具有至少一个主动磁性轴承和间隔的辅助滚动轴承的旋转机械

摘要

旋转机械包括轴(14)，壳体(12)，和至少一个连接到轴用于可转动地支撑外壳内的轴的主磁性轴承，至少一个第一和第二辅助滚动轴承(20、22)定位在轴和壳体之间，以支撑轴向和径向载荷，和位于该轴的第一和第二轴向抵接装置(44、54)，以传递轴向载荷到第一和第二滚动轴承的内圈。进一步包括轴向位于内圈(20a、22a)的相对的面之间的间隔件(28)，用于内圈之间轴向载荷的传递，和至少一个第一轴向保持装置(58)，其定位在壳体上，并且轴向定位在第一和第二滚动轴承的相对的面(20b、22b)之间，用于外圈和壳体中的至少一个之间的轴向载荷的传递。

说明书

技术领域

公开的实施例大体涉及具有至少主主动磁性轴承和辅助滚动轴 承的旋转机械。尤其是，实施例涉及旋转涡轮机，如压缩机、膨胀器、 涡轮机、泵等。涡轮机被用于发动机、涡轮机、功率产生、低温系统， 石油和天然气、石油化工应用等中。

背景技术

在工业中经常使用的涡轮机包括离心式压缩机，其借助于通过旋 转离心式叶轮使用机械能增加可压缩气体的压力，气体行进穿过该离 心式叶轮。叶轮附接到压缩机轴。旋转轴和关联的叶轮形成转子组件， 其由主动磁性轴承支撑在压缩机的定子中。

主动磁性轴承通过在轴向和径向方向上在所述组件上施加电磁 力，使转子组件悬浮并在该定子内保持适当位置。为此目的，该主动 磁性轴承包括被供以电能的电磁铁。利用这种磁性轴承，转子组件在 没有机械接触的情况下被保持。这样的保持就必须为电磁铁提供足够 的电能。

主动磁性轴承的故障或不足正常运转可有时在电力供应中断时 发生。故障也可能发生在施加过度的载荷到转子组件的情况下。

在这些情况下，该主动磁性轴承不再位于定子内的转子组件的中 心。因此，出现在其期间转子组件趋于与定子接触并保持机械接触的 “着陆”阶段。

为了克服这个缺点，离心式压缩机还包括面对面安装在压缩机轴 上，轴向地毗邻主动磁性轴承的两个单列角接触球轴承。当出现“着 陆”阶段时，提供每个辅助滚动轴承来支撑径向和轴向载荷两者。

但是，采用这种球轴承，可在没有所述轴承的间隙尺寸的任何不 被许可的变化的情况下支持的着陆阶段的数量是受限制的。这导致旋 转机械的可靠性的降低，并增加了维护操作。此外，对于带有有限可 达性的旋转机械，这样的维护操作的成本可能非常高。

发明内容

本发明的一个目的是克服这些缺点。

本发明的特定目的是提供一种具有带有增加的使用寿命的辅助 滚动轴承的旋转机械，以便允许更多的着陆阶段。

本发明的另一目的是提供一种旋转机械，其带有由这样的着陆阶 段引起的低的维护成本。

在示范性实施例中，旋转机械包括轴、壳体、至少一个连接到轴 以用于可转动地支撑外壳内的所述轴的主磁性轴承，以及定位在轴和 外壳之间以支撑轴向和径向载荷的至少一个第一和一个第二辅助滚 动轴承，所述辅助滚动轴承各提供有内圈、外圈、和定位于环之间的 至少一组滚动元件。旋转机械还包括：内圈，位于轴上的第一和第二 轴向抵接装置，以传递轴向载荷到第一和第二滚动轴承；间隔件，轴 向位于所述滚动轴承的内圈的面对的面之间，并且安装成沿轴向与所 述面接触，以用于在所述内圈之间的轴向载荷的传递；和至少第一轴 向保持装置，其定位在外壳上，且轴向地定位在第一和第二滚动轴承 的外环的相对的面之间，以用于在所述外圈和外壳中的至少一者之间 的轴向载荷的传递。

由于第一和第二滚动轴承之间的第一轴向保持装置和间隔物的 插入，通过抵接装置施加的轴向载荷由每对滚动轴承共享。因此，每 个滚动轴承的使用寿命大大地增加。由辅助滚动轴承支持的着陆阶段 的数量也增加。

每个抵接装置在与间隔件相对的侧上沿轴向面对内圈中的一者。

在一些实施例中，轴包括至少一个径向地插入所述轴的外表面和 所述第一和第二滚动轴承的内圈之间的套筒。有利地，套筒可包括第 一和第二轴向抵接装置中的一者。

在一个实施例中，外壳包括径向插入所述外壳的孔和第一和第二 滚动轴承中的一者的外圈之间的中间壳体。中间壳体可包括第一轴向 保持装置。

有利的是，旋转机械可进一步包括定位在外壳上的第二和第三轴 向保持装置，以轴向地保持第一和第二滚动轴承的外圈，第二和第三 轴向保持装置中的每一个轴向定位于关于相关的滚动轴承与第一轴 向保持装置相对的侧。

在一个实施例中，旋转机械包括至少一个施加轴向力在第一和第 二滚动轴承中的每一个上的预压和阻尼元件。

在使用可降低动态轴向着陆载荷效果的至少一个轴向的预压和 阻尼元件的情况下，各个轴承的使用寿命也增加。

在一些实施例中，旋转机械可包括一个预压和阻尼元件，其轴向 定位于外壳的第二轴向保持装置和相关的滚动轴承的外圈之间。一个 预压和阻尼元件可轴向定位于外壳的第三轴向保持装置和相关的滚 动轴承的外圈之间。旋转机械可包括一个预压和阻尼元件，其轴向定 位于外壳的第一轴向保持装置和每个相关联的滚动轴承的外圈之间。 (多个)预压和阻尼元件可包括弹性板簧或锥形垫圈。

在一些实施例中，旋转机械包括轴向彼此接触的两个第一滚动轴 承，和轴向彼此接触的两个第二滚动轴承。有利地，第一和第二滚动 轴承可以是彼此相同的。在一个实施例中，第一和第二滚动轴承被定 位为轴向毗邻主磁性轴承。第一和第二滚动轴承可以是推力角接触球 轴承。

附图说明

通过阅读由非限制性实例给出和由附图示出的本发明的具体实 施例的下列详细描述，将出现使用的其它特征，其中：

图1是根据示范性实施例的旋转机械的局部轴向剖视图；

图2是图1的较大比例的部分剖视图。

示例性实施例的以下详细描述参照附图。在不同的附图中的相同 的参考数字标识相同的元件。

具体实施方式

图1部分地示出了本发明的旋转机械10的示例性实施例。旋转 机械10包括外壳12，沿轴线14a延伸且适于支撑转子部分(未示出) 的旋转轴14。例如，如果旋转机械是离心压缩机，转子部分包括叶轮。 旋转轴和关联的转子部形成转子组件。

旋转机械10还包括至少一个主主动磁性轴承16，其连接到轴14， 并且支承在外壳12内的所述轴；和辅助滚动轴承18至24，其与磁性 轴承16相关联且径向地安装在轴14和外壳12之间，以在所述磁性 轴承16操作不正常时支撑和传递在其间的径向和轴向载荷。旋转机 械10还包括在辅助滚动轴承18至24和轴14之间径向定位的环形套 筒26，和在滚动轴承18、20和其它滚动轴承22、24之间轴向地插入 的环形间隔件28。轴向滚动轴承18至24在所述轴承的相同侧定位为 轴向邻接磁性轴承16。辅助滚动轴承18至24被配合至外壳12上， 并且径向地包围轴的套筒28。滚动轴承18、20与滚动轴承22、24轴 向间隔开。

主磁性轴承16可以提供在外壳12的一端处。磁性轴承16是轴 向式的。主径向式磁性轴承(未示出)也可以被关联到轴向磁性轴承 16，以支撑旋转轴14。主动磁性轴承16包括固定至外壳12的定子电 枢30，和固定至旋转轴14的处于盘的形式的转子电枢32。定子电枢 30包括定子磁路34，以传统的方式包括，环形线圈36和可以是块状 或局部地层叠的铁磁主体38。定子电枢30还包括将磁路34放置入其 中的保护性环形支架40。支架40固定至静止的支承元件41，其本身 固定至外壳12。定子磁路34被放置为，无机械接触地轴向面对转子 电枢32。

在正常操作中，即(多个)磁性轴承正常地运行，并且轴14上 没有过大的载荷，(多个)所述轴承保持转子组件在外壳12中居中。 当(多个)磁性轴承不正常运行时，滚动轴承18至24限制轴14在 外壳12内的径向和轴向移动，并且支撑和传递在其间的轴向和径向 载荷。如将要详细描述的，滚动轴承18至24的布置适于增加其使用 寿命。

在公开的实施例中，滚动轴承18至24角接触推力滚动轴承。滚 动轴承18至24成对并且面对面布置，以使每个滚动轴承对可容纳作 用于两个方向的轴向载荷。对于每一对，两个滚动轴承轴向接触彼此。 由于滚动轴承18至24是相同的，因而它们中将只有一个在这里描述， 应该理解的是，其它滚动轴承的相同元件具有相同的标号。

如在图2中更清楚地显示，滚动轴承18包括内圈18a、外圈18b、 和多个滚动元件18c，其在这种情况下是径向地置于所述圈之间的球。 滚动轴承18的轴线与轴的轴线同轴。内圈18a包括绕套筒26的外圆 柱表面安装的圆柱孔、外圆柱表面、轴向地限定孔和外表面的两个相 对的径向面，以及用于滚动元件18c的形成至外表面上的环形循环轨 道，所述轨道径向向外导向。外圈18b中包括安装入外壳的轴向孔42 中的外圆柱表面，小直径的第一圆柱孔，较大直径的第二圆柱孔，和 连接到所述孔的用于滚动元件18c的循环轨道，以使滚动轴承18仅 在一个方向可容纳轴向载荷。外圈18b还包括轴向地限定外表面和孔 的两个相对的径向面。

如上面所提到的，两个滚动轴承18、20轴向彼此接触地安装。 滚动轴承18的轴向朝向另一滚动轴承20的滚动轴承18的内圈和外 圈18a、18b的径向面轴向地抵靠所述轴承的内圈和外圈20a、20b的 相对应的径向面。内圈18a的相对的径向面轴向地面对形成在套筒26 的轴向端部处的径向的环形肋44，所述肋轴向触靠形成在轴上的径向 肩部46。肋44形成用于内圈18a的邻接装置。轴向间隙45被提供在 肋44和内圈18a之间。内圈20a的径向面轴向抵靠间隔件28，内圈 20a在与滚动轴承18相反的侧上轴向地定位，即轴向向外朝向。

轴向上在与滚动轴承20相对侧上，外圈18b的径向面轴向地面 对形成在外壳的孔42上且径向向内延伸的径向突起48。该孔42具有 阶梯形式并包括小直径的轴向表面42a、大直径的轴向面42b、和提 供在所述轴向表面之间的径向表面42c。滚动轴承的外圈18b、20b被 安装入孔的小直径的轴向表面42a。突起48形成在所述轴向表面42a 的轴向端。滚动轴承20关于孔的径向面42c稍微轴向地突出。

旋转机械10还包括径向地安装成与轴向孔的大直径轴向表面42b 接触的中间壳体50。壳体50例如利用螺栓固定到外壳12。壳体包括 滚动轴承22、24的外圈被安装入其的轴向孔52。滚动轴承24关于孔 52稍微轴向向外突出。

如上面所提到的，两个滚动轴承22、24轴向接触彼此地安装。 滚动轴承22、24面对面地设置，以容纳作用于两个方向的轴向载荷。 滚动轴承22沿轴向朝向其它滚动轴承24导向的内圈和外圈22a、22b 的径向面轴向抵靠所述轴承的内圈和外圈24a、24b的相对应的径向 面。内圈22a的相对的径向面轴向抵靠间隔件28。间隔件28在一侧 上轴向触靠滚动轴承22，并且在另一侧上轴向接触滚动轴承20。在 公开的实施例中，间隔件28的径向尺寸等于内圈20a、22a中的一者。

旋转机械10还包括固定在轴14上的邻接环54。邻接环54轴向 面对内圈24a的径向面，内圈24a轴向定位在与滚动轴承22相对的 侧上，即轴向向外朝向。邻接环54轴向抵靠套筒26。轴向间隙55提 供在邻接环54和内圈24a之间。旋转机械10还包括例如用螺栓固定 在外壳12上的保持环56，且径向环绕邻接环54。保持环56轴向面 对轴向向外朝向的外圈24b的径向面。外圈22b的轴向向内朝向的径 向面面对形成在壳体的孔52上形成并且径向向内延伸的径向突起58。 滚动轴承22、24的外圈通过位于外壳12上的止挡或者保持装置，即 突起58和保持环56轴向保持在孔52内的适当位置中。滚动轴承18、 20的外圈通过突起48、58轴向保持在外壳的孔42内的适当位置。

滚动轴承18至24绕套筒26径向定位，该套筒安装在轴14的外 表面上。径向间隙59提供在滚动轴承和间隔件28的内圈的孔和套筒 26的外表面之间。套筒26在一端处轴向抵靠形成于轴上的径向肩部 46，在相对的轴端处抵靠邻接环54。

旋转机械10还包括所提供的弹性弹簧60、62、64和66，来轴向 地预加载滚动轴承18、20和22、24。弹性弹簧60被固定在外壳12 的径向表面42c上，并且作用在滚动轴承的外圈20b的径向面上，滚 动轴承轴向向外朝向，即，轴向定位在与另一滚动轴承18相对的侧 上。弹性弹簧60在一侧上轴向触靠滚动轴承20，并且在另一侧上与 中间壳体50的突起58一起提供轴向间隙。弹性弹簧60施加永久的 轴向力在滚动轴承20上。弹性弹簧60还倾向于，通过滚动轴承20， 以朝向突起48轴向地推动并预加载其它滚动轴承18。由弹性弹簧60 施加的载荷因此朝向突起48轴向预压滚动轴承18、20。在公开的实 施例中，轴向弹性弹簧60包括两个重叠的金属弹性板簧。

该弹性弹簧62被轴向定位在外壳的突起48与滚动轴承的外圈 18b的径向面之间。弹性弹簧62在一侧上轴向触靠滚动轴承18，并 与在另一侧上轴向触靠突起48。弹性弹簧62沿与由弹性弹簧60施加 的轴向力相反的方向在滚动轴承18上施加永久的轴向力。弹性弹簧 60、62均轴向地预压两个滚动轴承18、20。在此，弹性弹簧62的径 向尺寸基本上等于外圈18b和突起48的径向尺寸。在公开的实施例 中，轴向弹性弹簧64是例如贝氏垫圈类型的金属弹性垫圈，。

弹性弹簧64被固定在中间壳体50上，并且作用在滚动轴承的外 圈24b的径向面上，滚动轴承轴向向外朝向，即，轴向定位在与另一 滚动轴承22相对的侧上。弹性弹簧64在一侧轴向触靠滚动轴承24， 在另一侧上与保持环56一起提供轴向间隙。弹性弹簧64施加永久的 轴向力在滚动轴承24上。弹性弹簧64还倾向于，经由滚动轴承24， 朝向中间壳体的突起58轴向地推动并预加载另一滚动轴承22。由弹 性弹簧64施加的载荷因此朝向突起58轴向地预压滚动轴承22、24 两者。在公开的实施例中，轴向弹性弹簧64包括两个叠置金属弹性 板簧。

弹性弹簧66被轴向定位在中间壳体的突起58与滚动轴承的外圈 22b的径向面之间。弹性弹簧66在一侧上轴向触靠滚动轴承22，并 在另一侧上轴向接触突起58。弹性弹簧66沿与由弹性弹簧64施加的 轴向力相反的方向在滚动轴承22上施加永久的轴向力。弹性弹簧64、 66均轴向地预压两个滚动轴承22，24。在此，弹性弹簧66的径向尺 寸基本上等于外圈22b和突起58的径向尺寸。在公开的实施例中， 轴向弹性弹簧66是例如贝氏垫圈式的金属弹性垫圈。

旋转机械还包括环形阻尼套筒70，其径向安装成与外壳的孔的轴 向表面42a接触，并且径向包围滚动轴承的外图18b，20b。阻尼套筒 70可以是一个波纹叠层。径向间隙72提供在阻尼套筒70和外圈18b、 20b的外表面之间。类似的布置也提供在滚动轴承22、24和壳体50 之间。事实上，旋转机械还包括环形阻尼套筒74，其径向安装成与壳 体的孔52接触，并且径向包围滚动轴承的外圈22b、24b。径向间隙 76提供在阻尼套筒74和外圈22b、24b的外表面之间。阻尼套筒74 可为波纹叠层。

在正常操作中，(多个)主动磁性轴承保持轴14在外壳12中居 中，并且滚动轴承18至24的内圈、套筒26和邻接环54之间没有接 触。轴向预紧滚动轴承18至24的弹性弹簧60到64防止轴承意外转 动。

在着陆阶段的情况下，轴14可在外壳12内既径向又轴向地移动。 轴14可通过在套筒26和滚动轴承18至24的内圈之间提供的径向间 隙59的效力径向移动，直到套筒与所述圈径向地接触。这导致所述 轴承的内圈18a、20a的旋转。轴14可借助于在套筒26、邻接环54 和滚动轴承18、24的内圈之间提供的轴向间隙45、55的效力轴向移 动。

在着陆阶段期间轴14的轴向移置的情况下，使得磁性轴承的转 子电枢32轴向移向滚动轴承18到24，套筒的肋44轴向抵靠滚动轴 承的内圈18a。由肋44施加到内圈18a上的轴向动态着陆载荷被传递 到相关联的滚动轴承的内圈20a中。所施加的轴向载荷的一部分从内 圈20a经由滚动元件20c传送到滚动轴承的外圈20b，然后到弹簧60 和外壳12。所施加的轴向载荷的另一部分从内圈20a传送到轴向间隔 件28，然后到轴向接触的两个其它滚动轴承22、24的内圈22a、24a。 施加的轴向载荷的所述部分从内圈24a，经由滚动元件24c传递到滚 动轴承的外圈24b，然后到弹簧60，到中间壳体50和外壳12。在高 的轴向载荷情况下，径向突起58形成抵接装置，以限制滚动轴承的 外圈20b的轴向变形，并且保持环56也形成抵接装置，以限制滚动 轴承的外圈24b的轴向变形。

在加载阶段，在轴14在相反方向上轴向位移的情况下，邻接环 54轴向地抵靠滚动轴承的内圈24a。由内圈24a上的邻接环54施加 的轴向动态着陆载荷被传递到相关联的滚动轴承的内圈22a中。所施 加的轴向载荷的一部分从内圈22a经由滚动元件24c传送到滚动轴承 的外圈22b，然后到中间壳体50的径向突起58和外壳12。所施加的 轴向载荷的另一部分从内圈22a传送到轴向间隔件28，然后到轴向接 触的两个其它滚动轴承18、20的内圈20a、18a。施加的轴向载荷的 所述部分传递到滚动轴承的外圈24b，然后到外壳12。

在着陆阶段的情况下，由于在一对滚动轴承18、20和另一对滚 动轴承22、24之间的插入的肋58和间隔件28，通过肋44或邻接环 54施加的轴向载荷是由每对滚动轴承共享。因此，每个滚动轴承的使 用寿命大大增加。可以通过辅助滚动轴承18至24支持的着陆阶段的 数目也增加。

有两个用于轴向着陆载荷的路径：所述载荷的一部分只由一对滚 动轴承承载，并然后传递到外壳12，而另一部分由两对滚动轴承承载， 然后传递到壳体。由于这两对滚动轴承是彼此相同的，因而所述对的 刚度水平是相同的，并且轴向荷载均等地分布在它们之间。因此，每 个滚动轴承的使用寿命也延长。否则，弹性弹簧60到66能够缓冲轴 向着陆载荷。所述弹性弹簧执行双重功能，即轴向预紧滚动轴承18 至24，并且另外，缓冲轴向着陆载荷。当着陆阶段出现时，轴14从 没有接触保持的状态转为通过与滚动轴承18至24的机械接触的效力 保持的状态。

在所公开的实施方式中，滚动轴承18至24是角接触推力球轴承。 另外，滚动轴承例如可以是深沟球轴承，四点接触球轴承，圆锥滚子 轴承，调心滚子轴承等。

上面的描述是参照旋转机械进行的，其包括各具有单组滚动元件 的四个滚动轴承。但是，它可以以同样方式应用于旋转机械，其包括 由轴向隔离件彼此轴向地间隔开的两个滚动轴承，并且各具有一组滚 动元件或至少两组滚动元件。