磁性止推軸承、渦輪機和方法
【技術領域】
[0001]本文公開的主題的實施例大體上涉及止推軸承(thrust bearing)，并且更具體而言，涉及用于渦輪機的磁性止推軸承。
【背景技術】
[0002]渦輪機，如渦輪膨脹器和壓縮機，可用于促進從過程流體添加或提取能量。在典型的渦輪機中，安裝在軸上的葉輪或轉子受支承，以用于相對于機器定子旋轉。為了抵消旋轉軸中的可由葉輪和過程流體的相互作用生成的推力，渦輪機可包括軸向磁性軸承。
[0003]不同于更傳統的軸承，如滾子軸承或流體膜軸承，軸向磁性軸承不要求潤滑劑，潤滑劑可能污染過程流體。結果，包括軸向磁性軸承的渦輪機可在沒有過程流體與軸向磁性軸承之間的密封的情況下操作。然而，這可導致軸承暴露于可在過程流體中存在的有害污染物。例如，如果處理天然氣體，則可存在較高水平的硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、水等。這些污染物與天然氣體結合來形成稱為酸氣的混合物，其對常規軸向磁性軸承的鋼構件特別有腐蝕性。持續暴露于酸氣通常導致此類構件的硫化物應力開裂。該過程可導致軸承構件過早磨壞，或更壞的是災難性地故障。
[0004]因此，所需的是一種軸向磁性軸承，其可更容易暴露于可能具有腐蝕性的流體，且其另外可對其安裝在其中的渦輪機提供改善的性能。

【發明內容】

[0005]根據示范實施例，一種止推軸承包括具有定子表面的電磁定子和轉子盤。轉子盤能夠相對于轉子旋轉，且具有面對定子表面的轉子表面。轉子盤包括徑向內部，徑向內部由第一材料制成，直接且唯一地連接到由第二材料制成的徑向外部；第一材料為耐腐蝕金屬或金屬合金，且第二材料為鐵磁性金屬或金屬合金。
[0006]根據另一個示范實施例，渦輪機包括機器定子和能夠相對于機器定子旋轉的機器轉子。止推軸承設置在機器定子與機器轉子之間。止推軸承包括具有定子表面的電磁定子和轉子盤。轉子盤能夠相對于轉子旋轉，且具有面對定子表面的轉子表面。轉子盤包括徑向內部，徑向內部由第一材料直接制成，直接且唯一地連接到由第二材料制成的徑向外部；第一材料為耐腐蝕金屬或金屬合金，且第二材料為鐵磁性金屬或金屬合金。
[0007]根據另一個示范實施例，一種制作用于渦輪機中的電磁止推軸承的軸承轉子盤的方法可包括以下步驟:由耐腐蝕金屬或金屬合金形成軸承轉子盤的徑向內部，由鐵磁性金屬或金屬合金形成軸承轉子盤的徑向外部，和將徑向內部直接地連接到徑向外部。
【附圖說明】
[0008]并入本說明書中且構成說明書的一部分的附圖示出了一個或更多個實施例，且與描述一起解釋了這些實施例。在附圖中:
圖1為渦輪機的透視圖。
[0009]圖2為軸向磁性軸承的示范實施例的截面圖。
[0010]圖3為備選實施例的轉子盤。
[0011]圖4示出了根據示范實施例的軸承的測試結果的實例，示出了界面的直徑與存在于界面處的應力之間的關系。
[0012]圖5為另一備選實施例的轉子盤。
[0013]圖6為另一備選實施例的轉子盤。
[0014]圖7為另一備選實施例的轉子盤。
[0015]圖8示出了根據另一示范實施例的方法。
【具體實施方式】
[0016]示范實施例的以下描述參考附圖。不同附圖中的相同參考標號表示相同或相似的元件。以下詳細描述不限制本發明。作為替代，本發明的范圍由所附權利要求限定。為了簡單起見，關于渦輪機系統的用語和結構論述了以下實施例。然而，接下來論述的實施例不限于這些示范系統，而是可應用于其他系統。
[0017]遍及說明書提到的“ 一個實施例”或“實施例”是指結合實施例描述的特定特征、結構或特點包括在公開的主題的至少一個實施例中。因此，遍及說明書在不同位置中出現的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定是指相同的實施例。此外，特定特征、結構或特點可以以任何適合的方式在一個或更多個實施例中組合。
[0018]圖1中示出了包括軸向磁性軸承14的渦輪機10的示范實施例。渦輪機10為組合的渦輪膨脹器和壓縮機機器，其包括機器轉子12和機器定子16。機器轉子12包括一對葉輪18和19，但應理解的是，其他渦輪機可包括更多或更少的葉輪。在操作期間，渦輪機10的渦輪膨脹器區段的葉輪18對壓縮機區段的葉輪19提供了抗衡推力。轉子推力的其他控制可由軸向磁性軸承14提供。
[0019]如圖2中所示，軸向磁性軸承14包括電磁定子22，電磁定子22限定一對相對的軸向表面26。轉子盤28連接到機器轉子12，具體而言是轉子軸，且包括一對沿徑向延伸的表面36，表面36各自面對電磁定子表面26中的相應的一個。
[0020]在操作期間，傳感器42對處理器(未示出)提供關于轉子盤28的軸向移動的信息，處理器控制去往定子22的線圈24的功率。由線圈24提供的所得電磁力將轉子盤28的徑向部分34朝定子22的軸向表面26中的一個拉，以將運轉間隙38保持在可接受范圍內。
[0021]施加到線圈24的功率與朝定子22的各軸向表面26拉轉子盤28的力之間的關系部分地取決于用于構成轉子盤28的材料的鐵磁性性質。具體而言，具有良好鐵磁性性質的材料要求較少功率來引起轉子盤28的期望的軸向移動。然而，如前所述，具有化學成分和微結構性質以便呈現良好鐵磁性性質的鋼成分通常更易腐蝕，具體而言是源自硫化物應力開裂。
[0022]因此，根據實施例，軸承14可包括轉子盤28，轉子盤28具有由第一材料制成的徑向內部32，第一材料例如是金屬或金屬合金，其耐腐蝕且能夠耐受較高的彎曲和離心負載。轉子盤28還包括由第二材料制成的徑向外部34，第二材料例如是金屬或金屬合金，其具有足夠的鐵磁性性質來產生對電磁定子22的功率輸入的有效響應。例如，徑向外部34可由提供高于0.8特斯拉的磁通量密度的材料構成，且徑向內部32可由耐腐蝕材料構成。例如，徑向內部32可由具有低鐵磁性性質的沉淀硬化镲合金構成，如，由Special MetalsCorporat1n制造的INC0NEL?718。因此，轉子盤28，且因此軸承14，可提供優異的推力修正以及改善的強度和耐腐蝕性。
[0023]徑向內部31為盤形，具體是圓柱形，且徑向外部34為環形，具體而言具有矩形徑向截面。
[0024]徑向內部32在其兩側軸向地鄰近機器轉子12的軸；具體而言，徑向內部32和機器轉子軸具有大致相同的軸向截面。
[0025]徑向內部32在界面44處例如通過化學連接(如，粘合劑或焊接)直接且唯一地連接到轉子盤28的徑向外部34 ;以此方式，徑向內部31和徑向外部34徑向地相鄰。備選地或此外，徑向內部32可在界面44處由機械連接(如，收縮配合、槽道和鍵槽布置或緊固件)連接到徑向外部34。
[0026]徑向內部32和徑向外部34可構造成使得界面44限定圍繞轉子軸線48的圓，該圓設置在離轉子軸線48與電磁定子22的內徑46大致相同的距離處。備選地，界面44可為非圓的，且/或設置成比電磁定子22的內表面離轉子軸線48更遠或更近。
[0027]由于軸承的鐵磁性材料是自支承的且不包封在殼或蓋內，故軸承的鐵磁性材料與軸承的線圈之間的間隙對應于轉子與定子之間的空氣間隙；以此方式，軸承的有效性最大化。
[0028]圖3示出了另一個示范實施例。轉子盤128包括由耐腐蝕不銹鋼合金(具體而言由Special Metals Corporat1n制造的INC0NEL?625)制成的內徑向部132，和由具有足夠鐵磁性性質的低合金鋼制成的外徑向部134，以優化軸承14的功率響應。如圖3中進一步示出那樣，內徑向部132和外徑向