一种碰摩保护装置及应用其的旋转机械

摘要

本发明公开一种碰摩保护及应用其的旋转机械，主要包括碰摩吸振器、动能缓冲器以及电能回收装置。碰摩吸振器具有很好的阻尼减振效果和耐高温特性。旋转机械转子发生失稳后，与碰摩吸振器相互作用，将碰摩能耗散，并将大量的旋转动能以碰摩形式传递为动能缓冲器，转化为动能缓冲器的旋转动能。动能缓冲器固接有发电机，将旋转动能转化为电能输出，给蓄电池储存。本发明能够对多种型式的旋转机械进行碰摩故障保护，有效控制碰摩发展，减轻碰摩损坏程度。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械振动控制领域，特别涉及一种碰摩保护装置及应用其的旋转机械。

背景技术

旋转机械在现代工业生产中得到广泛应用，它主要由转子、定子、轴承、联轴器等部件构成。转子是旋转机械的重要部件，一旦发生故障造成停机，很可能造成巨大的经济损失。碰摩故障是旋转机械运行过程中常见的一种故障形式。当前，在高转速高效率的要求下，旋转机械中转子与定子之间的间隙越来越小，导致动静碰摩现象不断发生，轻者造成故障停机，重者会产生转子断裂、抱死以及机组损毁等一系列非常严重的后果。

动静碰摩是旋转机械领域的一个重大研究课题，近些年，发展出了大量的碰摩故障诊断方法，如振动信号分析、声发射信号识别等，此类方法和措施，对于旋转机械碰摩故障预先诊断和预报有一定效果，但是仍然属于故障预防领域，而当故障发生后，如何有效控制故障发展、减轻故障损害是一个较新的课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种碰摩保护装置及应用其的旋转机械，解决工程实际中旋转机械的碰摩故障问题，可以有效控制碰摩发展，减轻碰摩损害，并回收碰摩动能，转化为电能储存。

(二)技术方案

本发明提供了一种碰摩保护装置，用于旋转机械，包括碰摩吸振器和动能缓冲器；其中，所述碰摩吸振器包括至少一层耐磨材料层、以及套设在耐磨材料层外的至少一层阻尼减振层；最外层的阻尼减振层安装于所述动能缓冲器。

在本发明的一些实施例中，所述碰摩吸振器还包括一基座，最外层的阻尼减振层嵌装于所述基座，所述基座安装于所述动能缓冲器。

在本发明的一些实施例中所述动能缓冲器包括形成一体的飞轮和凸轴，所述基座安装于所述飞轮内壁。

在本发明的一些实施例中，所述动能缓冲器为与滚珠轴承一体的环状结构。

在本发明的一些实施例中，所述耐磨材料层采用硅胶、橡胶、石墨或带孔密封塑料；所述阻尼减振层采用金属橡胶、弹簧圈、金属缠绕垫。

本发明还提供了一种旋转机械，包括转子以及任一上述碰摩保护装置。

在本发明的一些实施例中，所述转子为储能飞轮，所述动能缓冲器的凸轴通过滚珠轴承安装于旋转机械，所述储能飞轮由所述动能缓冲器和旋转机械的支撑轴承支撑，插入所述碰摩吸振器并与最内层的耐磨材料层留有间隙。

在本发明的一些实施例中，所述动能缓冲器的凸轴与发电机固接于一体。

在本发明的一些实施例中，所述转子由两套支撑轴承支撑，所述碰摩保护装置安装于支撑轴承外侧，所述转子穿过所述碰摩吸振器并与最内层的耐磨材料层留有间隙。

在本发明的一些实施例中，所述碰摩吸振器最内层的耐磨材料层与转子的间隙等于所述支撑轴承与转子之间的间隙。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明碰摩保护装置及应用其的旋转机械具有以下有益效果：

(1)本发明可以有效控制储能飞轮碰摩发展，将旋转动能尽快的转移给动能缓冲器，并可以通过发电机进一步制动发电。

(2)碰摩吸振器具有很好的刚度和阻尼效应，可以很好的吸收飞轮转子的碰摩能量，有效保护转子碰摩面。

(3)对于一般做功转子轴系，比如透平发电机，当发生叶轮和涡壳小间隙碰摩时，本发明能快速吸收碰摩能量，避免碰摩进一步发展导致转轴与气体轴承抱死。

(4)本发明的碰摩保护装置属于故障控制和修复领域，具有较好的经济效益。

附图说明

图1是本发明第一实施例的碰摩保护装置结构示意图。

图2是本发明第二实施例的碰摩保护装置结构示意图。

图3是本发明第三实施例的旋转机械结构示意图。

图4是本发明第四实施例的旋转机械结构示意图。

【符号说明】

10-碰摩吸振器；11-橡胶层；12-金属橡胶层；13-碳素钢环基座；

20-动能缓冲器；21-飞轮；22-凸轴；23-滚珠轴承；

31-基座；32-滑动轴承；33-电动/发电机；34-真空外壳；35-储能飞轮；36-发电机；37-永磁轴承；

41-透平；42-压气机；43-蜗壳；44-机壳；45-转子；46-转轴；47-支撑轴承。

具体实施方式

本发明提出一种旋转机械碰摩，可以有效控制碰摩进程、大幅减轻故障危害，具有很好的推广价值和经济效益。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例的旋转机械碰摩保护装置，包括碰摩吸振器10和动能缓冲器20。

其中，碰摩吸振器10为三层环状套装结构，包括同轴设置的内层的橡胶层11、中间层的金属橡胶层12、以及外层的碳素钢环基座13，橡胶层11和金属橡胶层12嵌装于碳素钢环基座13。

动能缓冲器20包括形成一体的飞轮21和凸轴22，飞轮21为一端开口的圆筒状结构，凸轴22与飞轮21同轴，设置于飞轮未开口的一端，凸轴22的一端安装有滚珠轴承23。碳素钢环基座13同轴安装于飞轮21内壁，使得碰摩吸振器10整体安装于动能缓冲器20。碰摩保护装置通过滚珠轴承23安装于旋转机械，碰摩吸振器10和动能缓冲器20与旋转机械的转子45同轴，转子45伸入碰摩吸振器10中，并与内层的橡胶层11留有间隙。

本实施例的旋转机械碰摩保护装置，当转子与内层橡胶层发生动静碰摩时，转子的动能通过碰摩吸振器的各层快速传递给动能缓冲器，转子的动能转化给动能缓冲器，使得转子平稳降速，防止旋转机械故障和损坏。

转子与内层橡胶层的碰摩型式有多种，其发展阶段一般都是由单点碰摩到多点碰摩或局部碰摩，直至全周碰摩；从接触点受力来看，是从单纯的摩擦到摩擦与碰撞的合力过程；按照碰摩的力学性质分类为干摩擦、滑动摩擦、磨粒磨损、滚动、碰撞等。

碰摩吸振器10中间层为金属橡胶层12，其是一种均质的弹性多孔物质，可通过将螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压(或碾压)模具中，然后用冷冲压方法而制成，在高温、低温、高压、高真空及剧烈振动等环境下的具有很好的阻尼减振效果。

当转子与碰摩吸振器的橡胶层发生动静碰摩时，高速旋转的转子所储存的大量机械动能中，约有5～10％的旋转动能以干摩擦、磨损、碰撞等多种碰摩形式所损耗，转化为声、振、热等多种形式的能量；约有5～10％的旋转动能将被碰摩吸振器的金属橡胶层的阻尼效应耗散，转化为热量和碰摩吸振器的振动；而超过80％旋转动能将由动能缓冲器吸收，转化为动能缓冲器的旋转动能。该过程将转子动能以碰摩形式传递给动能缓冲器，实现转子碰摩能量的传递和转化。

以上仅是示例性的对本实施例进行了说明，但本实施例并不限于此。碰摩吸振器10也可以是多于三层的套装结构，其中包括至少一层类似橡胶层的耐磨材料层、套装在耐磨材料层外层的至少一层类似金属橡胶层的阻尼减振层、以及套装阻尼减振层的类似碳素钢环基座的基座；其各层的形状可以是除环状以外的其他轴对称结构。

碰摩吸振器10内层也可以采用硅胶，或者其他耐磨弹性材料，比如石墨、带孔密封塑料等。中间层也可以采用弹簧圈、金属缠绕垫等高可弹性结构材料。最外层也可以采用保证结构强度的其他金属材料。

动能缓冲器也可以是其他的轴对称旋转结构，其具体型式取决于转子的结构。本实施例的动能缓冲器为筒状飞轮式，其适用于转子为储能飞轮的旋转机械。动能缓冲器的作用为吸收转子储存的动能，将转子的旋转动能通过碰摩转化为自身的旋转动能。为了单位体积储存尽可能多的能量，动能缓冲器可选择密度较高的碳素钢材质，使得动能缓冲器具有较大的转动惯量。

采用本实施例的碰摩保护装置，可以有效控制转子碰摩发展，将旋转动能尽快的转移给动能缓冲器，使得转子平稳降速，有效防止旋转机械故障和损坏。碰摩吸振器具有很好的刚度和阻尼效应，可以很好的吸收转子的碰摩能量，有效保护转子碰摩面。

本发明第二实施例的旋转机械碰摩保护装置，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

如图2所示，与第一实施例不同的是，碰摩吸振器10仅包括内层的橡胶层11和中间层的金属橡胶层12，金属橡胶层12直接套装于动能缓冲器20，动能缓冲器20为与滚珠轴承一体化的环状结构，通过滚珠轴承将碰摩保护装置安装于旋转机械，碰摩吸振器10、动能缓冲器20与旋转机械的转子同轴，转子伸入碰摩吸振器10中，并与内层的橡胶层11留有间隙。

与第一实施例类似，其同样可以有效控制转子碰摩发展，将旋转动能尽快的转移给动能缓冲器，使得转子平稳降速，有效防止旋转机械故障和损坏，并很好的吸收转子的碰摩能量，有效保护转子碰摩面。

本实施例的动能缓冲器为多层圆环结构，其适用于一般做功转子的旋转机械，比如，透平机械的转轴、电机/发电机的转子、电主轴转子等，由于这种转子转动惯量较小，与储能飞轮相比，储存的旋转动能较少，碰摩发生时碰摩吸振器消耗动能，转化为动能缓冲器的动能，转子逐渐平稳降速，可以有效防止轴系损坏以及轴承抱死等故障发生。

如图3所示，本发明第三实施例提供了一种旋转机械，包括储能飞轮以及前述第一实施例所述的碰摩保护装置。

旋转机械还包括基座31，固定于基座31上的真空外壳34，真空外壳34底端安装有滑动轴承32，碰摩保护装置的滚珠轴承23安装于真空外壳34顶端，动能缓冲器飞轮21的面向滑动轴承32的内壁安装有永磁轴承37，储能飞轮35一端的轴由滑动轴承32支撑，该轴与真空外壳34之间有电动/发电机33，另一端的轴伸入碰摩吸振器10中并与其内层留有一定间隙，由永磁轴承37或电磁轴承支撑，可绕其对称轴旋转。动能缓冲器的凸轴22与一发电机36固接于一体，发电机36可以是永磁发电机或其他类型的感应发电机。永磁轴承37也可以用电磁轴承代替。

对于这种旋转机械，由于储能飞轮由于存储有大量的旋转动能，因此其转动惯量较大，一般的机械轴承难以承受高速重载的工作条件，因此储能飞轮一般采用图3所示的立式支承，并联合永磁轴承进行轴向重力卸载，一般卸载70％的重量，再由滑动轴承或者滚珠轴承作为辅助支承。

储能飞轮轴系一旦失稳，由于巨大的转动动能，造成的损伤会很大，而且修复成本很高。对于图3所示的储能飞轮系统，轴系失稳后，储能飞轮顶端将与碰摩吸振器发生直接作用，由于碰摩吸振器内层为橡胶层，有很好的弹性和耐磨性，可以很好的保护储能飞轮顶端不受损伤，进而碰摩形式从点碰摩快速发展为局部和全周碰摩，储能飞轮的旋转动能将很快传递给动能缓冲器，动能缓冲器也旋转起来。

动能缓冲器和发电机固接于一体，具有很好的负载制动效果，将动能快速转化为电能输出，给蓄电池充电。储存飞轮的旋转动能通过与碰摩吸振器的相互作用，快速传递给动能缓冲器，由于动能缓冲器的凸轴安装有永磁或者感应发电机，发电机连接电负载后，失稳飞轮储存的大量动能将转化为电能，给蓄电池充电，供用户使用，从而提高了储能飞轮系统的整体能效。与动能缓冲器固接一体的发电机相当于向动能缓冲器施加了反向扭矩，通过电负载制动，将储能飞轮旋转动能最终转化为电能，可以快速的制动储能飞轮、大幅减少碰摩作用时间，最大限度的保护飞轮免受碰摩损坏，具有很好的保护作用和较好的经济效益。

如图4所示，本发明第四实施例提供了一种旋转机械，包括透平和压气机以及前述第二实施例所述的碰摩保护装置。

图4所示旋转机械为一透平发电机，可以用于有机朗肯循环低温余热发电，也可以用于超临界二氧化碳循环发电，其轴系结构为一端透平41，另一端压气机42，透平41和压气机42位于蜗壳43中，机壳44的中间装有永磁发电机，转子45两侧的转轴46各安装一套支撑轴承47，例如气体轴承或者滑动轴承，以支撑转子45旋转。在支撑轴承47的外侧各安装一碰摩保护装置，碰摩保护装置通过滚珠轴承安装于机壳44，碰摩吸振器、动能缓冲器20与转子45同轴，转子的转轴46穿过碰摩吸振器，并与内层的橡胶层11留有间隙。

为了提高透平和压气机的效率，透平和压气机的叶轮与涡壳的间隙越来越小，而气体轴承或者滑动轴承运行时，很容易出现半速涡动甚至气膜、油膜振荡，振幅会短时间增大，造成叶轮与涡壳碰摩，一旦失稳将进一步造成转子与支撑轴承碰摩、抱死，甚至导致永磁发电机也损毁。

与储能飞轮的立式支承结构不同，透平发电机的转子均采用卧式结构，运行时通常转子两端振幅较大，即气体轴承或者滑动轴承外侧转轴的振幅会大于轴承轴径部位转轴的振幅。将碰摩保护装置安装在轴承外侧，当发生碰摩时，碰摩吸振器将是碰摩的第一道屏障，转子的旋转动能将很快通过碰摩吸振器耗散，并快速传递给动能缓冲器，有效控制碰摩发展，避免转子损毁。

进一步地，为了使得碰摩吸振器先于支撑轴承与转子发生碰摩，其与转子转轴的间隙等于支撑轴承与转子之间的间隙，即碰摩吸振器内层橡胶层与转子转轴的间隙等于支撑轴承与转子之间的间隙。由于碰摩吸振器位于支撑轴承外侧，此处振幅更大，因此将优先发生碰摩，起到保护作用。由于类似于透平发电机的旋转机械，转子的转动惯量很小，储存的旋转动能很少，因为没有必要进行电能回收，仅通过碰摩吸振器和动能缓冲器进行碰摩保护。本实施例对于一般做功转子轴系，比如透平发电机，能快速吸收碰摩能量，避免碰摩进一步发展导致转轴与支撑轴承抱死。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的碰摩保护装置及应用其的旋转机械的有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。