專利名稱：一種用于旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的壓差式推力平衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的推力平衡裝置，具體涉及轉(zhuǎn)軸上的壓差式推力平衡裝置。
背景技術(shù)：
在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械(包括泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、透平機(jī)、水輪機(jī)、螺旋槳、渦輪發(fā)動機(jī)等)運行中，由于轉(zhuǎn)子和流體相互作用，會產(chǎn)生軸向的作用力，通常會采用一個壓差式推力平衡裝置來抵消掉大部分的推力，保持一定量的殘余軸向力，從而大大減小推力軸承的負(fù)荷。最常使用的平衡裝置是從設(shè)備的高壓端引入高壓流體，然后該流體經(jīng)過一個節(jié)流流道泄漏到設(shè)備的低壓端，高壓端與低壓端的壓差作用在轉(zhuǎn)子上的某一部分(通常是一個推力盤)，產(chǎn)生與流體在轉(zhuǎn)子上的作用力方向相反的力，從而抵消掉大部分的軸向流體作用力。在這里平衡推力完全是由高壓端與低壓端的壓差和平衡盤或類似部件的面積而決定的。在立式的機(jī)械中還需要考慮轉(zhuǎn)子重力的因素。這種推力平衡原理是本專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，而且以得到了廣泛的應(yīng)用。
但是，這種推力平衡裝置不能保證在變化的工況和狀態(tài)下提供適宜的推力，所以在設(shè)計或制造不當(dāng)以及工況變化時往往會出現(xiàn)平衡力不足或太大的情況。平衡力不足會使止推軸承負(fù)荷增加，減少止推軸承壽命，甚至損壞止推軸承；同時止推軸承的摩擦力增大也使機(jī)械功耗增加。平衡力太大會使轉(zhuǎn)子向流體作用力的反方向竄動。無論是平衡力不足或太大，都可能會使機(jī)械軸向位移變大，容易造成設(shè)備連鎖停車，影響正常生產(chǎn)，甚至造成設(shè)備軸承、密封等零件的損壞，必須停機(jī)大修。
為了適應(yīng)機(jī)械運行工況的變化，在現(xiàn)有的一些技術(shù)中，有些推力平衡裝置可以根據(jù)工況的變化而做出一定的變化。例如，在日本日機(jī)裝株式會社的發(fā)明專利《推力平衡裝置》(日本專利JP109720/1998，中國專利ZL.99105578)中作為背景技術(shù)提到了一種屏蔽電動泵的推力平衡裝置設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)包括
(1)泵葉輪上的圓筒狀突出部插入機(jī)殼圓筒狀內(nèi)表面形成的固定節(jié)流孔；(2)泵葉輪上的圓筒狀突出部的底面、內(nèi)表面與機(jī)殼上的兩個突出部圍成的推力平衡室；(3)靠近軸的突出部的端面與葉輪里面形成一個可變節(jié)流孔。
當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向力增加使轉(zhuǎn)子在軸向移動時，固定節(jié)流孔基本不變，而可變節(jié)流孔變小，這樣就使得由固定節(jié)流孔流入平衡室流體流量基本不變，而由可變節(jié)流孔流出平衡室流體流量減少，平衡室內(nèi)的壓力就會增加，改變作用在推力平衡裝置上的壓力差，從而改變軸向平衡力的大小，使轉(zhuǎn)子向相反的方向移動。
該發(fā)明對可變節(jié)流孔技術(shù)上加以改進(jìn)，以便減少平衡室內(nèi)流體的角運動量而產(chǎn)生的液道阻抗，從而改善推力平衡裝置的推力平衡特性。
值得提出的是，在此項設(shè)計中當(dāng)推力達(dá)到新的平衡時轉(zhuǎn)子并不是回復(fù)到初始的位置。
在另一項瑞士亞瑞亞-勃朗勃威力有限公司的發(fā)明《渦輪增壓器的推力平衡方法和裝置》(專利DE 19840098.5)中，渦輪增壓器高壓區(qū)經(jīng)過一個通風(fēng)管道與渦輪增壓器壓力低的區(qū)域相連接，提供推力平衡壓差。此通風(fēng)管道內(nèi)有一閉合部件連接，它在渦輪增壓器全負(fù)荷時完全打開，輕載時至少大部分關(guān)閉，空轉(zhuǎn)時完全關(guān)閉，以減少低負(fù)荷時通過通風(fēng)管道的泄漏流量，減少渦輪增壓器的功率損失，這樣就可以改善帶有推力平衡裝置的渦輪增壓器的輕載和空轉(zhuǎn)性能。
但是，日機(jī)裝株式會社的發(fā)明專利《推力平衡裝置》是采用一種簡單的機(jī)械應(yīng)變式的推力平衡方法，而且如前所述當(dāng)推力達(dá)到新的平衡時轉(zhuǎn)子并不能回復(fù)到初始位置。瑞士亞瑞亞-勃朗勃威力有限公司的發(fā)明《渦輪增壓器的推力平衡方法和裝置》主要目的是為了減少渦輪增壓器輕載時流經(jīng)推力平衡裝置的氣體回流造成的工作效率損失。
以上兩項發(fā)明中的推力平衡裝置中都具有可變的流體孔道，但是這種簡單的、機(jī)械式的可變流體孔道提供的平衡效果是比較粗略的。由于它們無法在運行中測量推力的變化，并根據(jù)推力的值作出調(diào)節(jié)，然后根據(jù)偏差進(jìn)一步修正，因而都不能根據(jù)不斷變化的工作條件和自身狀況提供精確的軸向平衡力。
事實上，現(xiàn)有的壓差式推力平衡裝置都是在額定的工作條件下、對一定的工作介質(zhì)、按一定的理論公式或經(jīng)驗公式來設(shè)計的，其中所涉及的因素(包括工作條件、工作介質(zhì)、計算結(jié)果、自身生產(chǎn)和安裝等因素)都有可能跟實際的情況有比較大的偏差，例如，操作外部條件(如出、入口工藝壓力、溫度的變化，流體密度、粘度)的變化、設(shè)計用經(jīng)驗公式的誤差、制造和安裝誤差等都會引起推力的變化。所以，現(xiàn)有的壓差式推力平衡裝置往往具有以下一些缺點(1)即使是具有一定應(yīng)變能力的壓差式推力平衡裝置，對于工作負(fù)荷、流體性質(zhì)的變化所導(dǎo)致的軸向力的變化的適應(yīng)能力也是有限的和不精確的。
(2)無法由克服設(shè)計和制造誤差帶來的影響，造成永久性的軸向平衡力誤差。
(3)對于自身狀況的變化不能做出反應(yīng)。例如流體節(jié)流間隙由于磨損變大，或結(jié)垢、堵塞或生銹等因素變小，發(fā)生這種變化會造成流體泄漏量和節(jié)流間隙壓差的變化，影響軸向平衡力大小。
總之，由于沒有在運行中測量或估計推力的變化，并根據(jù)推力的值做出調(diào)節(jié)，然后根據(jù)偏差進(jìn)一步修正，因而現(xiàn)有的壓差式推力平衡裝置都不能在變化的工作條件和自身狀況下提供精確的軸向平衡力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是根據(jù)旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的操作條件、流體物性和自身狀況變化，能實時在線控制軸向平衡力，保持殘余軸向力在最佳范圍。特別是當(dāng)殘余軸向力過大，有可能發(fā)生止推軸承燒損故障時，可實時調(diào)節(jié)平衡裝置的壓差，減小殘余軸向力，減少報警和連鎖停機(jī)，達(dá)到輕微故障自愈的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種壓差式推力平衡裝置，包括在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的轉(zhuǎn)軸上連接的推力平衡裝置4；使流體介質(zhì)從高壓區(qū)2通向低壓區(qū)8的泄漏間隙5；還包括推力檢測裝置9、控制器10、流量調(diào)節(jié)裝置6。
所述的推力檢測裝置9包括傳感器、信號放大和預(yù)處理模塊、信號采集模塊，該傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械上，檢測與殘余推力相關(guān)的信號；推力檢測裝置9測量和處理后的信號被送到控制器10。
所述的控制器10接收來自推力檢測裝置9的信號，根據(jù)測量或推算的殘余推力值和所期望的殘余推力值進(jìn)行推算，將得出的輸出信號傳給流量調(diào)節(jié)裝置6。
所述的流量調(diào)節(jié)裝置6接收控制器的輸出信號，調(diào)節(jié)流過流體通道的流量，從而調(diào)節(jié)平衡盤前后的壓差，起到調(diào)節(jié)平衡推力的作用。
所述的低壓區(qū)8可以是旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的進(jìn)、出口中壓力較低的一端，或是外部環(huán)境壓力，也可以是多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間壓力，還可以是連通的外部容器的壓力，即使用管道將推力平衡裝置4的低壓一側(cè)與其他外部容器連通，使該容器的壓力等于低壓區(qū)的壓力；所述的高壓區(qū)2可以是旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的進(jìn)、出口中壓力較高的一端，也可以是多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間壓力；高壓區(qū)2的壓力大于低壓區(qū)8的壓力；所述的壓差式的推力平衡裝置4安裝在軸上，兩面分別通過高壓流體通道3和低壓流體通道7，與旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的上述高壓區(qū)2和上述低壓區(qū)8相通；流體經(jīng)過泄漏間隙5從推力平衡裝置4的高壓側(cè)流到低壓側(cè)，使推力平衡裝置兩面的壓力差能產(chǎn)生軸向力來抵消轉(zhuǎn)子所受的流體作用力。
一般情況下，所述的推力平衡裝置4是圓盤狀的推力平衡盤，流體壓力差作用在推力平衡盤上，但壓力差也可以作用在連接在軸上的其它部分，只要有一定的橫向(以軸線為法線的平面)面積投影就可以由壓力差產(chǎn)生軸向平衡力。
所述的流量調(diào)節(jié)裝置6可以位于推力平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)，也可以位于推力平衡盤的低壓區(qū)一側(cè)，還可以在推力平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)和低壓區(qū)一側(cè)同時有流量調(diào)節(jié)裝置6。
所述的推力檢測裝置9可以有多種形式，可以采用力傳感器直接測量殘余軸向力，然后控制推力平衡裝置兩邊的壓差，使軸向力平衡。也可以采用軸位移傳感器或油膜厚度傳感器測量軸向位移，通過調(diào)節(jié)推力平衡裝置兩邊的壓差，使軸向位移控制在合適的范圍內(nèi)，從而使軸向力平衡。
還可以采用其他間接方式，用其他相應(yīng)的傳感器測量相關(guān)參數(shù)。如測量進(jìn)口和出口的流體壓力、對于多級或多段的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，可以測量各段進(jìn)出口流體壓力，然后用經(jīng)驗公式或?qū)嶒灩介g接計算總的軸向推力，再計算輸出信號傳給流量調(diào)節(jié)裝置6，調(diào)節(jié)推力平衡裝置兩邊的壓差，達(dá)到使軸向力平衡的目標(biāo)。根據(jù)計算公式的不同，還可以增加測量轉(zhuǎn)速，以及測量流體物性參數(shù)如溫度、粘度等，用于間接計算總的軸向推力。
例如對一種壓縮機(jī)的每級葉輪，推力計算公式為F＝1/4π(D2-d2)*(Pd-Ps)其中F是葉輪所受的軸向流體作用力，π是圓周率，D是入口密封環(huán)的直徑，d是入口處軸徑，Pd是葉輪出口壓力，Ps是葉輪如口壓力。
為了在特定需要的情況下，使推力平衡盤能在很短的反應(yīng)時間內(nèi)減少反向平衡力，可以增加第二條高壓流體通道11。在推力平衡盤低壓區(qū)一側(cè)，同時還有第二條高壓流體通道11與高壓區(qū)2連通；在第二條高壓流體通道11上裝有高壓流量調(diào)節(jié)閥13，在低壓流體通道7上裝有低壓流量調(diào)節(jié)閥12，可以分別調(diào)節(jié)兩個通道的流量。通過增大高壓流量調(diào)節(jié)閥13的開度，可以使推力平衡盤低壓一側(cè)的壓力迅速升高。而如果僅關(guān)閉低壓流量調(diào)節(jié)閥12，靠憋壓使低壓一側(cè)升壓，需要的時間較長，因為從泄漏間隙5中泄漏的流體遠(yuǎn)比不上直接從高壓區(qū)直接引入流體快。
在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的實際工況中，有時需要推力平衡裝置能提供雙向的軸向平衡力。為此還可以將上述技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，將旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的中壓區(qū)14的流體引入推力平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)，該中壓區(qū)是指多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間壓力。中壓區(qū)14的壓力大于低壓區(qū)8的壓力，但低于多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的最高壓力。
在所述的在推力平衡盤的一側(cè)，是與多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間中壓區(qū)14連通，其壓力介于高壓區(qū)2和低壓區(qū)8之間；在推力平衡盤的另一側(cè)，有低壓流體通道7與低壓區(qū)8連通，同時還有第二條高壓流體通道11，與高壓區(qū)2連通；在第二條高壓流體通道11上裝有高壓流量調(diào)節(jié)閥13，在低壓流體通道7上裝有低壓流量調(diào)節(jié)閥12，可以分別調(diào)節(jié)兩個通道的流量。通過調(diào)節(jié)高壓流量調(diào)節(jié)閥13和低壓流量調(diào)節(jié)閥12的開度，可以使推力平衡盤這一側(cè)的壓力大于或小于推力平衡盤另一側(cè)的壓力，達(dá)到雙向調(diào)節(jié)軸向平衡力的目標(biāo)。
另外，在雙向調(diào)節(jié)軸向平衡力的技術(shù)方案中，所述的高壓流量調(diào)節(jié)閥13和低壓流量調(diào)節(jié)閥12，既可以分別獨立控制，也可以由一個控制器采用分程控制來調(diào)節(jié)兩個閥的開度。還可以將第二條高壓流體通道11和低壓流體通道7，連接到可控制的三通上，該三通的另一通道連接到推力平衡盤的低壓側(cè)，通過控制三通可以切換第二條高壓流體通道11和低壓流體通道7的流量，從而調(diào)節(jié)推力平衡盤一側(cè)的壓力，達(dá)到雙向調(diào)節(jié)軸向平衡力的目標(biāo)。
本發(fā)明由推力檢測裝置、控制器、流體流量調(diào)節(jié)裝置和推力平衡裝置構(gòu)成一個閉環(huán)控制。推力檢測裝置直接或間接地檢測到轉(zhuǎn)子所受軸向力的變化后由控制器控制流體流量調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)由流體機(jī)械高壓區(qū)到推力平衡裝置的流量或由推力平衡裝置到流體機(jī)械低壓區(qū)的流量，使通過節(jié)流間隙的泄漏流量和/或方向發(fā)生變化。在一定的條件下和范圍內(nèi)，流經(jīng)節(jié)流間隙的壓差近似地與流量的平方成正比關(guān)系，方向與泄漏流量相同。所以泄漏流量和方向的變化會使推力盤兩端的壓差的大小和方向發(fā)生變化，從而使軸向平衡力的大小和方向發(fā)生變化。在閉環(huán)控制下，控制器根據(jù)所測的軸向推力不斷調(diào)節(jié)來自高壓區(qū)或去低壓區(qū)的流體流量，使軸向平衡力發(fā)生變化，從而使殘余軸向力達(dá)到所要求的值。當(dāng)操作條件、流體物性和自身狀況變化時，可由控制器調(diào)節(jié)克服這些因素的影響，保持殘余軸向力在最佳的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的有益效果是通過檢測裝置實時檢測到的參數(shù)，直接或間接地獲得旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的殘余軸向力，再通過調(diào)節(jié)裝置迅速反饋，調(diào)節(jié)推力平衡裝置兩邊的壓差，產(chǎn)生與殘余軸向力相反的平衡力，保證軸向力限定在合適范圍內(nèi)。由于反饋是實時的、受控制的，在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械工況發(fā)生變化，導(dǎo)致軸向力變化時，能保證及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，不會使殘余軸向力過大，防止推力軸承受損和報警連鎖停機(jī)，提高旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的運行效率。


圖1是用于一種壓縮機(jī)的壓差式推力平衡裝置剖面圖。
圖2是用于一種壓縮機(jī)的壓差式推力平衡裝置示意圖。
圖3是一種壓差式推力平衡裝置改進(jìn)圖。
圖4是一種具有雙向平衡推力的壓差式推力平衡裝置圖。
圖5是一種使用三通閥的壓差式推力平衡裝置圖。
具體實施例方式以下描述僅表示本發(fā)明的一種具體實施方式
，只是為了進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行說明，而并不對本發(fā)明進(jìn)行限制。
實施例1見圖1。流體從一壓縮機(jī)1出口高壓區(qū)2經(jīng)過一高壓流體通道3到達(dá)跟轉(zhuǎn)子共軸的推力平衡盤4前，經(jīng)過環(huán)形泄漏間隙5泄漏流到推力平衡盤后，然后經(jīng)過一個流體流量調(diào)節(jié)裝置6由泄壓管道(即低壓流體通道7)流到壓縮機(jī)入口低壓區(qū)8。
安裝在軸端的推力檢測裝置9測得的信號被送到控制器10，控制器10根據(jù)推力檢測裝置9測得的信號來控制流體流量調(diào)節(jié)裝置6，由它來改變從壓縮機(jī)平衡盤4后流到的壓縮機(jī)入口低壓區(qū)8的流量。
本發(fā)明的動作過程如下當(dāng)殘余軸向力變大時，推力檢測裝置9測得的信號發(fā)生變化，這個信號被送到控制器10，然后由控制器10來控制流體流量調(diào)節(jié)裝置6，使平衡盤4后到壓縮機(jī)入口低壓區(qū)8的流量變大，推力平衡盤4后壓力減小。而這時由壓縮機(jī)高壓區(qū)2到平衡盤4的流量不變，這使得推力平衡盤4所受的壓力差增加，平衡力增加克服軸向力的變化，使殘余軸向力和軸向位移減少。反之，殘余軸向力變小時則減少由平衡盤4后到壓縮機(jī)入口低壓區(qū)8的流量來調(diào)節(jié)。
在本實例中采用一個常規(guī)的流量調(diào)節(jié)閥來作為流體流量調(diào)節(jié)裝置6。
在本實例中所選用的推力檢測裝置9為一個軸向位移傳感器，測得的軸向位移被用來作為控制轉(zhuǎn)子所受的總的軸向力間接指標(biāo)。由于推力軸承和潤滑油膜表面的彈性，在工作條件下，軸向位移反映了推力軸承所承載的力的大小。推力軸承所承載的力越大，軸向位移就越大，而推力軸承所承載的力就是沒有被平衡掉的軸向力。所以，如果控制軸向位移在一適宜的大小，就可以控制轉(zhuǎn)子所受的總的軸向力在適宜的值。
本實例中，控制器10采用了常規(guī)的比例積分控制器。實際上比例積分微分控制器，各種復(fù)雜控制和/或高級控制都可以被使用。
控制器10以軸向位移為被控參數(shù)。通過反饋控制可以在操作條件、流體物性或自身狀況發(fā)生變化時不斷修正輸出，使軸向位移控制在一定的范圍內(nèi)，間接地控制了轉(zhuǎn)子所受的總的軸向力。
為了克服高頻擾動的影響，必須對測得的位移信號進(jìn)行濾波處理(圖中未標(biāo)出濾波裝置)。在本實例中，作為一種簡易的解決，使用大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制器模塊自帶的輸入信號濾波功能。
軸位移傳感器選用本特利的電渦流傳感器，信號調(diào)理和采集產(chǎn)品選用NATIONAL INSTURMENT公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。
實施例2見圖2，與實例1類似，不同的是，推力平衡盤4前是通過一個管狀的流體通道3跟高壓區(qū)2相連的，流體流量調(diào)節(jié)裝置6位于從高壓區(qū)2到推力平衡盤4前的管狀的流體通道3上。推力平衡盤4后經(jīng)泄壓管道7跟低壓區(qū)8相連通。通過用流體流量調(diào)節(jié)裝置6來控制高壓區(qū)2到推力平衡盤4前的流體流量來改變推力平衡盤前后的壓差，從而改變軸向平衡力的大小。
實施例3見圖3。與實例1類似，不同的是在推力平衡盤4后除了通過一個泄壓管道7跟從低壓區(qū)8連通外，還通過管道(第二條高壓流體通道11)跟高壓區(qū)2連通。相應(yīng)地，流量調(diào)節(jié)裝置由位于低壓流體管道7上的低壓流量調(diào)節(jié)閥12和位于第二條高壓流體通道11上的高壓流量調(diào)節(jié)閥13構(gòu)成。推力平衡盤4前通過一個高壓流體通道3跟高壓區(qū)2連通。
這里第二條高壓流體管道11和高壓流量調(diào)節(jié)閥13的作用是在需要減小平衡盤壓差時能夠向平衡盤4后充壓以便改善調(diào)節(jié)過程的響應(yīng)速度。
這里控制器9使用分程控制，由一個控制器來控制低壓流量調(diào)節(jié)閥12和高壓流量調(diào)節(jié)閥13兩個閥門的開度。
實施例4見圖4。與實例3類似，不同的是平衡盤4前跟壓縮機(jī)的中壓區(qū)14連通，這樣平衡盤4前的壓力就介于高壓區(qū)2壓力和低壓區(qū)8壓力之間。
當(dāng)高壓流量調(diào)節(jié)閥13關(guān)閉，低壓流量調(diào)節(jié)閥12打開時，流體從推力平衡盤4前向后泄漏，盤前壓力大于盤后壓力，軸向平衡力方向是從推力平衡盤4前指向推力平衡盤4后，此時的軸向平衡力為正。
當(dāng)高壓流量調(diào)節(jié)閥13打開，低壓流量調(diào)節(jié)閥12關(guān)閉時，流體從推力平衡盤4后向前泄漏，盤后壓力大于盤前壓力，軸向平衡力方向是從推力平衡盤4后指向推力平衡盤4后，可定義此方向為正方向，此時的軸向平衡力為負(fù)。
在該實例中，可以提供雙向的軸向平衡力?？捎糜诙嗉壔蚨喽瘟黧w機(jī)械的情況。在多段流體機(jī)械設(shè)計中常常通過安排幾個葉輪的安裝方向使各個葉輪產(chǎn)生的軸向推力相互抵消，在實際運行工況與設(shè)計工況出現(xiàn)較大偏差時，剩余軸向推力的大小和方向都有可能改變。這些剩余的推力再由推力平衡盤來抵消掉。
這里控制器9同樣使用分程控制，由一個控制器來控制低壓流量調(diào)節(jié)閥12和高壓流量調(diào)節(jié)閥13兩個閥門的開度。
實施例5見圖5，與實例3和4類似，不同的是其中所述低壓流量調(diào)節(jié)閥12和高壓流量調(diào)節(jié)閥13由一個三通閥15來替代。三通閥15應(yīng)能按要求提供高壓流量和低壓流量兩路的切換和流量調(diào)節(jié)，具體地說，三通閥15中高壓流量和低壓流量不能同時打開，當(dāng)所需平衡推力為正時，高壓流量大于零，低壓流量為零；所需平衡推力減小，則高壓流量逐漸減?。凰杵胶馔屏榱銜r，高壓流量全關(guān)，低壓流量仍然為零；所需平衡推力為負(fù)時，則高壓流量全關(guān)，低壓流量開大。所以該三通閥是一個特制的閥。
除了實例4和5的方法外，用兩個反向安裝的推力平衡盤共同作用也可以實現(xiàn)雙向的軸向平衡力。實現(xiàn)雙向的軸向平衡力的另一種手段是將高壓側(cè)流量和低壓流量相互切換。
實施例6與實例1類似，不同的是控制器的控制對象不是軸向位移，而是力傳感器直接測量得到的軸向力的值。
實施例7與實例1類似，不同的是控制器的控制對象不是軸向位移，而是通過測量其他參數(shù)(流體出入口壓力、轉(zhuǎn)速等)，根據(jù)公式估計得到的軸向力的值。
該種通過系統(tǒng)辯識和數(shù)學(xué)建模方式估計待測參數(shù)的方法被稱為“軟儀表”方法。
本發(fā)明所稱的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，包括泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、透平機(jī)、水輪機(jī)、螺旋槳、渦輪發(fā)動機(jī)等，但不限于以上所述。這些機(jī)械有可能是單段、單級的，也可能是多段、多級的。在這些流體機(jī)械中，對于前面各實例中高壓區(qū)、低壓區(qū)、軸等概念很容易找到對應(yīng)位置。因而對于本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員，將同樣的原理應(yīng)用到其它旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械是很容易的。
上述實例中流體壓力差是作用在一個推力平衡盤上，實際中它也可以作用在連接在軸上的其它部分，只要有一定的橫向(以軸線為法線的平面)面積投影就可以由壓力差產(chǎn)生軸向平衡力。
上述實例中推力的直接或間接測量/估計測量并不是互相排斥的，在某些情形下可能各種測量/估計方法的組合能夠達(dá)到較高的精度和/或較高的可靠性。通過利用多渠道的冗余的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)甄別和信息融合，可以提高測量的容錯性能和精確程度。
測量信號中也應(yīng)盡可能排除外部干擾，如無線干擾、工頻干擾、信號間串?dāng)_等。此外，通常對測量信號應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠布?或軟件濾波預(yù)處理，以減小高頻噪聲的影響。
有可能采取間接的方法來計算和估計軸向力的大小。
采用單路傳感器時，單路傳感器出現(xiàn)故障時可能會使本發(fā)明的推力平衡裝置出現(xiàn)錯誤動作。采用冗余的多路傳感器，例如3路位移傳感器用于緊急停車(Emergency Shutdown)系統(tǒng)是一種比較普遍的做法。同樣的冗余的多路傳感器也可以被用于本發(fā)明的推力平衡裝置中，以便盡可能減小單路傳感器出現(xiàn)故障時的對測量和控制效果影響。在這種情況下需要對各路輸入的信號做數(shù)據(jù)甄別以剔除有故障的那路信號。
上述推力平衡裝置用來提供正常情況下的推力平衡。除此之外，對于要求相當(dāng)?shù)陌踩墑e的場合，應(yīng)該提供一個單獨的軸向推力/軸向位移保護(hù)連鎖裝置，以盡可能減少設(shè)備損害的可能性。這部分通常在工業(yè)中是用緊急停車系統(tǒng)和手動緊急停車系統(tǒng)來實現(xiàn)的。出于安全第一的考慮，推力平衡裝置的控制優(yōu)先級是低于緊急停車系統(tǒng)的。但是在連鎖停車系統(tǒng)動作前，通?？梢酝ㄟ^推力平衡裝置實時的調(diào)控主動地克服過大的殘余軸向力，就是說具有自愈功能，可以大幅度減少由于軸向位移而引起的報警和連鎖停機(jī)。
盡管在多數(shù)情況下推力平衡裝置和緊急停車系統(tǒng)是兩個互相獨立的系統(tǒng)，但二者也可以通過數(shù)據(jù)接口通訊，或是通過信號分路來共享來自傳感器的信號。
權(quán)利要求
1.一種壓差式推力平衡裝置，包括在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的轉(zhuǎn)軸上連接的推力平衡裝置(4)；使流體介質(zhì)從高壓區(qū)(2)通向低壓區(qū)(8)的泄漏間隙(5)；其特征是，還包括推力檢測裝置(9)、控制器(10)、流量調(diào)節(jié)裝置(6)；所述的推力檢測裝置(9)包括傳感器、信號放大和預(yù)處理模塊、信號采集模塊，該傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械上，推力檢測裝置(9)測量和處理后的信號被送到控制器(10)；所述的控制器(10)接收來自推力檢測裝置(9)的信號，根據(jù)測量或推算的殘余推力值和所期望的殘余推力值進(jìn)行推算，將得出的輸出信號傳給流量調(diào)節(jié)裝置(6)；所述的流量調(diào)節(jié)裝置(6)接收控制器的輸出信號，調(diào)節(jié)流過流體通道的流量，從而調(diào)節(jié)平衡盤前后的壓差，起到調(diào)節(jié)平衡推力的作用；所述的低壓區(qū)(8)可以是旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的進(jìn)、出口中壓力較低的一端，或是外部環(huán)境壓力，也可以是多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間壓力，還可以是連通的外部容器的壓力；所述的高壓區(qū)(2)可以是旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的進(jìn)、出口中壓力較高的一端，也可以是多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間壓力；高壓區(qū)(2)的壓力大于低壓區(qū)(8)的壓力；所述的壓差式的推力平衡裝置(4)安裝在軸上，兩面分別通過高壓流體通道(3)和低壓流體通道(7)，與旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的上述高壓區(qū)(2)和上述低壓區(qū)(8)相通；流體經(jīng)過泄漏間隙(5)從推力平衡裝置(4)的高壓側(cè)流到低壓側(cè)，使推力平衡裝置兩面的壓力差能產(chǎn)生軸向力來抵消轉(zhuǎn)子所受的流體作用力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的推力平衡裝置(4)是圓盤狀的推力平衡盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的流量調(diào)節(jié)裝置(6)位于推力平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)和/或低壓區(qū)一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的推力檢測裝置(9)采用力傳感器直接測量殘余軸向力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的推力檢測裝置(9)是采用軸位移傳感器或油膜厚度傳感器測量軸向位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的推力檢測裝置(9)的傳感器，是采用測量進(jìn)出口流體壓力、或測量各段進(jìn)出口流體壓力的方式，間接計算軸向推力，再計算輸出信號傳給流量調(diào)節(jié)裝置(6)；還可以增加測量轉(zhuǎn)速或/和流體物性參數(shù)，用于間接計算軸向推力。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的在推力平衡盤低壓區(qū)一側(cè)，同時還有第二條高壓流體通道(11)，與高壓區(qū)(2)連通；在第二條高壓流體通道(11)上裝有高壓流量調(diào)節(jié)閥(13)，在低壓流體通道(7)上裝有低壓流量調(diào)節(jié)閥(12)，可以分別調(diào)節(jié)兩個通道的流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的在推力平衡盤的一側(cè)，是與多級旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中的段間或級間中壓區(qū)(14)連通，其壓力介于高壓區(qū)(2)和低壓區(qū)(8)之間；在推力平衡盤的另一側(cè)，有低壓流體通道(7)與低壓區(qū)(8)連通，同時還有第二條高壓流體通道(11)，與高壓區(qū)(2)連通；在第二條高壓流體通道(11)上裝有高壓流量調(diào)節(jié)閥(13)，在低壓流體通道(7)上裝有低壓流量調(diào)節(jié)閥(12)，可以分別調(diào)節(jié)兩個通道的流量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的高壓流量調(diào)節(jié)閥(13)和低壓流量調(diào)節(jié)閥(12)由一個控制器采用分程控制來調(diào)節(jié)開度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓差式推力平衡裝置，其特征是所述的第二條高壓流體通道(11)和低壓流體通道(7)，連接到可控制的三通上，該三通的另一通道連接到推力平衡盤的低壓側(cè)，通過控制三通可以切換第二條高壓流體通道(11)和低壓流體通道(7)的流量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓差式推力平衡裝置，涉及旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中轉(zhuǎn)軸上的壓差式推力平衡裝置。本發(fā)明包括在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的轉(zhuǎn)軸上連接的推力平衡裝置、使流體介質(zhì)從高壓區(qū)通向低壓區(qū)的泄漏間隙、推力檢測裝置、控制器、流量調(diào)節(jié)裝置；軸位移傳感器、油膜厚度傳感器以及推力檢測裝置的傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械上，流量調(diào)節(jié)裝置接收控制器的輸出信號，調(diào)節(jié)流過流體通道的流量，從而調(diào)節(jié)平衡盤前后的壓差，起到調(diào)節(jié)平衡推力的作用。本發(fā)明用于旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的軸向力平衡，避免因軸向推力變化引起對設(shè)備的損壞。
文檔編號F04D27/02GK1749573SQ20041007479
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者高金吉, 江志農(nóng), 張鵬, 張雪 申請人:北京化工大學(xué)