控制流体膜轴承不稳定性的方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及流体膜轴承，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。专利技术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，专利技术人个人相信，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-15 60/579,866;US 2005-6-8 11/147,7621.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾利厄尔舍费，
申请(专利权)人：艾利厄尔舍费，
类型：发明
国别省市：EG[]