具有背盤密封件和排出口的壓縮機或渦輪機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及壓縮機和渦輪機，并且更具體地涉及在軸承安裝中具有軸承殼體軟密封件和校準(zhǔn)排出口的徑向渦輪機和/或壓縮機葉輪。
【背景技術(shù)】
[0002]許多機械的和電機械的機器都是旋轉(zhuǎn)機器。這些旋轉(zhuǎn)機器典型地包括由一個或多個子殼體形成的旋轉(zhuǎn)設(shè)備殼體并且包括轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子具有多個葉輪、電繞組、磁體以及其他可以沿著轉(zhuǎn)子排列的此類轉(zhuǎn)子設(shè)備。典型地，這樣的轉(zhuǎn)子由一組軸承支撐在殼體內(nèi)，軸承包括在沿著轉(zhuǎn)子的多個軸向位置中的多個徑向支撐軸承，以及在至少一個軸向位置中的一個或多個軸向支撐軸承。
[0003]典型地，轉(zhuǎn)子被設(shè)計及平衡以使偏軸運動最小，并由此使徑向支撐軸承的尺寸和旋轉(zhuǎn)能量損失最小。然而，可沿著轉(zhuǎn)子排列的大量葉輪和其他轉(zhuǎn)子設(shè)備可以提供大量的軸向力。由轉(zhuǎn)子設(shè)備產(chǎn)生的軸向載荷的總和必須由軸向支撐軸承吸收。因此，對于這樣的轉(zhuǎn)子而言，具有產(chǎn)生影響性能、重量、成本和功能壽命(例如由于磨損)的旋轉(zhuǎn)阻力的軸向支撐軸承并非是罕見的。
[0004]旋轉(zhuǎn)壓力改變?nèi)~輪(例如壓縮機葉輪和渦輪機葉輪)在許多旋轉(zhuǎn)機器中被用作轉(zhuǎn)子設(shè)備。例如當(dāng)期望對氣體加壓時，壓縮機的葉輪在轉(zhuǎn)子上可以被連接至形成旋轉(zhuǎn)動能來源的一個或多個轉(zhuǎn)子設(shè)備(例如電馬達的繞組)。同樣，渦輪機的葉輪可被連接在轉(zhuǎn)子上作為轉(zhuǎn)子設(shè)備，以形成動能的來源以驅(qū)動各種其它轉(zhuǎn)子設(shè)備，例如發(fā)電機的繞組。壓縮機和渦輪機可以被組合在渦輪增壓器中，渦輪增壓器典型地被構(gòu)造成在轉(zhuǎn)子上具有轉(zhuǎn)子設(shè)備，該轉(zhuǎn)子設(shè)備包括渦輪機葉輪和壓縮機葉輪，從而將加壓空氣提供至發(fā)動機，隨后使用加壓并加熱的排出空氣以在轉(zhuǎn)動壓縮機葉輪時驅(qū)動渦輪機葉輪。
[0005]一些旋轉(zhuǎn)機器被構(gòu)造成在幾乎恒定的工作狀態(tài)中工作，該工作狀態(tài)僅僅在起動和停止?fàn)顟B(tài)時改變。這些設(shè)備可被設(shè)計成具有軸向載荷特征，該軸向載荷特征通過在恒定工作狀態(tài)中具有來自轉(zhuǎn)子設(shè)備的抵消軸向力而使得軸向轉(zhuǎn)子力最小。
[0006]其他旋轉(zhuǎn)機器被構(gòu)造成在多種工作狀態(tài)中工作。對于這些設(shè)備，可能希望在任何工作狀態(tài)中將每個轉(zhuǎn)子設(shè)備產(chǎn)生的軸向力最小化，從而在任何工作狀態(tài)中將所有轉(zhuǎn)子設(shè)備的最高總軸向力最小化，以及/或者在旋轉(zhuǎn)機器的壽命期間將力的凈有害效果最小化。這些設(shè)備優(yōu)選地被設(shè)計成具有軸向載荷特征，該軸向載荷特征被調(diào)節(jié)至轉(zhuǎn)子設(shè)備軸向轉(zhuǎn)子力的最優(yōu)組合，即通過具有來自不同轉(zhuǎn)子設(shè)備的抵消力，其使得基于旋轉(zhuǎn)機器要求的性能、重量、成本和功能壽命最大化。在任一情形(恒定的工作狀態(tài)或者多種工作狀態(tài))中，所期望的是轉(zhuǎn)子設(shè)備的設(shè)計可以被調(diào)節(jié)至旋轉(zhuǎn)機器的特定軸向載荷需求。
[0007]徑向流葉輪和混合流葉輪(即部分徑向且部分軸向流的葉輪)在形成壓縮機和渦輪機的旋轉(zhuǎn)機器中是經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)子設(shè)備。這些葉輪通常包括輪轂和圍繞輪轂排列的多個葉片。輪轂包括承載和支撐葉片的葉片表面，還包括為了本專利申請目的的背表面，該背表面將被稱作“背盤”。典型地，背盤面向軸承殼體的壁，該軸承殼體是旋轉(zhuǎn)設(shè)備殼體的子殼體。
[0008]在葉輪工作期間，氣體(例如空氣或排氣)從進口導(dǎo)流器經(jīng)過葉片至出口導(dǎo)流器，引起氣體的加壓改變。該氣體中的一些可能從葉片之間的預(yù)期氣體路徑滲漏至輪轂后的背盤腔，背盤腔在背盤和背盤后面的壁(例如軸承殼體的壁)之間。該氣體可引起轉(zhuǎn)子上的不期望的軸向載荷。
[0009]已經(jīng)知道在背盤上形成周向延伸的突出部(環(huán)形減速突起)以使得到背盤腔中的氣體流量最小。由于減速突起和背盤后面的壁之間的接觸將引起工作和機械可靠性的顯著下降，這樣的減速突起與背盤后面的壁必須具有顯著的間隙。這種大的間隙限制了減速突起的有效性。
[0010]還知道從背盤腔經(jīng)過軸承殼體中的軸承排出氣體，該軸承殼體形成了背盤后面的壁。該排出口的流量是不受控制的，并且由于軸承磨損可隨時間改變。
[0011]相應(yīng)地，需要一種旋轉(zhuǎn)機器構(gòu)造，其包括具有軸向載荷的轉(zhuǎn)子設(shè)備，該軸向載荷可通過控制背盤腔中的氣體壓力而被精細(xì)地調(diào)節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例滿足這些要求和其他要求，并提供進一步的相關(guān)優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在各種實施例中，本發(fā)明解決了上述需求中的一些或全部，典型地提供一種成本有效的旋轉(zhuǎn)機器，其特征在于由于轉(zhuǎn)子葉輪的背盤后面的壓力而被最小化或被調(diào)節(jié)的軸向載荷。
[0013]該旋轉(zhuǎn)機器包括殼體和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在殼體內(nèi)沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括旋轉(zhuǎn)壓力改變?nèi)~輪，例如壓縮機葉輪或者渦輪機葉輪。該葉輪被構(gòu)造成具有輪轂并具有多個葉片。葉片被構(gòu)造成交換通過葉片的氣體的壓力和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動能。對于壓縮機葉輪，葉片被構(gòu)造成壓縮空氣，而對于渦輪機葉輪，葉片被構(gòu)造成被加壓氣體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
[0014]輪轂包括承載及支撐葉片的葉片表面，以及在輪轂的與葉片表面軸向相對的側(cè)面上的背盤。殼體形成面向背盤的腔壁。腔壁和背盤限定背盤腔。
[0015]有利地，腔壁形成了將背盤腔打開至環(huán)境的孔口，環(huán)境具有與背盤腔不同的壓力。所述孔口沒有受到例如軸承的運動部件的阻礙?？卓跒楸潮P腔提供出口，限制了由加壓氣體施加在背盤上的軸向載荷。孔口的有效尺寸可被選擇以限制經(jīng)過孔口的背盤腔的壓力變化。
[0016]旋轉(zhuǎn)機器的進一步特征可以是在僅有非常小的間隙的情況下大體上在背盤和腔壁之間延伸的背盤密封構(gòu)件。背盤密封構(gòu)件圍繞背盤腔周向延伸，并由比輪轂和腔壁的材料顯著更軟的材料構(gòu)成。有利地，如果間隙太小并且密封構(gòu)件與另一個表面形成接觸，密封構(gòu)件的柔軟性使其能夠無關(guān)緊要地磨損。這允許將間隙設(shè)計為小于其它情況所可能的尺寸。
[0017]旋轉(zhuǎn)機器的進一步特征可在于背盤密封構(gòu)件從腔壁朝向背盤延伸，其中，腔壁在第一軸向位置處徑向地支撐第一徑向支撐軸承，并在第二軸向位置處徑向地支撐第二徑向支撐軸承。腔壁是軸承殼體的一部分，所述軸承殼體被構(gòu)造成使得腔壁隨著轉(zhuǎn)子偏軸地扭轉(zhuǎn)。這有利地提供了隨葉輪的偏軸扭轉(zhuǎn)，這限制了密封構(gòu)件和背盤之間接觸的可能性，從而允許比其它方式所能得到的更小的間隙。
[0018]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將由以下的優(yōu)選實施例的具體描述連同以示例方式說明本發(fā)明原理的附圖而將變得明顯。正如在下文中陳述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠建立和使用本發(fā)明的實施例，特定優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述意圖不在于限制所列舉的權(quán)利要求，相反地其意圖在于充當(dāng)所要求保護的發(fā)明的特定示例。
【附圖說明】
[0019]圖1是安裝至軸承殼體的壁的渦輪機或壓縮機葉輪的截面視圖。
【具體實施方式】
[0020]上文概括并由列舉的權(quán)利要求限定的本發(fā)明可通過參考以下詳細(xì)說明連同閱讀附圖而被更好地理解。本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例的該詳細(xì)描述在下文陳述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠建立和使用本發(fā)明的特定實施方式，該詳細(xì)描述意圖不在于限制所列舉的權(quán)利要求，相反地其意圖在于提供所列舉的權(quán)利要求的特定示例。
[0021]本發(fā)明的典型實施例在于一種配備有旋轉(zhuǎn)壓力改變?nèi)~輪(例如壓縮機葉輪或渦輪機葉輪)的旋轉(zhuǎn)機器，該旋轉(zhuǎn)壓力改變?nèi)~輪具有限制和/或調(diào)節(jié)由該葉輪在正常工作狀態(tài)期間(即在葉輪被設(shè)計以工作的工作狀態(tài)范圍內(nèi))產(chǎn)生的軸向力的改動。
[0022]參考圖1，在本發(fā)明的第一個實施例中，旋轉(zhuǎn)機器由殼體101和轉(zhuǎn)子103形成。轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在殼體內(nèi)沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線105而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括被構(gòu)造成具有輪轂111和多個葉片113的旋轉(zhuǎn)壓力改變?nèi)~輪107 (例如壓縮機葉輪或渦輪機葉輪)。
[0023]葉片113被構(gòu)造成在通過葉片的氣體流115的壓力的勢能和轉(zhuǎn)子103的旋轉(zhuǎn)動能之間交換能量。例如，如果葉輪107是壓縮機葉輪，該葉輪可被構(gòu)造成接收周圍空氣，并利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能對其加壓。類似地，如果葉輪是渦輪機葉輪，轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成接收被加壓的空氣(例如排氣流)并降低其壓力，將其勢能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的動能。
[0024]輪轂111包括在輪轂的一個軸向側(cè)上的葉片表面121。葉片表面承載并支撐葉片113。輪轂還包括在輪轂的與葉片表面軸向相對的側(cè)面上的背盤123 (表面)。背盤面向殼體101的腔壁125，腔壁125進而面向背盤。在它們之間，腔壁和背盤限定了背盤腔127的邊界，背盤腔127是背盤和腔壁之間的間隙區(qū)域。
[0025]腔壁125形成了一個或多個偏離中心的孔口 131，其將背盤腔127開口到具有與葉輪正常工作情況期間的背盤腔不同壓力的環(huán)境中。典型地，該環(huán)境是周圍壓力空氣。優(yōu)選地，每個孔口都不受到諸如軸承部件的運動部件的阻礙，其可改變氣體流動經(jīng)過孔口的阻力。更優(yōu)選地，每個孔口是腔壁中的校準(zhǔn)孔。一個或多個孔口被校準(zhǔn)以獲得在背盤腔和具有與正常工作情況期間的背盤腔不同壓力的環(huán)境之間的期望壓力降。由此，一個或多個孔口的有效尺寸被選擇以限制在正常工作期間經(jīng)過一個或多個孔口的背盤腔的壓力變化。壓力降可因此被調(diào)節(jié)以獲得背盤腔中的期望壓力水平。
[0026]旋轉(zhuǎn)機器還包括背盤密封構(gòu)件141，其大體上在背盤123