CN110431310A - 用于涡轮机的驱动轴的支承结构及包括这种支承结构的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

支承结构包括一体式气体轴承套筒(32)，所述气体轴承套筒构造成能够可旋转地支撑驱动轴(4)并由钼或钼合金制成，所述一体式气体轴承套筒(32)包括被构造成围绕驱动轴(4)的径向支承表面(33)。

Description

用于涡轮机的驱动轴的支承结构及包括这种支承结构的涡 轮机
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的驱动轴的支承结构，尤其涉及一种离心式涡轮压缩机。
背景技术
众所周知，离心式涡轮压缩机可包括：
-外壳，
-驱动轴，其可旋转地设置在外壳内并沿纵向轴线延伸，驱动轴包括径向推力支承构件，
-构造成能够对制冷剂进行压缩的第一压缩级和第二压缩级，第一压缩级和第二压缩级分别包括第一叶轮和第二叶轮，第一叶轮和第二叶轮连接到驱动轴并且以背靠背构型布置，
-轴向支承结构，其构造成能够限制驱动轴在操作期间的轴向运动，轴向支承结构包括：
-第一轴向支承板和第二轴向支承板，所述第一轴向支承板和第二轴向支承板平行且各自具有环形盘形状，第一轴向支承板具有在轴向上面向第二轴向支承板的第一表面和与第一轴向支承板的第一表面相反的第二表面，第二轴向支承板具有在轴向上面向第一轴向支承板的第一表面和与第二轴向支承板的第一表面相反的第二表面，
-在第一轴向支承板和第二轴向支承板的径向外部部分处夹置在第一轴向支承板的第一表面和第二轴向支承板的第一表面之间的间隔环，间隔环限定第一轴向支承板和第二轴向支承板之间的轴向距离，第一轴向支承板和第二轴向支承板的径向内部部分限定了一空间，驱动轴的径向推力支承构件在所述空间中延伸，以及
-径向支承结构，其构造成能够可旋转地支撑驱动轴，径向支承结构包括围绕驱动轴并抵靠第二轴向支承板的第二表面的支承套筒。
这种涡轮压缩机的制造昂贵且耗时，特别是由于用于制造驱动轴、第一轴向支承板和第二轴向支承板以及支承套筒的诸如碳化钨的硬质材料。实际上，这种硬质材料昂贵，并且由于其高表面硬度而难以加工。
此外，这种离心式涡轮压缩机的轴向支承结构和径向支承结构可分别是气体轴向支承结构和气体径向支承结构。气体支承特别需要非常小的间隙以保持稳定，同时需要足够的间隙以避免支承卡住(seizure)。
因此，气体支承结构的设置需要非常高水平的加工精度来制造支承套筒和第一轴向支承板和第二轴向支承板，特别是在所述部件的尺寸和表面精加工方面，以确保驱动轴与第一轴向支承板和第二轴向支承板之间的垂直度，以及因而赋予驱动轴并进而赋予涡轮压缩机适当的可靠性和稳定性。此外，可能需要一些用于对支承套筒和第一轴向支承板和第二轴向支承板进行再加工的再加工步骤，以确保上述垂直度。
因此，气体支承结构的设置进一步增加了涡轮压缩机的制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于涡轮机的驱动轴的改进的支承结构，其能够至少部分地克服常规离心式涡轮压缩机中遇到的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种坚固、可靠且易于制造和组装的支承结构，并且具有降低的制造成本。
根据本发明，这种支承结构包括径向气体轴承，该径向气体轴承构造成能够可旋转地支撑驱动轴，径向气体轴承包括气体轴承套筒，该气体轴承套筒具有构造成围绕驱动轴的径向支承表面，其特征在于，气体轴承套筒是由钼或钼合金制成。
钼比以前使用的硬质材料更容易加工，并且需要较少的预防措施和专业知识来加工气体轴承套筒和进而的支承结构。
因此，根据本发明的支承结构比常规的支承结构更可靠、更容易制造并且制造成本更低。
此外，钼的主要优点在于它具有低的热膨胀系数，这是确保气体轴承(需要非常紧密和一致的操作间隙)的高可靠性以及避免在涡轮压缩机运行期间任何卡住风险的关键标准。此外，钼的高导热率也使其成为气体轴承套筒的合适材料，因为所述材料允许排出在驱动轴旋转期间于支承件中产生的热量。
钼还具有高转子动态频率的优点，其由(杨氏模量/Rho)比率限定，这允许系统在高速下更稳定。此外，钼具有高弹性模量。
钼还是比陶瓷或碳化钨更耐久的材料(具有更好的断裂强度)，陶瓷或碳化钨是目前在本技术中使用的材料。
支承结构还可包括单独或组合使用的一个或多于一个以下特征。
根据本发明的一个实施例，支承结构还包括轴向支承表面，该轴向支承表面基本上垂直于径向支承表面延伸并且构造成能够与驱动轴的径向推力支承构件配合。
根据本发明的一个实施例，气体轴承套筒由钛-锆-钼合金制成。
根据本发明的一个实施例，形成气体轴承套筒的钼或钼合金的维氏硬度小于500HV。
根据本发明的一个实施例，支承结构还包括：
-具有环形盘形状的轴向支承板，所述轴向支承板具有第一表面和与所述轴向支承板的第一表面相反的第二表面，以及
-间隔环，所述间隔环有利地在轴向支承板和轴向支承表面的径向外部部分处夹置在轴向支承板的第一表面和轴向支承表面之间，间隔环限定轴向支承板和轴向支承表面之间的轴向距离。
根据本发明的一个实施例，气体轴承套筒包括轴向支承表面。气体轴承套筒的这种结构，特别是它包括径向支承表面和轴向支承表面的事实，简化了支承结构的制造并降低了制造支承结构所需的加工精度水平，同时由于钼比先前使用的硬质材料(例如碳化钨)便宜而明显地减少支承结构的制造成本。
根据本发明的另一个实施例，支承结构还包括具有环形盘形状的附加的轴向支承板，所述附加的轴向支承板包括轴向支承表面并且具有与轴向支承表面相反并且抵靠径向气体轴承、并且例如抵靠气体轴承套筒的抵接表面。
根据本发明的一个实施例，轴向支承板由钼或钼合金制成。
根据本发明的一个实施例，附加的轴向支承板由钼或钼合金制成。
根据本发明的一个实施例，径向气体轴承包括冷却部件，该冷却部件构造成能够使来自径向气体轴承的热量耗散。气体轴承套筒可包括冷却部件。
根据本发明的一个实施例，冷却部件包括多个环形冷却肋。
根据本发明的一个实施例，环形冷却肋设置在气体轴承套筒的外表面上。
根据本发明的一个实施例，气体轴承套筒的外表面是整体圆筒形的。
根据本发明的一个实施例，强化涂层设置在轴向支承表面的至少一部分上和/或径向支承表面的至少一部分上。
根据本发明的一个实施例，强化涂层是DLC(类金刚石碳)强化涂层。
根据本发明的一个实施例，径向气体轴承是一体式径向气体轴承。
根据本发明的另一个实施例，径向气体轴承还包括轴承本体，该轴承本体构造成围绕驱动轴，气体轴承套筒固定到轴承本体的径向内表面。
根据本发明的一个实施例，轴承本体包括冷却部件。
根据本发明的一个实施例，所述附加的轴向支承板的抵接表面抵靠轴承本体。
根据本发明的一个实施例，径向气体轴承包括多个、例如两个轴向偏移的气体轴承套筒。有利地，气体轴承套筒固定到轴承本体的径向内表面，并且沿轴承本体的轴向长度分布。
根据本发明的另一个实施例，径向气体轴承可包括仅仅一个气体轴承套筒，该气体轴承套筒固定到轴承本体的径向内表面并沿轴承本体的轴向长度延伸。
本发明还涉及一种涡轮机，其包括具有径向推力支承构件的驱动轴，以及包括根据本发明的支承结构。
根据本发明的一个实施例，涡轮机是涡轮压缩机，例如是双级涡轮压缩机。
根据本发明的一个实施例，驱动轴包括由气体轴承套筒围绕的支承部分，气体轴承套筒的内径大于驱动轴的支承部分的外径，支承部分和气体轴承套筒在驱动轴旋转时限定出环形气室。
根据本发明的一个实施例，驱动轴的径向推力支承构件延伸到轴向支承板和轴向支承表面的径向内部部分之间的空间中，所述空间例如在轴向支承板和气体轴承套筒的径向内部部分之间或在轴向支承板和附加的轴向支承板的径向内部部分之间。
根据本发明的一个实施例，径向推力支承构件抵靠轴向支承表面。
根据本发明的一个实施例，驱动轴由钼或钼合金制成。
根据本发明的一个实施例，径向推力支承构件具有环形盘形状并且包括第一轴向面和与第一轴向面相反的第二轴向面，轴向支承表面构造成能够与径向推力支承构件的第二轴向面配合，并且轴向支承板构造成能够与径向推力支承构件的第一轴向面配合。
根据本发明的一个实施例，涡轮机还包括电机，该电机构造成能够对驱动轴绕旋转轴线的旋转进行驱动，电机包括定子和转子，转子连接到驱动轴的驱动部分。
根据本发明的一个实施例，驱动部分包括轴向孔，转子容纳在该轴向孔中。例如，轴向孔出现在驱动部分的端面中。
根据本发明的一个实施例，轴向支承板和气体轴承套筒构造成能够限制驱动轴在操作期间的轴向运动。
根据本发明的另一实施例，轴向支承板和所述附加的轴向支承板构造成能够限制驱动轴在操作期间的轴向运动。
根据本发明的一个实施例，轴向支承板、间隔环和轴向支承表面形成轴向支承件，并且特别是轴向气体轴承。
根据本发明的一个实施例，涡轮机还包括第一压缩级和第二压缩级，所述第一压缩级和第二压缩级构造成能够压缩制冷剂。有利地，第一压缩级和第二压缩级分别包括第一叶轮和第二叶轮，第一叶轮和第二叶轮中的每一个都具有前侧和背侧，第一叶轮和第二叶轮连接到驱动轴并且以背靠背构型布置。
通过参照所附附图阅读以下描述，这些和其它优点将变得显而易见，所述附图作为非限制性示例表示根据本发明的涡轮机的实施例。
附图说明
当结合附图理解时，可以更好地理解本发明的一个实施例的以下详细描述，然而，本发明不限于所公开的特定实施例。
图1是根据本发明第一实施例的涡轮机的纵向剖视图。
图2是图1的涡轮机的局部纵向剖视图。
图3是根据本发明第二实施例的涡轮机的局部纵向剖视图。
图4是根据本发明第三实施例的涡轮机的局部纵向剖视图。
图5是根据本发明第四实施例的涡轮机的局部纵向剖视图。
图6是根据本发明第五实施例的涡轮机的局部纵向剖视图。
具体实施方式
图1至图3表示根据本发明第一实施例的涡轮机2、特别是双级离心式涡轮压缩机。
涡轮机2包括外壳3和驱动轴4，所述驱动轴4可旋转地布置在外壳3内并沿纵向轴线A延伸。驱动轴4包括叶轮部分5、与叶轮部分5相反的驱动部分6、以及布置在叶轮部分5和驱动部分6之间的支承部分7。
驱动轴4还包括径向推力支承构件8、也称为径向凸缘部分，径向推力支承构件8具有扁平盘形状并且相对于支承部分7径向向外延伸。径向推力支承构件8的外径大于支承部分7的外径，并包括第一轴向面8.1和与第一轴向面8.1相反的第二轴向面8.2。径向推力支承构件8可以与支承部分7一体地形成，或者可以固定到支承部分7。
涡轮机2还包括第一压缩级9和第二压缩级11，所述第一压缩级和第二压缩级构造成能够压缩制冷剂。第一压缩级9包括流体入口12和流体出口13，而第二压缩级11包括流体入口14和流体出口15，第一压缩级9的流体出口13流体连接到第二压缩级11的流体入口14。
第一压缩级9和第二压缩级11分别包括第一叶轮16和第二叶轮17，第一叶轮16和第二叶轮17连接到驱动轴4的叶轮部分5并且与驱动轴4同轴地延伸。
如图2中更好地示出的，第一叶轮16和第二叶轮17中分别包括前侧18、19，所述前侧配备有多个叶片21、22，所述叶片构造成能够在驱动轴4旋转期间使进入第一压缩级9和第二压缩级11中的相应一个的制冷剂加速，并且将加速后的制冷剂输送到布置在第一叶轮16和第二叶轮17中的相应一个的径向外侧边缘处的扩散器。第一叶轮16和第二叶轮17中的每一个还包括基本垂直于驱动轴4延伸的背侧23、24。
有利地，第一叶轮16和第二叶轮17以背靠背构型布置，使得第一压缩级9和第二压缩级11的流体入口12、14处的流体流动方向彼此相反。
根据图中所示的实施例，第二叶轮17与第一叶轮16是不同的并且与第一叶轮16分开，以便能够在涡轮机2的组装期间明显地调节第一叶轮16和第二叶轮17的背侧23、24之间的轴向距离。然而，根据本发明的另一个实施例，第一叶轮16和第二叶轮17可以设置在固定到驱动轴4的叶轮部分5上的一体式叶轮构件上。
涡轮机2还包括设置在第一叶轮16和第二叶轮17之间的中间级密封装置25。中间级密封装置25可包括一体式密封构件，所述一体式密封构件基本垂直于驱动轴4延伸并且至少部分地布置在形成于第一叶轮16和第二叶轮17的背侧23、24之间的径向环形槽26内。
涡轮机2还包括电机27，所述电机27构造成能够对驱动轴4绕纵向轴线A的旋转进行驱动。电机27包括定子28和转子29。根据图中所示的实施例，转子29连接到驱动轴4的驱动部分6，并且特别地容纳在设置于驱动部分6上的轴向孔31中。有利地，轴向孔31出现在驱动部分6的端面中。
涡轮机2还包括支承结构，该支承结构构造成能够可旋转地支撑驱动轴4并限制驱动轴4在操作期间的轴向运动。
支承结构明显地包括径向气体轴承32，所述径向气体轴承32包括气体轴承套筒32.1，所述气体轴承套筒32.1构造成能够可旋转地支撑驱动轴4，并且沿着驱动轴4的支承部分7延伸。气体轴承套筒32.1有利地由钼或钼合金、例如钛-锆-钼合金制成。根据本发明的第一实施例，气体轴承套筒32.1是一体式气体轴承套筒。
气体轴承套筒32.1包括围绕驱动轴4的支承部分7的径向支承表面33。有利地，气体轴承套筒32.1的内径大于驱动轴4的支承部分7的外径，使得支承部分7和气体轴承套筒32.1在驱动轴4旋转时限定出环形气室。
气体轴承套筒32.1还包括轴向支承表面34，所述轴向支承表面34基本上垂直于径向支承表面33延伸，并且构造成能够与驱动轴4的径向推力支承构件8的第二轴向面8.2配合。特别地，径向推力支承构件8的第二轴向面8.2抵靠气体轴承套筒32.1的轴向支承表面34。有利地，轴向支承表面34位于气体轴承套筒32.1的与电机27相反的轴向端面处。
气体轴承套筒32.1还包括冷却部件35，所述冷却部件35构造成能够使来自气体轴承套筒32.1的热量耗散。根据本发明的一个实施例，冷却部件35包括设置在气体轴承套筒32.1的外表面上的多个环形冷却肋36。
根据本发明的一个实施例，可以在轴向支承表面34的至少一部分上和/或在径向支承表面33的至少一部分上设置强化涂层、例如DLC强化涂层，以便使形成气体轴承套筒32.1的材料的表面硬度增大，并从而改善支承结构的可靠性。
此外，支承结构包括轴向支承板37，所述轴向支承板37具有环形盘形状，并且基本上垂直于驱动轴4的纵向轴线A延伸。轴向支承板37具有在轴向上面向轴向支承表面34的第一表面37.1和与第一表面37.1相反的第二表面37.2。轴向支承板37可以由钼或钼合金制成。
轴向支承板37和气体轴承套筒32.1的径向内部部分限定了一空间，驱动轴4的径向推力支承构件8在所述空间中延伸。特别地，轴向支承板37的第一表面37.1构造成能够与径向推力支承构件8的第一轴向面8.1配合。根据本发明的一个实施例，在驱动轴4的径向推力支承构件8与轴向支承板37的第一表面37.1和轴向支承表面34之间设置轴向间隙。这种轴向间隙例如在10μm的范围内。
支承结构还包括间隔环38，所述间隔环围绕驱动轴4的径向推力支承构件8，并且在轴向支承板37和气体轴承套筒32.1的径向外部部分处被夹置在轴向支承板37的第一表面37.1和气体轴承套筒32.1的轴向支承表面34之间。间隔环38限定轴向支承板37和轴向支承表面34之间的轴向距离，所述轴向距离略大于径向推力支承构件8的宽度。
图4表示根据本发明第三实施例的涡轮机2，其与图3所示的实施例的不同之处尤其在于，它还包括具有环形盘形状的附加的轴向支承板39，并且所述附加的轴向支承板39包括轴向支承表面34并具有与轴向支承表面34相反并且抵靠气体轴承套筒32.1的抵接表面41。有利地，附加的轴向支承板39由钼或钼合金制成。
根据第三实施例，间隔环38在轴向支承板37和附加的轴向支承板39的径向外部部分处被夹置在轴向支承板37的第一表面37.1和附加的轴向支承板39的轴向支承表面34之间。
图5表示根据本发明第四实施例的涡轮机2，其与图4所示的第三实施例的不同之处尤其在于，径向气体轴承32包括被构造成围绕驱动轴4的轴承本体32.2以及包括多个、例如两个气体轴承套筒32.1，所述气体轴承套筒沿轴承本体的轴向长度分布并固定至轴承本体32.2的径向内表面。气体轴承套筒32.1可例如压配合至轴承本体32.2。
根据本发明的所述实施例，轴承本体32.2包括冷却部件35，并且附加的轴向支承板39的抵接表面41抵靠轴承本体32.2。
图6表示根据本发明第五实施例的涡轮机2，其与图5所示的第四实施例的不同之处尤其在于径向气体轴承32包括仅仅一个气体轴承套筒32.2，所述气体轴承套筒固定至轴承本体32.2的径向内表面并且基本上沿着轴承本体32.2的整个轴向长度延伸。
当然，本发明不限于通过非限制性示例描述的上述实施例，而是，本发明涵盖其所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机(2)的驱动轴(4)的支承结构，所述支承结构包括径向气体轴承(32)，所述径向气体轴承构造成能够可旋转地支撑所述驱动轴(4)，径向气体轴承(32)包括具有径向支承表面(33)的气体轴承套筒(32.1)，所述径向支承表面构造成围绕驱动轴(4)，其特征在于，气体轴承套筒(32.1)由钼或钼合金制成。
2.根据权利要求1所述的支承结构，所述支承结构还包括轴向支承表面(34)，所述轴向支承表面基本上垂直于所述径向支承表面(33)延伸并且构造成能够与驱动轴(4)的径向推力支承构件(8)配合。
3.根据权利要求2所述的支承结构，所述支承结构还包括：
-具有环形盘形状的轴向支承板(37)，所述轴向支承板(37)具有第一表面(37.1)和与轴向支承板(37)的第一表面(37.1)相反的第二表面(37.2)，以及
-被夹置在轴向支承板(37)的第一表面(37.1)和轴向支承表面(34)之间的间隔环(38)，所述间隔环(38)限定轴向支承板(37)和轴向支承表面(34)之间的轴向距离。
4.根据权利要求2或3所述的支承结构，其中，气体轴承套筒(32.1)包括所述轴向支承表面(34)。
5.根据权利要求2或3所述的支承结构，所述支承结构还包括具有环形盘形状的附加的轴向支承板(39)，所述附加的轴向支承板(39)包括所述轴向支承表面(34)并且具有与轴向支承表面(34)相反并抵靠径向气体轴承(32)的抵接表面(41)。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的支承结构，其中，轴向支承板(37)由钼或钼合金制成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的支承结构，其中，径向气体轴承(32)包括冷却部件(35)，所述冷却部件构造成能够使来自径向气体轴承(32)的热量耗散。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的支承结构，其中，强化涂层设置在轴向支承表面(34)的至少一部分上和/或在径向支承表面(33)的至少一部分上。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的支承结构，其中，所述径向气体轴承(32)是一体式径向气体轴承。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的支承结构，其中，所述径向气体轴承(32)还包括轴承本体(32.2)，所述轴承本体构造成围绕所述驱动轴(4)，气体轴承套筒(32.1)固定到轴承本体(32.2)的径向内表面。
11.根据权利要求1-8中任一项或根据权利要求10所述的支承结构，其中，径向气体轴承(32)包括轴向地偏移的多个气体轴承套筒(32.1)。
12.一种涡轮机(2)，其包括具有径向推力支承构件(8)的驱动轴(4)、以及根据权利要求1-11中任一项所述的支承结构。
13.根据权利要求12所述的涡轮机(2)，其中，驱动轴(4)包括由气体轴承套筒(32.1)围绕的支承部分(7)，所述气体轴承套筒(32.1)的内径大于驱动轴(4)的支承部分(7)的外径，支承部分(7)和气体轴承套筒(32.1)在驱动轴(4)旋转时限定出环形气室。
14.根据权利要求12或13所述的涡轮机(2)，其中，驱动轴(4)由钼或钼合金制成。
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