控制流体膜轴承不稳定性的方法

专利名称：控制流体膜轴承不稳定性的方法
控制流体膜轴承不稳定性的方法发明领域本发明涉及流体膜轴承，尤其是涉及通过使用磁轴承和通过使用涉及轴承中应用有意偏移(misalignment)的轴径的独特方法来控制公知的流 体膜轴承不稳定性。发明背景转子振动的独特特征是存在着转子，按照定义必须转动，有时以很高 的速度转动以使机器实施其功能。这种转动有两个主要含义。第一个含义 是在转动的机器中存储着极大的动能。如果机构允许一些这种能量从转动 转换成转子的振动，这必定将导致机器的不稳定性。允许这种能量转换并 导致转动机器不稳定性的一些机构为内部阻尼、空气动力交叉耦合、密 封、高速轴颈轴承、轴间挤压油膜阻尼器等。转动的另 一个含义是在转动机器上长久地存在着激励力。在转子中一 直存在剩余不平衡量；此剩余不平衡量促使转子以不同速度转动，而且可 能激励起临界速度。转子振动的这两个独特特征不稳定性和不平衡激励的存在导致需要 对转子振动进行控制。如果不加以控制，那么不平衡激励可能会导致过大 的传输力；临界速度可能会导致过大的振动幅度，同时不稳定性可能会导 致机器毁坏。自从Rankine的早期工作以来，此人提出机器不能逾越临界速度，在 转子轴承系统的发展中出现了重大的进步。现今，诸如燃气轮机、压缩机、 汽轮机、涡轮膨胀机和涡轮增压机等高速高性能的转动机器在它们常规的 运行过程中经常逾越6个临界速度。为了控制这种高速机器的振动，许多涡轮机制造商采用被动或主动的 振动控制。第一种振动控制的方法可能是在19世纪后期引入流体膜轴承。 这种"非接触，'轴颈轴承的首次应用作为当时的重大突破而受到欢迎，认
为这应产生所有转动机械问题的解决方案。然而，不久以后，轴颈轴承和 流体膜轴承的问题常常显而易见。两个基本特征使流体膜轴承的成功变得 不明显。 一个基本特征是轴颈轴承倾向于引起油膜涡动和油膜振荡，它们 可能是在转子轴承系统中具有破坏性的不稳定机制。这导致引入更为复杂的流体膜轴承诸如椭圓轴承、偏置半轴^fu压力坝式轴承(pressure dam bearing)、多叶轴承和可倾瓦块轴承等等，和更近的箔片轴承。以较低的 承重能力和在临界速度阻尼降低为代价，这些流体膜轴承提供了稳定性逐 渐改善的特征。流体膜轴承的第二个问题是其依赖于速度的特性。流体膜轴承的刚度 和阻尼特性取决于索默菲德数(Sommerfeld number)，其是一个无量纲 的速度/负载因子。直到当前，确定精确的流体膜轴承刚度和阻尼特性的 困难还是普遍的，这都是由于使用有限差分法和有限元方法的CFD计算 的困难，以及依赖于速度的特性，该依赖于速度的特性对于预测安装在流 体膜轴承上的转子的临界速度有影响。由于承重能力，大且重的转子不得不使用流体膜轴承。然而，更小且 更快的转子被安装在滚动元件轴承上。遗憾的是，因为其的高刚度以及几 乎没有阻尼的特性，滚动元件轴承不提供任何振动控制。这不会对较小机 器例如电机带来问题，但是随着燃气轮机喷气发动机的出现，其需要使用 高速、轻的转子，飞行器发动机显然需要一种振动控制方法。由于油膜振 荡的不稳定机制，这可能会对高速发动机造成损害，因此拒绝将流体膜轴 承作为 一种飞行器发动机中的可能控制方法。在十九世纪六十年代，将挤压油膜阻尼器和软支撑作为一种被动振动 控制方法引入的时机成熟。挤压油膜阻尼器是一种围绕在滚动元件轴承外 套圈的油膜，其抑制转动但允许振动。因此，将其归为流体膜轴承类，没 有由转动引起的不稳定性或承重能力。挤压油膜阻尼器允许飞行器发动机 的设计者将阻尼引入转动机器以作为一种振动控制的方法。此外，软支撑 的引入允许临界速度的公平布置。因此，挤压油膜阻尼器和软支撑的组合 向设计者提供了刚度和阻尼以被动地控制转子振动。在十九世纪八十年代，研究人员开始考虑利用磁轴承作为转动机器的 支撑的构想。这打开了通向主动控制转动机器振动的大门，因为通过控制
流向轴承的电流可主动地控制磁轴承的刚度和阻尼特性。此外，由于与控 制系统元件接口的简易，相当自然地考虑电磁系统的主动控制。在关于利用磁轴承主动控制转动机器的文献中存在大量的研究成果。 确实，发明人个人相信，尽管磁轴承存在各方面的不足，但其可能是可以 用来控制地面应用中转子振动的最好方法。磁轴承能够提供连续可变的刚度和阻尼特性以用于主动振动控制，加 上非接触特性，以及大的承重能力和使用无油机器的可能性，显然，磁轴 承可能是用于支撑和主动控制转动机器振动的最佳选择。然而，磁轴承存在多种不足。这些不足包括磁轴承的成本，其比传 统轴承要昂贵得多；失效成本，其可能意味着机器的完全替换；大轴承的 重量和相关控制；磁轴承对高温的敏感性；需要建立其可靠性，以及需要 建立被称为"止动轴承(catcher-bearing)，，的并联支撑系统以在失效情 况时支承转子。这些不足影响了磁轴承在飞行器发动机中的应用，至今，经过二十多 年以来的积极研究和开发，还是没有磁轴承被引入至飞行器发动机中。然 而，许多转动机器，尤其是改进型的压缩机，已实地使用了磁轴承，并且 显示才目当成功。流体膜轴承不稳定性的历史在一篇优秀论文中，Y.Hori于1959年提出了一种油膜振荡理论，并 且描述了流体膜轴承不稳定性的历史。根据Hori,油膜涡动和油膜振荡在 1925首次被报道。尽管自从不稳定性被报道以来已经过了四分之三个世 纪，然而当前该主题仍被关注。在2003年，G.Kirk解释到这一关注实质 上在于回答如下两个问题"转动系统能够越过门限速度有任何可能性吗？转动系统能否在此门限速度以上运行？，，。这两个问题同样也是在此 提供该项工作的动机，除了需要理解影响不稳定性开始的参数之外。研究固定几何形状的流体膜轴承的稳定性的兴趣可能在于其历史意 义。它们促使了十九世纪转动机器的发展。确实，在D.D.Fuller关于润滑 理论的著作中，他提出流体膜轴承很可能是最近技术发展中单个最重要的 元件，其重要性只有电的影响能比得上。早期的流体膜轴承被设计用于承
重，并且作为一种能够不断支承机器的低摩擦装置而受到欢迎。然而，随 着在二十世纪转动机器速度的增加，轴颈轴承显然可引起油膜涡动和油膜 振荡的问题。这已经引起许多研究人员用实验方式和理论分析去研究油膜 涡动和油膜振荡的现象。在Hori的论文中，他的主要成果是描述了当时所报道的实验结果。Hori报道了 B丄.Newkirk和J.F丄ewis于1956年所报道的实验情况，即在 出现不稳定性之前，转速达到第一临界速度的五倍或六倍，而0. Pinkus 在1953年和1956年报道了振荡消失且又重新开始的情况，以及稳定和不 稳定状态被瞬时振荡区域所隔开的情况。根据Hori, Newkirk和Pinkus 的实验在许多方面上是矛盾的；甚至是在温度效应上。Newkirk和Lewis 报道了更热的油提供更大范围的稳定运行，而在1956年所报道的Pinkus 实验表示更冷的油提供更大范围的稳定运行。在1959年，Y.Hori提供了 一种油膜振荡理论，试图解释Newkirk和Pinkus之间的差异。从那时起，在六十年代和七十年代，进行了可选择的流体膜轴承设计 以控制不稳定的大量工作。而且，对计算线性化轴承系数和预测转子动态 响应投入相当大的力量。在八十年代，对轴颈轴承不稳定性触发了重新开始的兴趣。 A.Muszynska对支撑转子的轴颈轴承进行了大量的试验。她举例说明了存 在着第二种模式的振荡。同样地，在八十年代，取得了通过分支分析和Hopf分支来理解轴颈轴承的非线性动力学的重大进步。 发明内容本发明的一个实施例是组合式的磁-流体膜轴承；另 一个实施例为稳 定的流体膜轴承。组合式的磁-流体膜轴承如背景技术中所讨论的，磁轴承可能是用于转动机器的最好支撑。然 而，它们的不足之处，基本上是关于可靠性，阻碍了其在许多应用中的使 用，尤其是在飞行器发动机中的使用。同样地，如上面所讨论的，流体膜 轴承具有阻碍其在高速应用中使用的稳定性问题。
本发明实际上依赖于两个装置的优点和不足。本发明是将流体膜轴承 (无论其是圓柱轴颈轴承、椭圆轴承、偏置半轴承、多叶轴承、还是可倾 瓦块轴承，都无关紧要)作为主要的承载轴承，并且使用与流体膜轴承相 组合的磁轴承以控制不稳定性。这应当是相当有效的组合，其中该组合形 成能够高速使用而没有稳定性问题也没有不可靠性问题的轴承。许多专利包含有磁轴承，例如，6,737,777 磁轴承及其使用；6,727,617 用于提供三轴磁轴承的方法和装置，该磁轴承具有安装 在径向》兹才及座的7JOf兹体；6,720,695 具有用于旋转转子的少接触、被动的径向轴承的转子旋 转装置；6,717,3116,707,2006,703,7366,653,7566,606,536组合的石兹性径向轴承和止推轴7 义整体式的磁轴承； 》兹寿由7fc;磁轴承装置；以及 磁轴承装置以及磁轴承控制装置。 然而，这些专利中没有一个专利讨论了使用^f兹轴承作为控制轴颈轴承 不稳定性的装置。实际上，大多数目前技术，以及当前磁轴承的研制成果， 都是将磁轴承用作主要的承载元件，并且使用过多的控制操作以提供在转攻'器中期望的--些稳定性益处。同样地，许j多专利包含有流体膜轴承，例如，6,089,756滑动轴7fc;5,879,085用于转动机器的可倾瓦块流体动压轴承;5,879,076用于转动机器的可倾瓦块流体动压轴承;5,772,334流体膜轴承；5,743,657可倾瓦块轴颈轴承；5,743,654流体静压且主动控制的可动瓦块轴承；5,634,723流体动压流体膜轴承；5,549,392用于流体动压轴承的轴密封；5,531,523具有可调轴承瓦块的转子轴颈轴承； 剂压力分布的流体动压轴承； 5,489,155具有可倾轴承瓦块的可倾瓦块可变几何形状轴承，以及 制造其的方法；5，480，234 轴颈轴承； 5,322,371 流体膜轴承；5,201,585 用于涡轮机的具有挤压油膜阻尼器的流体膜轴颈轴承； 5,096,309 流体动压轴承系统； 5,032,028 流体膜轴承； 4,961 ， 122 流体动压式带槽的轴承装置； 4,828,403 弹性安装的液压轴承组件； 4,880,320 流体膜轴颈轴承； 4,767,223 流体动压轴颈轴豸义； 4，597,676 动静压混合轴承； 4,526,483 流体箔片轴承； 4,415,281 流体动压式流体膜轴承； 4，300,808 可倾瓦块轴承； 4，034，228 可倾瓦块轴承；以及 3,969,804 用于高速转轴的轴承外壳组件方法。 然而，这些专利中没有一件专利建议使用磁轴承作为控制流体膜不稳 定性的装置。实际上，磁轴承的发展和流体膜轴承的发展是两个完全不同的事项， 在这两个领域内的研究者并不理解另一个领域的发展，似乎他们是在两个 不同的岛山与。第6,353,273号美国专利，混合式箔-磁轴承是一个例外。在那个发明 中，建议将箔片轴承和磁轴承都用作承载元件。这样做可能承大的负载， 以致于每一箔片轴承和磁轴承分担一部分负载。然而，该发明人认为，这 不是一个好的方案。尽管混合式箔-磁轴承能够高速运行，但是它仍然遭 受与磁轴承同样的缺陷。尽管流体膜轴承和磁轴承都是公知的装置，但其以组合的形式使用并 不显而易见，因为当前技术是它们是相互竟争的装置而不是互补装置。两
者都被认为是承载装置，具有某些控制能力(流体膜轴承的被动控制和磁 轴承的主动控制)。因此， 一发明认为磁轴承只作为控制装置，而流体膜轴承只作为承载装置。它们组合后的效果是得到如此的轴承除了流体膜 轴承和磁轴承所公知的所有优点之外，其还具备大的承载能力，优异的可 靠性，和高速使用时没有不稳定性的优点。而且，还有额外的优点出现， 这是由于磁轴承并不用作承载元件，所以降低功率要求，由此能够使用更 小更轻的磁轴承，其可可靠地控制转子振动。这种组合可以采取的形式为两个邻近或不邻近轴承， 一个为流体膜轴 承，另一个为磁轴承，或者其可以具有一个整体式轴承的形式，在磁轴承 内包含有流体膜轴承，从而流体膜轴承的流体流过磁轴承的转子，以及流 入磁轴承中的转子和定子之间的空隙。然而，由于磁轴承要求大的空隙以消散所产生的热，而流体膜轴承要 求小的空隙以改善承载能力，因此在这种情况下将出现设计难题。这个设 计难题可以以两种方式解决， 一种方式是在这两种相矛盾的要求中选择折 衷的空隙，另一种方式是使用小的空隙以用于流体膜轴承中的承载，并且 使用增加的流体流动来消散在磁轴承中所产生的热。稳定的流体膜轴承正如在前页面所述的，流体膜轴承具有被称为油膜涡动和油膜振荡的 不稳定性问题。许多专利描述了设计更稳定的流体膜轴承的方法，例如滑动轴承用于转动机器的可倾瓦块流体动压轴承 用于转动机器的可倾瓦块流体动压轴承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、、六体膜轴承可倾瓦块轴颈轴承流体静压且主动控制的可动瓦块轴承流体动压流体膜轴承 用于流体动压轴承装置的轴密封 具有可调轴承瓦块的转子轴颈轴承 具有受控润滑剂压力分布的流体动压轴承 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具有可倾轴承瓦块的可倾瓦块可变几何形状轴承，以及轴颈轴承 流体膜轴承用于涡轮机的具有挤压油膜阻尼器的流体膜轴颈轴承 流体动压轴岸义系统 流体膜轴承流体动压式带槽的轴承装置 弹性安装的液压轴承组件 流体膜轴颈轴承流体动压轴颈轴7 义 动静压混合轴承 流体箔片轴承 流体动压式流体膜轴承 可倾瓦块轴承可倾瓦^:轴7fc用于高速转轴的轴承外壳组件方法 然而，所有这些专利，包括可倾瓦块轴承，其为最稳定的流体膜轴承， 都具有相同的特征，即沿着圓周方向干扰流动以控制不稳定性(或者，在 箔片轴承的情况下，使用与流体膜串联的弹力)。事实上，ASMEJoumal ofTribology， Vol. 126, pp. 125-131 (2004)，描述了一种关于获得沿圆周 方向的最佳空隙配置以改善流体膜轴承的稳定性特性的研究。然而，没有 人考虑试图沿轴向干扰流动以控制不稳定性。未对准的发明人在本文中已经进行了实验，其中在接合处角度偏移几 乎消除了在圆柱轴颈轴承中的不稳定性，这是众所周知的不稳定性问题。 这些实验在本发明人于此处提出的一篇论文中报道，这篇论文为 Proceeding of ASME Turbo Expo, Vienna, Austria, paper GT-2004-53644，其 在本文中引用作参考。这篇论文的提前公开拷贝已提交并且并入于2004 年6月15日提交的第60/579,866号美国临时专利申请中，据此本申请要 求优先权。这是与现有技术形成对比，现有技术中接合处具有精确的对准
被认为是用于所有转动机器的良好^:法。事实上，第4,033，042号美国专 利，名称为"轴对准装置和方法(Shaft alignment apparatus and method)" 描述了改进在接合处的转子之间对准的技术。在此描述的本发明是相当简单直接的。构思是沿着轴向干扰流动，由 此改善不稳定性。在其最筒单的形式中，套筒(轴颈)轴承加工成使得此 轴承的轴线偏离轴的轴线。因此，轴的轴线沿水平平直，而轴承的轴线沿 垂直方向以预设的斜度倾斜。 一端低于轴的轴线，而另一个端高于轴的轴 线。同样的发明应用于固定几何形状的轴^c，但是此轴承沿着水平方向。 轴承的轴线横向(向右侧)偏斜，由此显示在轴承的预设的水平偏移。在另一个实施例中，可变几何形状的轴承允许轴承的角度偏移。这个 基本构思相当简单。假定轴承的预设斜度事先未知，需要现场调整。在这 种情况下，考虑简单的圆柱轴颈轴承，其中允许固定螺栓有一确定的通道， 以便可使整个圆柱轴颈轴承(或任何类型的液压轴承)偏斜，由此轴承的 轴线相对于轴的轴线成一定的斜度，并且这个斜度可调。当选择好合适的 斜度时，使用固定螺栓将轴承体(以及通道)固定至台架(skid)或基座 上。上述的实施例是本发明的最筒单形式，并且被上述技术论文中所描述 的实验进一步支持，该4支术论文在2004年6月15日的Proceedings 2004 ASME Turbo Expo Power for Land, Sea and Air提出。然而，本发明为设计流体膜轴承的许多其它可能性提供机会。这包括 引入两个偏置的半轴承，正是通过仅在上部和下部之间引入偏斜(这与水 平偏置的偏置半轴承的现有技术形成对比)。其它的实施例包括沿着轴线 方向而不是如现有技术所暗示的沿着圓周方向引入椭圓、多叶、气压塞和 可倾瓦块。沿着轴承的轴线调整或干扰流动以控制油膜涡动和油膜振荡的 任何可能事例都是本发明的一实施例。


在附图中图1是描述转子的邻近的磁-轴颈轴承支撑件的本发明一个实施例的 正 f见图，显示了该实施例的横截面图；图2a是描述转子的不邻近的磁-轴颈轴承支撑件的本发明另一个实 施例的正视图，显示了该实施例的横截面图；图2b是取自图2a中细节B的详细视图；图3是描述整体式磁-径向轴承的本发明另一个实施例的正视图，显示了该实施例的横截面图；图4a-4c共同描述了本发明垂直倾斜的固定几何形状组件的实施例； 图5a-5d共同描述了本发明水平倾斜的固定几何形状轴承组件的实施例；图6a-6c共同描述了本发明倾斜轴套式轴承的实施例； 图7a-7e共同描述了本发明上部倾斜的半轴承的实施例； 图8a-8d共同描述了本发明倾斜式气压塞轴承的实施例； 图9a-9d共同描述了本发明倾斜式多叶轴承的实施例； 图10a-10c共同描述了本发明收缩-扩散形轴承组件的实施例； 图lla-lld共同描述了本发明扩散-收缩形轴承组件的实施例； 图12a-12d共同描述了本发明收缩形轴承的实施例； 图13a-13d共同描述了本发明扩散形轴承组件的实施例； 图14a-14d共同描述了本发明可倾瓦块轴承的实施例；轴承上沿轴向摆动，和/或具有轴向的扩散-收缩形轮廓；图16a-16d显示了具有收缩-扩散形瓦块的可倾瓦块轴承组件，其在轴 承上沿轴向摆动，和/或具有轴向的收缩-扩散形轮廓；图18a-18d显示了具有沿轴向呈梯状的瓦块的可倾瓦块轴承组件。
具体实施方式
本发明是一种通过利用与流体膜轴承(无论其为圓柱轴颈轴承、椭圓 轴承、偏置半轴承、多叶轴承、箔片轴承还是可倾瓦块轴承，都无关紧要) 相组合的磁轴承来控制流体膜轴承不稳定性的方法，其中流体膜轴承作
为主要的承载轴承，而磁轴承控制流体膜轴承的不稳定性。这种有效的组合产生了可高速使用而没有稳定性和也没有可靠性问题的轴承。 一种控制 流体膜轴承不稳定性的可选方法是沿轴向干扰流动，例如，套筒(轴颈)轴承可制造成使得轴承的轴线偏离轴的轴线，或制造可变几何形状的轴承 以允许轴承角度偏移。现参见附图，图l至图3分别描述了在邻近、不邻近和整体式实施例中组合磁轴承-流体膜轴承的发明的不同实施例。图1显示了邻近的磁轴承-流体膜轴承结构的构造。图1显示了其正视图，其中包含有电磁定子12a的磁轴承组件12固定在轴套12b内，以 及用于控制安装在轴16上的转子12c。承载元件为由轴套18a所支撑的流 体膜轴承组件18。负载由流体膜轴承18承载，而磁轴承12用于控制在 高速运动的流体膜轴承18中出现的不稳定性。图2a-2b显示了不邻近的磁轴承-流体膜轴承结构的构造。图2a显示 了其正视图，其中包含有电磁定子12a的磁轴承组件12固定在轴套12b 中，以及用于控制安装在轴16上的转子12c。承载元件为由轴套18a所支 撑的流体膜轴承组件18。负载由流体膜轴承18承载，而磁轴承12用于 控制在高速运动的流体膜轴承18中出现的不稳定性。图2b显示了带有绕 组的磁轴承定子12a、转子12c、轴套12b和轴16的细节。图1和图2的 主要区别是，在图1中，磁轴承和流体膜轴承是邻近的(相互靠近)；而 在图2中，磁轴承和流体膜轴承是不邻近的(相互之间相对远或远距离隔 开)。图3显示了整体式磁轴承-流体膜轴承组件14结构的构造。图3显示 了其正视图，其中包含有电磁定子14a的磁轴承14d固定在轴套14b中， 以及用于控制安装在轴16上的转子14c。承载元件为流体膜轴承14e,其 中流体膜填充定子14a和转子14c之间的空隙。负载由流体膜轴承14e承 载，而磁轴承14d用于控制在高速运动的流体膜轴承14e中出现的不稳定 性。这是流体膜轴承14e与磁轴承14d结合成整体的一紧凑结构。图4到18描述了稳定的流体膜轴承实施例的各种例子，包括垂直倾 斜的固定几何形状轴承、水平倾斜的固定几何形状轴承、倾斜轴套式轴承、 上部倾斜的半轴承、倾斜式气压塞轴承、倾斜式多叶轴承、收缩-扩散形 轴承、扩散-收缩形轴承、收缩形轴承、扩散形轴承以及轴向可倾瓦块轴 ^K和变形。图4a-4c显示了垂直倾斜的固定几何形状的轴承组件20实施例的实 例。轴承20a垂直倾斜以提高系统的稳定性(见截面C-C，图4b)。流体 膜20b支撑轴承20a上的轴20c,并釆用密封件20d密封。轴套的两半， 轴套下部20e和轴套上部20f,是轴承组件20的一部分，并且支撑轴承 20a。在用于卧式机器的这个例子中，轴的轴线20g为水平的，但轴承自 身垂直倾斜以提高稳定性。图5a-5d显示了水平倾斜的固定几何形状的轴承组件30实施例的实 例。轴承30a水平倾斜以提高系统的稳定性(见截面B-B，图5c)。流体 膜30b支撑轴承30a上的轴30c,并采用密封件30d封。轴套的两半，轴 套下部30e和轴套上部30f,是轴承组件30的一部分，并且支撑轴承30a。 图5d显示了水平倾斜的轴承的两个半部分的示意图。在用于卧式机器的 这个例子中，轴的轴线30g为水平的，而轴承自身相对于机器轴线水平倾 斜以提高稳定性。图6a-6c显示了倾斜轴套式轴承组件40实施例的例子。轴承40a是直 的，以及包括轴套下部40b和轴套上部40c的轴套是可调整的。在每一侧 使用两个螺栓40d将轴套固定至支撑件。在轴套部分40b、 40c中的弯曲 凹槽用于螺栓40d。通过松开螺栓40d,可相对于轴40e扭动轴套部分40b、 40c(从而扭动轴承40a),然后再次拧紧螺栓以所要求的扭曲量进行固定。 油膜40g如图6c所示。这应产生一稳定轴承，其具有可调节的轴承角度 偏移。图7a-7e显示了上部倾斜的半轴承组件50实施例的例子。在这个实 施例中，只是轴承的上半部分50a倾斜且与轴50c的轴线方向不重合，而 轴承的下半部分50b正常。这最好参见图7d和7e。这后两张图进一步描 述了油膜50d和轴套上部50e和下部50f。实际上，当前的技术允许上半 部分偏移，然而，所权利要求的发明是上半部分50a倾斜(轴线与轴的轴 线相偏离)。实际上，所提供的附图是用于具有既偏移又倾斜的上半部分 50a的轴承。图8a-8d显示了倾斜式气压塞轴承组件60的实施例的例子。轴承60a
基本上是圆柱轴承，但具有坝(dam)60d。塞子的目的是干扰流动和装 载轴承，由此提高其稳定性的特性。当前技术考虑到坝。然而，所权利要 求的本发明是在于一坝，所述坝具有相对于轴60b的轴线60c倾斜的两边 缘，由此提供倾斜装载和流的轴向干扰。图8b的截面A-A,在图8c中将 其放大显示了该坝。在图8c中显示油膜为60e。倾斜的坝的细节如图8d 所示。图9a-9d显示了倾斜式多叶轴承组件70实施例的例子。当前技术考 虑过由若干叶片组成的多叶轴承70a,每个叶片都具有其在不同位置处的 曲率中心，由此对流动提供圓周方向上的扰动，并改善了稳定性。这与具 有仅一个中心的圆柱轴承形成对比。多叶轴承可具有双叶(其为椭圆轴承， 其中上半部分和下半部分具有不同的中心)、三叶、四叶(如图9a-9d所 描述)，或更多叶片。本发明的权利要求是每个叶片不仅具有其自己的曲 率中心(见图9d中的70b),而且每个叶片沿轴向倾斜，由此轴向干扰 流，如图9d，以及如图9b和9c所显示的截面A-A、 B-B中所分别清晰地 示出。为了实现轴向扰动流的构思，可构想收缩式轴承、扩散形轴承、收缩 -扩散形轴承，或扩散-收缩形轴承。在当前技术中没有相似的轴承，但这 样的实施方式通过流的轴向干扰而提高稳定性。如上述所提及，这些实施例如下所示收缩-扩散形轴承组件80 (图 10a-10c),扩散-收缩形轴承组件90 (图lla-lld),收缩形轴承组件100 (图12a-12d),以及扩散形轴承组件110 (图13a-13d)。在所有这些轴 承组件中，相应的轴承80a、 90a、 100a和110a,相对于各自的轴80b、 90b、 100b和110b,分别具有由其名称所暗示的流轴向干扰。另一个实施例的例子是可倾瓦块轴承组件120。这些轴承设计成具有 多个基本上可沿圓周方向摆动的瓦块120b,由此沿圆周方向上干扰流。 图14a-14d代表性地显示了这个实施例，其允许在轴线方向上的明显摆动， 由此轴向干扰流。图14d显示了可倾瓦块120b，其允许在外筒(casing) 120c上沿轴向摆动。为了进一步强调在可倾瓦块轴承中的轴向流动千扰，图15、 16、 17 和18显示了本发明的另外的实施例。图15a-15d显示了可倾瓦块轴承组 件130,此轴承组件130具有扩散-收缩形瓦块130b，其在轴承130c上沿 轴向摆动，和/或具有轴向的扩散-收缩式轮廓，而图16a-16d显示了可倾 瓦块轴承组件140，此轴承组件140具有收缩-扩散形瓦块140b,其在轴 承140c上沿轴向摆动，和/或具有轴向的收缩-扩散形轮廓。图17a-17d显 示了可倾瓦块轴承组件150,此轴承组件150具有沿轴向扭曲的瓦块150b， 而图18a-18d显示了可倾瓦块轴承组件160,其具有沿轴向呈梯状的瓦块 160b。这些实施例都是当前发明的所有不同的实施例，其通过干扰轴向流动 来提供渐进增强的稳定性。利用上述构思的实施例，本发明也能应用至箔片轴承。利用上讨的扭 曲或倾斜，通过干扰轴向流动，上述干扰轴向流动的发明结构可应用于箔 片轴承。应当理解到，前述内容只是这个发明的一个或更多实施例的详细描 述，而在不偏离本发明的实质和范围情况下，根据本文的公开可对所公开 的实施方式作出许多变换。因此，在先描述并不意味着限制本发明的范围。 而本发明的范围仅由所附的权利要求及其等价内容所确定。
权利要求
1.一种控制流体膜轴承的不稳定性的方法，所述流体膜轴承包括用于高速转子或轴组件的流体膜轴承，所述方法包括使用与一流体膜轴承组合的一磁轴承，其中所述流体膜轴承适合于用作主承载轴承；以及其中所述磁轴承适合于用作控制所述流体膜轴承的不稳定性的装置。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述流体膜轴承从下面的一组 轴承中选出，所述组包括圓柱轴颈轴承、椭圆轴承、偏置半轴承、多叶轴 承、可倾瓦块轴承和箔片轴承。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述组合的形式为两邻近或不 邻近的轴承， 一轴承为所述流体膜轴承，以及另一轴承为所述磁轴承。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述组合的形式为一整体式轴 承，所述流体膜轴承位于所述磁轴承内，以致所述流体膜轴承的流体流过 所述磁轴承的转子，且在所述》兹轴承的转子和定子之间的空隙内。
5. —种控制轴承不稳定性的方法，所述轴承包括用于高速转子或轴 组件的轴承，所述方法包括提供用于《1起沿轴承的轴线方向干扰流体流动的装置。
6. 根据上述权利要求5的方法，其中使所述轴承适合于使得其轴承 的轴线相对于轴或转子的轴线偏斜，以产生在所述轴承的偏移。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述轴承为固定几何形状的轴 承，以及所述轴承的轴线相对于所述轴或转子的轴线的偏移是水平的。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述轴承为固定几何形状的轴 t^，以及所述轴承的轴线相对于所述轴转子的轴线垂直倾斜。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中所述轴承是可变几何形状的轴 承，以及所述轴承的轴线相对于所述轴或转子的轴线的偏移是水平的。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述可变几何形状的轴承安装 成提供相对于所述轴或转子的轴线的轴承角度偏移。
11. 根据权利要求6所述的方法，其中所述轴承组件的轴套可调， 通过松开装置和通过所述轴套的扭转部件可调节所述可调轴套，来产 生所述轴承组件相对于所述轴或转子轴线的角度偏移。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中当因轴承磨损和轴或转子磨 损，所需要时，通过调整所述轴套可重新调整所述轴承組件的角度偏移。
13. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承组件包括两半部分，轴承的下半部分和轴承的上半部 分，以及其中所述轴承的下半部分与所述轴或转子的轴线对齐，而所述轴承的 上半部分相对于所述轴或转子的轴线偏斜。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述轴承的上半部分倾斜成 产生所述轴承的上半部分相对于所述轴或转子轴线的角度偏移。
15. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承组件包括两半部分，轴承的下半部分和轴承的上半部 分，以及其中所述轴承的上半部分与所述轴或转子的轴线对齐，而所述轴承的 下半部分相对于所述轴或转子的轴线偏斜。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述轴承的下半部分倾斜成 产生所迷轴承的下半部分相对于所述轴或转子轴线的角度偏移。
17. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承为大体圓柱形，并且 包括一坝，所述坝的边缘相对于所述轴或转子轴线倾斜，以纟是供流体膜流 动的轴向干扰。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中具有所述坝的所述轴承为倾 斜的压力坝式轴承组件。
19. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承为多叶形轴承组件，每个叶片其自己的曲率中心在不同位置，且每个叶片沿轴向倾斜以干扰所 述流体膜的轴向流动。
20. 根据权利要求5所述的方法，其中与轴或转子有关的所述轴承为 下面的其中之一扩散形； 收缩形； 扩散-收缩形；以及 收缩-扩散形。
21. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承包括两个或更多瓦片， 所述瓦片适合于在所述轴承和所述轴或转子之间沿圆周方向和轴向摆动， 以沿圓周方向和轴向干扰所述流体膜的流动。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述两个或更多瓦片相对于 所述轴或转子的轴线倾斜。
23. 根据权利要求21所述的方法，其中所述两个或更多瓦片具有收 缩-扩散形的轮廓。
24. 根据权利要求21所述的方法，其中所述两个或更多瓦片具有扩 散-收缩形的轮廓。
25. 根据权利要求21所述的方法，其中所述两个或多个瓦片沿轴向 扭曲。
26. 根据权利要求21所述的方法，其中所述两个或多个瓦片为沿轴 向成梯形的瓦片。
27. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承为流体膜轴承。
28. 根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承为箔片轴承。
全文摘要
一种通过利用与流体膜轴承(无论其为圆柱轴颈轴承、椭圆轴承、偏置半轴承、多叶轴承、箔片轴承还是可倾瓦块轴承，都无关紧要)组合的磁轴承来控制流体膜轴承不稳定性的方法，其中流体膜轴承作为主承载轴承，以及磁轴承控制流体膜轴承的不稳定性。这种有效的组合产生了可高速使用而既没有稳定性也没有可靠性问题的轴承。一种控制流体膜轴承不稳定性的可选方法是沿轴向干扰流动，例如，套筒(轴颈)轴承可制造成使得轴承的轴线偏离轴的轴线，或可变几何形状的轴承可制造成允许轴承角度偏移。
文档编号H02K7/09GK101132870SQ200580019763
公开日2008年2月27日 申请日期2005年6月8日 优先权日2004年6月15日
发明者艾利·厄尔-舍费 申请人:艾利·厄尔-舍费