用于涡轮机械的被动动态内部转子平衡系统的制作方法
【专利摘要】一种被动的动态惯性转子平衡系统，包括：多个平衡构件，安装在位于预测的最大轴模式偏差位置的转子轴上。平衡构件中每个都具有至少一个腔，多个可移动的重物和粘性流体位于该至少一个腔中。随着轴朝向不平衡点加速，重物在至少一个腔中移动至与不平衡点相对的位置。粘性流体为可移动的重物提供阻尼以防止其在腔内过度移动并提供润滑。还提供了用于在转子旋转期间自动较正涡轮机械转子的不平衡的系统以及用于平衡涡轮机械中的转子的方法。
【专利说明】用于涡轮机械的被动动态内部转子平衡系统
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及用于转子(诸如在涡轮机械中使用的转子)的平衡系统。更具体地，本发明涉及用于转子的动态平衡系统，该动态平衡系统在转子操作的同时被动地自校正不平衡，从而降低或消除不平衡和振动的问题。
【背景技术】
[0002]各种平衡系统用于平衡旋转体。用于与半卡车轮一起使用的一种平衡系统包括将颗粒粉末置于大卡车轮胎中以通过对移动的惯性阻力来提供平衡。
[0003]用于旋转构件的另一种平衡系统包括用于内燃机曲轴的流体腔。该系统包括由致密橡胶处理环构成的曲轴振动阻尼器，该致密橡胶处理环悬浮在充满粘性流体的封闭环中。阻尼器被附接至曲轴的端部以将由燃烧和转动不平衡导致的轴振动降到最低。例如，在Linn的第I, 776, 125号美国专利、Darrieus的第2,659, 243号美国专利、Nielsen的第2，771,240号美国专利、Tai的第5，593，281号美国专利以及Nielsen等人的第US2010/0021303号美国专利申请公开中示出了用于旋转部件的被动动态平衡的多种系统和方法。
[0004]通常，用于平衡转子(诸如在涡轮机械中使用的那些转子)的现行做法包括以下步骤:进行测试来确定低速平衡、高速平衡或低速平衡、高速平衡二者；然后，通过磨削、钻肖IJ、机加工、通过将平衡重物添加至平衡环或螺纹的重物中或重新排序组合组件(诸如叶片和叶轮)在固定的位置去除或添加质量。
[0005]这些方法和系统可能耗时且昂贵，并且可导致不一致的结果。此外，该系统可能随时间而变得不平衡，或由于污染、沉积、侵蚀或外物伤害而变得不平衡。在平衡装置与机器的实际使用工况之间的系统刚度改变(例如但不限于油膜刚度、底座刚度和基础刚度)可能导致临界速度、幅度、振型的变化。这些变化可能需要使得在极点位置的质量校正与通过上述详细说明过的增加或去除质量的传统方法进行的平衡校正不一致。恢复平衡的校正通常需要将转子从运转的机器拆下并在低速或高速中重新平衡。因此，需要用于动态地平衡转子的协调且便宜的系统和方法，在转子运转时被动地自动校正不平衡。
【发明内容】
[0006]本发明针对用于转子的动态平衡系统，该动态平衡系统当转子运转时被动地自校正不平衡。该系统包括在其中具有封闭的中空腔的多个环，该多个环位于预测的最大轴模式偏差位置安装在转子轴上，其中，每个环都包括重金属滚珠和粘性非腐蚀性流体。
[0007]根据第一方面，本发明针对被动的动态惯性转子平衡系统，包括:多个平衡构件，在位于预测的最大轴模式偏差位置安装在转子轴上。平衡构件中每个都至少一个腔。该腔包括多个可移动的重物以及位于腔中的粘性流体，其中，当轴朝向不平衡点加速时，由于在不平衡的方向上抵抗轴的径向加速度的惯性力，重物在腔中移动至与不平衡点相对的位置。重物可包括由重金属材料形成的滚珠，例如但不限于钨合金。粘性流体可包括非腐蚀性流体材料，例如基于石油或乙二醇的物质。平衡构件可以是限定中央开放部分的环，该中央开放部分被配置为用于围绕转子轴的布置，至少一个腔可包括环形中空部分，该环形中空部分围绕中央开放部分延伸并由环的壁限定。根据预测的不平衡响应，高达一半的环的中空部分的圆周可以由滚珠覆盖，并且中空部分可以充满粘性液体。根据一个设计，多个平衡构件可以是至少三个平衡构件，其中，一个平衡构件位于用于第一模式弯曲的中央部分附近，其他两个平衡构件位于用于第一平衡构件的任一侧并在用于第二模式弯曲的大约四分之一长度处。
[0008]根据另一方面，本发明针对用于在转子旋转期间自动校正涡轮机械转子的不平衡的一种系统，其中，该系统包括沿转子的轴安装在预定位置的至少三个环，环中每个都包括封闭的腔。多个可移动的重物位于环中每个的腔中，流体位于环中每个的腔中以围绕可移动的重物。当在旋转期间出现不平衡时，位于腔中的重物向与不平衡的位置相对的方向移动。根据一个实施方式，可移动的重物可包括滚珠，并且流体可包括能够为可移动的重物提供阻尼以防止其过度移动并向这些滚珠提供润滑的粘性材料。环沿着转子的轴被置于预测的最大轴模式偏差的位置。根据一个设计，第一环可以位于用于第一模式弯曲的中央部分，第二环可以位于第一环的一侧，第三环可以位于第一环的相对侧。第二环和第三环可以位于用于第二模式弯曲的约四分之一长度处。
[0009]根据又一方面，本发明针对用于平衡转子(例如在涡轮机械中的转子)的方法。该方法包括提供多个环，其中，环中每个都包括中空腔，其中，中空腔包括可移动的重物和粘性流体材料。该方法还包括沿转子的轴定位环，以使得环被定位于沿轴的纵向长度的预定位置，预定位置在预测的最大轴模式偏差位置。随着轴朝向不平衡点径向地加速，重物向与不平衡点相对的方向在中空环中移动，诸如远离不平衡点约180°的位置。根据一个实施方式，至少一个环被定位于用于第一模式弯曲的轴的纵向中心附近，并且另外的环位于用于第二模式弯曲的位置。重物可包括滚珠(例如由重金属形成的那些滚珠)，并且流体材料可包括能够为轴承提供阻尼以防止其过度移动并为滚珠提供润滑的材料(例如非腐蚀性粘性材料)。
[0010]当参照附图考虑下述说明书时，本发明的上述特性和其他特性和特征以及操作方法、结构的关联元素的功能、部分的组合和制造的节省将变得更加显而易见，所有这些构成本说明书的一部分，其中，相同的参考标号表示不同附图中的对应部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1示出了包括本发明的平衡构件的轴的侧视立体图；
[0012]图2A示出在了不平衡期间轴经受的最大偏差的第一临界弯曲模式的示意图；
[0013]图2B示出了在不平衡期间轴经受的最大偏差的第二临界弯曲模式的示意图；
[0014]图2C示出了转子轴的侧面示意图以及预测的转子动态弯曲模式的例子；
[0015]图3A示出了本发明的平衡环的横截面示意图，其中，平衡重物处于平衡位置或静止的位置；以及
[0016]图3B示出了本发明的平衡环的横截面示意图，其中平衡重物正在移动以抵消不平衡点。
【具体实施方式】
[0017]为了下文的描述，术语“上部(upper) ”、“下部(lower)，，、"右(right)，，,左(left) ”、“垂直的(vertical) ”、“水平的(horizontal) ”、“顶部(top) ”、“底部(bottom)”、“横向的(lateral) ”、“纵向的(longitudinal) ”以及它们的派生词应如同在附图中被定向的那样与本发明关联。但是，应理解的是，除了明显被指定为相反的，本发明可采取多种可选择的变化。还应该理解的是，附图中示出的以及在以下说明书中描述的具体装置仅仅是本发明的示例性实施方式。因此，不应认为与本文公开的实施方式相关的具体尺寸和其他物理特性具有限制性。
[0018]参照图1，其示出了包括本发明的平衡构件12的轴10的侧视立体图。平衡构件12可以是环的形式，其限定被配置为用于围绕转子轴10的布置的中央开放部分14。可以理解的是，这些平衡构件12可以位于用于多种类型的机械(包括涡轮机械等)的任何类型的旋转轴上。平衡构件12在预测的最大轴模式偏差的位置除被安装至转子轴10上。
[0019]参照图2A，其示出了第一临界弯曲模式最大偏差的示意图(大体由16表示)，在不平衡期间轴将经受该最大偏差。图2B示出了第二临界弯曲模式最大偏差的示意图(大体由18表示)，在不平衡期间轴将经受该最大偏差。图2C示出了转子轴的侧面示意图，并分别示出了图2A的预测的转子动态第一临界弯曲模式16以及图2B的第二临界弯曲模式18的例子。平衡构件12位于预测的最大轴模式偏差的位置。例如，如图2A和2B所示，多个平衡构件12可以是至少三个平衡构件，其中第一平衡构件20可以位于中央部分22附近，在用于第一模式弯曲16的最大偏差位置处。第二模式弯曲18在第一模式弯曲位置22的相对的两侧产生最大偏差的两个位置30、32，该最大偏差30、32位于大约用于第二模式弯曲18的四分之一跨距处。第二平衡构件34和第三平衡构件36可以在用于第二模式弯曲18的这些最大偏差点30、32位于第一平衡构件20的任一侧。
[0020]图2C表示对于由轴10和四个叶轮60组成的典型离心式压缩机的转子的动态横向分析。横向分析预测振型、临界速度以及每个振型的最大偏差点的位置。平衡装置12的位置将被定位于预测的用于第一弯曲模式16的最大偏差64和用于第二弯曲模式18的最大偏差62的点。应该理解的是，取决于转子轴10的长度和阈值的弯曲模式的数量，可以沿转子轴10的纵向长度放置任何数量的平衡构件。
[0021]参考图3A和图3B，示出了包括至少一个腔40的平衡构件12。平衡构件12可以是限定中央开放部分14的环，该中央开放部分14被配置成用于围绕转子轴10的布置。至少一个腔40可以包括围绕中央开放部分14延伸并由环的内壁41a和外壁41b限定的环形中空部分。腔40在其中包括多个可移动的重物42以及粘性流体44。如图3B中的箭头55所示，在旋转期间，随着转子轴10朝向不平衡点46加速(如图3B中的箭头48所示)，重物42在腔40中以如箭头50所示的方向朝向与不平衡点46相对的位置52移动。该位置可以远离不平衡点46大约180°。重物42可以包括由重金属材料(诸如钨合金)形成的滚珠。粘性液体44可包括非腐蚀性的流体材料，例如基于石油或乙二醇的物质。可由滚珠42覆盖高达四分之一的环形中空部分的圆周54或环12的平衡构件的腔40。环形中空部分或腔40可充满粘性液体。
[0022]本发明依赖于牛顿定律和基本的惯性定律。转子轴的不平衡导致在不平衡方向上放射状地朝外加速的力。滚珠的惯性使得它们要保持静止，因此当轴朝向不平衡处加速时，滚珠以180°远离不平衡点(和加速向量)移动，从而移动与旋转轴线一致的重心。粘性液体为滚珠提供阻尼的双重作用以防止滚珠的过度移动并当滚珠在平衡构件的腔中移动时为滚珠提供润滑。根据理论，滚珠将在这样的位置稳定，该位置导致没有轴的净辐射加速并因此导致没有振动。如果转子轴的平衡改变(诸如由转子动态弯曲、污染等改变)，那么轴承被动并动态地调整，将系统恢复至零加速状态，因此没有不平衡。
[0023]以下参照图2A和图2B，用于平衡转子(诸如涡轮机械中的转子)的方法包括根据第一临界弯曲模式16和第二临界弯曲模式确定预测的最大轴模式偏差的位置。该方法还包括提供多个平衡构件12 (诸如以环的形式)。如以上参照图3A和图3B的讨论，每个环12都包括中空腔40并且中空腔40包括可移动的重物42和粘性流体44材料。该方法还包括沿转子的轴10定位环12，以使得环12在预测的最大轴模式偏差位置被定位在沿轴的纵向长度的预定位置，从而随着轴朝向不平衡点46加速，重物在中空环12中以与不平衡点46相对的方向移动,诸如箭头50所示,远离不平衡点46约180°的位置52。如上所述，根据一个实施方式，至少第一平衡构件42或环22被定位于用于第一模式弯曲的轴10的纵向中心22附近，并且另外的平衡构件或环(例如第二平衡构件或环34以及第三平衡构件或环36)位于用于第二模式弯曲的位置30、32。
[0024]再次参照图3A和图3B，可移动的重物42可包括滚珠(例如由重金属材料形成)，并且流体材料44可包括非腐蚀性的粘性材料(例如基于石油或乙二醇的物质)。该粘性材料可以是能够为滚珠提供阻尼以防止滚珠的过度移动并为滚珠提供润滑作用的任何已知类型的非腐蚀性材料。
[0025]尽管出于说明的目的，基于目前被认为是最可实现并最优选的实施方式详细描述了本发明，但是应该理解的是，本详细说明仅用于于上述目的，本发明不受限于所公开的实施方式，相反，其旨在涵盖在本描述的精神和范围之内的变更和等同布置。例如，应该理解的是，本发明预期在可能的范围内任何实施方式的一个或多个特征可以与任何其他实施方式的一个或多个特征结合。
【权利要求】
1.一种被动的动态惯性转子平衡系统，包括: 多个平衡构件，安装在位于预测的最大轴模式偏差位置的转子轴上，所述平衡构件中每个都包括至少一个腔，每个所述平衡构件的所述至少一个腔包括: 多个可移动的重物；以及 位于所述腔中的粘性流体，其中，随着所述轴朝向不平衡点加速，所述重物在所述至少一个腔中移动至与所述不平衡点相对的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述重物包括由重金属材料形成的滚珠。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述重金属材料包括钨合金。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述粘性流体包括非腐蚀性流体材料。
5.如权利要求4中的系统，其中，所述粘性流体包括基于石油或乙二醇的物质。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述平衡构件是限定中央开放部分的环，所述中央开放部分被配置为围绕转子轴布置，所述至少一个腔包括环形中空部分，所述环形中空部分围绕所述中央开放部分延伸并由所述环的壁限定。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述环的中空部分的高达一半的圆周由所述滚珠覆盖，并且所述中空部分充满所述粘性液体。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个平衡构件包括至少三个平衡构件。
9.如权利要求8所述的系统，其中，一个平衡构件位于用于第一模式弯曲的中央部分附近，两个平衡构件位于用于第二模式弯曲的大约四分之一跨距处。
10.一种用于在涡轮机械的转子旋转期间自动校正所述转子的不平衡的系统，所述系统包括: 至少三个环，沿所述转子的轴安装在预定位置，所述环中每个都包括封闭的腔； 多个可移动的重物，位于所述环中每个的所述腔中； 流体，位于所述环中每个的所述腔中，围绕所述可移动的重物，其中，当在旋转期间出现不平衡时，位于所述腔内的所述重物向与不平衡的位置相对的方向移动。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述可移动的重物包括滚珠，并且所述流体包括能够为所述可移动的重物提供阻尼以防止过度移动并提供润滑的粘性材料。
12.如权利要求10所述的系统，其中，所述环沿着所述转子的所述轴被定位在预测的最大轴模式偏差的位置。
13.如权利要求12所述的系统，其中，第一环定位在用于第一模式弯曲的中央部分，第二环定位在所述第一环的一侧，第三环定位在所述第一环的相对侧，所述第二环和所述第三环位于用于第二模式弯曲的约四分之一跨距处。
14.一种用于平衡涡轮机械中的转子的方法，所述方法包括: 提供多个环，所述环中每个都包括中空腔，所述中空腔包括可移动的重物和粘性流体材料；以及 沿所述转子的所述轴定位所述环，所述环被定位于沿所述轴的纵向长度的预定位置，所述预定位置在预测的最大轴模式偏差位置，以使得随着所述轴朝向不平衡点加速，所述重物在所述中空环中在与不平衡点相对的方向上移动。
15.如权利要求14所述的方法，其中，至少一个环被定位于用于第一模式弯曲的所述轴的纵向中心附近，其中，其他环位于用于第二模式弯曲的位置。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述重物包括滚珠，并且所述流体材料包括能够为所述滚珠提供阻尼以防止其过度移动并为所述滚珠提供润滑的材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述滚珠由重金属材料形成，所述流体材料包括非腐蚀性粘性材料。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述可移动的重物移动至远离所述不平衡点约180。的位置。
【文档编号】F16F15/32GK104285136SQ201380017665
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2012年4月4日
【发明者】罗纳德·约翰·约瑟夫克兹克 申请人:艾利奥特公司