CN1006181B - 具有各向异性刚度的轴承 - Google Patents

Abstract

本发明是具有各向异性刚度的轴承。用于高速转子上的各向异性轴承支撑物包括至少有两个具有不同刚度值的支撑装置。这两个支撑装置沿径向方向基本上作用在转子周边上的相同点上，相互分开成一定的角度。采用各向异性的轴承支撑物将减轻转子振动的影响和严重性，提高转子的稳定性。

Description

具有各向异性刚度的轴承

本发明涉及到旋转的机械装置，特别是涉及到旋转机械装置中的高速转子的轴承。

例如，用于蒸汽涡轮、燃汽涡轮和压缩机中的高速转子，可能受到产生的各种振动力，使机械装置发生故障。这种力的一个激励源是转子的不平衡。转子的不平衡就会产生与转子旋转频率同步的振动。当转子速度通过所谓的临界速度或系统谐振速度的特定的狭窄范围时，这些振动就被加强。在过渡到这些临界速度区域时产生的转子的振动可以进行限制，办法是改善转子的平衡状态，附加阻尼系统，以及减少转子在加速或减速时通过临界速度区的时间。一种相对本身的工作速度没有临界速度的理想平衡转子是可以做出来的，并在显著高于临界速度的情况下工作，而不产生较大的同步振动。

与同步振动相比，次同步振动不因转子的不平衡而产生，而且，其发生不限于在窄的速度范围内。因此，次同步振动通常不能用改善转子的平衡状态来限制，也不能通过特定速度对转子作快速加速或减速来解决。机械装置发生次同步振动的典型表现形式是，当转子速度超过某个临界值时，振动突然地加强。在转子速度增加到临界值时，振动频率通常是转子速度的几分之一，并常常与系统已通过的谐振频率相一致。由于转子的不平衡，总振动中的次同步振动分量的振幅往往超过同步振动分量的振幅。在临界值以上，转子速度再进一步地增加，通常不会改变次同步振动频率，但这种增加的确会使它的振幅增大。因此，开始产生次同步振动时的转子的临界速度，可以作为转子的极限速度，而且可以使转子在低于最佳设计速度下工作。

转子的次同步振动是由不同性质的一些现象所引起，而不是由转子的不平衡所引起。这些现象具有共同的特点;转子在给定的径向方向上的移动将产生两个不同的力，其中之一是作用在转子位移方向上的复原力，另一个是垂直于移动方向的力。后一个力通称为交叉耦合力。

实践经验和理论探讨已经确定了产生这种激起次同步振动的交叉耦合力的一些主要现象。这些现象包括转子热压配合和耦合时的滑动摩擦，转子材料的应力-应变滞后现象，由涡轮和压缩机中的迷宫式密封和不均匀的叶尖间隙等产生的动液轴承状态和气动现象。在一个给定的转子上就可能存在几个这样的交叉耦合力。

尽管产生交叉耦合力的一些原因为一些有经验的转子设计师所知，但通过改善设计来避免所有这些因素，或在设计阶段估测它们的数值，这是不可能的。已经成功地用于减少交叉耦合力的一些措施包括：消除任何地方可能出现的热压配合，减少不能被消除的热压配合的出现机会，放开或允许摩擦滑动，把叶尖间隙的周围偏差减到最小，以及采用产生交叉耦合力机会最小的润滑油膜轴承设计。支点式推力轴颈轴承被广泛地用来替换圆柱形内径轴承，这是由于支点式推力轴颈轴承能够使轴承上产生的交叉耦合力减至最小。

尽管采用了这些熟知的设计步骤，但转子的破坏性的次同步振动依然存在，在许多高速旋转的机械装置中仍然是一个严重的问题。为减少交叉耦合力的不稳定作用而采用的进一步设计，很清楚是符合需要的。通常，在第一次试验揭示以前，在给定的新的机械装置中的次同步振动不稳定性问题是不会被怀疑的。对一个未知的次同步振动情况的出现就特别需要有一个能采用的简单的解决方案，即为减小不稳定力无需对转子或定子进行改装。

1963年，W.凯林博格（Kellenberger）在《勃朗·保弗利电气公司评论》（50 The BroWn Boveri Rev.）1963年11月/12月第11/12期合刊的第756～766页上的一篇文章中提出了一种方法，可把交叉耦合力的作用减到最小，这种方法是在水平方向和垂直方向使用不同的刚度来支撑转子。

另外一些作者也提出在一个支撑轴承方面使用各向异性的可能性，但是从来没有人提出实现这一设想的任何具体方案，例如J.C.尼古拉斯等人在机械工程师协会特种出版物（ASME Spec。）1978年出版的《润滑油膜轴承系统的设计和最佳化概论》（Topics in Fluid-Film Bearing Systew Design and Optimization）的第55～78页上发表了题为“支点式推力轴承特性对高速转子轴承系统稳定性的影响”（“The Influence of Tilting Pad Bearing Characferistics On The Stability of High Speed Rotor-Bearing System”）的文章即如此。

虽然各向异性轴承支架的优点似乎是根据这些参考文献确定的，但文章对在高速机械装置中采用各向异性轴承架的轴承系统并没有提出任何具体实施方案的建议。

因此，本发明的一个目的是提供一个改进的高速转子用的轴承。

本发明进一步的目的是提供一个支撑高速转子的轴承，该轴承能阻尼转子中的次同步振动。

本发明更进一步的目的是提供一个用于支撑高速转子的刚度各向异性的轴承，该轴承至少在两个不同方向上有两个不同的刚度。

简单说来，本发明将提供高速转子用的各向异性的轴承架，包括至少有两个刚度不同的支撑装置。两个支撑装置实质上是作用在转子周围沿径向方向的相同点上，彼此离开形成一定的角度。由于采用各向异性的轴承架，结果降低了对转子振动的影响和严重性。

按照本发明的一个实施方案，在此为旋转机械提供了一套支撑传动轴用的装置，这种机械装置至少有一个轴承构件，它至少有可部分地围绕传动轴的表面，还包括在这个旋转机械装置中至少安装一个轴承，还包括至少安装第一个和第二个有弹性的支撑装置，包含有第一个和第二个支撑轴的有弹性的支撑装置，第一个和第二个支撑轴互相成一定角度移动，第一个和第二个支撑装置刚度不同，从而实现各向异性支撑。

本发明的上述目的和其他目的，特性及优点，从以下结合附图的介绍当中将会明显地看出来，在附图中相同的参考数字表示同样的部件。

图1是一个转子及其轴承系统的简单示意图，供说明要解决的问题时作参考，并作为本发明提出问题的方法。

图2是本发明的一个实施方案中一个各向异性轴承装置的横向截面图。

图3是图2的一个各向异性轴承的放大图。

图4是图3中Ⅳ-Ⅳ剖视线提取的横截面图。

图5是一个实施轴颈轴承或一个滚珠轴承或滚柱轴承装置的各向异性轴承装置的横向截面图。

参看图1，10表示转子，包括在传动轴14和15之间支撑的转子盘12。弹簧16和17表示支撑传动轴14和15的轴承。弹簧16通常垂直放置，而弹簧17通常水平放置。如果弹簧16和17代表常规的润滑油膜轴承，那末刚度，或弹性常数就由轴承的设计来确定，而且刚度的各向异性一旦确定，要改变刚度以适应一种特定的机械需要是不可能的。但按照下面要表述的本发明的一个实施方案，弹簧16和17的刚度能够按要求进行改进，而使阻尼振动达到最佳状态。

现在参照图2，表示一个高速机械装置18，只画出它的一部分。它包括支撑在一些支点式推力轴承20，22，24和26上的一个传动轴19。轴承20，22，24和26基本上是相同的，因此只对轴承20进行详细说明。

现在参看图3，轴承20包括盲孔29中的轴承减振垫28。轴承枢轴30有个呈半球形的外沿31，支撑盲孔29的内沿。轴承盖32包括第一个和第二个有螺纹的孔33和35，两个孔的轴互成直角;亦即，螺纹孔35的轴线基本上是垂直的，而螺纹孔33的轴线基本上是水平的。在轴承枢轴30基底上的滑块37包括一个与螺纹孔33垂直的平面39和对着螺纹孔35的水平平面41。一个枢轴支撑物34放置在螺纹孔33中，与垂直平面39邻接。一个螺纹支撑塞43拧在螺纹孔33中，使枢轴支撑物34与垂直平面39紧密接触。同样，在螺纹孔35中的枢轴支撑物36也是通过把螺纹支撑塞45拧到螺纹孔35中，使其保持与水平平面41紧密接触。在轴承减振垫28与传动轴19之间，一种象油一类的加压的润滑液油膜38，将使彼此表面不接触，并且由于力的作用，可以从传动轴19通过轴承盖32传到高速机械装置18的其余部分。

再参看图4，枢轴支撑物36包括有中心支柱50的连接板48，支撑水平平面41。在连接板48周围的环形法兰盘52支撑螺纹支撑塞45。刚度体现在能通过轴承盖32与滑块37之间的枢轴支撑物36，把力传到斜块轴承减振垫28上（图3），刚度的大小取决于枢轴支撑物36的材料和尺寸。特别是，通过改变连接板48的厚度，可以较容易地改变枢轴支撑物36的弹性常数。

再参看一下图3，将会认识到，枢轴支撑物34主要是在水平方向给滑块37提供支撑，而枢轴支撑物36主要是在垂直方向给以支撑。因此，在枢轴支撑物34和36中采用不同的连接板厚度，就能实现各向异性的支撑刚度。此外，通过改变枢轴支撑物34和36就可使一种刚度的结合体适于特殊应用，而无需重新设计高速机械装置18。

再参看图2，传动轴19围绕着有垂直的中心位置40的轴旋转。一个重力矢量42和一个负载矢量44合成为总的负载矢量46，传动轴19的线沿着矢量46偏离垂直中心位置40。

两个垂直方向作用在传动轴19上的力是已知的，能够计算出来，或能够根据试验数据来确定，例如，试验数据对应一个外加力在给定方向上将产生移动。由此，对于每个轴承20，22，24和26，计算总负载矢量46的分量是可能的。这就使得有可能计算出支撑每个轴承20，22，24和26所需要的刚度数值。

为了说明下列例子，假设在每个轴承上用有两个不同的支撑，并假设提供的刚度垂直作用在两个轴上。这就简化了每个枢轴支撑物的刚度的计算，而在本发明中不必进行限制。当然，采用两个以上的不同的支撑物是可能的，而且支撑物的轴在各个方向上都不互相垂直，或者说支撑物的轴不在垂直方向和水平方向。然而，这样就使计算复杂化了，这是因为给与的这些力必须进行分解，然后再做几何的叠加。因此，实施方案中只有两个支撑物，第一个枢轴支撑物34和第二个枢轴支撑物36互相垂直方案是优先实施方案。也可以在同总负载矢量46重合的一条直线方向上确定两个刚度，以便简化计算过程，但这与图示的实施方案相比较不是优选方案。

对于传动轴19的总刚度的计算是根据相加弹性常数（弹性常数是刚度的倒数）用的公式进行的。当油膜38的刚度变化时，总刚度由轴承20，22，24和26提供。

两个刚度之和等于两个弹性常数的倒数相加。下列是用枢轴支撑物34和36的刚度对轴承各向异性进行的有关计算。

油膜38的弹性常数K标有下标F，不管是X方向（水平方向）还是Y方向（垂直方向）的分量，用另外一个下标表示。类似地，由于枢轴支撑物34给出的枢轴支撑刚度在X方向，用下标PX表示，而枢轴支撑物36在Y轴施与的刚度用下标PY表示。

1/Kcx＝1/Kfx+1/Kpx （1）

1/Kcy＝1/Kfy+1/Kpy （2）

由此得出

Kcx＝（Kfx·Kpx）/（Kfx+Kpx） （3）

Kcy＝（Kfy·Kpy）/（Kfy+Kpy） （4）

Kcx-Kcy＝（Kfx·Kpx）/（Kfx+Kpx）

-（Kfy·Kpy）/（Kfy+Kpy） （5）

使用等式（5），只要其他条件是已知的或假设出来的，就可以求出一个枢轴支撑刚度，而且两个枢轴支撑刚度之间所要求的差（即各向异性的情况）也可定下来（油膜38的刚度是已知的）。对所需要的各向异性的计算是根据高速机械装置18的设计参数和传动轴19的总负载进行的。

如果假定液体油膜在两个坐标方向上的刚度和枢轴支撑物34的刚度都是5×10⁶磅/英寸，而且十分之一的刚度各向异性的总值是所需要的，那末等式（5）就可用来表示，枢轴支撑物36需要的刚度近似为3.33×10⁶。这些刚度数值是通过确定枢轴支撑物34和36中的连接板48（图3和图4中）的厚度来实现的。这便达到了高速机械装置18改进避免次同步振动能力的目的，或达到了提高转子初始速度的目的。虽然本发明的上述内容是采用的支点式推力轴承，但本发明并不只限于这个条件。本发明也同样可用于其他类型的轴承，例如椭圆形的或圆形的轴颈轴承，减振轴承，以及滚珠轴承或滚柱轴承。例如，参看图5，轴承系统54包括由轴承56围绕的传动轴19。围绕轴承56的轴承盖58包括四个直角支柱60。每个直角支柱60都包括一个支撑枢轴支撑物34和枢轴支撑物36的垂直面62和水平面64。枢轴支撑物34和36分别由支撑装置66和68保持在适当位置上。装置66和68由任一种常规装置（未画出）刚性地固定在旋转机械装置的其余部分。例如，轴承56可以是一个轴颈轴承，这个轴颈轴承的内表面和传动轴19的外表面之间填有加压密封的润滑剂。另一方面，轴承56可以是一个滚珠轴承或滚柱轴承装置，轴承盖58可以是一个减振轴承，在轴承盖58的内表面和轴承56的外表面之间注入一种加压的液体。如在图2～4中的倾斜支承垫块的具体方案那样，所要求的支撑物的各向异性通过改变连接板48（图4）的厚度而得到。

对于一个熟练的技术人员来说，下述情况是清楚的;那些垂直向上作用的枢轴支撑物36是用来支撑转子重量及转子动载荷的，而那些垂直向下作用的支撑物只用来支撑动载荷。因此，可以要求，对那些垂直向上作用的枢轴支撑物36与那些垂直向下作用的枢轴支撑物36选用不同的刚度，使结合起来的综合效应满足所需要的各向异性。侧向载荷的存在最好是采用作用在水平方向上的枢轴支撑物34。这种枢轴的刚度与水平作用相反方向的那些枢轴的刚度不同。当然，在垂直方向上的总刚度是向上作用和向下作用的轴承支撑物36的刚度的合成。上述情况也适用于水平作用的轴承支撑物34。

枢轴支撑物34和36也可以用其他类型的装置代替，并不背离本发明的精神和范围。例如，聚合物材料可以夹在用不同厚度、直径或成分的材料做成的不同刚度的两个相对面之间。在本发明范围之内的别的弹性的装置的设想包括用一个或多个半球形垫片，例如象比利时垫片。在一个需要较大刚度的装置中，不同的弹性可以用叠放多个半球形垫片来实现。当然，半球形垫片的叠放，可以互相套装或相对放置，或两者的结合，以得到线性的或设计的响应。

如上所述，由于有垂直轴的各向异性支撑装置，计算和表达被简化了，特别是当支撑装置的轴向限于水平和垂直方向更是如此。上述的在传动轴19的周围使用四个互成90°的支撑点就体现了这种简化。在垂直和水平轴上采用四个等距离的支撑位置只是为了方便，并不表明本发明只限于此。例如，本发明的一个实施方案可以包括互成120°的三个支撑点。支撑轴可以是互相垂直的，也可以不指向垂直的方向。本发明也要考虑包括多于四个支撑点的情况，以及在每个支撑点多于或少于两个支撑装置的情况。技术熟练的人员知道了本发明，对本发明的实施方案进行修改也完全能够完成例行的工程计算，得到所需要的各向异性。因此，这里就省略了具体的叙述。

任何适当的材料都可用于制造枢轴支撑物34和36。在优先选实施方案中，枢轴支撑物34和36是钢制的。

从已知结合附图介绍的本发明优选实施方案中，可以了解到，本发明并不限于那些严格不变的实施方案，对于技术熟练的人员来说，在确定的附加的要求范围内，不超出本发明的范围和精神就可以实现各种变化和改进方案。

Claims (10)

1、一种在机器中支撑旋转传动轴的装置，包括：

至少一个轴承安装在所述旋转传动轴上;用于安装第一个和第二个弹性支撑装置的装置，其特征在于：

至少一个倾斜支撑垫块部分围绕所述旋转传动轴，

在上述倾斜支撑垫块轴承衬套中，用于可倾斜地接合上述轴承枢轴的装置;

在上述有第一个和第二个接合表面的轴承枢轴的径向外缘上的一个滑块，上述第一个和第二个接合表面被放置在不同方向上，

把支撑垫块装在机器内的装置至少包括第一个和第二个弹性支撑装置，

第一个弹性支撑装置具有第一刚度邻接上述第一个接合表面;

第二个弹性支撑装置具有第二刚度邻接上述第二个接合表面;

所述第一和第二支撑装置包括互相成角度的第一和第二支撑轴，上述第一个弹性支撑装置的刚度与上述第二个弹性支撑装置的刚度不同，从而得到上述支撑的各向导向。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的轴承枢轴包括有半球形外缘，在上述倾斜支撑垫块轴承衬套中，用于倾斜接合的上述装置包括有适用于罩住上述轴承枢轴一端的一个盲孔，从而上述半球形外缘邻接上述盲孔的一个内端。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，上述安装的装置还包括围绕上述倾斜支撑垫块轴承衬套的一个轴承盖，上述轴承盖包括第一和第二个有螺纹的孔，而且第一个和第二个有螺纹的支撑塞分别旋拧在上述第一个和第二个有螺纹的孔中，上述第一个和第二个有螺纹的支撑塞接合在上述第一个和第二个有弹性的支撑物的外表面。

4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，上述第一个和第二个弹性支撑装置每一个都包括一个在中间放置的有个中心支柱的连接板，上述中心支柱接触它的相应的表面，以及支撑上述连接板周边的装置。从而，上述连接板作为一个弹性体沿着上述连接板的一个轴，支撑上述第一个和第二个接合表面是有效的。

5、按照权利要求4所述的装置，其特征在于，上述第一个和第二个有弹性的支撑装置包括提供不同刚度的装置。

6、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，上述提供不同刚度的装置包括上述第一个和第二个有弹性的支撑装置中的上述连接板的不同厚度。

7、按照权利要求4所述的装置，其特征在于，上述支撑一个上述连接板周边的装置，包括在上述连接板周边上的一个环形法兰盘，以及连接上述环形法兰盘的装置。

8、一种在机器中支撑旋转传动轴的装置包括：至少一个安装在所述旋转传动轴上的轴承，用于安装第一个和第二个弹性支撑装置的装置，所述弹性支撑装置具有不同的刚度，其特征在于，一个轴承构件完全环绕上述传动轴，一个环绕上述轴承构件的环形构件，上述环形构件包括几个直角支柱，每一个上述的直角支柱包括朝着第一个和第二个不同方向的第一个和第二个表面，一个用于把轴承构件装在机器内的装置至少包括第一和第二弹性支撑装置，上述的至少第一个和第二个弹性支撑装置分别支撑在上述的第一个和第二个表面上，所述第一和第二弹性支撑装置包括相互成角度设置的第一和第二支撑轴，所述第一个弹性支撑装置的刚度与上述第二弹性支撑装置的刚度不同，从而得到上述支撑的各向异向。

9、按照权利要求8所述的装置，其特征在于，上述的轴承构件包括一个轴颈轴承，上述的环形构件是一个在其径向外表面上有上述的几个直角支柱的轴承盖。

10、按照权利要求8所述的装置，其特征在于，上述的轴承构件包括一个滚珠轴承装置和一个滚柱轴承装置，上述的环形构件包括一个放在其径向外表面上的有上述几个直角支柱的阻尼轴承。

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