[发明专利]在利用电磁轴承的涡轮机中定位密封件的方法

说明书

发明背景

在本说明书中阐述的方法和装置总体涉及具有利用主动磁技术的 轴承的涡轮机(turbomachinery)，诸如压缩机或涡轮，更具体地， 涉及对涡轮机轴的密封布置的改进。

目前，主动磁技术以电磁轴承的形式用在一些涡轮机中以使转子 和轴浮起，代替了如滚动元件轴承或流体膜轴承的传统技术。转子的 位置由位置传感器监测。通常有至少4个位置传感器等间隔围绕在磁 轴承的孔周围。这些传感器输送信息给控制器，该控制器转而调整提 供给电磁轴承的电流以将轴的中心保持在期望位置或在期望公差范围 内。一般，轴承电子元件试图保持轴离所有传感器等距。在此位置， 轴心线(shaft axis)和电磁轴承轴线基本共轴。基本共轴意味着轴 可以偏离电磁轴承的轴线一容许公差，该容许公差不影响涡轮机的运 行但可以根据涡轮机的设计以及根据与理想情况的各种偏离而变化， 所述各种偏离诸如不平衡、偏摆或不稳定的空气动力。如在本说明书 中使用的，轴的正常运行位置也被称为定中位置，其意味着轴心线与 轴承轴线重合(或位于轴承轴线的可接受公差范围内)。因为涡轮机 一般包括至少两套径向轴承——在此是电磁轴承，在本说明书中给出 的描述适用于每套轴承。

在轴承电子元件在旋转期间失电或者控制电子元件发生故障的情 况下，磁轴承失效，轴不再能被电磁轴承支撑。然后，轴会被电磁轴 承的为此目的而被提供的机械部件支撑和/或被密封件支撑。这些部件 和轴不是被设计为进行永久机械接触的，特别是在涡轮机正旋转时。 因此，机械轴承被设置作为备用或安全部件以在磁轴承失效时支撑轴。 机械轴承相对于电磁轴承是固定的，并且如制造公差允许的那样与它 们既同心又共轴。因此，如在本说明书中所使用的，电磁轴承和机械 轴承的该公共中心被称为轴承的中心，这意味着电磁轴承和机械轴承 既同心又共轴。当磁轴承失效时，轴在重力和可能存在的其他静力的 作用下停止移动。当轴线在涡轮机中为水平取向时，静止位置一般会 是在机械轴承的容许间隙内的最低位置。当轴线竖直时，静止位置是 不可预计的。虽然诸如轴和轴承的部件之间的间隙会根据设备尺寸而 变化，但是在用于一般离心式压缩机的轴和电磁轴承之间的径向间隙 在大约1mm(0.040英寸)的数量级。在涡轮机正常运行或动力推动运 行(powered operation)期间，该旋转的机器必须在不接触机械轴承 的情况下运行以避免轴和轴承的磨损，与此同时机械轴承保持静止。 因此，当轴被磁性浮起时，必须在轴和备用机械轴承之间有一定间隙。 轴和机械轴承之间的径向间隙通常是大约0.25mm(0.010英寸)。当 电磁轴承失效时，机械轴承支撑轴，与此同时涡轮机停止或正滑行停 止，而在轴和电磁轴承之间没有任何接触。虽然各种轴承中的任一种 均可用作备用或安全轴承，但是经常优选滚动元件型轴承。

在涡轮机中，轴还通常与气密封件(gas seal)相关联以减少或 防止沿着轴的任何泄漏。对于离心式压缩机，还在利用闭式叶轮的装 置的叶轮入口处减少或防止气体泄漏。将机械轴承用作备用轴承影响 用来减少涡轮机中的气体泄漏的密封件的设计和机械布置。密封件的 最直截了当的设计是具有一个以小间隙面对轴的圆柱套筒。用来减少 沿着轴的泄漏流的另一种设计是一种具有迷宫式几何结构的密封件， 该密封件又被称为迷宫式密封件。迷宫式密封件使用多个节流台阶来 实现泄漏流的减少，而不是试图用单个长障碍物密封。