CN113396287A - 减载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于补偿涡轮机的轴向推力的减载装置。该减载装置具有连接到轴(2)以便共同旋转的元件(4)。与固定的配对元件(5)一起，形成至少一个间隙(8、7、8)。至少在元件(4)和配对元件(5)之间的一些区域中，布置碳层(10)。

Description

减载装置

技术领域

本发明涉及一种用于补偿喷气发动机的轴向推力的减载装置，该减载装置具有减载元件，该减载元件与轴旋转连结并且与壳体固定的相对元件一起形成间隙。

背景技术

轴向推力是作用在喷气发动机的叶轮上的所有轴向力的结果。在各种类型的轴向推力补偿之间进行区分。

基本上存在三种已知类型的用于吸收轴向推力的减载装置：减载盘、单活塞和双活塞。所有三种设计的共同特征是被引导通过间隙的溢流（relief flow）。返回到离心泵入口的大部分溢流是泄漏损失，试图经由最小间隙宽度使泄漏损失最小化。

目的是实现一种转子状态，该转子状态对于喷气发动机的所有操作状态都是受控的，以便确保喷气发动机的不间断操作。在离心泵的操作中，如果可能的话，应该避免移动部件在固定部件上的摩擦。

在具有减载盘的喷气发动机的操作中，在减载元件的两侧之间作用的压差导致与轴向推力相反的减载力。理想地，减载力正好与轴向推力一样大。在转子上存在力的平衡。

在启动和关闭操作的情况下，该压差还没有被建立，使得在没有适当的对策的情况下，在减载元件和相对元件之间存在接触。试图借助于弹簧组件来防止径向间隙表面彼此抵靠。

DE10254041A1提出了一种多级离心泵。减载装置的双活塞固定到轴。双活塞被壳体区段包围，双活塞与壳体区段形成径向间隙。在径向间隙之间存在轴向间隙。轴向间隙具有可变的宽度s。

DE19927135A1描述了一种用于多级离心泵的减载装置，其中使用了万向环。万向环的尺寸使得其通过残余推力而弹性变形。万向环设置在单独的密封空间中。

DE1745898U描述了一种用于限制离心机的泵转子的轴向推力的设备。通过自由运动的轴向轴承和外轴承环经由弹簧力邻接和限制支撑轴承凸缘，防止了减载元件抵靠相对元件向上行进。这种结构需要油润滑。在这种结构中，机器的结构长度通过轴的相应区段延伸，在该相应区段中，所讨论的所述壳体相对于输送介质密封。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于补偿喷气发动机的轴向推力的减载装置，其中，有效地防止了对部件的永久性损坏。该措施不会导致喷气发动机的任何附加的结构长度。还希望避免使用专用的壳体和使用任何附加的润滑剂。此外，该减载装置确保最小的泄漏流并且具有长的寿命。该减载装置的特征在于高可靠性。另外，它还确保简单的组装，并且对于维护操作是容易接近的。此外，该减载装置的特征在于最小程度的制造成本。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的设备来实现，优选的变型可以在从属权利要求、说明书和附图中找到。

在本发明的减载装置中，碳层至少设置在与轴旋转地连结的元件与固定的相对元件之间的区域中。

该元件可以采取例如减载盘的形式，并且相对元件采取相对盘的形式。该元件还可以设计成减载活塞或双活塞。碳层有效地防止了在元件和相对元件之间摩擦的情况下，特别是在启动或关闭操作的情况下对部件的损坏。

碳层被理解为是指其中碳是主要成分的层。碳层可以例如通过PVD (物理蒸气沉积)、物理气相沉积(例如通过蒸发或溅射)或CVD (化学气相沉积)方法来施加。

该层优选地施加到设计为减载盘、减载活塞或双活塞的元件，尤其是施加到元件和相对元件之间的可能接触表面。附加地或替代性地，也可以例如用碳层涂覆设计为壳体的一部分的相对元件。

优选无定形碳层，尤其是四面体无氢无定形碳层，其也称为ta-C层。属于石墨晶格的原子键(在每种情况下总共3个)被称为表述“sp2”。这是sp2杂交的情况。

在金刚石中，每个碳原子与四个相邻原子形成四面体布置。在这种空间布置中，所有原子间距都是同样小的。因此，非常高的结合力在原子之间以及在所有空间方向上作用。这导致金刚石的高强度和极高的硬度。属于金刚石晶格的原子键，在每种情况下总共四个，被称为表述“sp3”。因此这是sp 3杂交的情况。

在本发明的特别有利的变型中，碳层由sp3-杂化碳和sp2-杂化碳的混合物构成。该层的特征在于无定形结构。也可将诸如氢、硅、钨或氟的外来原子结合到该碳网络中。

本发明的碳层布置导致彼此摩擦的部件的磨损显著减少。碳层增加润滑性到这样的程度，使得即使在摩擦的情况下，也能有效地防止对元件和相对元件的损坏。

本发明使得能够实现非常小的间隙尺寸。这使泄漏流最小化，并因此增加了离心泵的效率。不需要复杂的维护操作。这降低了操作成本。

在元件和相对元件之间布置碳层产生了具有抗粘特性的非常光滑的轴向表面，而没有对部件进行复杂的机械再加工的任何需要。因此，本发明的减载装置的特征在于相对低的生产成本。

在本发明的特别有利的变型中，碳层作为涂层被施加到元件和/或相对元件。层的厚度有利地大于0.3μm，优选地大于0.6μm，尤其是大于0.9μm。还发现当层的厚度小于30μm，优选地小于25μm，尤其小于20μm时是有利的。

在本发明的一个变型中，元件或相对元件借助于简单的遮蔽装置被覆盖，以便仅使得期望的涂覆区域被暴露。在此，也可以将多种元件或相对元件同时引入到涂覆反应器中，所述涂覆反应器优选设计为真空室，在中等热应力的情况下施加ta-C涂层。

该元件或相对元件在涂覆操作之后立即准备使用，而不需要任何额外的工作。ta-C涂层具有非常低的摩擦系数，同时具有非常好的化学稳定性。涂层的硬度非常接近于金刚石的硬度，硬度优选地大于20 GPa，优选地大于30 GPa，尤其是大于40 GPa，但小于120GPa，优选地小于110 GPa，尤其是小于100 GPa。

优选地，碳层不直接施加到元件或相对元件，而是首先提供助粘剂层。这优选地由既具有对钢的良好粘附性又防止碳扩散的材料组成，例如经由形成稳定的碳化物。所用的满足这些要求的助粘剂层优选地包括铬、钛或硅的薄层。已发现碳化铬和碳化钨特别适合用作助粘剂。

在本发明的有利的变型中，涂层具有优选地包括铬材料的助粘剂层。该助粘剂层优选由在按重量计大于30%，优选地按重量计大于60 %，尤其是按重量计大于90%的程度上的铬构成。

在此发现，当助粘剂层的厚度大于0.03μm，优选地大于0.06μm，尤其是大于0.09μm，和/或小于0.21μm，优选地小于0.18μm，尤其是小于0.15μm时是有利的。

本发明的ta-C涂层是简单、快速和经济上可行的方法。本发明的涂层除了具有非常高的硬度外，还具有优异的滑动性能和良好的化学稳定性。

此外，本发明还能够实现具有相对小尺寸的薄壁元件或相对元件的涂覆，这仅在使用常规涂覆的情况下是很难实现的。

由ta-C涂层产生的较高硬度是有利的一个原因是，介质中通常存在的小固体颗粒聚集在元件和相对元件之间的区域中。由于该运动，这些固体颗粒的作用就像研磨剂，并且因此进入元件的表面中。其结果是，在常规元件的表面上会出现凹槽，这导致两个部件的磨损以及泄漏。

理想地，PVD方法用于涂覆。这些方法相对简单并且具有低的工艺温度。这种方法导致如果需要的话也可以将外来原子引入到其中的层。沉积温度通常远低于500℃。优选地以排除待涂覆材料(金属、高合金和低合金不锈钢等)的微结构和尺寸变化的方式实现工艺方案。

替代性地，PECVD/PACVD方法可以用于涂覆。在此，通过引入脉冲DC电压或中频(kHz范围)或高频(MHz范围)功率来实现气相的等离子体激发。由于具有不同工件几何形状和装载密度的最大工艺可变性，另外已经发现脉冲DC电压的输入是有用的。

根据本发明，通过该工艺可以在可能的接触表面上用ta-C涂覆普通的标准批量生产的部件，诸如减载盘、减载活塞、减载双活塞或壳体部件。这实现了磨损和滑动特性的极大改进。

附图说明

本发明的其他优点和特征将从参考附图的引入实施例的描述和从附图本身中显而易见。

附图示出了：

图1是多级离心泵的截面的细节，

图2是减载装置的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有壳体1和支承多个叶轮3的轴2的离心泵。附图仅以示例的方式示出了叶轮3中的两者。在轴2上的是在工作示例中作为双活塞实施的减载装置的元件4。元件4被相对元件5包围，该相对元件在工作示例中由壳体的一部分形成。元件4与相对元件5形成两个径向间隙6和7。在径向间隙6和7之间的是轴向间隙8。轴向间隙8具有可变的宽度s。在离心泵的压力侧端部处设置有流体动力轴向轴承9。

该减载装置设计成，在离心泵的所有操作状态下尽可能导致在吸入侧的方向上作用的残余推力。从在离心泵的静止状态下轴向间隙8的最大宽度s开始，例如，弹性变形，优选地是万向环的弹性变形，在操作条件下将间隙8闭合，直到限定的最小宽度，在该限定的最小宽度处，如果可能，避免双活塞4的表面与壳体5的界定间隙8的部分的表面之间的接触。根据图1中所示的设计，轴向间隙8具有自调节功能。根据本发明，碳层10至少设置在元件4和相对元件5之间的区域中，这在图2中示出。

图2示出了设计为双活塞的减载装置的放大示意图，该减载装置具有元件4，所述元件4与轴2旋转地连结并且与固定的相对元件4一起形成两个径向间隙6和7以及一个轴向间隙8。轴向间隙8具有可变的宽度s。碳层10至少设置在元件4和相对元件5之间的区域中。元件4涂覆有碳层。这是以元件4的ta-C涂层的形式引入到减载装置中的无定形碳层10。涂层的厚度优选在1至20μm的范围内，其中在元件11和碳层14之间具有0.1μm厚的含铬的助粘剂层。

Claims (13)

1.一种用于补偿喷气发动机的轴向推力的减载装置，具有元件(4)，所述元件(4)与轴(2)旋转连结并且与固定的相对元件(5)一起形成至少一个间隙(6、7、8)，

其特征在于，

碳层(10)至少设置在所述元件(4)和所述相对元件(5)之间的区域中。

2.根据权利要求1所述的减载装置，其特征在于，所述碳层(10)是无定形的。

3.根据权利要求2所述的减载装置，其特征在于，所述碳层(10)是四面体无氢无定形碳层(10)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述碳层(10)已经作为涂层被施加到所述元件(4)和/或所述相对元件(5)。

5.根据权利要求4所述的减载装置，其特征在于，所述涂层具有助粘剂层。

6.根据权利要求5所述的减载装置，其特征在于，所述助粘剂层由按重量计大于30%、优选地按重量计大于60%、尤其是按重量计大于90%的程度的铬构成。

7.根据权利要求5或6所述的减载装置，其特征在于，所述助粘剂层的厚度大于0.03μm，优选地大于0.06μm，尤其是大于0.09μm，和/或小于0.21μm，优选地小于0.18μm，尤其是小于0.15μm。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的减载装置，其特征在于，具有所述碳层(10)的所述元件(4)和/或所述相对元件(5)的表面硬度大于20 GPa，优选地大于30 GPa，尤其是大于40 GPa，和/或小于120 GPa，优选地小于110 GPa，尤其是小于100 GPa。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述碳层(10)的厚度大于0.3μm，优选地大于0.6μm，尤其是大于0.9μm，和/或小于30μm，优选地小于25μm，尤其是小于20μm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述元件(4)采取减载盘的形式。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述元件(4)采取减载活塞的形式。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述元件(4)采取双减载活塞的形式。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的减载装置，其特征在于，所述相对元件(5)采用壳体区段的形式。

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