CN114060108A - 透平式能量回收一体机的水润滑轴承 - Google Patents

透平式能量回收一体机的水润滑轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透平式能量回收一体机的水润滑轴承，在轴承内表面均匀布置4～12个沟槽，所述沟槽为通槽，连通泵端与透平端；所述沟槽的型线由泵端到透平端依次为首尾相接的下凸抛物线段、第一倾斜直线段、第二倾斜直线段、上凸抛物线段；所述第一倾斜直线段、第二倾斜直线段位于轴承轴向的中间段，均为倾斜45°的直线段；第一倾斜直线段、第二倾斜直线段一端相连构成一个夹角，所述夹角的开口方向朝向轴承的旋转方向。其内壁面与主轴形成间隙配合，由轴承与主轴之间的水膜作为润滑介质；沟槽两端的周向位置不同，在转子旋转时产生动压抵抗两端的压力差，驱使水膜由压力较低的透平端向压力较高的泵端回流，从而达到降低泄漏量的效果。

Description

透平式能量回收一体机的水润滑轴承
技术领域
本发明涉及一种水润滑轴承，特别涉及一种适用于透平式能量回收一体机的沟槽式水润滑轴承。
背景技术
透平式能量回收一体机是反渗透海水淡化***中，回收高压浓盐水中的压力能、降低***能耗、保障经济性的重要装置，可广泛应用于中小型反渗透海水淡化***。通过将增压泵和能量回收透平同轴一体化设计，利用透平回收反渗透膜截留下的高压浓盐水中的压力能，驱动泵叶轮为新鲜海水增压，从而实现能量回收。
转子是透平式能量回收一体机的核心部件，由透平叶轮、主轴和泵叶轮组成，采用水润滑轴承支撑。一体机水润滑轴承以自身输送的水作为润滑介质，可显著减小摩擦磨损，改善高频振动，避免输送水被润滑油污染，提高能量回收效率，增加设备的使用寿命。
一体机水润滑轴承的工作环境存在如下特点：(1)转速高，一般可达几千到几万转；(2)压力高，工作压力高达5MPa以上；(3)轴承两端存在压力差，轴承间隙连通泵腔与透平腔，泵端压力往往高于透平端，压力差最高可达0.1MPa。特点(1)和(2)对转子稳定性提出了较高要求，而特点(3)决定了传统提高稳定性的沟槽、可倾瓦结构难以适用，否则会严重增大泄漏量，泵端的原海水直接由轴承间隙泄漏至透平腔，影响海水淡化***的效率。因此，如何兼顾稳定性和动密封性，是一体机水润滑轴承设计面临的重要问题。
发明内容
基于现有技术，本发明提供了一种透平式能量回收一体机的水润滑轴承，克服高压水环境的影响，在高转速下，既能保障转子稳定运行，又能显著降低泄漏量。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，轴承内表面均匀布置4～12个沟槽，所述沟槽为通槽，连通泵端与透平端；所述沟槽的型线由泵端到透平端依次为首尾相接的开口向上的抛物线段、第一倾斜直线段、第二倾斜直线段、开口向下的抛物线段；所述第一倾斜直线段、第二倾斜直线段位于轴承轴向的中间段，均为倾斜45°的直线段；第一倾斜直线段、第二倾斜直线段一端相连构成一个夹角，所述夹角的开口方向朝向轴承的旋转方向。
进一步地，第一倾斜直线段、第二倾斜直线段对的夹角呈直角；开口向上的抛物线段与第一倾斜直线段、第二倾斜直线段与开口向下的抛物线段的连接处为相切关系。
进一步地，将所述轴承的内表面沿圆周方向展开，以沟槽型线的第一倾斜直线段与第二倾斜直线段连接的顶点为原点O；以轴承轴向为y轴、且泵端方向为正方向；圆周方向为x轴、且以转子旋转方向为正方向；则x＝Rθ，其中，R为所述轴承的内径，θ为自原点O处朝向转子旋转方向移动x距离所对应的圆周角；沟槽型线的表达式为：
Figure BDA0003326691120000021
其中，L为轴承宽度，a为可变参数，取值范围为0＜a＜0.6。
进一步地，a的取值与轴承两端的压力差、动密封性能要求相关，轴承两端的压力差越大，动密封性能要求越高，a的最优取值越大；通过如下公式确定a的取值：
a＝0.6-0.6×e-kp
参数k取值为k＝1.178×10-7Pa-1，p为额定工况下轴承两端的压力差。
进一步地，所述轴承与轴的预留间隙为0.05～0.1mm。
进一步地，沟槽截面为矩形，深度取轴承与轴的预留间隙的4倍。
进一步地，沟槽宽度bg通过如下公式确定：
Figure BDA0003326691120000022
其中，n为沟槽数量，Kg为可变参数，一般取Kg＝0.8～1。
进一步地，沟槽之间的背脊区2的表面粗糙度小于Ra0.8。
进一步地，轴承材料为TC4钛合金，厚度为10～20mm。
本发明提供的透平式能量回收一体机用水润滑轴承，改进了在轴承内表面上沟槽形状，在沟槽型线的曲线中引入可变参数a，根据轴承两端的压力差、动密封性能要求来确定可变参数a的取值。在沟槽的宽度确定公式中引入可变参数Kg，根据对密封性要求，来确定可变参数Kg的取值。并且轴承间隙的确定也要基于转速及密封性要求的高低，在0.05～0.1mm取值；转速越高，密封性要求越低，半径间隙的最优取值越大。从而可以有效针对透平式能量回收一体机主轴轴承两端存在较大压力差的工作环境，在保障高速转子稳定性的同时提高动密封性，显著减少压力差产生的泄漏，保障一体机稳定高效运行。
附图说明
图1是本发明提供的水润滑轴承结构示意图；
图2是本发明提供的水润滑轴承沟槽结构展开示意图；
图3是本发明提供的水润滑轴承沟槽型线设计示意图；
图4是本发明提供的水润滑轴承水膜压力分布云图；
图5是本发明提供的水润滑轴承与无沟槽轴承、45度人字槽轴承的性能对比图。
图中：
1-沟槽，2-背脊区。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，轴承材料为TC4钛合金，内径、宽度由主轴确定，厚度为10～20mm。其内壁面与主轴形成间隙配合，由轴承与主轴之间的水膜作为润滑介质，依靠水膜的流体动压润滑效应形成承载力，轴承内表面设置特殊的沟槽结构。在轴承内表面沟槽的数量为4～12个，均匀布置。所述沟槽为通槽，连通泵端与透平端；所述沟槽的型线由泵端到透平端依次为首尾相接的开口向上的抛物线段、第一倾斜直线段、第二倾斜直线段、开口向下的抛物线段；所述第一倾斜直线段、第二倾斜直线段位于轴承轴向的中间段，均为倾斜45°的直线段；第一倾斜直线段、第二倾斜直线段一端相连构成一个夹角，所述夹角的开口方向朝向轴承的旋转方向。第一倾斜直线段、第二倾斜直线段对的夹角呈直角，从而在该处产生局部高压，改善承载性能。开口向上的抛物线段与第一倾斜直线段、第二倾斜直线段与开口向下的抛物线段的连接处为相切关系，以减小水流阻力，提高导水效率。通过两段抛物线实现每条沟槽的两端在周向形成相位差，在一体机运行时，沟槽内的水受到沟槽的作用力，具有从透平腔流入泵腔的趋势，用以抵抗两端的压力差，形成动密封。
将所述轴承的内表面沿圆周方向展开，如图2所示，以沟槽型线的第一倾斜直线段与第二倾斜直线段连接的顶点为原点O；以轴承轴向为y轴、且泵端方向为正方向；圆周方向为x轴、且以转子旋转方向为正方向；则x＝Rθ，其中，R为所述轴承的内径，θ为自原点O处朝向转子旋转方向移动x距离所对应的圆周角。
如图3所示，开口向上的抛物线段在所述轴承轴向的长度为L/3；第一倾斜直线段在轴向的长度为L/6；第二倾斜直线段在轴向的长度为L/3；开口向下的抛物线段在轴向的长度为L/6。则沟槽型线的表达式为：
Figure BDA0003326691120000041
其中，L为轴承宽度，a为可变参数，取值范围为0＜a＜0.6。具体的，a的取值与轴承两端的压力差、动密封性能要求相关，轴承两端的压力差越大，动密封性能要求越高，a的最优取值越大；通过如下公式确定a的取值：
a＝0.6-0.6×e-kp
参数k取值为k＝1.178×10-7Pa-1，p为额定工况下轴承两端的压力差。对于轴承两端压力差50kPa的工况，可以取a＝0.267，该条件下的一条型线坐标如表１所示。
表1
y/mm 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00
Rθ/mm -18.33 -18.29 -18.09 -17.74 -17.21 -16.52 -15.64 -14.57 -13.29 -11.78
y/mm 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00
Rθ/mm -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 -2.00 -4.00 -6.00 -8.00
y/mm 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00
Rθ/mm -10.00 -12.00 -14.00 -16.00 -18.00 -20.00 -22.16 -24.68 -27.67 -31.23
所述轴承与轴的预留间隙为0.05～0.1mm，转速越高，密封性要求越低，预留间隙的最优取值越大。沟槽截面为矩形，深度取轴承与轴的预留间隙的4倍，具有引导水膜流动的作用。背脊区2的表面粗糙度要求为Ra0.8。
沟槽宽度bg通过如下公式确定：
Figure BDA0003326691120000042
其中，n为沟槽数量，Kg为可变参数，一般取Kg＝1，对于密封性要求特别高的，可以取Kg＝0.8。
本发明通过沟槽型线设计，沟槽两端的周向位置不同，在转子旋转时产生动压抵抗两端的压力差，驱使水膜由压力较低的透平端向压力较高的泵端回流，从而达到降低泄漏量的效果。
如图4所示，在轴承两端的压力差为50kPa时，水膜压力分布可明显看出由两端压力差决定的压力梯度特征，但依然可以看出沟槽结构对压力分布的影响，沟槽使高压区沿转动方向后移，从而改善转子稳定性。
如图5所示，将本发明轴承与传统的人字槽轴承、螺旋槽轴承和无沟槽的光滑轴承进行对比。在其他设计参数不变的条件下，本发明轴承的临界转速仅略低于人字槽轴承，显著高于螺旋槽轴承和光滑轴承。在两端压力差50kPa的工况下，本发明轴承的泄漏量仅高于光滑轴承，显著低于人字槽轴承。表明本发明轴承兼顾稳定性与动密封性，综合性能最优。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，轴承内表面均匀布置4～12个沟槽，所述沟槽为通槽，连通泵端与透平端；所述沟槽的型线由泵端到透平端依次为首尾相接的开口向上的抛物线段、第一倾斜直线段、第二倾斜直线段、开口向下的抛物线段；所述第一倾斜直线段、第二倾斜直线段位于轴承轴向的中间段，均为倾斜45°的直线段；第一倾斜直线段、第二倾斜直线段一端相连构成一个夹角，所述夹角的开口方向朝向轴承的旋转方向。
2.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，第一倾斜直线段、第二倾斜直线段对的夹角呈直角；开口向上的抛物线段与第一倾斜直线段、第二倾斜直线段与开口向下的抛物线段的连接处为相切关系。
3.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，将所述轴承的内表面沿圆周方向展开，以沟槽型线的第一倾斜直线段与第二倾斜直线段连接的顶点为原点O；以轴承轴向为y轴、且泵端方向为正方向；圆周方向为x轴、且以转子旋转方向为正方向；则x＝Rθ，其中，R为所述轴承的内径，θ为自原点O处朝向转子旋转方向移动x距离所对应的圆周角；沟槽型线的表达式为：
Figure FDA0003326691110000011
其中，L为轴承宽度，a为可变参数，取值范围为0<a<0.6。
4.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，a的取值与轴承两端的压力差、动密封性能要求相关，轴承两端的压力差越大，动密封性能要求越高，a的最优取值越大；通过如下公式确定a的取值：
a＝0.6-0.6×e-kp
参数k取值为k＝1.178×10-7Pa-1，p为额定工况下轴承两端的压力差。
5.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，所述轴承与轴的预留间隙为0.05～0.1mm。
6.根据权利要求5所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，沟槽截面为矩形，深度取轴承与轴的预留间隙的4倍。
7.根据权利要求3所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，沟槽宽度bg通过如下公式确定：
Figure FDA0003326691110000021
其中，n为沟槽数量，Kg为可变参数，一般取Kg＝0.8～1。
8.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，沟槽之间的背脊区(2)的表面粗糙度小于Ra0.8。
9.根据权利要求1所述的透平式能量回收一体机的水润滑轴承，其特征在于，轴承材料为TC4钛合金，厚度为10～20mm。
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