[发明专利]具有适应性支承轴颈的旋转机械和操作方法

说明书

技术领域

在本文中公开的主题涉及旋转机器，尤其但不排他地涉及涡轮机，例如，燃气涡轮、蒸汽涡轮、轴向和离心压缩机。更具体地，本主题涉及与用于此种机器的转子的轴承相关的改善。

背景技术

轴颈轴承或流体膜轴承通常用来支撑机械转子的旋转轴，例如，涡轮转子和压缩机转子的轴。图1示意地示出了涡轮机械转子100，其包括轴1，轴1被支撑在两个端部轴承103、105中。轴承103、105可为轴颈轴承或所谓的流体动力或流体膜轴承，如在图2中示意地显示的。轴1被支撑于轴承105内，其中油膜107填充在轴1的外表面101A与轴颈轴承105的内支承表面105A之间的环带或间隙。轴101的旋转生成油移动，该油移动具有会聚的油边缘109和发散的油楔或发散的油膜111。轴101通过流体动压力支撑，该流体动压力由油运动生成，且具有如在图2中显示的分布图的典型的分布图112。支承表面101A可通过轴承105的基本上圆柱形的表面或绕轴101的旋转轴线布置的多个枢转轴承垫形成。

轴颈轴承的重要的流体动力系数为轴承的刚性和阻尼。刚性涉及润滑油膜对轴颈或轴101的与其移动相反的移位的反应。轴101的向下移动与由油膜生成的向上定向的回复力对抗。竖直刚性通过回复力除轴的移位而给出。导致由油膜生成的水平回复力的水平移位导致轴承的水平刚性。

轴颈轴承的另一重要的流体动力参数是阻尼。该阻尼系数是速度相关的。轴的向下速度波动将以与吸震器相当相似的方式导致由油膜生成的向上回复力。移动越快，则由膜生成的相反力越大。还在水平方向上提供相似的阻尼作用。阻尼关于在某些操作条件下抑制振动是有益的。更大的阻尼可利用在支承表面与容纳在轴承中的旋转轴的外表面之间的更大的间隙获得。然而，更大的间隙将降低轴承的刚性，这在转子的正常操作条件下可能是有害的。有时适当的是在跨过临界速度时具有最大的阻尼，且在远离临界速度和接近全速操作时具有最大刚性。

发明内容

为了改善轴颈轴承在不同操作条件下行为，轴颈设计为使得其外径可径向地变形，来选择地减小或增大在轴颈的外表面与轴颈轴承的支承表面之间的间隙。在低旋转速度下保持更大的间隙，来在跨过临界速度时增大阻尼作用且降低放大因数，而在增大的旋转速度下，轴颈的径向尺寸增大，以减小间隙且提高轴承刚性。

根据一些实施例，提供一种用于操作旋转机械的方法，该旋转机械包括：转子、转子轴、和至少一个轴颈轴承，该至少一个轴颈轴承支撑所述转子轴且由以下组成：轴承壳体、支承表面、扭转地且轴向地配合在轴上的套筒、和填充在套筒的外表面与支承表面之间的间隙的润滑油膜。该方法包括通过作为轴的旋转速度的函数修改套筒的外表面的径向尺寸来修改在套筒的外表面与支承表面之间的间隙的步骤。

在一些实施例中，修改间隙的步骤包括以下步骤：将轴的旋转速度从第一旋转速度(例如，零)增大至第二旋转速度(例如，机械的额定速度)，在增大旋转速度时减小间隙。

在一些实施例中，修改间隙的步骤包括以下步骤：将轴的旋转速度从第二旋转速度减小至第一旋转速度，例如减小至零；在降低旋转速度时增大间隙。在从较高速度至较低速度(例如至零)的此种减速运转期间，可提供以下步骤：将轴的旋转速度维持于在第二旋转速度与第一旋转速度之间的中间旋转速度来冷却轴并增大间隙。

在优选实施例中，套筒的外表面的径向尺寸至少通过由轴的旋转生成的离心力的作用来修改。在一些实施例中，对套筒的径向尺寸的额外控制可通过例如使用加压流体(诸如但不限于油)来获得，该加压流体被输送至在套筒的面对轴的内表面与轴的外表面之间形成的环形腔。

根据另一方面，提供了一种旋转机械，其包括转子、转子轴和支撑轴的至少一个轴颈轴承。轴颈轴承包括轴承壳体，该轴承壳体具有支承表面，轴旋转地容纳于该轴承壳体中。还提供外套筒，其扭转地且轴向地被约束至所述轴且与其一体地旋转。外套筒具有面对支承表面的外表面和面对轴的内表面。套筒厚度可为恒定的，或者可沿其轴向长度变化。套筒的外表面可为圆柱形或非圆柱形。轴颈轴承可具有固定的基本上圆柱形的支承表面。在其他实施例中，轴颈轴承由多个倾斜垫组成，倾斜垫被枢转地支撑在壳体中，并且绕轴承的轴线有角度地分布。填充润滑油的间隙形成在套筒的外表面与支承表面之间。而且，套筒的外表面当轴旋转时能够径向地变形，使得填充润滑油的间隙的径向尺寸当轴旋转速度增大时减小。

在一些实施例中，轴的径向变形由离心力引起。在其他实施例中，轴的径向变形可由加压流体单独地或与在套筒上的由旋转速度生成的离心力的作用结合地控制。