在流体环境中使用的PDC轴承

摘要

本发明涉及一种利用PDC按钮来形成轴承表面的相对周向阵列的自动对齐轴承组件，特别适用于流体环境中，例如当支承水电涡轮机的转子时浸没在流动的水中时。一个轴承表面支承为用于与转子一起旋转。相对轴承表面由在静止壳体中的球形接头来支承。当转子受到水力负载时，相对轴承表面能够倾斜，以便与转子轴线自动对齐。

权利要求

1.一种用于浸没在流体环境中的自动对齐径向轴承组件包括：

静止壳体，该静止壳体具有穿过它形成的孔、壳体轴线和内部凹形表面，轴承壳体用于安装在静止支承件上；

外部轴承支承件，该外部轴承支承件装入静止壳体的孔内，该外部轴承支承件具有外部凸形表面、内部轴承表面和穿过它形成的孔，该外部凸形表面与静止壳体的内部凹形表面配合，用于在它们之间形成球形接头，该内部轴承表面包括多个支承于其中的径向向内延伸多晶金刚石复合片(PDC)按钮；以及内部轴承支承件，该内部轴承支承件径向和可旋转地支承在外部轴承支承件的孔内，并具有外部轴承表面和穿过它形成的孔，该孔具有转子轴线，用于接收穿过它延伸的转子并与其共同旋转，外部轴承表面包括多个支承于其中的径向向外延伸PDC按钮，其中，当转子轴线偏离壳体轴线时，外部轴承支承件在球形接头中倾斜。

2.根据权利要求1所述的轴承组件，其中：至少径向向外延伸的PDC按钮的轴承面具有柱形型面，该柱形型面的中心在转子轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的轴承组件，其中：在每一个内部和外部轴承表面上的该多个PDC按钮布置成至少两个轴向间隔的周向排；

其中，在内部或外部轴承表面中的一个上的一排的多个PDC按钮与在该至少两排中的另外排的多个PDC按钮沿周向角度偏离，用于在内部和外部轴承表面之间提供基本连续的径向支承和负载过渡。

4.根据权利要求1或2所述的轴承组件，其中：该多个PDC按钮在每一个内部和外部轴承表面上布置成两个轴向间隔的周向排；

其中，在内部或外部轴承表面中的任意一个上的两排的多个PDC按钮沿周向彼此相对角度偏离，在内部或外部轴承表面中的另一个上的两排的多个PDC按钮沿轴向对齐。

5.根据权利要求1或2所述的轴承组件，其中：该多个PDC按钮在每一个内部和外部轴承表面上布置成三个轴向间隔的周向排；

其中，在内部或外部轴承表面中的任意一个上的三排的多个PDC按钮沿周向彼此相对角度偏离，在内部或外部轴承表面中的另一个上的三排的多个PDC按钮沿轴向对齐。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的轴承组件，其中：静止壳体是包括底部轴承壳体和上部轴承壳体的轴向剖分式轴承壳体，用于安装外部轴承支承件。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的轴承组件，还包括：防旋转销，用于在静止壳体和外部轴承支承件之间啮合，用于当允许外部轴承支承件在球形接头中倾斜时限制外部轴承支承件的反应旋转运动。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的轴承组件，其中：外部轴承支承件还包括多个周向布置的弓形垫段，这些弓形垫段支承在外部支承环内，该多个段各自有用于形成内部轴承表面的内表面，外部支承环具有外部凸形表面。

9.一种水电涡轮机系统包括：

静止涡轮支承结构，该静止涡轮支承结构位于动力流体流中；

涡轮，该涡轮位于动力流体流内，用于通过该动力流体流而旋转；

发电机，该发电机在动力流体的表面上；

可旋转的转子，该转子在处于上端的发电机和沿它支承的涡轮之间进行连接，该转子有转子轴线；以及轴承组件，该轴承组件在转子的底端和静止涡轮支承结构之间进行连接，并浸没在动力流体中，该轴承组件包括权利要求1至8中任意一项所述的自动对齐轴承组件。

10.根据权利要求9所述的水电涡轮机系统，其中：至少径向向外延伸的PDC按钮的轴承面有柱形型面，该柱形型面的中心在转子轴线上。

11.根据权利要求9或10所述的水电涡轮机系统，其中：该多个PDC按钮在每一个内部和外部轴承表面上布置成至少两个轴向间隔的周向排；

其中，在内部或外部轴承表面中的任意一个上的至少两排的多个PDC按钮沿周向彼此相对角度偏离，在内部或外部轴承表面中的另一个上的至少两排的多个PDC按钮沿轴向对齐。

12.根据权利要求9至11中任意一项所述的水电涡轮机系统，其中：静止壳体是包括底部轴承壳体和上部轴承壳体的轴向剖分式轴承壳体，用于安装外部轴承支承件。

13.根据权利要求9至12中任意一项所述的水电涡轮机系统，还包括：防旋转销，用于在静止壳体和外部轴承支承件之间啮合，用于当允许外部轴承支承件在球形接头中倾斜时限制外部轴承支承件的反应旋转运动。

14.根据权利要求9至13中任意一项所述的水电涡轮机系统，其中：外部轴承支承件还包括多个周向布置的弓形垫段，这些弓形垫段支承在外部支承环内，该多个段各自有用于形成内部轴承表面的内表面，外部支承环具有外部凸形表面。

说明书

在流体环境中使用的PDC轴承

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是要求美国临时专利申请No.61/161282的优先权的正常申请，该美国临时专利申请No.61/161282的申请日为2009年3月18日，该文献整个被本文参引。

技术领域

[0003] 本发明的实施例涉及用于支承可旋转转子对抗径向负载的轴承，更特别地是涉及用于流体环境中的轴承，例如在水电涡轮机系统中。

背景技术

[0004] 已知轴承用于支承转子对抗径向负载。当径向轴承用于流体环境中时，例如浸没在流体中时，流体可以是或不是润滑流体，并可以包括进入轴承表面之间的间隙的颗粒。流体环境可能产生降低轴承的寿命及其无效操作。

[0005] 一种在水电应用中使用的这种轴承组件的实例支承转子，该转子在浸没于水流中的涡轮叶片和在水面的发电机之间进行连接，其中，轴承组件支承转子的底端，并完全浸没在水中。

[0006] 在工业中需要改进的轴承组件，它在流体环境中操作，且不会由于流体或流体中的颗粒而失效。

发明内容

[0007] 本发明的实施例包括球形接头，以便当转子和轴承组件受到水力负载时，使得轴承组件能够与转子自动对齐，例如水电涡轮机的转子。使用PDC按钮以形成相对的轴承面，产生基本不可破坏的轴承表面，适用于载有颗粒的流体环境。根据本发明实施例的轴承组件重量轻并且坚固。

[0008] 在广义方面，用于浸没在流体环境中的自动对齐径向轴承组件包括：静止壳体，该静止壳体具有穿过它形成的孔、壳体轴线和内部凹形表面，轴承壳体用于安装在静止支承件上；外部轴承支承件，该外部轴承支承件装入静止壳体的孔内，该外部轴承支承件具有外部凸形表面、内部轴承表面和穿过它形成的孔，该外部凸形表面与静止壳体的内部凹形表面配合，用于在它们之间形成球形接头，该内部轴承表面包括多个支承于其中的径向向内延伸的PDC按钮；以及内部轴承支承件，该内部轴承支承件径向和可旋转地支承在外部轴承支承件的孔内，并具有外部轴承表面和穿过它形成的孔，该孔有转子轴线，适用于与穿过它延伸的转子共同旋转，内部轴承支承件由转子支承，用于与它共同旋转，外部轴承表面包括多个支承于其中的径向向外延伸PDC按钮，其中，当转子轴线偏离壳体轴线时，外部轴承支承件在球形接头中倾斜。

[0009] 在实施例中，在内部轴承支承件上径向向外延伸的PDC按钮的轴承面被磨成柱形型面，以便当内部轴承支承件与转子共同旋转时，防止按钮的唇缘与唇缘接触。经过一段时间，外部轴承支承件的径向向内延伸的轴承面可以磨成相应的柱形型面。

[0010] 在另一广义方面，一种水电涡轮机系统包括：静止涡轮支承结构，该静止涡轮支承结构位于动力流体流中；涡轮，该涡轮位于动力流体流内，用于通过该动力流体流而旋转；发电机，该发电机在动力流体的表面上；可旋转的转子，该转子在处于上端的发电机和沿它支承的涡轮之间进行连接，该转子有转子轴线；以及轴承组件，该轴承组件在转子的底端和静止涡轮支承结构之间进行连接，并浸没在动力流体中，该轴承组件有：静止壳体，该静止壳体有穿过它形成的孔、壳体轴线和内部凹形表面，轴承壳体适用于安装在静止支承件上；
外部轴承支承件，该外部轴承支承件装入静止壳体的孔内，该外部轴承支承件有外部凸形表面、内部轴承表面和穿过它形成的孔，该外部凸形表面与静止壳体的内部凹形表面配合，用于在它们之间形成球形接头，该内部轴承表面包括多个支承于其中的径向向内延伸的PDC按钮；以及内部轴承支承件，该内部轴承支承件径向和可旋转地支承在外部轴承支承件的孔内，并具有外部轴承表面和穿过它形成的孔，该孔有转子轴线，适用于与穿过它延伸的转子共同旋转，内部轴承支承件由转子支承，用于与它共同旋转，外部轴承表面包括多个支承于其中的径向向外延伸的PDC按钮，其中，当转子轴线偏离壳体轴线时，外部轴承支承件在球形接头中倾斜。

[0011] 优选是，PDC按钮提供了基本不可破坏的轴承面，该轴承面不容易由于在流体环境中的颗粒而损坏。

[0012] 根据本发明实施例的轴承组件重量轻并且坚固，轴承表面有较长寿命。

附图说明

[0013] 图1是表示根据本发明实施例的、用于水电应用中的轴承组件的示意图，轴承浸没在运动的水流中；

[0014] 图2是根据图1的透视图，表示了根据本发明实施例的浸没的轴承组件；

[0015] 图3是装入轴向剖分式轴承壳体中的轴承组件的透视图，例如图2所示的轴承组件；

[0016] 图4是根据图3的轴承组件的透视图，轴向剖分式轴承壳体的上部部分已经除去，用于清楚表示在轴承壳体和外部轴承支承件之间形成的球形接头的凸形外部凸形表面，并通过箭头表示了球形接头的角度运动；

[0017] 图5是图4的轴承组件的透视图，轴向剖分式轴承壳体的底部部分已经除去，并表示了防旋转杆，该防旋转杆将外部轴承支承件锁定在轴承壳体上，用于防止反应旋转；

[0018] 图6是根据图3的轴承组件和装配的轴向剖分式轴承壳体的剖视图；

[0019] 图7是根据图3的轴承组件的透视图，轴承壳体外部轴承支承件的一部分已经除去，以便表示内部和外部轴承支承件的轴承表面；

[0020] 图8是根据图7的透视图，形成外部轴承支承件的一部分的多个静止垫段已经除去，用于表示从该除去的段上剩余的多晶金刚石复合片(PDC)按钮，PDC按钮啮合在内部轴承支承件上，用于在外部轴承支承件内旋转；

[0021] 图9是根据图8的透视图，从除去的垫段上剩余的PDC按钮已经除去，用于更好地表示偏移PDC；

[0022] 图10A是轴承表面的相对PDC轴承面的示意图，在旋转内部轴承支承件上的轴承面制造成具有柱形面，在外部轴承支承件上的相对轴承面形成或者在使用过程中磨成柱形面；

[0023] 图10B是根据图10A的示意图，在外部轴承支承件上的平轴承面还没有磨成柱形面；

[0024] 图11是根据本发明实施例的轴承组件的平面图，该轴承组件布置在测试装置中，用于模拟该轴承组件上的径向负载；

[0025] 图12是根据图11的测试装置的透视图，表示了在内部轴承支承件和外部轴承支承件上的轴承表面；

[0026] 图13是根据图11的测试装置的剖视图；以及

[0027] 图14是根据图11的测试装置的平面图，轴承壳体被除去，用于清楚表示两个或更多倾斜垫，这些倾斜垫用于支承在外部轴承支承件上的轴承表面。

具体实施方式

[0028] 本发明的实施例包括球形接头，以便当转子和轴承组件受到水力负载时使得轴承组件与涡轮机的转子能够自动对齐。使用PDC按钮，用来形成轴承表面的相对周边阵列，形成基本不可破坏的轴承表面，适合在载有颗粒的流体环境中使用。

[0029] 参考图1和2，本发明实施例的轴承组件理想地用于具有较差润滑性质或包含污染物的流体环境中，该污染物将破坏普通轴承。一种这样的环境是在水力发电涡轮机系统中。

[0030] 如图所示，水电涡轮机系统10包括静止的涡轮支承结构12，该涡轮支承结构12通常将水电涡轮机系统10支承在合适的动力流体流中，例如在压力水管、水闸等中流动的水W中。具有转子轴线S的转子14与涡轮16可旋转地连接，该涡轮16沿转子支承，并浸没在水流中，且发电机18连接在上端20处，位于水面上。转子14通过上部的普通轴承组件(未示出)而径向和轴向支承于上端20处。根据本发明实施例的轴承组件100连接在转子14的底端22和支承结构12之间。如本领域中已知的，涡轮16和轴承组件100完全浸没在动力流体中，以使得涡轮16能够通过水流而旋转。

[0031] 参考图3-6，在本发明的实施例中，轴承组件100包括管形轴承壳体或静止壳体102，该管形轴承壳体或静止壳体102有穿过它形成的孔104和壳体轴线X。外部轴承支承件108和内部轴承支承件118支承在静止壳体102中。如图1中所示，内部轴承支承件118可旋转地支承在转子14的底端22上，用于与该转子14共同旋转。

[0032] 具有穿过形成的孔110的外部轴承支承件108同心地支承在轴承壳体的孔104内。外部轴承支承件108包括外部凸形表面112。轴承壳体102还包括在孔104处的内部凹形表面106。外部凸形表面112与轴承壳体102上的内部凹形表面106配合，用于在它们之间形成球形接头114。球形接头114允许相对于静止壳体102，外部轴承支承件108的角度移动或倾斜移动，用于调整外部轴承支承件108在静止壳体102中的对准，以应对转子14的径向负载和在转子轴线S中产生的变化。外部轴承支承件108还包括内部轴承表面
116。内部轴承表面116大致为柱形，具有大约在转子轴线S处的中心。

[0033] 内部轴承支承件118同心地、可旋转地支承在外部轴承支承件108的孔110内。内部轴承支承件118有外部轴承表面120，当转子14和内部轴承支承件118共同旋转时，该外部轴承表面120与外部轴承支承件108的内部轴承表面116啮合。外部轴承表面120也为柱形，具有大约在转子轴线S处的中心。

[0034] 同心布置的内部和外部轴承支承件108、118彼此轴向定位以保证它们的相对外部和内部轴承表面120、116轴向啮合。内部和外部轴承支承件108、118提供了用于固定在使用轴承组件100的装置的旋转和静止部件上的结构。通常，装置的转子14例如通过止推轴承(未示出)而轴向支承，用于使得内部轴承支承件118相对于外部轴承支承件108轴向定位。

[0035] 最好如图7-9中所示，内部和外部轴承表面116、120支承在它们上面的多个轴承表面122。在本发明的实施例中，该多个轴承表面122是多晶金刚石复合片(PDC)插入件或按钮，这些插入件或按钮分别安装在外部和内部轴承支承件108、118的内部和外部轴承表面116、120上。PDC按钮122安装成围绕内部轴承支承件118的外部轴承表面120和外部轴承支承件108的内部轴承表面116上的周边的、至少两个轴向间隔的周向排。

[0036] 在内部轴承表面116上的多个PDC按钮122布置成围绕转子轴线S的圆形阵列。在外部轴承表面120上的多个PDC按钮122布置成围绕转子轴线S的圆形阵列。

[0037] 如图8和9中所示，在内部轴承支承件118或外部轴承支承件108中的一个上各排中的PDC按钮122的阵列相对于轴向相邻排的PDC按钮，周向偏转角度或偏移。PDC按钮122的偏转角度布置保证总是有与外部PDC按钮122啮合的内部PDC按钮122。在内部轴承支承件118或外部轴承支承件108中的另一个上的PDC按钮122能够与相邻排轴向对齐(图8)，因此总是有周向偏转角度。而且，如上所述的PDC按钮122的布置允许内部和外部轴承支承件118、108的一些轴向偏差。因此，PDC按钮122的总体布置使得当转子14旋转时在PDC按钮122之间的平滑负载过渡。这消除了PDC按钮122的“阻塞”或间断负载。

[0038] 在一个实施例中，多个PDC按钮122在各内部和外部轴承表面116、120上设置成两排。在内部或外部轴承表面116、120中的一个上，在两排中的一排中的多个PDC按钮122相对于两排中的另一排周向偏离角度。在内部或外部轴承表面116、120的另一个上的两排中，多个PDC按钮122轴向对齐。

[0039] 在一个实施例中，多个PDC按钮122在各内部和外部轴承表面116、120上设置成三排。在内部或外部轴承表面116、120中的一个上，在三排中的多个PDC按钮122相对于三排中的其它排周向偏离角度。在内部或外部轴承表面116、120的另一个上的三排中，多个PDC按钮122轴向对齐。

[0040] 参考图6至10B，在本发明的实施例中，多个PDC按钮122安装或固定在轴承表面116、120上，例如通过压配合装入形成于该轴承表面中的孔124内。引导孔126从孔124穿过外部轴承支承件108和内部轴承支承件118延伸，以便当PDC按钮122压入孔124内时允许空气排出。如本领域技术人员已知的，可选择地，PDC按钮122能够通过铜焊或使用粘接剂而固定在外部和内部轴承支承件108、118的孔124中。

[0041] 如图4、5和7-9所示，外部轴承支承件108还包括多个周向布置的弓形垫段138，各弓形垫段138有用于形成内部轴承表面116的内表面140。内表面140支承径向向内定向的PDC按钮122，用于与在内部轴承支承件118上的径向向外定向的PDC按钮122啮合。弓形垫段138例如使用紧固件支承在外部轴承环144的孔142内，用于形成外部轴承支承件108。安装孔146能够将弓形垫段140安装在外部支承环144上。外部支承环144具有凸形外表面112。

[0042] 如图4和6中所示，轴承壳体102是轴向剖分式轴承壳体，包括底部轴承壳体134和上部轴承壳体136，用于使得支承环144容易安装。

[0043] 如图4中的箭头所示，在外部支承环144和静止壳体102之间的球形界面或接头114允许轴承组件100与涡轮转子14角度自动对齐，例如当涡轮转子14和支承结构12在施加负载的作用下偏斜时。换句话说，当转子的轴线S从壳体的轴线X偏斜时，轴承组件
100倾斜或进行角度移动，以便与转子轴线S对齐。

[0044] 如图5和6中所示，装置，例如多个防旋转杆或销148，在外部支承环144和静止壳体102之间啮合，以便限制外部轴承支承件108随内部轴承支承件118和转子14进行的反应旋转。多个防旋转销148由静止壳体102活动支承，以便允许轴承组件100的角度或倾斜移动，同时限制外部轴承支承件108的旋转运动。

[0045] 如图10A中所示，在内部轴承支承件118上的PDC按钮122的阵列中的各PDC按钮122的轴承面150形成柱形型面。各轴承面150形成围绕转子轴线S的总体柱形型面的一个弧或段。至少使得旋转的内部轴承支承件118上的PDC按钮122的轴承面150形成型面，用于在内部轴承支承件118上的PDC按钮122弧形旋转以与静止的外部轴承支承件108上的PDC按钮122啮合时，避免按钮的唇缘与唇缘接触。

[0046] 经过一段时间，在外部轴承支承件108上的PDC按钮122的未形成型面的面152(图10B)在轴承面150，152相互啮合时，将磨成柱形型面153。可选择地，外部轴承支承件上的PDC按钮122可以形成为柱形型面。柱形型面可以被研磨。

[0047] 如这里所述，使用多个PDC按钮122能够降低负载，并使得轴承表面116、120具有较长寿命。

[0048] 测试装置

[0049] 下面参考图11-14，图中表示了用于径向轴承组件200的部件，该径向轴承组件200用作用于模拟径向负载的测试装置。负载利用液压来模拟。

[0050] 轴承组件200包括作为轴承表面203的多个PDC插入件或按钮202。PDC按钮202的周向布置径向向外定向在内部环204上，以便朝着在外部环206上的、径向向内定向的PDC按钮202。外部环206包括支承在壳体210内的一个或多个段208。内部环204和外部环206同心，且内部环204相对于外部环206旋转。PDC按钮202支承在内部环和外部环204、206中，且它们的轴承面旋转啮合。因为PDC按钮202形成不连续的轴承表面，因此，通过设置至少两个轴向间隔的周向排的PDC按钮202以提供连续的径向支承。在内部环或外部环204、206中的一个上，一排PDC按钮202与在另一排或另外排的PDC按钮202偏离。
因此，对于基本360度的旋转，都一直有径向轴承表面。

[0051] 参考图11、12和14，在本发明的实施例中，例如为了施加可变径向负载或调节内部环和外部环204、206的同心度，以及为了容易插入PDC按钮202，在外部环206的内部面212上的轴承表面203支承在两个或更多间隔的弓形倾斜垫214上。弓形倾斜垫214是用于形成外部环206的段208，并围绕壳体210的内周或内部面布置。两个或更多弓形倾斜垫
214中的每一个围绕壳体210的内部面216倾斜地支承，例如通过球形支承辊218，用于使得倾斜垫214上的轴承表面203与内部环204上的轴承表面203对齐。在本发明的实施例中，倾斜垫214围绕外部环206的内周216均匀布置，以便均匀分配径向负载。在具有两个倾斜垫214的实施例中，倾斜垫214彼此相对地间隔。在具有超过两个倾斜垫214的实施例中，倾斜垫214可以围绕内周216均匀间隔，或者可以分组以对着在内周216的相对侧的倾斜垫214。

[0052] 在本发明的实施例中，最好如图11、12和14所示，倾斜垫214径向支承在壳体210上。一个或多个倾斜垫214可以使用固定螺钉220穿过壳体210来安装，以便能够使它人工定心。在最适用于测试轴承组件200的实施例中(图14)，至少剩余的倾斜垫214可以使用液压装置222安装成液压浮动，液压负载的施加适合模拟轴承组件200的径向负载。在最适合商业用途的实施例中，全部倾斜垫214也能够使用固定螺钉220或其它这样的紧固件来安装。

[0053] 如图11、12和14中所示，同心槽128围绕内部轴承支承件118的上表面和底表面130、132而形成，并与插入PDC按钮的孔124流体连接。当PDC按钮122插入时，空气从孔
124排出至槽128中。