CN101821519A - 具有密封功能的径向箔片轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有密封功能的径向箔片轴承，其包括具有厚度为t≥0.1·D^0.33的顶端箔片(3)及能够防止轴承部件脱落和遮挡充当润滑油作用的气体通过凸起箔片(2)之间的间隙的塞子(7)，其中，t为厚度(mm)，D为轴直径(mm)。根据本发明，通过设置能够遮挡凸起箔片之间缝隙的塞子(7)，使轴(6)和顶端箔片(3)之间仅留有微细的缝隙，所以可以提供具有最小缝隙的高性能的密封功能。

Description

具有密封功能的径向箔片轴承

技术领域

本发明涉及一种具有密封功能的径向箔片轴承。

背景技术

轴承可粗分为滚动轴承(使用滚珠或滚子)、无油轴承(使用具有润滑性的材料来摩擦并动作)、滑动轴承(使用油)、气体轴承及磁性轴承(利用磁力作无接触动作)。滑动轴承又分为动压滑动轴承和静压滑动轴承，其中动压滑动轴承通过相对滑动运动产生油压来支承轴；静压滑动轴承通过从轴承外部供给高压的油来支承轴。气体轴承是以气体来代替油，其工作原理与滑动轴承相同。若从外部输入加压气体，则为静压气体轴承，若通过相对滑动运动来产生压力，则为动压气体轴承。

动压气体轴承由于具有摩擦损失少、不需要液体润滑油等特点，广泛应用于高速旋转领域，尤其适用于很难用滚动轴承支承的超高速领域和难以使用液体润滑油的地方。动压气体轴承可分为沟槽轴承、斜垫轴承和箔片轴承，其中沟槽轴承是通过设置沟槽结构来产生压力，其代表例是螺旋沟槽轴承。动压液膜斜垫轴承(Hydrodynamic fluid-film tilt pad bearing)的使用条件非常有限，因此，若超过该条件，其被损坏的危险性会增大。例如在设计条件以上或以下的条件下，刚性急速降低，所以该轴承对冲击、轴的不对准(misalignment)及热变形非常脆弱。与此相比，被称为顺应动压液膜轴承(Compliant hydrodynamicfluid-film bearing)的箔片轴承能够提供显著高于固定形态的斜垫轴承的性能，而且最近20年来实现了飞跃性的发展，其充分的耐久性和稳定性已在航空器空调和装置上得到验证，尤其适用于如超过10万RPM的超高速旋转的极低温用涡轮压缩机那样的高速旋转设备。此轴承在混有少许液体的情况下也能够使用，其优点是柔软性和可低价格化。航空中的箔片轴承从1970年开始主要使用在环境调节装置ECS的气冷设备(Air Cooling Machine：ACM)中，该设备是用于调节机舱内的压力和温度的核心组成部件，这可以看作是箔片轴承最佳的使用例。在此应用中，由于箔片轴承没有油系统，因此不会污染机舱内部，不需要预定的维修日程，与滚珠轴承相比可以进行足够长时间的稳定性动作。并且，即使在轴承破损时，几乎也不会造成涡轮组成部件的破损的，使得应用于波音(Boeing)747的箔片轴承不需维修也能进行超过10万小时以上的工作。

箔片轴承粗分为两大类。如图1所示，分为将每片翼状箔片沿旋转方向重叠一部分配置并支承轴的叶式(Leaf type)箔片轴承，和如图2所示，将整体做成一个箔片，在箔片外部配置以多种形态支撑箔片的弹簧的凸起式箔片轴承(Bump type foil bearing)。叶式箔片轴承可适用于支承负载小且外部冲击少的情况，具有启动扭矩大的缺点。与此相比，凸起式箔片轴承被认为启动时的负载小，而且耐久性和刚性优秀，但设计和生产很复杂，尤其是难以确保稳定性，所以全世界只有2～3家左右持有该技术。在轴承壳1内部焊接有具有弹簧功能的凸起箔片(Bump foil)，在凸起箔片内侧与轴基本上抵接的顶端箔片(Top foil)被焊接在轴承壳1上。当轴旋转而带过空气时，顶端箔片和凸起箔片变形，并产生用于形成支承负载的液膜的空间。在箔片轴承上用于产生液膜的几何结构是由顶端箔片的弹性变形来提供。转数越高，顶端箔片和凸起箔片越被推向外部，若轴脱离中心，则形成会聚楔形(Converging Wedge)的空间。此时，由于箔片轴承具有顶端箔片变形的特征，所以通过进行很好的设计，利用顶端箔片的微细变形，可以得到不需复杂的机械加工而能够产生适当动压的最佳形态。而且，由于在半径方向产生的间隙余量，所以可得到能够对应基于高速旋转的轴直径的增加的优点。决定这些特征的是顶端箔片的厚度和支承顶端箔片的凸起箔片的形状。特别是，通过凸起箔片的设计决定轴系所需的刚性和阻尼(damping)的提供，因此凸起箔片的形状、厚度、高度、间距及个数等成为决定轴承性能的最重要的因素。

而且，军事用轴承要求具有更加耐高速、恶劣环境及冲击的性能，在高速、高功率和高效率B LDC电机中，由一般油润滑轴承不能提供军事用轴承所要求的性能。而且，在结构上要能承受足够的不对准、热和振动，为此，为了得到最大的支承力，通常认为将凸起箔片沿轴向分离并沿旋转方向分离比较有利。

在美国申请专利的有关文件如下：4,300,806；5,915,841；5,988,885；4,465,384；5,498,083；5,584,582；6,024,491；6,190,048B1；4,624,583；3,893,733；3,809,443；4,178,046；4,654,939；4,005,914；5,911,511；5,534,723；5,427,455；5,866,518。

有关其原理的专利已经在1970年代提出基本专利而期满，可知通过对凸起箔片和顶端箔片的结构改变来努力提高性能。而且，由美国专利号为5,886,518的专利，可知为开发能够适用于高温且粘接性良好的金属性干式润滑剂而进行了许多努力。

而且，到目前为止没有尝试由箔片轴承同时起到密封件的作用，虽然有过用箔片轴承形态的密封件尝试箔片密封件，但是以变形顶端箔片的形态没有起到轴承的作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有密封功能的径向箔片轴承，其除了具有轴承的功能以外，同时还能起到密封件的作用。

为解决上述技术问题，本发明的径向箔片轴承，其包括有：具有如下厚度的顶端箔片，及能够防止轴承部件脱落和遮挡充当润滑油作用的气体通过凸起箔片之间的缝隙的塞子，

t≥0.1·D^0.33，

其中，t为厚度[mm]，

D为轴直径[mm]。

附图说明

图1是径向箔片轴承的现有形态示意图。

图2是具有加厚的顶端箔片的箔片轴承的示意图。

图3是本发明具有密封功能的径向箔片轴承的示意图。

图4是本发明具有密封功能的径向箔片轴承的示意图。

具体实施方式

图1所示是至今为止使用的代表性的箔片轴承形态，图2所示是具有加厚的顶端箔片3的箔片轴承的形态。因为周围充当润滑油作用的气体可以向具有凸起箔片2的地方流动，所以存在需要追加设置密封件的困难，而因轴6的动作，密封件的性能也降低许多。

因此，可使箔片轴承仅在轴6和顶端箔片3之间留有微小间隙而进行密封，从而使其具有密封件的功能。

本发明是将图2所示的凸起式径向箔片轴承的结构进行改进，从而使其具有密封件的功能。如图3、图4所示，通过使用由车床加工制作的具有足够厚度的顶端箔片3和能够遮挡凸起箔片2之间缝隙的塞子7，使得轴6和轴承之间仅存有微小的缝隙而去除其他所有的流动缝隙，从而可提供高性能的密封功能。

以上所述顶端箔片3所具有的足够厚度，通过具体的刚性和性能试验验证，需满足下面的关系式：

t≥0.1·D^0.33，

t：厚度[mm]，

D：轴直径[mm]。

当然，考虑到轴6的动作，塞子7的内径要大于轴直径，顶端箔片3与塞子7之间沿轴向要具有热膨胀等所需的间隙余量，才能保证轴不受干涉而发挥作用。

此外，所述塞子7还具有轴承防脱壁(即防止轴承部件脱落)的功能，并且该功能对所有种类的箔片轴承是相同的。

对加厚顶端箔片3的厚度的轴承来说，利用轴承防脱壁(Stopper)来执行密封功能至今没有任何尝试过，国际性的箔片轴承企业Miti(http://www.miti.cc)也仅是通过另外开发翼型密封件(Air Foil Seal)以实现密封。

因此，采用本发明的技术方案，可利用调换塞子7的尺寸来进行高性能的密封，从而不存在因采用密封件而增加高速轴长度的问题，不需要额外设置密封件也可以执行密封件的功能，从而既能增加轴的稳定性，又使密封性能显著提高。

以上所述，通过设置能够遮挡凸起箔片2之间的空隙的塞子7，可使轴6和顶端箔片3之间仅留有微细的缝隙，所以可以提供具有最小缝隙的高性能的密封功能。

Claims (1)

1.一种具有密封功能的径向箔片轴承，其特征在于，其包括有：

具有如下厚度的顶端箔片(3)：

t≥0.1·D^0.33，

其中，t为厚度(mm)，

D为轴直径(mm)；

及能够防止轴承部件脱落和遮挡充当润滑油作用的气体通过凸起箔片(2)之间缝隙的塞子(7)。

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