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)明領域本發(fā)明涉及流體膜軸承，尤其是涉及通過使用磁軸承和通過使用涉及軸承中應用有意偏移(misalignment)的軸徑的獨特方法來控制公知的流 體膜軸承不穩(wěn)定性。發(fā)明背景轉子振動的獨特特征是存在著轉子，按照定義必須轉動，有時以很高 的速度轉動以使機器實施其功能。這種轉動有兩個主要含義。第一個含義 是在轉動的機器中存儲著極大的動能。如果機構允許一些這種能量從轉動 轉換成轉子的振動，這必定將導致機器的不穩(wěn)定性。允許這種能量轉換并 導致轉動機器不穩(wěn)定性的一些機構為內部阻尼、空氣動力交叉耦合、密 封、高速軸頸軸承、軸間擠壓油膜阻尼器等。轉動的另 一個含義是在轉動機器上長久地存在著激勵力。在轉子中一 直存在剩余不平衡量；此剩余不平衡量促使轉子以不同速度轉動，而且可 能激勵起臨界速度。轉子振動的這兩個獨特特征不穩(wěn)定性和不平衡激勵的存在導致需要 對轉子振動進行控制。如果不加以控制，那么不平衡激勵可能會導致過大 的傳輸力；臨界速度可能會導致過大的振動幅度，同時不穩(wěn)定性可能會導 致機器毀壞。自從Rankine的早期工作以來，此人提出機器不能逾越臨界速度，在 轉子軸承系統(tǒng)的發(fā)展中出現(xiàn)了重大的進步?，F(xiàn)今，諸如燃氣輪機、壓縮機、 汽輪機、渦輪膨脹機和渦輪增壓機等高速高性能的轉動機器在它們常規(guī)的 運行過程中經常逾越6個臨界速度。為了控制這種高速機器的振動，許多渦輪機制造商采用被動或主動的 振動控制。第一種振動控制的方法可能是在19世紀后期引入流體膜軸承。 這種"非接觸，'軸頸軸承的首次應用作為當時的重大突破而受到歡迎，認
為這應產生所有轉動機械問題的解決方案。然而，不久以后，軸頸軸承和 流體膜軸承的問題常常顯而易見。兩個基本特征使流體膜軸承的成功變得 不明顯。 一個基本特征是軸頸軸承傾向于引起油膜渦動和油膜振蕩，它們 可能是在轉子軸承系統(tǒng)中具有破壞性的不穩(wěn)定機制。這導致引入更為復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，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問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(Sommerfeld number)，其是一個無量綱 的速度/負載因子。直到當前，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計算 的困難，以及依賴于速度的特性，該依賴于速度的特性對于預測安裝在流 體膜軸承上的轉子的臨界速度有影響。由于承重能力，大且重的轉子不得不使用流體膜軸承。然而，更小且 更快的轉子被安裝在滾動元件軸承上。遺憾的是，因為其的高剛度以及幾 乎沒有阻尼的特性，滾動元件軸承不提供任何振動控制。這不會對較小機 器例如電機帶來問題，但是隨著燃氣輪機噴氣發(fā)動機的出現(xiàn)，其需要使用 高速、輕的轉子，飛行器發(fā)動機顯然需要一種振動控制方法。由于油膜振 蕩的不穩(wěn)定機制，這可能會對高速發(fā)動機造成損害，因此拒絕將流體膜軸 承作為 一種飛行器發(fā)動機中的可能控制方法。在十九世紀六十年代，將擠壓油膜阻尼器和軟支撐作為一種被動振動 控制方法引入的時機成熟。擠壓油膜阻尼器是一種圍繞在滾動元件軸承外 套圈的油膜，其抑制轉動但允許振動。因此，將其歸為流體膜軸承類，沒 有由轉動引起的不穩(wěn)定性或承重能力。擠壓油膜阻尼器允許飛行器發(fā)動機 的設計者將阻尼引入轉動機器以作為一種振動控制的方法。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 向設計者提供了剛度和阻尼以被動地控制轉子振動。在十九世紀八十年代，研究人員開始考慮利用磁軸承作為轉動機器的 支撐的構想。這打開了通向主動控制轉動機器振動的大門，因為通過控制
流向軸承的電流可主動地控制磁軸承的剛度和阻尼特性。此外，由于與控 制系統(tǒng)元件接口的簡易，相當自然地考慮電磁系統(tǒng)的主動控制。在關于利用磁軸承主動控制轉動機器的文獻中存在大量的研究成果。 確實，發(fā)明人個人相信，盡管磁軸承存在各方面的不足，但其可能是可以 用來控制地面應用中轉子振動的最好方法。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振動控制，加 上非接觸特性，以及大的承重能力和使用無油機器的可能性，顯然，磁軸 承可能是用于支撐和主動控制轉動機器振動的最佳選擇。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，其可能意味著機器的完全替換；大軸承的 重量和相關控制；磁軸承對高溫的敏感性；需要建立其可靠性，以及需要 建立被稱為"止動軸承(catcher-bearing)，，的并聯(lián)支撐系統(tǒng)以在失效情 況時支承轉子。這些不足影響了磁軸承在飛行器發(fā)動機中的應用，至今，經過二十多 年以來的積極研究和開發(fā)，還是沒有磁軸承被引入至飛行器發(fā)動機中。然 而，許多轉動機器，尤其是改進型的壓縮機，已實地使用了磁軸承，并且 顯示才目當成功。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Hori,油膜渦動和油膜振蕩在 1925首次被報道。盡管自從不穩(wěn)定性被報道以來已經過了四分之三個世 紀，然而當前該主題仍被關注。在2003年，G.Kirk解釋到這一關注實質 上在于回答如下兩個問題"轉動系統(tǒng)能夠越過門限速度有任何可能性嗎？轉動系統(tǒng)能否在此門限速度以上運行？，，。這兩個問題同樣也是在此 提供該項工作的動機，除了需要理解影響不穩(wěn)定性開始的參數之外。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轉動機器的發(fā)展。確實，在D.D.Fuller關于潤滑 理論的著作中，他提出流體膜軸承很可能是最近技術發(fā)展中單個最重要的 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計用于承
重，并且作為一種能夠不斷支承機器的低摩擦裝置而受到歡迎。然而，隨 著在二十世紀轉動機器速度的增加，軸頸軸承顯然可引起油膜渦動和油膜 振蕩的問題。這已經引起許多研究人員用實驗方式和理論分析去研究油膜 渦動和油膜振蕩的現(xiàn)象。在Hori的論文中，他的主要成果是描述了當時所報道的實驗結果。Hori報道了 B丄.Newkirk和J.F丄ewis于1956年所報道的實驗情況，即在 出現(xiàn)不穩(wěn)定性之前，轉速達到第一臨界速度的五倍或六倍，而0. Pinkus 在1953年和1956年報道了振蕩消失且又重新開始的情況，以及穩(wěn)定和不 穩(wěn)定狀態(tài)被瞬時振蕩區(qū)域所隔開的情況。根據Hori, Newkirk和Pinkus 的實驗在許多方面上是矛盾的；甚至是在溫度效應上。Newkirk和Lewis 報道了更熱的油提供更大范圍的穩(wěn)定運行，而在1956年所報道的Pinkus 實驗表示更冷的油提供更大范圍的穩(wěn)定運行。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。從那時起，在六十年代和七十年代，進行了可選擇的流體膜軸承設計 以控制不穩(wěn)定的大量工作。而且，對計算線性化軸承系數和預測轉子動態(tài) 響應投入相當大的力量。在八十年代，對軸頸軸承不穩(wěn)定性觸發(fā)了重新開始的興趣。 A.Muszynska對支撐轉子的軸頸軸承進行了大量的試驗。她舉例說明了存 在著第二種模式的振蕩。同樣地，在八十年代，取得了通過分支分析和Hopf分支來理解軸頸軸承的非線性動力學的重大進步。 發(fā)明內容本發(fā)明的一個實施例是組合式的磁-流體膜軸承；另 一個實施例為穩(wěn) 定的流體膜軸承。組合式的磁-流體膜軸承如背景技術中所討論的，磁軸承可能是用于轉動機器的最好支撐。然 而，它們的不足之處，基本上是關于可靠性，阻礙了其在許多應用中的使 用，尤其是在飛行器發(fā)動機中的使用。同樣地，如上面所討論的，流體膜 軸承具有阻礙其在高速應用中使用的穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明實際上依賴于兩個裝置的優(yōu)點和不足。本發(fā)明是將流體膜軸承 (無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，都無關緊要)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。這應當是相當有效的組合，其中該組合形 成能夠高速使用而沒有穩(wěn)定性問題也沒有不可靠性問題的軸承。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 具有用于旋轉轉子的少接觸、被動的徑向軸承的轉子旋 轉裝置；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，這些專利中沒有一個專利討論了使用^f茲軸承作為控制軸頸軸承 不穩(wěn)定性的裝置。實際上，大多數目前技術，以及當前磁軸承的研制成果， 都是將磁軸承用作主要的承載元件，并且使用過多的控制操作以提供在轉攻'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滑動軸7fc;5,879,085用于轉動機器的可傾瓦塊流體動壓軸承;5,879,076用于轉動機器的可傾瓦塊流體動壓軸承;5,772,334流體膜軸承；5,743,657可傾瓦塊軸頸軸承；5,743,654流體靜壓且主動控制的可動瓦塊軸承；5,634,723流體動壓流體膜軸承；5,549,392用于流體動壓軸承的軸密封；5,531,523具有可調軸承瓦塊的轉子軸頸軸承； 劑壓力分布的流體動壓軸承； 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 用于渦輪機的具有擠壓油膜阻尼器的流體膜軸頸軸承； 5,096,309 流體動壓軸承系統(tǒng)； 5,032,028 流體膜軸承； 4,961 ， 122 流體動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 流體動壓軸頸軸豸義； 4，597,676 動靜壓混合軸承； 4,526,483 流體箔片軸承； 4,415,281 流體動壓式流體膜軸承； 4，300,808 可傾瓦塊軸承； 4，034，228 可傾瓦塊軸承；以及 3,969,804 用于高速轉軸的軸承外殼組件方法。 然而，這些專利中沒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。實際上，磁軸承的發(fā)展和流體膜軸承的發(fā)展是兩個完全不同的事項， 在這兩個領域內的研究者并不理解另一個領域的發(fā)展，似乎他們是在兩個 不同的島山與。第6,353,273號美國專利，混合式箔-磁軸承是一個例外。在那個發(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載， 以致于每一箔片軸承和磁軸承分擔一部分負載。然而，該發(fā)明人認為，這 不是一個好的方案。盡管混合式箔-磁軸承能夠高速運行，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，因為當前技術是它們是相互竟爭的裝置而不是互補裝置。兩
者都被認為是承載裝置，具有某些控制能力(流體膜軸承的被動控制和磁 軸承的主動控制)。因此， 一發(fā)明認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，和高速使用時沒有不穩(wěn)定性的優(yōu)點。而且，還有額外的優(yōu)點出現(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，其可可靠地控制轉子振動。這種組合可以采取的形式為兩個鄰近或不鄰近軸承， 一個為流體膜軸 承，另一個為磁軸承，或者其可以具有一個整體式軸承的形式，在磁軸承 內包含有流體膜軸承，從而流體膜軸承的流體流過磁軸承的轉子，以及流 入磁軸承中的轉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)設計難題。這個設 計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來消散在磁軸承中所產生的熱。穩(wěn)定的流體膜軸承正如在前頁面所述的，流體膜軸承具有被稱為油膜渦動和油膜振蕩的 不穩(wěn)定性問題。許多專利描述了設計更穩(wěn)定的流體膜軸承的方法，例如滑動軸承用于轉動機器的可傾瓦塊流體動壓軸承 用于轉動機器的可傾瓦塊流體動壓軸承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控制的可動瓦塊軸承流體動壓流體膜軸承 用于流體動壓軸承裝置的軸密封 具有可調軸承瓦塊的轉子軸頸軸承 具有受控潤滑劑壓力分布的流體動壓軸承 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的具有擠壓油膜阻尼器的流體膜軸頸軸承 流體動壓軸岸義系統(tǒng) 流體膜軸承流體動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壓軸頸軸7 義 動靜壓混合軸承 流體箔片軸承 流體動壓式流體膜軸承 可傾瓦塊軸承可傾瓦^:軸7fc用于高速轉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)。事實上，ASMEJoumal ofTribology， Vol. 126, pp. 125-131 (2004)，描述了一種關于獲得沿圓周 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，沒有 人考慮試圖沿軸向干擾流動以控制不穩(wěn)定性。未對準的發(fā)明人在本文中已經進行了實驗，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)定性問題。 這些實驗在本發(fā)明人于此處提出的一篇論文中報道，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拷貝已提交并且并入于2004 年6月15日提交的第60/579,866號美國臨時專利申請中，據此本申請要 求優(yōu)先權。這是與現(xiàn)有技術形成對比，現(xiàn)有技術中接合處具有精確的對準
被認為是用于所有轉動機器的良好^:法。事實上，第4,033，042號美國專 利，名稱為"軸對準裝置和方法(Shaft alignment apparatus and method)" 描述了改進在接合處的轉子之間對準的技術。在此描述的本發(fā)明是相當簡單直接的。構思是沿著軸向干擾流動，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 垂直方向以預設的斜度傾斜。 一端低于軸的軸線，而另一個端高于軸的軸 線。同樣的發(fā)明應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)偏斜，由此顯示在軸承的預設的水平偏移。在另一個實施例中，可變幾何形狀的軸承允許軸承的角度偏移。這個 基本構思相當簡單。假定軸承的預設斜度事先未知，需要現(xiàn)場調整。在這 種情況下，考慮簡單的圓柱軸頸軸承，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 軸線相對于軸的軸線成一定的斜度，并且這個斜度可調。當選擇好合適的 斜度時，使用固定螺栓將軸承體(以及通道)固定至臺架(skid)或基座 上。上述的實施例是本發(fā)明的最筒單形式，并且被上述技術論文中所描述 的實驗進一步支持，該4支術論文在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)明為設計流體膜軸承的許多其它可能性提供機會。這包括 引入兩個偏置的半軸承，正是通過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)有技術形成對比)。其它的實施例包括沿著軸線 方向而不是如現(xiàn)有技術所暗示的沿著圓周方向引入橢圓、多葉、氣壓塞和 可傾瓦塊。沿著軸承的軸線調整或干擾流動以控制油膜渦動和油膜振蕩的 任何可能事例都是本發(fā)明的一實施例。


在附圖中圖1是描述轉子的鄰近的磁-軸頸軸承支撐件的本發(fā)明一個實施例的 正 f見圖，顯示了該實施例的橫截面圖；圖2a是描述轉子的不鄰近的磁-軸頸軸承支撐件的本發(fā)明另一個實 施例的正視圖，顯示了該實施例的橫截面圖；圖2b是取自圖2a中細節(jié)B的詳細視圖；圖3是描述整體式磁-徑向軸承的本發(fā)明另一個實施例的正視圖，顯示了該實施例的橫截面圖；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施例；圖6a-6c共同描述了本發(fā)明傾斜軸套式軸承的實施例； 圖7a-7e共同描述了本發(fā)明上部傾斜的半軸承的實施例； 圖8a-8d共同描述了本發(fā)明傾斜式氣壓塞軸承的實施例； 圖9a-9d共同描述了本發(fā)明傾斜式多葉軸承的實施例； 圖10a-10c共同描述了本發(fā)明收縮-擴散形軸承組件的實施例； 圖lla-lld共同描述了本發(fā)明擴散-收縮形軸承組件的實施例； 圖12a-12d共同描述了本發(fā)明收縮形軸承的實施例； 圖13a-13d共同描述了本發(fā)明擴散形軸承組件的實施例； 圖14a-14d共同描述了本發(fā)明可傾瓦塊軸承的實施例；軸承上沿軸向擺動，和/或具有軸向的擴散-收縮形輪廓；圖16a-16d顯示了具有收縮-擴散形瓦塊的可傾瓦塊軸承組件，其在軸 承上沿軸向擺動，和/或具有軸向的收縮-擴散形輪廓；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。
具體實施方式
本發(fā)明是一種通過利用與流體膜軸承(無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，都無關緊要) 相組合的磁軸承來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。這種有效的組合產生了可高速使用而沒有穩(wěn)定性和也沒有可靠性問題的軸承。 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，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)參見附圖，圖l至圖3分別描述了在鄰近、不鄰近和整體式實施例中組合磁軸承-流體膜軸承的發(fā)明的不同實施例。圖1顯示了鄰近的磁軸承-流體膜軸承結構的構造。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，以 及用于控制安裝在軸16上的轉子12c。承載元件為由軸套18a所支撐的流 體膜軸承組件18。負載由流體膜軸承18承載，而磁軸承12用于控制在 高速運動的流體膜軸承18中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性。圖2a-2b顯示了不鄰近的磁軸承-流體膜軸承結構的構造。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上的轉子12c。承載元件為由軸套18a所支 撐的流體膜軸承組件18。負載由流體膜軸承18承載，而磁軸承12用于 控制在高速運動的流體膜軸承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、轉子12c、軸套12b和軸16的細節(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(相互之間相對遠或遠距離隔 開)。圖3顯示了整體式磁軸承-流體膜軸承組件14結構的構造。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和轉子14c之間的空隙。負載由流體膜軸承14e承 載，而磁軸承14d用于控制在高速運動的流體膜軸承14e中出現(xiàn)的不穩(wěn)定 性。這是流體膜軸承14e與磁軸承14d結合成整體的一緊湊結構。圖4到18描述了穩(wěn)定的流體膜軸承實施例的各種例子，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、 上部傾斜的半軸承、傾斜式氣壓塞軸承、傾斜式多葉軸承、收縮-擴散形 軸承、擴散-收縮形軸承、收縮形軸承、擴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實施例的實 例。軸承20a垂直傾斜以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性(見截面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。在用于臥式機器的這個例子中，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實施例的實 例。軸承30a水平傾斜以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性(見截面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半部分的示意圖。在用于臥式機器的 這個例子中，軸的軸線30g為水平的，而軸承自身相對于機器軸線水平傾 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的軸套是可調整的。在每一側 使用兩個螺栓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。通過松開螺栓40d,可相對于軸40e扭動軸套部分40b、 40c(從而扭動軸承40a),然后再次擰緊螺栓以所要求的扭曲量進行固定。 油膜40g如圖6c所示。這應產生一穩(wěn)定軸承，其具有可調節(jié)的軸承角度 偏移。圖7a-7e顯示了上部傾斜的半軸承組件50實施例的例子。在這個實 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。這最好參見圖7d和7e。這后兩張圖進一步描 述了油膜50d和軸套上部50e和下部50f。實際上，當前的技術允許上半 部分偏移，然而，所權利要求的發(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和裝 載軸承，由此提高其穩(wěn)定性的特性。當前技術考慮到壩。然而，所權利要 求的本發(fā)明是在于一壩，所述壩具有相對于軸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。傾斜的壩的細節(jié)如圖8d 所示。圖9a-9d顯示了傾斜式多葉軸承組件70實施例的例子。當前技術考 慮過由若干葉片組成的多葉軸承70a,每個葉片都具有其在不同位置處的 曲率中心，由此對流動提供圓周方向上的擾動，并改善了穩(wěn)定性。這與具 有僅一個中心的圓柱軸承形成對比。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)明的權利要求是每個葉片不僅具有其自己的曲 率中心(見圖9d中的70b),而且每個葉片沿軸向傾斜，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。為了實現(xiàn)軸向擾動流的構思，可構想收縮式軸承、擴散形軸承、收縮 -擴散形軸承，或擴散-收縮形軸承。在當前技術中沒有相似的軸承，但這 樣的實施方式通過流的軸向干擾而提高穩(wěn)定性。如上述所提及，這些實施例如下所示收縮-擴散形軸承組件80 (圖 10a-10c),擴散-收縮形軸承組件90 (圖lla-lld),收縮形軸承組件100 (圖12a-12d),以及擴散形軸承組件110 (圖13a-13d)。在所有這些軸 承組件中，相應的軸承80a、 90a、 100a和110a,相對于各自的軸80b、 90b、 100b和110b,分別具有由其名稱所暗示的流軸向干擾。另一個實施例的例子是可傾瓦塊軸承組件120。這些軸承設計成具有 多個基本上可沿圓周方向擺動的瓦塊120b,由此沿圓周方向上干擾流。 圖14a-14d代表性地顯示了這個實施例，其允許在軸線方向上的明顯擺動， 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。為了進一步強調在可傾瓦塊軸承中的軸向流動千擾，圖15、 16、 17 和18顯示了本發(fā)明的另外的實施例。圖15a-15d顯示了可傾瓦塊軸承組 件130,此軸承組件130具有擴散-收縮形瓦塊130b，其在軸承130c上沿 軸向擺動，和/或具有軸向的擴散-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-擴散形瓦塊140b,其在軸 承140c上沿軸向擺動，和/或具有軸向的收縮-擴散形輪廓。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。這些實施例都是當前發(fā)明的所有不同的實施例，其通過干擾軸向流動 來提供漸進增強的穩(wěn)定性。利用上述構思的實施例，本發(fā)明也能應用至箔片軸承。利用上討的扭 曲或傾斜，通過干擾軸向流動，上述干擾軸向流動的發(fā)明結構可應用于箔 片軸承。應當理解到，前述內容只是這個發(fā)明的一個或更多實施例的詳細描 述，而在不偏離本發(fā)明的實質和范圍情況下，根據本文的公開可對所公開 的實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利要求及其等價內容所確定。
權利要求
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. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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，以致所述流體膜軸承的流體流過 所述磁軸承的轉子，且在所述》茲軸承的轉子和定子之間的空隙內。
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的裝置。
6. 根據上述權利要求5的方法，其中使所述軸承適合于使得其軸承 的軸線相對于軸或轉子的軸線偏斜，以產生在所述軸承的偏移。
7. 根據權利要求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于所述軸或轉子的軸線的偏移是水平的。
8. 根據權利要求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于所述軸轉子的軸線垂直傾斜。
9. 根據權利要求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于所述軸或轉子的軸線的偏移是水平的。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述可變幾何形狀的軸承安裝 成提供相對于所述軸或轉子的軸線的軸承角度偏移。
11. 根據權利要求6所述的方法，其中所述軸承組件的軸套可調， 通過松開裝置和通過所述軸套的扭轉部件可調節(jié)所述可調軸套，來產 生所述軸承組件相對于所述軸或轉子軸線的角度偏移。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中當因軸承磨損和軸或轉子磨 損，所需要時，通過調整所述軸套可重新調整所述軸承組件的角度偏移。
13. 根據權利要求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子的軸線對齊，而所述軸承的 上半部分相對于所述軸或轉子的軸線偏斜。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述軸承的上半部分傾斜成 產生所述軸承的上半部分相對于所述軸或轉子軸線的角度偏移。
15. 根據權利要求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子的軸線對齊，而所述軸承的 下半部分相對于所述軸或轉子的軸線偏斜。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述軸承的下半部分傾斜成 產生所迷軸承的下半部分相對于所述軸或轉子軸線的角度偏移。
17. 根據權利要求5所述的方法，其中所述軸承為大體圓柱形，并且 包括一壩，所述壩的邊緣相對于所述軸或轉子軸線傾斜，以纟是供流體膜流 動的軸向干擾。
18. 根據權利要求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. 根據權利要求5所述的方法，其中所述軸承為多葉形軸承組件，每個葉片其自己的曲率中心在不同位置，且每個葉片沿軸向傾斜以干擾所 述流體膜的軸向流動。
20. 根據權利要求5所述的方法，其中與軸或轉子有關的所述軸承為 下面的其中之一擴散形； 收縮形； 擴散-收縮形；以及 收縮-擴散形。
21. 根據權利要求5所述的方法，其中所述軸承包括兩個或更多瓦片， 所述瓦片適合于在所述軸承和所述軸或轉子之間沿圓周方向和軸向擺動， 以沿圓周方向和軸向干擾所述流體膜的流動。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述兩個或更多瓦片相對于 所述軸或轉子的軸線傾斜。
23. 根據權利要求21所述的方法，其中所述兩個或更多瓦片具有收 縮-擴散形的輪廓。
24. 根據權利要求21所述的方法，其中所述兩個或更多瓦片具有擴 散-收縮形的輪廓。
25. 根據權利要求21所述的方法，其中所述兩個或多個瓦片沿軸向 扭曲。
26. 根據權利要求21所述的方法，其中所述兩個或多個瓦片為沿軸 向成梯形的瓦片。
27. 根據權利要求5所述的方法，其中所述軸承為流體膜軸承。
28. 根據權利要求5所述的方法，其中所述軸承為箔片軸承。
全文摘要
一種通過利用與流體膜軸承(無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，都無關緊要)組合的磁軸承來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。這種有效的組合產生了可高速使用而既沒有穩(wěn)定性也沒有可靠性問題的軸承。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，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H02K7/09GK101132870SQ200580019763
公開日2008年2月27日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者艾利·厄爾-舍費 申請人:艾利·厄爾-舍費