CN113260798A - 阻尼轴承部件、包括所述部件的轴承以及包括所述轴承的旋转机器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承部件，包括：外部圆柱形构件，该外部圆柱形构件具有外轴承表面和内腔；以及内部圆柱形构件，该内部圆柱形构件布置在该外部圆柱形构件的该内腔中并且与该内腔基本上同轴。该外部圆柱形构件和该内部圆柱形构件在两者间形成间隙。弹性阻尼特征结构被布置在该间隙中。

Description

阻尼轴承部件、包括所述部件的轴承以及包括所述轴承的旋 转机器

具体实施方式

技术领域

本公开涉及对轴承及其部件的改进。本文所公开的实施方案涉及对特别旨在用于旋转地支撑旋转动力泵诸如多相泵的叶轮的轴承及其部件的改进。

背景技术

旋转动力泵在多种应用中用于通过一个或多个旋转叶轮将能量传递至处理流体。

如本领域的技术人员已知的，动力泵或旋转动力泵是机器，其中通过将通常来自旋转元件诸如叶轮的动能传递到通过泵处理的流体来对流体加压。

一些泵被设计用于处理包含液相和气相的多相流体。一些泵包括嵌入式电动马达，这些嵌入式电动马达使每个叶轮旋转并且可适于独立于泵的其它叶轮来控制每个叶轮的旋转速度，例如以便使旋转速度适应每个泵级中的实际气/液比。具有嵌入式电动马达的多相泵的实施方案公开于例如US2017/0159665中。

泵叶轮通过轴承(例如，多晶金刚石(PCD)轴承)支撑在固定轴上，这些轴承设置有由合成金刚石制成或包含合成金刚石的轴承垫。在使用期间，叶轮以及其它旋转机器部件可产生振动。这些振动通过轴承传输到固定结构，并且可从一个叶轮传播到其它叶轮或其它机器零件，并且可损坏机器。

PCD轴承是特别刚性的并且具有小摩擦系数。这些特征在许多应用中是有益的。然而，轴承的刚度导致从机器的旋转部件到固定部件的振动传播强烈。

因此，需要改进轴承，以解决或减轻现有技术的轴承的缺点，特别是从振动产生和传播的角度来看，特别考虑到刚性轴承(诸如PCD轴承)的振动产生和传播。

发明内容

根据本文所公开的实施方案，一种轴承部件包括：外部圆柱形构件，该外部圆柱形构件具有外轴承表面和内腔；以及内部圆柱形构件，该内部圆柱形构件布置在外部圆柱形构件的内腔中并且与该内腔基本上同轴。该外部圆柱形构件和该内部圆柱形构件在两者间形成间隙。弹性阻尼特征结构被布置在该间隙中。

该弹性阻尼特征结构可包括波纹形层状构件或片材。

弹性阻尼特征结构减少了从旋转构件诸如叶轮到固定构件诸如旋转动力泵或其它旋转机器的支撑轴的振动传输。

根据本公开的轴承的另外的特征和实施方案在以下描述中详述并且在所附权利要求中阐述。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：

图1示出了多级旋转动力泵的剖视图，该多级旋转动力泵包括驱动泵叶轮的嵌入式电动马达；

图2示出了图1的泵的一个叶轮的轴承和相关润滑回路的放大图；

图3示出了根据图2的线III-III的内部轴承部件的示意性剖视图；

图4示出了根据本公开的轴承的第二实施方案的示意性剖视图；

图5示出了根据图4的线V-V的剖视图；并且

图6示出了根据本公开的轴承的第三实施方案的示意性剖视图。

已经开发出新型且有用的轴承结构，以改进轴承(诸如特别地但非排他性地，PCD轴承和以高刚度为特征的其它轴承)的动态性能。新型轴承包括彼此同轴布置的两个部件。一个部件与旋转机器零件诸如旋转动力泵的叶轮整体地旋转。另一部件固定地容纳在机器壳体中。固定部件包括阻尼特征结构，这些阻尼特征结构防止或减少机器的旋转机器部件与固定结构之间的振动传播。

在本文所公开的实施方案中，轴承的固定部件包括两个同轴的大致圆柱形构件，即内部构件和外部构件。内部构件和外部构件在两者间形成间隙。在间隙中布置有弹性阻尼特征结构，该弹性阻尼特征结构适于允许外部圆柱形构件相对于内部圆柱形构件的阻尼位移。位移可在径向和/或切向上发生。位移可由被安装用于与外部轴承部件整体旋转的旋转机器部件的振动引起。振动通过轴承垫从外部件传播到内部件，并且由布置于在内部件中形成于内部件的外部圆柱形构件和内部圆柱形构件之间的间隙中的弹性阻尼特征结构阻尼。这导致高效地阻尼振动并减少由旋转机器部件产生的振动朝向机器的固定结构的传播。

现在将结合旋转动力泵、具体地结合多相旋转动力泵来描述新型轴承结构。然而，本领域的技术人员将理解，本公开的轴承结构也可有利地用于其它应用中，例如每当相对刚性的轴承用于支撑经受振动的旋转机器零件并且对振动的阻尼是期望的时。

现在参考图1，旋转动力泵1包括外壳3和布置在其中的固定轴5。固定轴可由纵向延伸穿过泵外壳的梁形成。在其它实施方案中，固定轴5可由通过轴向连杆彼此连接的堆叠轴区段构成。泵可包括多个级7。每个泵级7包括相应叶轮9，该叶轮被支撑用于在轴5上旋转并且与定子零件11(即，与泵1的非旋转固定部件)协作。如果固定轴5由堆叠区段形成，则每个叶轮9可由固定轴5的单独区段支撑。

现在参考图2，并继续参考图1，每个叶轮9包括盘形主体12和围绕旋转轴线A-A环形地分布的多个叶片13。处理流体路径15跨每个叶轮9的带叶片部分延伸。由待描述的嵌入式电动马达产生的机械动力使叶轮9旋转，这些叶轮沿着处理流体路径15将动力传递至处理流体以提高流体的压力。

在图1和图2的示例性实施方案中，每个叶轮9包括护罩17。每个叶轮9由容纳在外壳3中的相应电动马达18驱动旋转。每个电动马达18包括围绕护罩17布置并与叶轮9一起旋转的转子19，以及围绕转子19出现并固定地容纳在外壳3中的定子21。

每个叶轮9借助于相应轴承31支撑在固定轴5上。在图1和图2的实施方案中，每个轴承31包括固定内轴承部件31B和外旋转轴承部件31A。两个部件31A、31B是基本上同轴的。

在当前优选的实施方案中，轴承31是PCD(多晶金刚石)轴承，其包括旋转外轴承部件31A上的径向轴承垫51A和固定内部件31B上的径向轴承垫51B。每个轴承31还可包括位于旋转外轴承部件31A上的轴向轴承垫53A和位于泵1的固定内轴承部件31B上或定子零件11上的轴向轴承垫53B。

根据本文所公开的实施方案，内轴承部件31B被配置为提供减振效果，使得例如由旋转叶轮9产生的振动被阻尼并且不通过相应轴承31朝向泵1的固定结构11传播或仅以阻尼方式传播。

现在参考图3，并继续参考图2，内固定轴承部件31B包括外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63。内部圆柱形构件61和外部圆柱形构件63是基本上彼此同轴并且与固定轴5同轴的，内部圆柱形构件63可安装在该固定轴上。轴承垫51B与外部圆柱形构件61成一体。

外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63可通过套圈65彼此耦接，参见图2，该套圈可螺纹连接在内部圆柱形构件63的一个端部上。内部圆柱形构件63的相对端部可形成凸缘67。外部圆柱形构件61可通过将套圈65螺纹连接在凸缘67和套圈65之间来按压。O形环或类似密封件71、73可布置在内部圆柱形构件63和外部圆柱形构件61之间。

圆柱形间隙75形成在外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63之间。圆柱形间隙75在轴向上延伸，即平行于旋转轴线A-A延伸。在圆柱形间隙75中布置有弹性阻尼特征结构。如本文所用，术语“弹性阻尼特征结构”可被理解为任何机械装置或装置组合，该机械装置或装置组合布置在外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63之间并与它们协作，使得所述内部圆柱形构件63和外部圆柱形构件61中的一者的振动不传输到所述内部圆柱形构件63和外部圆柱形构件61中的另一者，或者向其传输阻尼振动。

润滑剂流体，优选润滑剂液体，诸如油或其它优选高粘度流体可填充间隙75。

在一些实施方案中，如图3所示，弹性阻尼特征结构包括波纹形管状片材77。波纹形管状片材77包括轴向地(即，平行于轴承31的旋转轴A-A)延伸的波纹77A。由于布置在间隙75中的波纹形管状片材77，外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63可在有限程度上相对于彼此在径向上移动，例如，这归因于由旋转叶轮9的振动引起的振荡。外部圆柱形构件61相对于内部圆柱形构件63的径向位移通过波纹77A在施加到其上的径向负荷下的顺应性来获得。径向上的振荡通过由波纹形管状片材77提供的弹性阻尼特征结构来阻尼。

除了径向位移之外，外部圆柱形构件61还可相对于内部圆柱形构件63切向地移动，即，两个构件61、63可相对于彼此旋转有限的角度。切向位移(箭头f61，图3)可由切向位移限制装置限制。例如，所述装置可包括从外部圆柱形构件61的内表面朝向内部圆柱形构件63的外表面径向向内延伸的至少一个并且优选地一组第一径向突出部81。切向位移限制装置还可包括从内部圆柱形构件63的外表面朝向外部圆柱形构件61径向向外延伸的至少一个并且优选地一组第二径向突出部83。第一径向突出部81和第二径向突出部83在相邻的波纹77A之间延伸，使得内部圆柱形构件63和外部圆柱形构件61的切向位移由第一径向突出部81和第二径向突出部83与波纹77A的协作进行限制。

由旋转叶轮引起的振动或振荡所引起的切向位移导致波纹形管状片材77的波纹77A的挠性变形，从而抑制振荡。

弹性阻尼特征结构的阻尼效果可通过包含在间隙75中的高粘度润滑液体和/或通过弹性阻尼特征结构77和外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63与弹性阻尼特征结构77的波纹77A接触的表面之间的摩擦来改进。

现在参考图4和图5，并继续参考图2，在其它目前次优选的实施方案中，弹性阻尼特征结构可包括布置在外部圆柱形构件61和内部圆柱形构件63之间的间隙中的一组可压缩插入件。在图4和图5中，已经在图2和图3中示出并且在上文描述的相同或等效零件或元件用相同的参考标号标记，并且不再进行描述。在图4和图5的实施方案中，弹性阻尼特征结构包括容纳在间隙75中的一组O形环78。可提供位于外部圆柱形构件61的内圆柱形表面61A上的环形沟槽和位于内部圆柱形构件63的外圆柱形表面63A中的环形沟槽，以将O形环78保持在正确位置。

参考图6，并继续参考图2，在另外的目前次优选的实施方案中，弹性阻尼结构特征可包括一组纵向延伸的弹性构件79。在图6中，已经在图2和图3中示出并且在上文描述的相同或等效零件或元件用相同的参考标号标记，并且不再进行描述。弹性构件79容纳在间隙75中，并且可通过设置在外部圆柱形构件61的内圆柱形表面61A中的纵向沟槽和内部圆柱形构件63的外圆柱形表面63A中的纵向沟槽保持就位。

虽然已经依据各种具体实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。

Claims (15)

1.一种轴承部件，包括：外部圆柱形构件，所述外部圆柱形构件具有外轴承表面和内腔；内部圆柱形构件，所述内部圆柱形构件布置在所述外部圆柱形构件的所述内腔中并且与所述内腔基本上同轴；其中所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件在两者间形成间隙；并且其中弹性阻尼特征结构被布置在所述间隙中。

2.根据权利要求1所述的轴承部件，其中，所述弹性阻尼特征结构适于允许所述外部圆柱形构件相对于所述内部圆柱形构件的阻尼径向位移和阻尼切向位移中的至少一者。

3.根据权利要求1或2所述的轴承部件，还包括位于所述外部圆柱形构件的所述外轴承表面上的轴承垫。

4.根据权利要求3所述的支承部件，其中，所述轴承垫为多晶金刚石垫。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轴承部件，其中，所述弹性阻尼特征结构包括波纹形管状片材，所述波纹形管状片材布置在所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件之间的所述间隙中。

6.根据权利要求5所述的轴承部件，其中，所述波纹形管状片材由金属制成。

7.根据权利要求5或6所述的轴承部件，其中，所述波纹形管状片材包括平行于所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件的轴线延伸的波纹。

8.根据权利要求7所述的轴承部件，还包括位移限制装置，所述位移限制装置适于限制所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件相对于彼此的位移。

9.根据权利要求7或8所述的轴承部件，其中：所述外部圆柱形构件的所述内腔具有从所述内腔的表面朝向所述波纹形管状片材向内延伸的第一径向突出部；所述内部圆柱形构件具有朝向所述外部圆柱形构件向外延伸的第二径向突出部；所述第一径向突出部和所述第二径向突出部与所述波纹性管状片材的所述波纹协作，以限制所述外部圆柱形构件相对于所述内部圆柱形构件的角位移。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的轴承部件，其中，所述弹性阻尼特征结构包括以下中的一者：一组环形弹性阻尼构件，所述一组环形弹性阻尼构件围绕所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件的轴线布置、沿着所述轴线彼此隔开；一组线性弹性阻尼构件，所述一组线性弹性阻尼构件在平行于所述外部圆柱形构件和所述内部圆柱形构件的所述轴线的方向上延伸并且围绕所述轴线彼此隔开。

11.根据前述权利要求中任一项所述的轴承部件，其中，所述间隙填充有液体，优选地填充有润滑剂液体。

12.一种轴承，包括根据前述权利要求中任一项所述的内轴承部件以及外轴承部件，所述外轴承部件和所述内轴承部件被布置成彼此同轴并且适于围绕所述轴承的轴线相对于彼此旋转。

13.根据权利要求12所述的轴承，其中，所述外轴承部件具有内圆柱形轴承表面，所述内圆柱形轴承表面设置有与所述内轴承部件的所述外轴承表面上的轴承垫协作的多个轴承垫。

14.一种旋转机器，包括固定轴和转子，所述转子被支撑用于在所述固定轴上旋转；其中所述转子由至少一个根据权利要求12或13所述的轴承支撑在所述固定轴上。

15.一种旋转动力泵，包括外壳、布置在所述外壳中的固定轴和至少一个旋转叶轮，所述至少一个旋转叶轮被布置用于由至少一个根据权利要求12或13所述的轴承在所述固定轴上旋转。

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