透平机械及其机械式轴向位移保护系统的制作方法

本实用新型涉及一种机械式轴向位移保护系统，该系统可应用于汽轮机、压缩机和鼓风机等高速旋转的透平机械中，属于机组安全保护系统的一部分。

背景技术：

在透平机械运行过程中，由于转子和流体的相互作用，会产生轴向的作用力(以下简称：“轴向力”)，这一轴向作用力会增大推力轴承的负荷，还有可能会使转子向流体作用力的反方向窜动，导致出现轴向位移，造成设备轴承、密封零件等的寿命减损甚至直接损坏，还会对动静间隙相对较小的叶轮和隔板造成极大的破坏。现有技术中为解决这一问题一般采用如下两种解决方案：

一种是提供相应的平衡推力来抵消轴向力，从而避免轴向位移的发生；具体的说，是采用一个压差式推力平衡装置来抵消大部分的推力，保持一定量的残余轴向力，减小推力轴承的负荷，从而减少轴向位移的产生；如公开号为cn1749573a的中国专利申请文件公开了一种用于旋转透平机械的压差式推力平衡装置，该装置通过调节流过流体通道的流量，来调节平衡盘前后的压差，从而根据轴向力调节平衡推力，该方案可以在一定程度上降低轴向位移发生的可能性，但由于其在应用过程中，存在明显的滞后效应，平衡推力不能根据当时的轴向力立即做出反应，因而其灵敏度低，不能完全杜绝轴向位移的发生。

另一种是当轴向位移发生时，对设备进行停机处理，以避免设备在继续运行过程中，轴向位移对设备造成损伤；其具体的工作原理是：在汽轮机在运行过程中，当轴向位移或窜动过大时，轴向位移保护装置通过泄放速关油(e)触发第一阀门和调节汽阀快速关闭而迫使机组紧急停机。目前透平机械中通常只有电子式轴向位移报警装置，而在工业领域电子式报警跳闸装置存在一定的风险，而一旦发生轴向位移过大，不但会烧毁推力轴承，而且对动静间隙相对较小的叶轮和隔板造成极大的破坏。

综上，现有的技术方案可以在一定程度上降低轴向位移出现的可能性，但当轴向位移出现后，其停机保护系统还存在一定的技术缺陷，不能从根本上避免轴向位移对设备造成损害。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型的第一目的在于：提供一种机械式轴向位移保护系统，当转子出现轴向位移或转子的轴向位移超出阈值时，该系统可触发透平机械停机，从而避免轴向位移对透平机械的损害。

本实用新型的第二目的在于：提供一种应用上述机械式轴向位移保护系统的透平机械。

基于上述目的，本实用新型的一个方面，提供一种机械式轴向位移保护系统，该系统包括机械式轴向位移保护装置及速关油路；

所述机械式轴向位移保护装置，与转子相对且同轴地固定于透平机械的转子的轴承座上，所述轴承座上设置有通孔，该通孔与润滑油路连通；该机械式轴向位移保护装置包括与速关油路连通的第一油孔及可根据位置变化情况与轴承座的通孔连通的泄油通道：当转子的轴向位移低于阈值时，泄油通道与轴承座不连通，机械式轴向位移保护装置及速关油路内的油压保持不变；当转子的轴向位移超过阈值时，泄油通道与轴承座的通孔连通，机械式轴向位移保护装置内的油经由所述泄油通道及轴承座的通孔泄放至润滑油路中，从而其内部油压迅速降低；

所述速关油路，包括第一阀门和第一阀门控制油缸，其中，所述第一阀门控制油缸的控制端与所述机械式轴向位移保护装置的第一油孔连通，动作端与所述第一阀门连接，所述第一阀门设置于连接流体源与透平机械的流体输送通道上；当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，该速关油路控制关闭第一阀门，从而关闭流体源的流体输送通道。

作为优选，所述机械式轴向位移保护装置包括：

壳体，所述壳体内部形成一向所述轴承座一侧开口的容纳腔，该容纳腔的开口端固定于所述轴承座上；所述第一油孔设置于所述壳体侧壁上；

具有空腔的套筒，该套筒设于所述容纳腔内，其靠近轴承座一端的侧壁上设置有第二油孔，该第二油孔与所述轴承座连通，套筒远离轴承座的一端侧壁上设置有与第一油孔相连通的第三油孔；

具有空腔的滑动部件，该滑动部件安装于所述套筒的空腔内，可沿轴向移动，且所述滑动的空腔与所述套筒的空腔相连通；滑动部件靠近轴承座的一端与转子的端面相抵，从而其能够随转子沿轴向移动；滑动部件远离轴承座的一端通过一弹性部件与所述套筒远离轴承座的一端相抵；当转子回位后，所述弹性部件带动所述滑动部件回位；所述滑动部件侧壁上设置有多个与滑动部件的空腔连通的第四油孔，多个第四油孔对应地设置于所述第二油孔的左右两侧，从而当所述滑动部件随转子移动的轴向位移超过阈值时，至少一个第四油孔与所述第二油孔相连通；

所述速关油路内的油经由第一油孔、第三油孔进入滑动部件的空腔内，当转子的轴向位移小于第二油孔与所述第四油孔间的最小间距时，该第四油孔与所述第二油孔之间不连通，滑动部件内油压保持不变；当转子的轴向位移大于第二油孔与所述第四油孔间的最小间距时，第四油孔与所述第二油孔连通，致使滑动部件内的油经由第二油孔及轴承座上的通孔泄放至润滑油路，从而滑动部件内油压降低，触发停机动作。

作为优选，所述壳体远离轴承座的一端设置有一用于调节套筒轴向位置的调节螺母，该调节螺母的一端设置于所述壳体外，另一端贯穿所述壳体后，与所述套筒远离轴承座的一端螺纹连接；可通过该调节螺母来调整所述套筒与所述滑动部件的轴向相对位置，从而调整轴向位移的正负向阈值。

作为优选，所述套筒与所述壳体一体成型。

作为优选，所述速关油路还包括设置于所述第一阀门控制油缸的一个控制端和所述第一油孔之间的第二阀门，在透平机械开机前，先开启该第二阀门，确保第一阀门控制油缸控制第一阀门打开，从而使得流体源与透平机械控制装置之间的流体输送通道畅通。

作为优选，所述速关油路还包括设置于所述第一阀门控制油缸的另一控制端和所述第一油孔之间的第三阀门，在透平机械开机前，先开启该第二阀门，确保第一阀门控制油缸打开第一阀门后，再打开该第三阀门，使第一阀门控制油缸加压，直至速关油路内油压稳定后，关闭第二阀门。

作为优选，所述机械式轴向位移保护系统还包括流量调节阀门及流量调节阀门控制部件，所述流量调节阀门设置于所述流体源与透平机械之间的流体输送通道上，所述流量调节阀门控制部件设置于所述流量调节阀门与所述机械式轴向位移保护装置的第一油孔之间；当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，所述流量调节阀门控制部件控制关闭流量调节阀门，从而关闭流体输送通道。

作为优选，所述流量调节阀门控制部件包括调速器、油动机及流量调节阀门控制油缸，所述调速器分别与所述第一油孔、油动机及流量调节阀门控制油缸连接，所述油动机和流量调节阀门控制油缸均与所述流量调节阀门连接，当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，所述调速器控制所述油动机及流量调节阀门控制油缸动作，关闭所述流量调节阀门。

作为优选，所述机械式轴向位移保护装置的第一油孔还与油源连通，且该油源与第一油孔之间设置有节流部件。

本实用新型的另一个方面，提供一种透平机械，该透平机械包括如上所述的机械式轴向位移保护系统，其中，该机械式轴向位移保护系统的一端通过螺栓固定于转子的轴承座上，当透平机械中的转子的轴向位移超出阈值时，该机械式轴向位移保护系统控制所述透平机械停机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用机械式轴向位移保护系统，相比于电子式报警跳闸装置，在结构及性能上具有较高的稳定性；该机械式轴向位移保护系统的轴向位移保护阈值可通过改变第二油孔与左右两侧第四油孔之间的轴向距离来调整，使其允许较小的轴向位移的存在，从而避免其由于过于灵敏而导致透平机械频繁停机；

当轴向位移出现或超出阈值时，该系统可通过机械结构触发透平机械停机，轴向位移阈值可控，反应较为精准，可有效避免轴向位移对透平机械的损害。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本实用新型实施例中机械式轴向位移保护系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中机械式轴向位移保护装置的局部剖面结构示意图。

100、透平机械；200、油源；300、流体源；

1、转子；2、轴承座；3、机械式轴向位移保护装置；4、速关油路；6、流体输送通道；7、节流部件；

31、壳体；32、套筒；33、滑动部件；34、第一螺栓；35、防倒转销；36、调节螺母；37、固定销；38、垫块；39、第二螺栓；

311、第一油孔；312、第一环形槽；313、第二环形槽；314、密封圈；

321、第二油孔；322、第三油孔；

331、第四油孔；332、弹性部件；333、腰孔；

41、第一阀门；42、第一阀门控制油缸；43、第二阀门；44、第三阀门；

51、流量调节阀门；52、调速器；53、油动机；54、流量调节阀门控制油缸。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，一种机械式轴向位移保护系统，该系统包括机械式轴向位移保护装置3及速关油路4；

所述机械式轴向位移保护装置3，与转子1相对且同轴地固定于透平机械100的转子1的轴承座2上，所述轴承座2上设置有通孔，该通孔与润滑油路连通；该机械式轴向位移保护装置包括与速关油路4连通的第一油孔311及可根据位置变化情况与轴承座2的通孔连通的泄油通道：当转子1的轴向位移低于阈值时，泄油通道与轴承座2不连通，机械式轴向位移保护装置3及速关油路4内的油压保持不变；当转子1的轴向位移超过阈值时，泄油通道与轴承座2连通，机械式轴向位移保护装置3内的油经由所述泄油通道及轴承座2的通孔泄放至润滑油路中，从而其内部油压迅速降低；

所述速关油路4，包括第一阀门41和第一阀门41控制油缸，其中，所述第一阀门41控制油缸的控制端与所述机械式轴向位移保护装置3的第一油孔311连通，动作端与所述第一阀门41连接，所述第一阀门41设置于连接流体源300与透平机械100的流体输送通道6上；当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，该速关油路4控制关闭第一阀门41，从而关闭流体源300的流体输送通道6。

作为一种较优的实施方案，参见图2，所述机械式轴向位移保护装置3与转子1同轴且相对的固定于转子1的轴承座2上，包括：

壳体31，所述壳体31内部形成一向所述轴承座2一侧开口的容纳腔，该容纳腔的开口端固定于所述轴承座2上，所述轴承座2上设置有通孔，该通孔与润滑油路连通；所述壳体31侧壁上设置有与速关油路4相连通的第一油孔311；

具有空腔的套筒32，该套筒32设于所述容纳腔内，其靠近轴承座2一端的侧壁上设置有第二油孔321，该第二油孔321与所述轴承座2的通孔连通，套筒32远离轴承座2的一端侧壁上设置有与第一油孔311相连通的第三油孔322；

具有空腔的滑动部件33，该滑动部件33安装于所述套筒32的空腔内，可沿轴向移动，且所述滑动部件33的空腔与所述套筒32的空腔相连通；滑动部件33靠近轴承座2的一端与转子1的端面相抵，从而其能够随转子1沿轴向移动；所述滑动部件33侧壁上设置有多个与滑动部件33的空腔连通的第四油孔331，多个第四油孔331对应地设置于所述第二油孔321的左右两侧，从而当所述滑动部件33随转子1移动的轴向位移超过阈值时，至少一个第四油孔331与所述第二油孔321相连通；

所述速关油路4内的油经由第一油孔311、第三油孔322进入滑动部件33的空腔内，当转子1的轴向位移小于第二油孔321与所述第四油孔331的间距时，该第二油孔321与所述第四油孔331之间不连通，滑动部件33内油压保持不变；当转子1的轴向位移大于第二油孔321与所述第四油孔331的间距时，第二油孔321与所述第四油孔331连通，致使滑动部件33内的油经由第四油孔331、第二油孔321及轴承座2上的通孔泄放至润滑油路，从而速关油路4内的油压降低，触发停机动作。

作为一种较优的实施方案，滑动部件33远离轴承座2的一端通过一弹性部件332与所述套筒32远离轴承座2的一端相抵；当转子1回位后，所述弹性部件332带动所述滑动部件33回位。

作为一种较优的实施方案，为避免由于长期使用造成的轴向误差，或者在部分情况下，出于对轴向位移的正负向阈值设定不同值的考虑，所述套筒32设置为轴向可调的结构，这样，通过微调套筒32的轴向位置，调节第二油孔321与其两侧第四油孔331的轴向间距，从而实现对轴向位移正负向阈值的设定。具体的，该方案可以为：所述壳体31远离轴承座2的一端设置有一用于调节套筒32轴向位置的调节螺母36，该调节螺母36的一端设置于所述壳体31外，另一端贯穿所述壳体31后，与所述套筒32远离轴承座2的一端螺纹连接；通过该调节螺母36调整所述套筒32与所述滑动部件33的轴向相对位置，从而调整轴向位移的正负向阈值。

作为一种较优的实施方案，所述调节螺母36与壳体31之间设置有一垫块38，所述调节螺母36依次贯穿所述垫块38和壳体31后，连接于所述套筒32远离轴承座2的一端。

作为一种较优的实施方案，所述第一油孔311对应的壳体31内壁上设置有宽度尺寸大于第一油孔311径向尺寸的第一环形槽312，从而使第三油孔322始终与所述第一油孔311相连通；

或者，在其他较优的实施方式中，所述第一油孔311的结构还可以为：其纵截面自内至外呈“t”型，该第一油孔311的内部孔径大于所述第三油孔322的孔径，从而当套筒32的轴向位置发生变化时，第三油孔322始终与所述第一油孔311相连通。

作为一种较优的实施方案，所述容纳腔的开口端的壳体31内壁上设置有第二环形槽313，该第二环形槽313与所述第二油孔321和轴承座2相连通，从而使第二油孔321始终与所述轴承座2相连通。

作为一种较优的实施方案，为防止在运行过程中，滑动部件33与套筒32和/或壳体31之间的相对周向位置发生变化，造成滑动部件33发生轴向位移时，第二油孔321与第四油孔331的轴向位置错开而不能连通的情况，本实施方式对所述壳体31、套筒32及所述滑动部件33之间的周向相对位置进行固定，从而当所述滑动部件33的轴向位移大于第四油孔331与第二油孔321的间距时，第四油孔331与第二油孔321连通。

作为一种较优的实施方案，所述壳体31的侧壁上设置有第一销孔，所述套筒32的侧壁上设置有一与第一销孔同轴的第二销孔，特别地，所述滑动部件33侧壁上设置有一沿轴向延伸的腰孔333，所述第一销孔、所述第二销孔及所述腰孔333之间贯穿有一防转动销固定，同时，由于该部分采用轴向延伸的腰孔333结构，因而套筒32在阈值范围内的轴向移动不受限制。

作为一种优选的实施方式，所述壳体31为可拆卸式结构，如包括上壳体31和下壳体31，上壳体31和下壳体31扣合而形成容纳腔，从而套筒32、滑动部件33均可根据实际情况更换，如，当需要整体缩小或增大轴向位移的正负阈值差时，可通过更换具有相应孔径的第二油孔321的套筒32和/或更换两第四油孔331的轴距为相应值的滑动部件33来实现。当然，所述壳体31还可以为左右可拆卸式结构或前后可拆卸式结构等，本申请对此不作限定。

作为一种优选的实施方式，所述滑动部件33包括滑阀。

当然，在其他较优的实施方式中，所述套筒32与所述壳体31一体成型。

作为一种优选的实施方式，所述壳体31靠近轴承座2的一端通过第一螺钉固定于所述轴承座2上。

作为一种优选的实施方案，所述套筒32与所述壳体31一体成型。

作为一种优选的实施方案，所述速关油路4还包括设置于所述第一阀门41控制油缸的一个控制端和所述第一油孔311之间的第二阀门43，在透平机械100开机前，先开启该第二阀门43，确保第一阀门41控制油缸控制第一阀门41打开，从而使得流体源300与透平机械100控制装置之间的流体输送通道6畅通。

作为一种优选的实施方案，如图1所示，所述速关油路4还包括设置于所述第一阀门41控制油缸的另一控制端和所述第一油孔311之间的第三阀门44，在透平机械100开机前，先开启该第二阀门43，确保第一阀门41控制油缸打开第一阀门41后，再打开该第三阀门44，使第一阀门41控制油缸加压，直至速关油路4内油压稳定后，关闭第二阀门43。

作为一种优选的实施方案，所述机械式轴向位移保护系统还包括流量调节阀门51及流量调节阀门51控制部件，所述流量调节阀门51设置于所述流体源300与透平机械100之间的流体输送通道6上，所述流量调节阀门51控制部件设置于所述流量调节阀门51与所述机械式轴向位移保护装置3的第一油孔311之间；当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，所述流量调节阀门51控制部件控制关闭流量调节阀门51，从而关闭流体输送通道6。

作为一种优选的实施方案，所述流量调节阀门51控制部件包括调速器52、油动机53及流量调节阀门51控制油缸，所述调速器52分别与所述第一油孔311、油动机53及流量调节阀门51控制油缸连接，所述油动机53和流量调节阀门51控制油缸均与所述流量调节阀门51连接，当所述机械式轴向位移保护装置内油压降低时，所述调速器52控制所述油动机53及流量调节阀门51控制油缸动作，关闭所述流量调节阀门51。

作为一种优选的实施方案，所述机械式轴向位移保护装置3的第一油孔311还与油源200连通，且该油源200与第一油孔311之间设置有节流部件7，优选地，该节流部件7包括节流阀。

上述结构中，如图2，滑动部件33可在装入壳体31的套筒32中沿轴向滑动，滑动部件33靠近轴承座2的一端与高速旋转的转子1靠近轴承座2一端的端面光滑接触。壳体31用第一螺栓34固定在轴承座2上且有锥销定位，为保证壳体31与轴承座2之间装配的密封性，在壳体31与轴承座2之间加设密封圈314。

参见图2，在正常状态下，速关控制油由接口p进入装置的速关油控制腔b，通过套筒32的第三油孔322进入内腔c，通过第四油孔331选择性地与轴承座2相连通。第四油孔331与第二油孔321的距离值即为轴向位移的设定值。

滑动部件33被弹性部件332紧紧的压在转子1端面，使速关控制油路有稳定的油压。当透平机械100的转子1的轴向位移有改变时，滑动部件33随转子1向正向或负向移动，轴向位移超过阈值(设计保护值)时，泄油通道的油路相连通，滑动部件33内的速关控制油通过该泄油通道泄放至轴承座2，油压迅速下降，关闭速关阀和调节汽阀，实现透平紧急停机。

当机组复位时，滑动部件33再次被弹性部件332紧紧的压在转子1端面，使速关控制油路有稳定的油压，从而保证透平机械100正常工作。

本实施例还提供一种基于上述机械式轴向位移保护装置、系统的一种透平机械100，该透平机械100包括如上所述的机械式轴向位移保护系统，该机械式轴向位移保护系统的一端通过螺栓固定于转子1的轴承座2上，当透平机械100中的转子1的轴向位移超出阈值时，该机械式轴向位移保护系统控制所述透平机械100停机。

综上，本实用新型采用机械式轴向位移保护装置，相比于电子式报警跳闸装置，在结构及性能上具有较高的稳定性；此外，该机械式轴向位移保护系统的轴向位移保护阈值可通过改变第二油孔与左右两侧第四油孔之间的轴向距离来调整，使其允许较小的轴向位移的存在，从而避免其由于过于灵敏而导致透平机械频繁停机；通常情况下，第二油孔与左右两侧第四油孔之间的轴向距离可通过更换滑动部件或套筒来实现；

当轴向位移出现或超出阈值时，该系统可通过机械结构触发透平机械停机，轴向位移阈值可控，反应较为精准，可有效避免轴向位移对透平机械的损害。

此外，需要说明的是：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。