【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
1、在低温应用中，即在具有低温温度的工艺气体的应用中，例如用于空气分离等的设施，常使用低温涡轮机如涡轮压缩机。此类涡轮压缩机通常包括膨胀机叶轮和压缩机叶轮，它们固定在轴的两个端部上。此类轴必须承受由气体流过叶轮所产生的高扭矩。特别地，在低温应用中，流过叶轮的气体或工艺气体可在膨胀机出口处或在压缩机入口处达到低至20k的温度。
2、轴的旋转可由磁性轴承引导；另外，电机也可安装在此类轴上或利用此类轴安装。这两种应用通常都需要轴具有良好的铁磁特性。因此，此类轴必须结合以下方面，一方面，在该轴的一个或两个端部处以及在该轴经历的最冷温度下的高冲击韧性、以及另一方面，用于维持高轴向推力的高磁感应。
3、因此，本专利技术的一个目的是提供一种经改进的具有磁性应用的用于低温涡轮机的轴。
技术实现思路
1、这个目的通过提供具有独立权利要求的特征的用于低温涡轮机的整体式轴、低温涡轮机以及制造此类整体式轴的方法来实现。本专利技术的实施方案是从属权利要求和以下说明书的对象。
2、本专利技术涉及低温涡轮机，如具有叶轮的涡轮压缩机或涡轮膨胀机，并且尤其涉及在此类涡轮机中使用的整体式轴。此类涡轮机还可结合压缩机和膨胀机；于是使用两个叶轮，即膨胀机叶轮和压缩机叶轮，它们通常固定在整体式轴的两个端部上。低温涡轮机与处于低温温度(即，非常低的温度，例如低于77k、甚至低至20k)的气体或工艺气体一起使用，例如在膨胀机出口处或在压缩机入口处使用。根据涡轮机的类型，此类气体被
3、整体式轴的旋转可由磁性轴承引导，磁性轴承通常包括(一对)径向轴承、(一对)辅助轴承和轴向轴承。轴向轴承通常与轴向推力盘相互作用，该轴向推力盘是该整体式轴的一部分；因此，该整体式轴必须是铁磁性的。此外，(高速)电机(如马达和/或发电机)可安装在此类整体式轴上或使用此类整体式轴安装，通常是整体式轴的中心部分；这通常需要整体式轴的高水平的铁磁性。此类电机可与磁性轴承结合使用或者也可与油轴承(而不是磁性轴承)一起使用。当在低温温度下使用时，沿整体式轴轴线发生温度梯度。所经历的温度通常取决于电机的转子的极限条件。
4、因此，整体式轴必须结合以下方面，一方面，在该整体式轴的一个或两个端部处以及在该整体式轴经历的最冷温度下的高冲击韧性、以及另一方面，用于维持高轴向推力的高磁感应。
5、提供此类整体式轴迄今为止是不可能的，因为高铁磁性钢例如不适合于非常冷的低温温度，而低温钢例如表现出差的铁磁性。它们通常排在软磁材料中。通常用于低至77k和更低的轴的合金常针对冲击韧性进行优化并且是弱铁磁性的，因为铁磁性和冲击韧性彼此负相关。因此，极冷的膨胀机和/或压缩机的轴向推力必须受到限制，这使得涡轮机无法以能够提供的最大效率工作。相反，如果必须维持高的轴向推力，则由于使用硬磁材料而限制工艺气体的最低温度；这将此类涡轮机的使用限制到轻度冷的应用。
6、考虑到这个背景，提供一种整体式轴，该整体式轴被配置用于在具有要安装在该整体式轴处的叶轮的低温涡轮机中使用。
7、在本专利技术的上下文中，术语整体式轴是指尽管该轴具有由不同材料制成的两个或更多个不同区域，但不可能拆卸这些不同区域。
8、不同材料构造的整体式轴的优点在于，最初对单个材料轴进行的机械设计仍然完全适用于新的双材料轴。双材料整体式轴可承受与单材料轴相同的应力，并且转子动态行为是类似的，因为这两种材料的物理特性彼此接近。
9、在这两种材料之间没有不连续性，并且特性从一种材料连续地演进到另一材料。
10、当轴沿其长轴经历温度梯度时，这是特别有意义的，因为过渡区域可平滑地适应膨胀系数的差异。
11、整体式构造还避免使用螺钉和紧固件，螺钉和紧固件可能在操作过程中变松或经受组装错误，如可应用的不正确的紧固扭矩。因此，整体式构造更加可靠并且容易组装在机器中。
12、整体式轴包括叶轮部分和支承部分；在所述叶轮部分处，将安装所述叶轮。所述支承部分可用于例如借助于轴承进行支承，或者用作电机的转子的至少一个端口或与电机的转子的至少一个端口一起使用。此外，整体式轴还可包括用于涡轮机的另一叶轮的另一叶轮部分，例如，在涡轮机具有膨胀机叶轮和压缩机叶轮的情况下。
13、该整体式轴包含两种不同的材料(第一材料和第二材料)或者由两种不同的材料制成，其中所述第一材料和所述第二材料在铁磁性和/或低温特性方面彼此不同。特别地，所述第二材料具有比所述第一材料高的磁感应。此外或另选地，所述第二材料优选地具有比所述第一材料高的磁导率。所述第一材料继而可具有比所述第二材料更好的低温特性，特别是高的冲击韧性，特别是在预定(或设计)温度下。特别地，所述第一材料包括钢或者是钢，或者包括钢合金或者是钢合金或者为镍基合金。此外，所述第二材料优选包括钢或者是钢，或者包括钢合金或者是钢合金。
14、磁感应(或电磁感应)是在变化的磁场中在电导体上产生电动势。因此，在其余约束条件相同的情况下，提供(或产生)比另一材料更高磁感应的材料具有更好的铁磁特性。此类材料提供高的磁通量。通常，提供(较)高磁感应的材料也具有(较)高磁导率。
15、冲击韧性(其是材料断裂特性之一)是材料在应力集中存在的情况下在严重冲击期间吸收能量的能力；冲击韧性是动态特性，不是准静态特性。特别地，其描述在最差负载条件(最有害的负载条件)下的材料行为。尽管所有种类的韧性都取决于温度，但冲击韧性定义所谓的“延性-脆性转变温度”(dbtt)。为了适合于低温使用或服务，材料必须不具有低于设计温度的dbtt。
16、所述叶轮部分包含所述第一材料或由所述第一材料制成，并且所述支承部分包含所述第二材料或由所述第二材料制成。需注意，可能存在由与第二材料不同的材料(例如，第一材料)制成的另一支承部分；可使用此类另一支承部分，例如，如果不是所有(磁性)轴承都应该或必须与高铁磁材料相对。
17、此类整体式轴允许在一个整体式轴中结合高冲击韧性和高铁磁性，以用于低温涡轮机。已证明作为所述第二材料(磁钢)的优选材料是其主要合金元素为铬、镍和钼的低合金钢(las)，或者是碳钢(cs)，具体取决于所选择的组装或制造方法，这将在后面描述。作为所述第一材料(低温钢)的优选材料是沉淀硬化不锈钢(phss)。优选对所述沉淀硬化不锈钢进行淬火和/或双重回火。这允许实现最佳冲击韧性特性。另选地，第一材料也可以是镍基合金(nba)。
18、本专利技术还涉及一种包括叶轮和上文所述整体式轴的低温涡轮机。所述叶轮安装在整体式轴的所述叶轮部分处，特别是安装在整体式轴的端部处。如上所述，此类低温涡轮机还可包括另一叶轮，该另一叶轮然后被安装在整体式轴的另一叶轮部分处，其也包含所述第一材料或由所述第一材料制成。在两个叶轮的情况下，叶轮部分可定位在整体式轴的端部处，而支承部分定位在中心区域中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种整体式轴(330,430,530)，所述整体式轴被配置用于在具有要安装在所述整体式轴(330,430,530)处的叶轮(110,120)的低温涡轮机(100,200)中使用，所述整体式轴(330,430,530)包括叶轮部分(132,134)和支承部分(136,138)，所述叶轮(110,120)要安装在所述叶轮部分处，
2.根据权利要求1所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第二材料(M2)与所述第一材料(M1)相比具有高的磁导率和/或提供高的磁感应，并且/或者其中所述第一材料(M1)具有比所述第二材料(M2)高的冲击韧性。
3.根据权利要求1或2所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第一材料(M1)包含钢或者是钢，或者包含钢合金或者是钢合金，或为镍基合金，并且/或者其中所述第二材料(M2)包含钢或者是钢，或者包含钢合金或者是钢合金。
4.根据权利要求3所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第二材料(M2)包含低合金钢或者是低合金钢，或者包含碳钢或者是碳钢。
5.根据权利要求3或4所述的
6.根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述叶轮部分(132)定位在所述整体式轴(330,430,530)的端部处，并且所述整体式轴(330,430,530)包括另一叶轮部分(134)，所述低温涡轮机(100,200)的另一叶轮(120)要安装在所述另一叶轮部分处，其中所述另一叶轮部分(134)定位在所述整体式轴(330,430,530)的另一端部处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,530)，其中所述支承部分(136,138)包括盘形部分(138)或者是所述盘形部分，所述盘形部分被配置用于与轴向磁性轴承(144)一起使用。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的整体式轴(430)，其中所述支承部分(136)被配置用于作为电机(260)的转子的至少一部分(262)来使用。
9.一种低温涡轮机(100,200)，包括叶轮(110,120)和根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述叶轮(110,120)安装在所述叶轮部分(132,134)处。
10.根据权利要求9所述的低温涡轮机(100)，还包括磁性轴承(142,144)，所述整体式轴，特别是在所述支承部分(136,138)处，在轴向和/或径向方向上被所述磁性轴承支承。
11.根据权利要求9或10所述的低温涡轮机(200)，还包括电机(260)，所述电机包括所述整体式轴的至少一部分，特别是所述支承部分(136)，作为转子的至少一部分(262)。
12.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,430,530)的方法，提供(600,610)包括所述整体式轴部分和所述支承部分中的一者的单独部件，以及将整体式轴部分和所述支承部分中的另一者添加到所述部件以形成所述整体式轴。
13.根据权利要求12所述的方法，提供(602)包括所述整体式轴部分和所述支承部分中的另一者的另一单独部件，以及借助于摩擦焊接、特别是旋转摩擦焊接来组合(604)所述单独部件。
14.根据权利要求12所述的方法，借助于增材制造在所述单独部件处添加(612)所述整体式轴部分和所述支承部分中的另一者。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述增材制造基于以下技术中的一者：线电弧增材制造、线激光增材制造、直接能量沉积和冷喷涂。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种整体式轴(330,430,530)，所述整体式轴被配置用于在具有要安装在所述整体式轴(330,430,530)处的叶轮(110,120)的低温涡轮机(100,200)中使用，所述整体式轴(330,430,530)包括叶轮部分(132,134)和支承部分(136,138)，所述叶轮(110,120)要安装在所述叶轮部分处，
2.根据权利要求1所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第二材料(m2)与所述第一材料(m1)相比具有高的磁导率和/或提供高的磁感应，并且/或者其中所述第一材料(m1)具有比所述第二材料(m2)高的冲击韧性。
3.根据权利要求1或2所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第一材料(m1)包含钢或者是钢，或者包含钢合金或者是钢合金，或为镍基合金，并且/或者其中所述第二材料(m2)包含钢或者是钢，或者包含钢合金或者是钢合金。
4.根据权利要求3所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第二材料(m2)包含低合金钢或者是低合金钢，或者包含碳钢或者是碳钢。
5.根据权利要求3或4所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述第一材料(m1)包含沉淀硬化不锈钢或者是沉淀硬化不锈钢，所述沉淀硬化不锈钢优选地被被淬火和/或双回火或为镍基合金。
6.根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,430,530)，其中所述叶轮部分(132)定位在所述整体式轴(330,430,530)的端部处，并且所述整体式轴(330,430,530)包括另一叶轮部分(134)，所述低温涡轮机(100,200)的另一叶轮(120)要安装在所述另一叶轮部分处，其中所述另一叶轮部分(134)定位在所述整体式轴(330,430,530)的另一端部处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的整体式轴(330,5...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·穆拉德比卡德，
申请(专利权)人：克里奥斯塔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。