專利名稱：控制流體膜軸承不穩(wěn)定性的方法
控制流體膜軸承不穩(wěn)定性的方法發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及流體膜軸承，尤其是涉及通過(guò)使用磁軸承和通過(guò)使用涉及軸承中應(yīng)用有意偏移(misalignment)的軸徑的獨(dú)特方法來(lái)控制公知的流 體膜軸承不穩(wěn)定性。發(fā)明背景轉(zhuǎn)子振動(dòng)的獨(dú)特特征是存在著轉(zhuǎn)子，按照定義必須轉(zhuǎn)動(dòng)，有時(shí)以很高 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)以使機(jī)器實(shí)施其功能。這種轉(zhuǎn)動(dòng)有兩個(gè)主要含義。第一個(gè)含義 是在轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器中存儲(chǔ)著極大的動(dòng)能。如果機(jī)構(gòu)允許一些這種能量從轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，這必定將導(dǎo)致機(jī)器的不穩(wěn)定性。允許這種能量轉(zhuǎn)換并 導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器不穩(wěn)定性的一些機(jī)構(gòu)為內(nèi)部阻尼、空氣動(dòng)力交叉耦合、密 封、高速軸頸軸承、軸間擠壓油膜阻尼器等。轉(zhuǎn)動(dòng)的另 一個(gè)含義是在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器上長(zhǎng)久地存在著激勵(lì)力。在轉(zhuǎn)子中一 直存在剩余不平衡量；此剩余不平衡量促使轉(zhuǎn)子以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可 能激勵(lì)起臨界速度。轉(zhuǎn)子振動(dòng)的這兩個(gè)獨(dú)特特征不穩(wěn)定性和不平衡激勵(lì)的存在導(dǎo)致需要 對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)行控制。如果不加以控制，那么不平衡激勵(lì)可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)大 的傳輸力；臨界速度可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的振動(dòng)幅度，同時(shí)不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo) 致機(jī)器毀壞。自從Rankine的早期工作以來(lái)，此人提出機(jī)器不能逾越臨界速度，在 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的發(fā)展中出現(xiàn)了重大的進(jìn)步。現(xiàn)今，諸如燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、 汽輪機(jī)、渦輪膨脹機(jī)和渦輪增壓機(jī)等高速高性能的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器在它們常規(guī)的 運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常逾越6個(gè)臨界速度。為了控制這種高速機(jī)器的振動(dòng)，許多渦輪機(jī)制造商采用被動(dòng)或主動(dòng)的 振動(dòng)控制。第一種振動(dòng)控制的方法可能是在19世紀(jì)后期引入流體膜軸承。 這種"非接觸，'軸頸軸承的首次應(yīng)用作為當(dāng)時(shí)的重大突破而受到歡迎，認(rèn)
為這應(yīng)產(chǎn)生所有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械問(wèn)題的解決方案。然而，不久以后，軸頸軸承和 流體膜軸承的問(wèn)題常常顯而易見(jiàn)。兩個(gè)基本特征使流體膜軸承的成功變得 不明顯。 一個(gè)基本特征是軸頸軸承傾向于引起油膜渦動(dòng)和油膜振蕩，它們 可能是在轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)中具有破壞性的不穩(wěn)定機(jī)制。這導(dǎo)致引入更為復(fù)雜的流體膜軸承諸如橢圓軸承、偏置半軸^fu壓力壩式軸承(pressure dam bearing)、多葉軸承和可傾瓦塊軸承等等，和更近的箔片軸承。以較低的 承重能力和在臨界速度阻尼降低為代價(jià)，這些流體膜軸承提供了穩(wěn)定性逐 漸改善的特征。流體膜軸承的第二個(gè)問(wèn)題是其依賴于速度的特性。流體膜軸承的剛度 和阻尼特性取決于索默菲德數(shù)(Sommerfeld number)，其是一個(gè)無(wú)量綱 的速度/負(fù)載因子。直到當(dāng)前，確定精確的流體膜軸承剛度和阻尼特性的 困難還是普遍的，這都是由于使用有限差分法和有限元方法的CFD計(jì)算 的困難，以及依賴于速度的特性，該依賴于速度的特性對(duì)于預(yù)測(cè)安裝在流 體膜軸承上的轉(zhuǎn)子的臨界速度有影響。由于承重能力，大且重的轉(zhuǎn)子不得不使用流體膜軸承。然而，更小且 更快的轉(zhuǎn)子被安裝在滾動(dòng)元件軸承上。遺憾的是，因?yàn)槠涞母邉偠纫约皫?乎沒(méi)有阻尼的特性，滾動(dòng)元件軸承不提供任何振動(dòng)控制。這不會(huì)對(duì)較小機(jī) 器例如電機(jī)帶來(lái)問(wèn)題，但是隨著燃?xì)廨啓C(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，其需要使用 高速、輕的轉(zhuǎn)子，飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)顯然需要一種振動(dòng)控制方法。由于油膜振 蕩的不穩(wěn)定機(jī)制，這可能會(huì)對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害，因此拒絕將流體膜軸 承作為 一種飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)中的可能控制方法。在十九世紀(jì)六十年代，將擠壓油膜阻尼器和軟支撐作為一種被動(dòng)振動(dòng) 控制方法引入的時(shí)機(jī)成熟。擠壓油膜阻尼器是一種圍繞在滾動(dòng)元件軸承外 套圈的油膜，其抑制轉(zhuǎn)動(dòng)但允許振動(dòng)。因此，將其歸為流體膜軸承類，沒(méi) 有由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的不穩(wěn)定性或承重能力。擠壓油膜阻尼器允許飛行器發(fā)動(dòng)機(jī) 的設(shè)計(jì)者將阻尼引入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器以作為一種振動(dòng)控制的方法。此外，軟支撐 的引入允許臨界速度的公平布置。因此，擠壓油膜阻尼器和軟支撐的組合 向設(shè)計(jì)者提供了剛度和阻尼以被動(dòng)地控制轉(zhuǎn)子振動(dòng)。在十九世紀(jì)八十年代，研究人員開(kāi)始考慮利用磁軸承作為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的 支撐的構(gòu)想。這打開(kāi)了通向主動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器振動(dòng)的大門，因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制
流向軸承的電流可主動(dòng)地控制磁軸承的剛度和阻尼特性。此外，由于與控 制系統(tǒng)元件接口的簡(jiǎn)易，相當(dāng)自然地考慮電磁系統(tǒng)的主動(dòng)控制。在關(guān)于利用磁軸承主動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的文獻(xiàn)中存在大量的研究成果。 確實(shí)，發(fā)明人個(gè)人相信，盡管磁軸承存在各方面的不足，但其可能是可以 用來(lái)控制地面應(yīng)用中轉(zhuǎn)子振動(dòng)的最好方法。磁軸承能夠提供連續(xù)可變的剛度和阻尼特性以用于主動(dòng)振動(dòng)控制，加 上非接觸特性，以及大的承重能力和使用無(wú)油機(jī)器的可能性，顯然，磁軸 承可能是用于支撐和主動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器振動(dòng)的最佳選擇。然而，磁軸承存在多種不足。這些不足包括磁軸承的成本，其比傳 統(tǒng)軸承要昂貴得多；失效成本，其可能意味著機(jī)器的完全替換；大軸承的 重量和相關(guān)控制；磁軸承對(duì)高溫的敏感性；需要建立其可靠性，以及需要 建立被稱為"止動(dòng)軸承(catcher-bearing)，，的并聯(lián)支撐系統(tǒng)以在失效情 況時(shí)支承轉(zhuǎn)子。這些不足影響了磁軸承在飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，至今，經(jīng)過(guò)二十多 年以來(lái)的積極研究和開(kāi)發(fā)，還是沒(méi)有磁軸承被引入至飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)中。然 而，許多轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器，尤其是改進(jìn)型的壓縮機(jī)，已實(shí)地使用了磁軸承，并且 顯示才目當(dāng)成功。流體膜軸承不穩(wěn)定性的歷史在一篇優(yōu)秀論文中，Y.Hori于1959年提出了一種油膜振蕩理論，并 且描述了流體膜軸承不穩(wěn)定性的歷史。根據(jù)Hori,油膜渦動(dòng)和油膜振蕩在 1925首次被報(bào)道。盡管自從不穩(wěn)定性被報(bào)道以來(lái)已經(jīng)過(guò)了四分之三個(gè)世 紀(jì)，然而當(dāng)前該主題仍被關(guān)注。在2003年，G.Kirk解釋到這一關(guān)注實(shí)質(zhì) 上在于回答如下兩個(gè)問(wèn)題"轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)能夠越過(guò)門限速度有任何可能性嗎？轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)能否在此門限速度以上運(yùn)行？，，。這兩個(gè)問(wèn)題同樣也是在此 提供該項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)，除了需要理解影響不穩(wěn)定性開(kāi)始的參數(shù)之外。研究固定幾何形狀的流體膜軸承的穩(wěn)定性的興趣可能在于其歷史意 義。它們促使了十九世紀(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的發(fā)展。確實(shí)，在D.D.Fuller關(guān)于潤(rùn)滑 理論的著作中，他提出流體膜軸承很可能是最近技術(shù)發(fā)展中單個(gè)最重要的 元件，其重要性只有電的影響能比得上。早期的流體膜軸承被設(shè)計(jì)用于承
重，并且作為一種能夠不斷支承機(jī)器的低摩擦裝置而受到歡迎。然而，隨 著在二十世紀(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器速度的增加，軸頸軸承顯然可引起油膜渦動(dòng)和油膜 振蕩的問(wèn)題。這已經(jīng)引起許多研究人員用實(shí)驗(yàn)方式和理論分析去研究油膜 渦動(dòng)和油膜振蕩的現(xiàn)象。在Hori的論文中，他的主要成果是描述了當(dāng)時(shí)所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Hori報(bào)道了 B丄.Newkirk和J.F丄ewis于1956年所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)情況，即在 出現(xiàn)不穩(wěn)定性之前，轉(zhuǎn)速達(dá)到第一臨界速度的五倍或六倍，而0. Pinkus 在1953年和1956年報(bào)道了振蕩消失且又重新開(kāi)始的情況，以及穩(wěn)定和不 穩(wěn)定狀態(tài)被瞬時(shí)振蕩區(qū)域所隔開(kāi)的情況。根據(jù)Hori, Newkirk和Pinkus 的實(shí)驗(yàn)在許多方面上是矛盾的；甚至是在溫度效應(yīng)上。Newkirk和Lewis 報(bào)道了更熱的油提供更大范圍的穩(wěn)定運(yùn)行，而在1956年所報(bào)道的Pinkus 實(shí)驗(yàn)表示更冷的油提供更大范圍的穩(wěn)定運(yùn)行。在1959年，Y.Hori提供了 一種油膜振蕩理論，試圖解釋Newkirk和Pinkus之間的差異。從那時(shí)起，在六十年代和七十年代，進(jìn)行了可選擇的流體膜軸承設(shè)計(jì) 以控制不穩(wěn)定的大量工作。而且，對(duì)計(jì)算線性化軸承系數(shù)和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài) 響應(yīng)投入相當(dāng)大的力量。在八十年代，對(duì)軸頸軸承不穩(wěn)定性觸發(fā)了重新開(kāi)始的興趣。 A.Muszynska對(duì)支撐轉(zhuǎn)子的軸頸軸承進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。她舉例說(shuō)明了存 在著第二種模式的振蕩。同樣地，在八十年代，取得了通過(guò)分支分析和Hopf分支來(lái)理解軸頸軸承的非線性動(dòng)力學(xué)的重大進(jìn)步。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是組合式的磁-流體膜軸承；另 一個(gè)實(shí)施例為穩(wěn) 定的流體膜軸承。組合式的磁-流體膜軸承如背景技術(shù)中所討論的，磁軸承可能是用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的最好支撐。然 而，它們的不足之處，基本上是關(guān)于可靠性，阻礙了其在許多應(yīng)用中的使 用，尤其是在飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用。同樣地，如上面所討論的，流體膜 軸承具有阻礙其在高速應(yīng)用中使用的穩(wěn)定性問(wèn)題。
本發(fā)明實(shí)際上依賴于兩個(gè)裝置的優(yōu)點(diǎn)和不足。本發(fā)明是將流體膜軸承 (無(wú)論其是圓柱軸頸軸承、橢圓軸承、偏置半軸承、多葉軸承、還是可傾 瓦塊軸承，都無(wú)關(guān)緊要)作為主要的承載軸承，并且使用與流體膜軸承相 組合的磁軸承以控制不穩(wěn)定性。這應(yīng)當(dāng)是相當(dāng)有效的組合，其中該組合形 成能夠高速使用而沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題也沒(méi)有不可靠性問(wèn)題的軸承。許多專利包含有磁軸承，例如，6,737,777 磁軸承及其使用；6,727,617 用于提供三軸磁軸承的方法和裝置，該磁軸承具有安裝 在徑向》茲才及座的7JOf茲體；6,720,695 具有用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的少接觸、被動(dòng)的徑向軸承的轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)裝置；6,717,3116,707,2006,703,7366,653,7566,606,536組合的石茲性徑向軸承和止推軸7 義整體式的磁軸承； 》茲壽由7fc;磁軸承裝置；以及 磁軸承裝置以及磁軸承控制裝置。 然而，這些專利中沒(méi)有一個(gè)專利討論了使用^f茲軸承作為控制軸頸軸承 不穩(wěn)定性的裝置。實(shí)際上，大多數(shù)目前技術(shù)，以及當(dāng)前磁軸承的研制成果， 都是將磁軸承用作主要的承載元件，并且使用過(guò)多的控制操作以提供在轉(zhuǎn)攻'器中期望的--些穩(wěn)定性益處。同樣地，許j多專利包含有流體膜軸承，例如，6,089,756滑動(dòng)軸7fc;5,879,085用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的可傾瓦塊流體動(dòng)壓軸承;5,879,076用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的可傾瓦塊流體動(dòng)壓軸承;5,772,334流體膜軸承；5,743,657可傾瓦塊軸頸軸承；5,743,654流體靜壓且主動(dòng)控制的可動(dòng)瓦塊軸承；5,634,723流體動(dòng)壓流體膜軸承；5,549,392用于流體動(dòng)壓軸承的軸密封；5,531,523具有可調(diào)軸承瓦塊的轉(zhuǎn)子軸頸軸承； 劑壓力分布的流體動(dòng)壓軸承； 5,489,155具有可傾軸承瓦塊的可傾瓦塊可變幾何形狀軸承，以及 制造其的方法；5，480，234 軸頸軸承； 5,322,371 流體膜軸承；5,201,585 用于渦輪機(jī)的具有擠壓油膜阻尼器的流體膜軸頸軸承； 5,096,309 流體動(dòng)壓軸承系統(tǒng)； 5,032,028 流體膜軸承； 4,961 ， 122 流體動(dòng)壓式帶槽的軸承裝置； 4,828,403 彈性安裝的液壓軸承組件； 4,880,320 流體膜軸頸軸承； 4,767,223 流體動(dòng)壓軸頸軸豸義； 4，597,676 動(dòng)靜壓混合軸承； 4,526,483 流體箔片軸承； 4,415,281 流體動(dòng)壓式流體膜軸承； 4，300,808 可傾瓦塊軸承； 4，034，228 可傾瓦塊軸承；以及 3,969,804 用于高速轉(zhuǎn)軸的軸承外殼組件方法。 然而，這些專利中沒(méi)有一件專利建議使用磁軸承作為控制流體膜不穩(wěn) 定性的裝置。實(shí)際上，磁軸承的發(fā)展和流體膜軸承的發(fā)展是兩個(gè)完全不同的事項(xiàng)， 在這兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的研究者并不理解另一個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，似乎他們是在兩個(gè) 不同的島山與。第6,353,273號(hào)美國(guó)專利，混合式箔-磁軸承是一個(gè)例外。在那個(gè)發(fā)明 中，建議將箔片軸承和磁軸承都用作承載元件。這樣做可能承大的負(fù)載， 以致于每一箔片軸承和磁軸承分擔(dān)一部分負(fù)載。然而，該發(fā)明人認(rèn)為，這 不是一個(gè)好的方案。盡管混合式箔-磁軸承能夠高速運(yùn)行，但是它仍然遭 受與磁軸承同樣的缺陷。盡管流體膜軸承和磁軸承都是公知的裝置，但其以組合的形式使用并 不顯而易見(jiàn)，因?yàn)楫?dāng)前技術(shù)是它們是相互竟?fàn)幍难b置而不是互補(bǔ)裝置。兩
者都被認(rèn)為是承載裝置，具有某些控制能力(流體膜軸承的被動(dòng)控制和磁 軸承的主動(dòng)控制)。因此， 一發(fā)明認(rèn)為磁軸承只作為控制裝置，而流體膜軸承只作為承載裝置。它們組合后的效果是得到如此的軸承除了流體膜 軸承和磁軸承所公知的所有優(yōu)點(diǎn)之外，其還具備大的承載能力，優(yōu)異的可 靠性，和高速使用時(shí)沒(méi)有不穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。而且，還有額外的優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)， 這是由于磁軸承并不用作承載元件，所以降低功率要求，由此能夠使用更 小更輕的磁軸承，其可可靠地控制轉(zhuǎn)子振動(dòng)。這種組合可以采取的形式為兩個(gè)鄰近或不鄰近軸承， 一個(gè)為流體膜軸 承，另一個(gè)為磁軸承，或者其可以具有一個(gè)整體式軸承的形式，在磁軸承 內(nèi)包含有流體膜軸承，從而流體膜軸承的流體流過(guò)磁軸承的轉(zhuǎn)子，以及流 入磁軸承中的轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙。然而，由于磁軸承要求大的空隙以消散所產(chǎn)生的熱，而流體膜軸承要 求小的空隙以改善承載能力，因此在這種情況下將出現(xiàn)設(shè)計(jì)難題。這個(gè)設(shè) 計(jì)難題可以以兩種方式解決， 一種方式是在這兩種相矛盾的要求中選擇折 衷的空隙，另一種方式是使用小的空隙以用于流體膜軸承中的承載，并且 使用增加的流體流動(dòng)來(lái)消散在磁軸承中所產(chǎn)生的熱。穩(wěn)定的流體膜軸承正如在前頁(yè)面所述的，流體膜軸承具有被稱為油膜渦動(dòng)和油膜振蕩的 不穩(wěn)定性問(wèn)題。許多專利描述了設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的流體膜軸承的方法，例如滑動(dòng)軸承用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的可傾瓦塊流體動(dòng)壓軸承 用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的可傾瓦塊流體動(dòng)壓軸承6,089,756 5,879,085 5,879,076 5,772,334 5,743,657 5，743，654 5,634,723 5，549，392 5,531,523 5,516,212、、六體膜軸承可傾瓦塊軸頸軸承流體靜壓且主動(dòng)控制的可動(dòng)瓦塊軸承流體動(dòng)壓流體膜軸承 用于流體動(dòng)壓軸承裝置的軸密封 具有可調(diào)軸承瓦塊的轉(zhuǎn)子軸頸軸承 具有受控潤(rùn)滑劑壓力分布的流體動(dòng)壓軸承 5,489,155制造其的方法 5,480,234 5,322,371 5,201,585 5,096,309 5,032,028 4,961,122 4,828,403 4,880,320 4,767,223 4,597,676 4,526,483 4,415,281 4,300,808 4,034,228 3,969,804具有可傾軸承瓦塊的可傾瓦塊可變幾何形狀軸承，以及軸頸軸承 流體膜軸承用于渦輪機(jī)的具有擠壓油膜阻尼器的流體膜軸頸軸承 流體動(dòng)壓軸岸義系統(tǒng) 流體膜軸承流體動(dòng)壓式帶槽的軸承裝置 彈性安裝的液壓軸承組件 流體膜軸頸軸承流體動(dòng)壓軸頸軸7 義 動(dòng)靜壓混合軸承 流體箔片軸承 流體動(dòng)壓式流體膜軸承 可傾瓦塊軸承可傾瓦^(guò):軸7fc用于高速轉(zhuǎn)軸的軸承外殼組件方法 然而，所有這些專利，包括可傾瓦塊軸承，其為最穩(wěn)定的流體膜軸承， 都具有相同的特征，即沿著圓周方向干擾流動(dòng)以控制不穩(wěn)定性(或者，在 箔片軸承的情況下，使用與流體膜串聯(lián)的彈力)。事實(shí)上，ASMEJoumal ofTribology， Vol. 126, pp. 125-131 (2004)，描述了一種關(guān)于獲得沿圓周 方向的最佳空隙配置以改善流體膜軸承的穩(wěn)定性特性的研究。然而，沒(méi)有 人考慮試圖沿軸向干擾流動(dòng)以控制不穩(wěn)定性。未對(duì)準(zhǔn)的發(fā)明人在本文中已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中在接合處角度偏移幾 乎消除了在圓柱軸頸軸承中的不穩(wěn)定性，這是眾所周知的不穩(wěn)定性問(wèn)題。 這些實(shí)驗(yàn)在本發(fā)明人于此處提出的一篇論文中報(bào)道，這篇論文為 Proceeding of ASME Turbo Expo, Vienna, Austria, paper GT-2004-53644，其 在本文中引用作參考。這篇論文的提前公開(kāi)拷貝已提交并且并入于2004 年6月15日提交的第60/579,866號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)中，據(jù)此本申請(qǐng)要 求優(yōu)先權(quán)。這是與現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)比，現(xiàn)有技術(shù)中接合處具有精確的對(duì)準(zhǔn)
被認(rèn)為是用于所有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的良好^:法。事實(shí)上，第4,033，042號(hào)美國(guó)專 利，名稱為"軸對(duì)準(zhǔn)裝置和方法(Shaft alignment apparatus and method)" 描述了改進(jìn)在接合處的轉(zhuǎn)子之間對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)。在此描述的本發(fā)明是相當(dāng)簡(jiǎn)單直接的。構(gòu)思是沿著軸向干擾流動(dòng)，由 此改善不穩(wěn)定性。在其最筒單的形式中，套筒(軸頸)軸承加工成使得此 軸承的軸線偏離軸的軸線。因此，軸的軸線沿水平平直，而軸承的軸線沿 垂直方向以預(yù)設(shè)的斜度傾斜。 一端低于軸的軸線，而另一個(gè)端高于軸的軸 線。同樣的發(fā)明應(yīng)用于固定幾何形狀的軸^c，但是此軸承沿著水平方向。 軸承的軸線橫向(向右側(cè))偏斜，由此顯示在軸承的預(yù)設(shè)的水平偏移。在另一個(gè)實(shí)施例中，可變幾何形狀的軸承允許軸承的角度偏移。這個(gè) 基本構(gòu)思相當(dāng)簡(jiǎn)單。假定軸承的預(yù)設(shè)斜度事先未知，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。在這 種情況下，考慮簡(jiǎn)單的圓柱軸頸軸承，其中允許固定螺栓有一確定的通道， 以便可使整個(gè)圓柱軸頸軸承(或任何類型的液壓軸承)偏斜，由此軸承的 軸線相對(duì)于軸的軸線成一定的斜度，并且這個(gè)斜度可調(diào)。當(dāng)選擇好合適的 斜度時(shí)，使用固定螺栓將軸承體(以及通道)固定至臺(tái)架(skid)或基座 上。上述的實(shí)施例是本發(fā)明的最筒單形式，并且被上述技術(shù)論文中所描述 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步支持，該4支術(shù)論文在2004年6月15日的Proceedings 2004 ASME Turbo Expo Power for Land, Sea and Air提出。然而，本發(fā)明為設(shè)計(jì)流體膜軸承的許多其它可能性提供機(jī)會(huì)。這包括 引入兩個(gè)偏置的半軸承，正是通過(guò)僅在上部和下部之間引入偏斜(這與水 平偏置的偏置半軸承的現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)比)。其它的實(shí)施例包括沿著軸線 方向而不是如現(xiàn)有技術(shù)所暗示的沿著圓周方向引入橢圓、多葉、氣壓塞和 可傾瓦塊。沿著軸承的軸線調(diào)整或干擾流動(dòng)以控制油膜渦動(dòng)和油膜振蕩的 任何可能事例都是本發(fā)明的一實(shí)施例。


在附圖中圖1是描述轉(zhuǎn)子的鄰近的磁-軸頸軸承支撐件的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的 正 f見(jiàn)圖，顯示了該實(shí)施例的橫截面圖；圖2a是描述轉(zhuǎn)子的不鄰近的磁-軸頸軸承支撐件的本發(fā)明另一個(gè)實(shí) 施例的正視圖，顯示了該實(shí)施例的橫截面圖；圖2b是取自圖2a中細(xì)節(jié)B的詳細(xì)視圖；圖3是描述整體式磁-徑向軸承的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的正視圖，顯示了該實(shí)施例的橫截面圖；圖4a-4c共同描述了本發(fā)明垂直傾斜的固定幾何形狀組件的實(shí)施例； 圖5a-5d共同描述了本發(fā)明水平傾斜的固定幾何形狀軸承組件的實(shí)施例；圖6a-6c共同描述了本發(fā)明傾斜軸套式軸承的實(shí)施例； 圖7a-7e共同描述了本發(fā)明上部?jī)A斜的半軸承的實(shí)施例； 圖8a-8d共同描述了本發(fā)明傾斜式氣壓塞軸承的實(shí)施例； 圖9a-9d共同描述了本發(fā)明傾斜式多葉軸承的實(shí)施例； 圖10a-10c共同描述了本發(fā)明收縮-擴(kuò)散形軸承組件的實(shí)施例； 圖lla-lld共同描述了本發(fā)明擴(kuò)散-收縮形軸承組件的實(shí)施例； 圖12a-12d共同描述了本發(fā)明收縮形軸承的實(shí)施例； 圖13a-13d共同描述了本發(fā)明擴(kuò)散形軸承組件的實(shí)施例； 圖14a-14d共同描述了本發(fā)明可傾瓦塊軸承的實(shí)施例；軸承上沿軸向擺動(dòng)，和/或具有軸向的擴(kuò)散-收縮形輪廓；圖16a-16d顯示了具有收縮-擴(kuò)散形瓦塊的可傾瓦塊軸承組件，其在軸 承上沿軸向擺動(dòng)，和/或具有軸向的收縮-擴(kuò)散形輪廓；圖18a-18d顯示了具有沿軸向呈梯狀的瓦塊的可傾瓦塊軸承組件。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是一種通過(guò)利用與流體膜軸承(無(wú)論其為圓柱軸頸軸承、橢圓 軸承、偏置半軸承、多葉軸承、箔片軸承還是可傾瓦塊軸承，都無(wú)關(guān)緊要) 相組合的磁軸承來(lái)控制流體膜軸承不穩(wěn)定性的方法，其中流體膜軸承作
為主要的承載軸承，而磁軸承控制流體膜軸承的不穩(wěn)定性。這種有效的組合產(chǎn)生了可高速使用而沒(méi)有穩(wěn)定性和也沒(méi)有可靠性問(wèn)題的軸承。 一種控制 流體膜軸承不穩(wěn)定性的可選方法是沿軸向干擾流動(dòng)，例如，套筒(軸頸)軸承可制造成使得軸承的軸線偏離軸的軸線，或制造可變幾何形狀的軸承 以允許軸承角度偏移?，F(xiàn)參見(jiàn)附圖，圖l至圖3分別描述了在鄰近、不鄰近和整體式實(shí)施例中組合磁軸承-流體膜軸承的發(fā)明的不同實(shí)施例。圖1顯示了鄰近的磁軸承-流體膜軸承結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。圖1顯示了其正視圖，其中包含有電磁定子12a的磁軸承組件12固定在軸套12b內(nèi)，以 及用于控制安裝在軸16上的轉(zhuǎn)子12c。承載元件為由軸套18a所支撐的流 體膜軸承組件18。負(fù)載由流體膜軸承18承載，而磁軸承12用于控制在 高速運(yùn)動(dòng)的流體膜軸承18中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性。圖2a-2b顯示了不鄰近的磁軸承-流體膜軸承結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。圖2a顯示 了其正視圖，其中包含有電磁定子12a的磁軸承組件12固定在軸套12b 中，以及用于控制安裝在軸16上的轉(zhuǎn)子12c。承載元件為由軸套18a所支 撐的流體膜軸承組件18。負(fù)載由流體膜軸承18承載，而磁軸承12用于 控制在高速運(yùn)動(dòng)的流體膜軸承18中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性。圖2b顯示了帶有繞 組的磁軸承定子12a、轉(zhuǎn)子12c、軸套12b和軸16的細(xì)節(jié)。圖1和圖2的 主要區(qū)別是，在圖1中，磁軸承和流體膜軸承是鄰近的(相互靠近)；而 在圖2中，磁軸承和流體膜軸承是不鄰近的(相互之間相對(duì)遠(yuǎn)或遠(yuǎn)距離隔 開(kāi))。圖3顯示了整體式磁軸承-流體膜軸承組件14結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。圖3顯示 了其正視圖，其中包含有電磁定子14a的磁軸承14d固定在軸套14b中， 以及用于控制安裝在軸16上的轉(zhuǎn)子14c。承載元件為流體膜軸承14e,其 中流體膜填充定子14a和轉(zhuǎn)子14c之間的空隙。負(fù)載由流體膜軸承14e承 載，而磁軸承14d用于控制在高速運(yùn)動(dòng)的流體膜軸承14e中出現(xiàn)的不穩(wěn)定 性。這是流體膜軸承14e與磁軸承14d結(jié)合成整體的一緊湊結(jié)構(gòu)。圖4到18描述了穩(wěn)定的流體膜軸承實(shí)施例的各種例子，包括垂直傾 斜的固定幾何形狀軸承、水平傾斜的固定幾何形狀軸承、傾斜軸套式軸承、 上部?jī)A斜的半軸承、傾斜式氣壓塞軸承、傾斜式多葉軸承、收縮-擴(kuò)散形 軸承、擴(kuò)散-收縮形軸承、收縮形軸承、擴(kuò)散形軸承以及軸向可傾瓦塊軸 ^K和變形。圖4a-4c顯示了垂直傾斜的固定幾何形狀的軸承組件20實(shí)施例的實(shí) 例。軸承20a垂直傾斜以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性(見(jiàn)截面C-C，圖4b)。流體 膜20b支撐軸承20a上的軸20c,并釆用密封件20d密封。軸套的兩半， 軸套下部20e和軸套上部20f,是軸承組件20的一部分，并且支撐軸承 20a。在用于臥式機(jī)器的這個(gè)例子中，軸的軸線20g為水平的，但軸承自 身垂直傾斜以提高穩(wěn)定性。圖5a-5d顯示了水平傾斜的固定幾何形狀的軸承組件30實(shí)施例的實(shí) 例。軸承30a水平傾斜以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性(見(jiàn)截面B-B，圖5c)。流體 膜30b支撐軸承30a上的軸30c,并采用密封件30d封。軸套的兩半，軸 套下部30e和軸套上部30f,是軸承組件30的一部分，并且支撐軸承30a。 圖5d顯示了水平傾斜的軸承的兩個(gè)半部分的示意圖。在用于臥式機(jī)器的 這個(gè)例子中，軸的軸線30g為水平的，而軸承自身相對(duì)于機(jī)器軸線水平傾 斜以提高穩(wěn)定性。圖6a-6c顯示了傾斜軸套式軸承組件40實(shí)施例的例子。軸承40a是直 的，以及包括軸套下部40b和軸套上部40c的軸套是可調(diào)整的。在每一側(cè) 使用兩個(gè)螺栓40d將軸套固定至支撐件。在軸套部分40b、 40c中的彎曲 凹槽用于螺栓40d。通過(guò)松開(kāi)螺栓40d,可相對(duì)于軸40e扭動(dòng)軸套部分40b、 40c(從而扭動(dòng)軸承40a),然后再次擰緊螺栓以所要求的扭曲量進(jìn)行固定。 油膜40g如圖6c所示。這應(yīng)產(chǎn)生一穩(wěn)定軸承，其具有可調(diào)節(jié)的軸承角度 偏移。圖7a-7e顯示了上部?jī)A斜的半軸承組件50實(shí)施例的例子。在這個(gè)實(shí) 施例中，只是軸承的上半部分50a傾斜且與軸50c的軸線方向不重合，而 軸承的下半部分50b正常。這最好參見(jiàn)圖7d和7e。這后兩張圖進(jìn)一步描 述了油膜50d和軸套上部50e和下部50f。實(shí)際上，當(dāng)前的技術(shù)允許上半 部分偏移，然而，所權(quán)利要求的發(fā)明是上半部分50a傾斜(軸線與軸的軸 線相偏離)。實(shí)際上，所提供的附圖是用于具有既偏移又傾斜的上半部分 50a的軸承。圖8a-8d顯示了傾斜式氣壓塞軸承組件60的實(shí)施例的例子。軸承60a
基本上是圓柱軸承，但具有壩(dam)60d。塞子的目的是干擾流動(dòng)和裝 載軸承，由此提高其穩(wěn)定性的特性。當(dāng)前技術(shù)考慮到壩。然而，所權(quán)利要 求的本發(fā)明是在于一壩，所述壩具有相對(duì)于軸60b的軸線60c傾斜的兩邊 緣，由此提供傾斜裝載和流的軸向干擾。圖8b的截面A-A,在圖8c中將 其放大顯示了該壩。在圖8c中顯示油膜為60e。傾斜的壩的細(xì)節(jié)如圖8d 所示。圖9a-9d顯示了傾斜式多葉軸承組件70實(shí)施例的例子。當(dāng)前技術(shù)考 慮過(guò)由若干葉片組成的多葉軸承70a,每個(gè)葉片都具有其在不同位置處的 曲率中心，由此對(duì)流動(dòng)提供圓周方向上的擾動(dòng)，并改善了穩(wěn)定性。這與具 有僅一個(gè)中心的圓柱軸承形成對(duì)比。多葉軸承可具有雙葉(其為橢圓軸承， 其中上半部分和下半部分具有不同的中心)、三葉、四葉(如圖9a-9d所 描述)，或更多葉片。本發(fā)明的權(quán)利要求是每個(gè)葉片不僅具有其自己的曲 率中心(見(jiàn)圖9d中的70b),而且每個(gè)葉片沿軸向傾斜，由此軸向干擾 流，如圖9d，以及如圖9b和9c所顯示的截面A-A、 B-B中所分別清晰地 示出。為了實(shí)現(xiàn)軸向擾動(dòng)流的構(gòu)思，可構(gòu)想收縮式軸承、擴(kuò)散形軸承、收縮 -擴(kuò)散形軸承，或擴(kuò)散-收縮形軸承。在當(dāng)前技術(shù)中沒(méi)有相似的軸承，但這 樣的實(shí)施方式通過(guò)流的軸向干擾而提高穩(wěn)定性。如上述所提及，這些實(shí)施例如下所示收縮-擴(kuò)散形軸承組件80 (圖 10a-10c),擴(kuò)散-收縮形軸承組件90 (圖lla-lld),收縮形軸承組件100 (圖12a-12d),以及擴(kuò)散形軸承組件110 (圖13a-13d)。在所有這些軸 承組件中，相應(yīng)的軸承80a、 90a、 100a和110a,相對(duì)于各自的軸80b、 90b、 100b和110b,分別具有由其名稱所暗示的流軸向干擾。另一個(gè)實(shí)施例的例子是可傾瓦塊軸承組件120。這些軸承設(shè)計(jì)成具有 多個(gè)基本上可沿圓周方向擺動(dòng)的瓦塊120b,由此沿圓周方向上干擾流。 圖14a-14d代表性地顯示了這個(gè)實(shí)施例，其允許在軸線方向上的明顯擺動(dòng)， 由此軸向干擾流。圖14d顯示了可傾瓦塊120b，其允許在外筒(casing) 120c上沿軸向擺動(dòng)。為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)在可傾瓦塊軸承中的軸向流動(dòng)千擾，圖15、 16、 17 和18顯示了本發(fā)明的另外的實(shí)施例。圖15a-15d顯示了可傾瓦塊軸承組 件130,此軸承組件130具有擴(kuò)散-收縮形瓦塊130b，其在軸承130c上沿 軸向擺動(dòng)，和/或具有軸向的擴(kuò)散-收縮式輪廓，而圖16a-16d顯示了可傾 瓦塊軸承組件140，此軸承組件140具有收縮-擴(kuò)散形瓦塊140b,其在軸 承140c上沿軸向擺動(dòng)，和/或具有軸向的收縮-擴(kuò)散形輪廓。圖17a-17d顯 示了可傾瓦塊軸承組件150,此軸承組件150具有沿軸向扭曲的瓦塊150b， 而圖18a-18d顯示了可傾瓦塊軸承組件160,其具有沿軸向呈梯狀的瓦塊 160b。這些實(shí)施例都是當(dāng)前發(fā)明的所有不同的實(shí)施例，其通過(guò)干擾軸向流動(dòng) 來(lái)提供漸進(jìn)增強(qiáng)的穩(wěn)定性。利用上述構(gòu)思的實(shí)施例，本發(fā)明也能應(yīng)用至箔片軸承。利用上討的扭 曲或傾斜，通過(guò)干擾軸向流動(dòng)，上述干擾軸向流動(dòng)的發(fā)明結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于箔 片軸承。應(yīng)當(dāng)理解到，前述內(nèi)容只是這個(gè)發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施例的詳細(xì)描 述，而在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍情況下，根據(jù)本文的公開(kāi)可對(duì)所公開(kāi) 的實(shí)施方式作出許多變換。因此，在先描述并不意味著限制本發(fā)明的范圍。 而本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求及其等價(jià)內(nèi)容所確定。
權(quán)利要求
1.一種控制流體膜軸承的不穩(wěn)定性的方法，所述流體膜軸承包括用于高速轉(zhuǎn)子或軸組件的流體膜軸承，所述方法包括使用與一流體膜軸承組合的一磁軸承，其中所述流體膜軸承適合于用作主承載軸承；以及其中所述磁軸承適合于用作控制所述流體膜軸承的不穩(wěn)定性的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述流體膜軸承從下面的一組 軸承中選出，所述組包括圓柱軸頸軸承、橢圓軸承、偏置半軸承、多葉軸 承、可傾瓦塊軸承和箔片軸承。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述組合的形式為兩鄰近或不 鄰近的軸承， 一軸承為所述流體膜軸承，以及另一軸承為所述磁軸承。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述組合的形式為一整體式軸 承，所述流體膜軸承位于所述磁軸承內(nèi)，以致所述流體膜軸承的流體流過(guò) 所述磁軸承的轉(zhuǎn)子，且在所述》茲軸承的轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙內(nèi)。
5. —種控制軸承不穩(wěn)定性的方法，所述軸承包括用于高速轉(zhuǎn)子或軸 組件的軸承，所述方法包括提供用于《1起沿軸承的軸線方向干擾流體流動(dòng)的裝置。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求5的方法，其中使所述軸承適合于使得其軸承 的軸線相對(duì)于軸或轉(zhuǎn)子的軸線偏斜，以產(chǎn)生在所述軸承的偏移。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述軸承為固定幾何形狀的軸 承，以及所述軸承的軸線相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線的偏移是水平的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述軸承為固定幾何形狀的軸 t^，以及所述軸承的軸線相對(duì)于所述軸轉(zhuǎn)子的軸線垂直傾斜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述軸承是可變幾何形狀的軸 承，以及所述軸承的軸線相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線的偏移是水平的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述可變幾何形狀的軸承安裝 成提供相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線的軸承角度偏移。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述軸承組件的軸套可調(diào)， 通過(guò)松開(kāi)裝置和通過(guò)所述軸套的扭轉(zhuǎn)部件可調(diào)節(jié)所述可調(diào)軸套，來(lái)產(chǎn) 生所述軸承組件相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子軸線的角度偏移。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中當(dāng)因軸承磨損和軸或轉(zhuǎn)子磨 損，所需要時(shí)，通過(guò)調(diào)整所述軸套可重新調(diào)整所述軸承組件的角度偏移。
13. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承組件包括兩半部分，軸承的下半部分和軸承的上半部 分，以及其中所述軸承的下半部分與所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線對(duì)齊，而所述軸承的 上半部分相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線偏斜。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述軸承的上半部分傾斜成 產(chǎn)生所述軸承的上半部分相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子軸線的角度偏移。
15. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承組件包括兩半部分，軸承的下半部分和軸承的上半部 分，以及其中所述軸承的上半部分與所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線對(duì)齊，而所述軸承的 下半部分相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線偏斜。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述軸承的下半部分傾斜成 產(chǎn)生所迷軸承的下半部分相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子軸線的角度偏移。
17. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承為大體圓柱形，并且 包括一壩，所述壩的邊緣相對(duì)于所述軸或轉(zhuǎn)子軸線傾斜，以纟是供流體膜流 動(dòng)的軸向干擾。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中具有所述壩的所述軸承為傾 斜的壓力壩式軸承組件。
19. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承為多葉形軸承組件，每個(gè)葉片其自己的曲率中心在不同位置，且每個(gè)葉片沿軸向傾斜以干擾所 述流體膜的軸向流動(dòng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中與軸或轉(zhuǎn)子有關(guān)的所述軸承為 下面的其中之一擴(kuò)散形； 收縮形； 擴(kuò)散-收縮形；以及 收縮-擴(kuò)散形。
21. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承包括兩個(gè)或更多瓦片， 所述瓦片適合于在所述軸承和所述軸或轉(zhuǎn)子之間沿圓周方向和軸向擺動(dòng)， 以沿圓周方向和軸向干擾所述流體膜的流動(dòng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個(gè)或更多瓦片相對(duì)于 所述軸或轉(zhuǎn)子的軸線傾斜。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個(gè)或更多瓦片具有收 縮-擴(kuò)散形的輪廓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個(gè)或更多瓦片具有擴(kuò) 散-收縮形的輪廓。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)瓦片沿軸向 扭曲。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)瓦片為沿軸 向成梯形的瓦片。
27. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承為流體膜軸承。
28. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述軸承為箔片軸承。
全文摘要
一種通過(guò)利用與流體膜軸承(無(wú)論其為圓柱軸頸軸承、橢圓軸承、偏置半軸承、多葉軸承、箔片軸承還是可傾瓦塊軸承，都無(wú)關(guān)緊要)組合的磁軸承來(lái)控制流體膜軸承不穩(wěn)定性的方法，其中流體膜軸承作為主承載軸承，以及磁軸承控制流體膜軸承的不穩(wěn)定性。這種有效的組合產(chǎn)生了可高速使用而既沒(méi)有穩(wěn)定性也沒(méi)有可靠性問(wèn)題的軸承。一種控制流體膜軸承不穩(wěn)定性的可選方法是沿軸向干擾流動(dòng)，例如，套筒(軸頸)軸承可制造成使得軸承的軸線偏離軸的軸線，或可變幾何形狀的軸承可制造成允許軸承角度偏移。
文檔編號(hào)H02K7/09GK101132870SQ200580019763
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者艾利·厄爾-舍費(fèi) 申請(qǐng)人:艾利·厄爾-舍費(fèi)