MPa至220000MPa范围内的弹性模量。
有利地，径向靠内区域，特别是夹持环，具有1000000MPa至700000MPa，优选3000000MPa至400000MPa范围内，特别优选在60000MPa至220000MPa范围内的弹性模量。
有利地，径向靠内区域，特别是轴向轴承盘，具有10000MPa至900000MPa，优选100000MPa至700000MPa，特别优选200000MPa至650000MPa范围内的弹性模量。
特别优选地，轴承组件包括至少一个沿周向延伸的冷却通道。这种冷却通道例如可以形成在轴承盘内部，该轴承盘连接到轴上或这个轴承盘外部，特别其径向外部。借助于这种冷却通道，可以调节旋转系统内的温度分布。这可以进一步有助于确保气体间隙尽可能地保持限定的几何形状。冷却通道例如可以由凹槽限定，该凹槽形成在上述夹持块的径向靠外区域中并且通过环形盖子在轴向方向上远离轴承盘被封闭。替代地，冷却通道可以形成在附接到轴的轴承盘中、形成在轴向轴承件中特别是轴向轴承盘中、形成在间隔盘中或壳体中。
替代地或附加地，冷却可以例如由外部区域中的夹持块上的径向凹槽提供，并且借助诸如O形环的密封元件抵靠壳体被密封。
沿周向延伸的冷却通道可以连通至轴承组件内的径向冷却通道，特别是间隔盘中。此外，轴承组件中的径向冷却通道可以连通至壳体内的轴向冷却通道。以这种方式，轴承装置可以特别有效地冷却。
在冷却通道中可以存在至少一个面积增大结构。这是一种增大界定出冷却通道的面积的结构。以这种方式，可以实现更好的热传递并因此实现冷却。例如面积增大结构可以包含一个或多个散热翅片，其可以呈轴环状。
在一些实施例中，轴向轴承盘也可以设计为与夹持块为一体件，这有利于制造并减小公差。
旋转系统可以是尤其为压缩机的电动涡轮机、透平机、涡轮增压器、耦合系统或飞轮，该压缩机尤其为涡轮压缩机、马达或发电机，该涡轮机尤其为涡轮发电机、涡轮增压器，耦合系统尤其为磁耦合或飞轮尤其为动力蓄能器。
附图说明
以下，用实施例来更详细解释本发明。附图在横剖视图中示出：
图1示出根据本发明的第一旋转系统；
图2示出根据本发明的第二旋转系统，其具有简化的夹持块；
图3示出不是根据本发明的旋转系统，其具有与轴向轴承盘一体形成的夹持块；
图4示出根据本发明的第三旋转系统，其具有作为材料弱化部的开口；
图5示出根据本发明的第四旋转系统，其具有作为材料弱化部的轴向凹部；
图6示出根据本发明的第五旋转系统，其具有作为材料弱化部的双金属；
图7示出根据本发明的第六旋转系统，其具有径向和轴向冷却通道；
图8示出根据本发明的第七旋转系统，其在轴承盘中具有冷却通道；
图9示出根据本发明的第八旋转系统，其在间隔盘中具有冷却通道；
图10示出根据本发明的第九旋转系统，其在夹持块中具有冷却通道；
图11示出根据本发明的第十旋转系统，其在壳体中具有冷却通道；
图12示出根据本发明的第十一旋转系统，其具有多个冷却通道；
图13示出根据本发明的第十二旋转系统，其具有多个冷却通道。
具体实施方式
图1所示的旋转系统10设计为涡轮压缩机。它包括壳体11和可相对于壳体11旋转的轴12。在该示例中，板状的轴承盘13附接到轴12。轴承组件14通过轴向气体轴承相对于壳体11支撑轴承盘13。
轴承组件14从内向外具有支撑轴承盘13的径向靠内区域15、径向中间区域16和由壳体11保持的径向靠外区域17。更确切地说，它包括具有靠内区段22和靠外区段23的间隔盘21。间隔盘21的靠外区段23形成轴承组件14的径向靠外区域17，其被保持在壳体11上。间隔盘21的靠内区段22形成轴承组件14的径向中间区域16。
间隔盘21的靠内区段22在两个轴向轴承盘19之间延伸，轴向轴承盘19形成轴向轴承件19。轴承盘13安装在这些轴向轴承盘19之间，由此在轴向轴承盘19和轴承盘13之间形成气体间隙(这里不可见)以形成轴向气体轴承。两个夹持块26借助于紧固螺栓27附接到间隔盘21的靠内区段22，其中夹持块26反向于轴向方向远离间隔盘21的靠内区段22延伸；这里只能看到它们中的一个。紧固螺栓27分别穿过两个夹持块26和间隔盘21，并且它们的螺钉头容纳在右侧所示的夹持块26的盲孔中。夹持块26分别在径向靠内区域中具有保持件，该保持件设计为夹持环20。使用紧固螺栓27、夹持环20将轴向轴承盘19沿轴向方向夹持在间隔盘21的靠内区段22上，使得两个轴向轴承盘19中的每一个在轴向方向上被夹持在间隔盘21的靠内区段22和两个夹持环20中的一个之间。夹持块26和轴向轴承盘19一起形成轴承组件14的径向靠内区域15。
在这里所示的示例中，间隔盘21的靠内区段22(即轴承组件14的径向中间区域16)包括在轴向方向上穿过它的若干开口18。以这种方式，开口18形成材料弱化部，其确保轴承组件14的径向中间区域16比径向靠内区域15(即作为夹持块26和轴向轴承盘19)更具弹性。由此轴承组件14的支撑轴承盘13的部分总体上设计为具有相当刚性，从而轴向轴承盘19即使在壳体11变形的情况下也能保持彼此相当的平行度。由于其相对更具弹性的设计，径向中间区域16允许径向靠内区域15相较于变形壳体11具有一定的弹性。作为开口18的替代或补充，也可以设置凹部，该凹部也可以形成具有上述效果的材料弱化部。由于所提到的开口18，径向中间区域16也比径向靠外区域17更具弹性。
间隔盘21的弹性模量优选为60000MPa至220000MPa。轴向轴承盘19优选地具有200000MPa至650000MPa的弹性模量。夹持环20具有60000MPa至220000MPa的优选弹性模量。
根据本发明的该旋转系统10即使在高转速和高温下也能确保轴承盘13和轴向轴承盘19之间的高度平行。由夹持块26和轴向轴承盘19形成的相对刚性的径向靠内区域15确定了平行度。此外，开口18将轴向轴承盘19从壳体11上机械地解耦。此外，借助于冷却通道24可以具体影响温度分布。在本文描述的实施例中，夹持块26在与间隔盘21结构分离，使得每个部件的形状可以更简单，因此整体上更经济地生产。
在如图2所示的旋转系统10中，两个夹持块26中的每一个均利用相应的紧固螺栓27在轴向方向上与间隔盘21夹紧。与图1相比，紧固螺栓27的螺钉头部在此不包括在盲孔中。
与图2相比，图3所示的非本发明的旋转系统10的轴向轴承盘19被设计为与夹持块是一体件。或者，两个轴向轴承盘19中只有一个可以设计成与夹持块为一体件。
图4所示的旋转系统10与图2所示的旋转系统的不同之处在于，间隔盘21的靠内区段22被沿轴向延伸的多个开口18穿过。
在图5所示的旋转系统10中，材料弱化部不是通过完全穿过间隔盘21的开口实现的，而是通过位于两侧上的轴向凹槽18实现的，轴向凹槽18代表沿轴向形成的凹部18。与该实施例不同，凹部18也可以仅布置在一侧和/或不对称地布置。
在图6所示的示例中，材料弱化部18由间隔盘21的靠内区段22中的双金属或两种或更多种材料(特别是两种或更多种金属)的混合物形成。间隔盘21的刚度也可以这种方式调节。
在图7中，每个轴向轴承盘19均包含沿周向延伸的冷却通道24，该冷却通道24通过间隔盘21的径向冷却通道29连接到壳体11的轴向冷却通道30。以这种方式，诸如水的冷却介质可以通过轴向冷却通道30和径向冷却通道29引入冷却通道24中。用于提供弹性的密封O形环31被设置在轴向轴承盘19和间隔盘21之间的连接位置处以及间隔盘21和壳体11之间的连接位置处。
图8示出了另一实施例，其中轴承盘13具有沿周向延伸的冷却通道24，该冷却通道可通过轴12(未示出)被供应冷却介质。
图9示出了间隔盘21还可以具有冷却通道24，该冷却通道24例如在周向上在紧固螺栓27的径向内侧和径向外侧延伸。在紧固螺栓27内侧径向延伸的冷却通道24由间隔盘21的两个部分包围，这两个部分通过O形环31在轴向方向上连接。两个冷却通道24通过径向冷却通道连接，所述径向冷却通道在根据图9的横截面视图中不可见。
在图10中，夹持块26设置有冷却通道24，冷却通道24在紧固螺栓27的径向外侧沿周向延伸。
在图11中，壳体11设有例如沿周向延伸的冷却通道24。这些冷却通道24在轴向方向上布置在间隔盘21的两侧，并且通过密封地装配有O形环31的盖子28在径向方向上对外封闭。或者，冷却通道24也可以在没有盖子的情况下例如通过激光烧结或激光焊接直接置入壳体11中。
图12示出了包含图7至11中所示的所有冷却通道24的实施例(除了图7中所示的两个冷却通道29和30之外)。
图13所示的实施例包括沿周向延伸的冷却通道24，冷却通道布置在间隔盘21的两侧并形成在夹持块26和壳体11之间。O形环31设置用于夹持块26和壳体11之间的弹性密封。
周向散热翅片32形成在夹持块26的径向外侧上，其延伸到冷却通道24中。散热翅片32增加了冷却通道24中的表面积，因此有助于轴向轴承更好地热传递和更好地冷却。

Claims (20)

1.一种具有至少一个轴向气体轴承的旋转系统(10)，包括：
-壳体(11)，
-轴(12)，其能相对于所述壳体(11)旋转，
-至少一个被固定在所述轴(12)上的轴承盘(13)，
-至少一个轴承组件(14)，其通过轴向气体轴承相对于所述壳体(11)支承所述轴承盘(13)，
其特征在于，所述轴承组件(14)从内向外具有支撑所述轴承盘(13)的径向靠内区域(15)、径向中间区域(16)和由所述壳体(11)固定地保持的径向靠外区域(17)，其中所述径向靠内区域(15)包含至少一个轴向轴承件(19)和至少一个保持件(20)，其中所述轴承盘(13)通过所述轴向轴承件(19)被支撑，并且所述保持件(20)沿轴向保持所述轴向轴承件(19)。
2.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向中间区域(16)被设计成比所述径向靠内区域(15)更具弹性。
3.根据权利要求2所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向中间区域(16)因为所述径向中间区域(16)的至少一个材料弱化部(18)而比所述径向靠内区域(15)更具弹性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向中间区域(16)被设计成比所述径向靠外区域(17)更具弹性。
5.根据权利要求4所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向中间区域(16)因为所述径向中间区域(16)的至少一个材料弱化部(18)而比所述径向靠外区域(17)更具弹性。
6.根据权利要求3所述的旋转系统(10)，其特征在于，至少其中一个材料弱化部(18)由沿轴向形成的凹部(18)或穿过所述轴承组件(14)的开口(18)形成。
7.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述保持件(20)通过夹持、螺纹连接、熔接、焊接、收缩、压制、胶粘、结晶复合、压紧连接、塑料注制和/或激光烧结来保持所述轴向轴承件(19)。
8.根据权利要求7所述的旋转系统(10)，其特征在于，至少一个所述轴向轴承件(19)包含两个轴向轴承盘(19)或由两个轴向轴承盘(19)形成，并且所述至少一个所述保持件(20)包含两个夹持环(20)或由两个夹持环(20)形成，其中所述轴承盘(13)安装在所述轴向轴承盘(19)之间，且所述夹持环(20)沿轴向夹持所述轴向轴承盘(19)。
9.根据权利要求7所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述轴承组件(14)的径向中间区域(16)由间隔盘(21)的靠内区段(22)形成，所述轴承组件(14)的径向靠内区域(15)被紧固至所述间隔盘。
10.根据权利要求9所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述轴承组件(14)的径向靠外区域(17)由保持在所述壳体(11)上的间隔盘(21)的靠外区段(23)形成。
11.根据权利要求9所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述间隔盘(21)的靠内区段(22)在所述轴承组件(14)的径向靠内区域(15)在两个轴向轴承盘(19)之间延伸，所述轴承盘(13)支承在这两个轴向轴承盘(19)之间。
12.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向中间区域(16)具有1000MPa至700000MPa的弹性模量。
13.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向靠内区域(15)具有1000MPa至700000MPa的弹性模量。
14.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述径向靠内区域(15)具有10000MPa至900000MPa的弹性模量。
15.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述轴承组件(14)具有至少一个沿周向延伸的冷却通道(24)。
16.根据权利要求15所述的旋转系统(10)，其特征在于，沿周向延伸的冷却通道(24)连通至所述轴承组件(14)内的径向冷却通道(29)。
17.根据权利要求16所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述轴承组件(14)内的径向冷却通道(29)连通至所述壳体(11)内的轴向冷却通道(30)。
18.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征在于，所述旋转系统(10)为涡轮机(10)、马达、发电机、透平机、耦合系统或者飞轮。
19.根据权利要求1所述的旋转系统(10)，其特征是，所述旋转系统(10)为压缩机。
20.根据权利要求19所述的旋转系统(10)，其特征是，所述旋转系统(10)为涡轮压缩机。
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