CN101839281A - 一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承 - Google Patents

一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，包括轴承座、若干个反向波箔和若干个平箔，所述若干个平箔沿轴承座内壁周向均匀分布，每个平箔首端固定在轴承座内壁，其尾端自由地迭搭在相邻平箔内侧；所述平箔与轴承座内壁之间都设置有反向波箔；所述反向波箔首端固定在轴承座内壁，其尾端处于自由状态。本发明的分段组合复合支承箔片动压径向气体轴承具有良好的静、动态性能和稳定性；可通过箔片元件表面处理，调节预载荷、分段的段数和箔片元件结构参数如箔片厚度、波拱的分布、波拱的半径、高度等来改善轴承的特性；本发明还具有结构简单，易于加工、装配的优点，并且能够与现有的径向动压气体轴承方便互换。

Description

一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承
技术领域
本发明属于机械设计中的动压气体轴承领域，特别涉及一种适用于高速透平(涡轮)机械的应用于不同转速和承载力范围的具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承。
背景技术
随着航空航天、能源动力等领域技术的发展，为了保持高速运转机械的稳定性和可靠性，对润滑技术也提出了越来越高的要求。当转子转速非常高、或相对运动速度很大时，如飞机涡轮发动机或微小型燃气轮机，因为高速运动造成的摩擦使油温急速升高而不能形成有效的润滑膜，油轴承已经不能满足需要；当工作环境需要较高的纯净度时，例如氦液化装置、空间制冷机等用的透平机械，若采用油轴承，会对工作环境造成污染。此时，就需要其他型式的轴承来进行润滑。由于磁轴承结构复杂、造价昂贵，限制了其推广，故气体轴承成为较好的选择。气体轴承利用气体粘性来提高其间隙内的气体压力，而使转子浮起，按其工作原理可分为静压气体轴承和动压气体轴承两种。目前，国内外对静压气体轴承的研究、设计制造已经成熟，并已经有了系列产品。但是，静压气体轴承需要一套供气系统，增加了装置的复杂性，还需要耗费一定量的压力气体，使其经济性和可用性降低。对于一些特定的场合，如燃气轮机、航空涡轮制冷器、空间微型透平制冷机等，采用动压气体轴承已是必然的选择。动压气体轴承可分为刚性表面动压气体轴承和柔性表面动压气体轴承。目前应用最为广泛的动压气体轴承是柔性表面动压气体轴承，也可称为弹性箔片轴承或箔片轴承(Compliant Foil Bearing，简称CFB)。近十年来，美国NASA、ASAC和MTI在箔片动压气体轴承的基础理论及试验研究方面取得了很大进展，并在工程应用上获得了成功。在国内，西安交通大学低温研究所气体轴承研究组于1990年开始对箔片气体轴承进行研究，取得了良好的研究进展与成果。
由于箔片动压气体轴承主要应用于航空、航天、高速列车、装甲车辆等高科技领域，其研究结果及设计标准很少公开，且其开发投入巨大，制作过程复杂且加工工艺水平要求高。目前在高速透平(涡轮)机械领域最为广泛应用的径向箔片动压气体轴承是美国的波箔动压气体轴承，被各种战斗机环控系统、装甲车涡轮制冷器所采用。然而这种轴承结构复杂、精度要求高，轴承的性能与安装的情况也有很大关系；而且制造困难，从设计准则、结构尺寸的确定、材料选取及加工和热处理工艺的选择均需开展大量的工作；另外，由于结构限制，现有波箔轴承结构刚度不均匀、载荷适应范围小。鉴于此，开发结构简单、适合国内工业水平、独立知识产权且具有良好的刚度和良好阻尼特性以及更大载荷适应范围的新型箔片动压气体轴承，以满足我国高速透平发展应用的需求就显得十分迫切和必要了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能充分发挥传统动压箔片气体轴承的优点，又具有更宽载荷适应范围、更高运转稳定性、更好的弹性支承性能和动态特性的具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，包括轴承座、若干个反向波箔和若干个平箔，所述若干个平箔沿轴承座内壁周向均匀分布，每个平箔首端固定在轴承座内壁，其尾端自由地迭搭在相邻平箔内侧；所述平箔与轴承座内壁之间都设置有反向波箔；所述反向波箔首端固定在轴承座内壁，其尾端处于自由状态。
所述反向波箔沿周向设置有若干个弧形凸起，弧形凸起顶端与轴承座内壁贴合。
所述轴承座内壁设置有若干个卡槽，反向波箔和平箔的首端都固定在轴承座内壁的卡槽中。
本发明的具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，包括轴承座以及设置在轴承座内的主轴，在轴承座与主轴之间自外向内设置有多段反向波箔和平箔，所说的反向波箔和平箔的一端固定在轴承座的卡槽中，反向波箔和平箔的另一端均处于自由状态，使反向波箔和平箔具有变形和滑移的空间，平箔、波箔和轴承座均可进行表面处理。
本发明的反向波箔由许多弹性波构成，反向波箔的弧形凸起顶端沿周向分布并与轴承座内侧贴和，反向波箔的波拱间过渡底边与平箔贴和，反向波箔与平箔组成的弹性元件的延展即滑移方向与主轴旋转方向相反。
本发明的轴承结构包含多组反向波箔与平箔组成的复合支承弹性元件，布置方向相同，多组反向波箔和平箔通过尾端插入轴承座的卡槽内进行固定。
本发明具有结构简单，易于加工、装配的优点，能够方便的与现有径向动压气体轴承实现互换。本发明采用波箔弧形顶部与轴承座内侧贴和、弹性波拱底部与平箔贴和的结构，体现了平箔良好的刚度均匀性和反向波箔弹性支承优异的刚度和阻尼特性。当轴承承受径向载荷时，平箔的变形与滑移可使载荷转移到下层反向波箔，使其在载荷作用下周向变形和滑移特性较现有的箔片轴承均有大幅提高，从而产生恰当的刚度和阻尼来适应更宽的载荷范围，并有效遏制轴的不稳定涡动，提高运转稳定性。
轴的启、停工况时，动压轴承的轴和轴承会发生磨损。在轴的高速运转中，由于离心力和温度的影响，轴体本身会产生膨胀现象，会缩小原本就十分有限的轴与轴承表面之间的间隙。转子高速运转过程中涡动的发展也会使转子的振幅加大，使转子有和轴承表面摩擦的可能。由于本发明专利的结构特点，轴承的自对中性强。分段布置平箔及反向波箔组成的可调弹性元件可以改善轴承的刚度分布和装配特性，还能提供轴承预载荷，更能有效的抑制轴的不稳定涡动。同时复合支承弹性元件良好的自适应刚度和阻尼特性抑制了转子的振动，使其振幅较小，并限制了涡动振幅的增加，转子涡动发生较晚且在较大转速范围内能工作在涡动状态下而无毁灭性破坏。由于平箔为柔性表面且表面刚度均匀，因此即使转子与轴承表面发生摩擦也是面接触，大大降低了转子及轴承表面的损伤。
因此本发明的分段组合复合支承箔片动压径向气体轴承具有良好的静、动态性能和稳定性；可通过箔片元件表面处理，调节预变形载荷、分段的段数和箔片元件结构参数如箔片厚度、波拱的分布、波拱的半径、高度等来改善轴承的特性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明箔片弹性元件工作受力示意图。
其中：1为轴；2为平箔；3为反向波箔；4为轴承座；5为定位端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明结构包括在轴承座4与轴1之间自外向内设置多段反向波箔3和平箔2，在轴承座4内侧布置的反向波箔3，紧贴反向波箔3的平箔2以及用于固定弹性箔片原件的定位端5。多组反向波箔3及平箔2的一端利用定位端5分别固定轴承座上开设的卡槽内，两者的另一端自由(两者大小一致)，使其具有形变、滑移的空间。反向波箔3由许多弹性波构成，反向波箔3的弧形凸起顶端沿周向分布并与轴承座4内侧贴和，反向波箔3的波拱间过渡底边与平箔2贴和，反向波箔3与平箔2组成的弹性元件的延展即滑移方向与主轴1旋转方向相反。
参见图2，本发明轴承承受径向载荷时，平箔2的变形与滑移可使载荷转移到下层反向波箔3，反向波箔3弧形凸起顶端紧贴轴承座4内侧，使得反向波箔3可产生较大范围的形变和滑移，形成轴承间隙内连续的压力和气膜厚度分布，以获得较为均匀的可变刚度和结构阻尼来适应大范围的载荷变化。当透平机械运转时，平箔2和主轴1间隙的大小随着轴承所受载荷F和转速ω的变化而变化，间隙中的润滑气膜受压后引起反向波箔3产生形变，反向波箔3的形变引起反向波箔3、平箔2和轴承座4之间产生相对滑移，产生结构阻尼、摩擦阻尼和可变刚度。当轴旋转时，由轴旋转引起的周向力，由具有粘性的润滑气膜从平箔2传递给反向波箔3，由于反向波箔3弧形凸起顶部与轴承座4内侧接触，形成了一定的接触角，反向波箔3弧形凸起顶部将会产生一个的沿周向的作用力Ft，促使反向波箔3的波拱顶部相对于轴承座4滑移，并产生摩擦阻尼，有效的抑制轴的涡动。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，包括轴承座、若干个反向波箔和若干个平箔，其特征在于：所述若干个平箔沿轴承座内壁周向均匀分布，每个平箔首端固定在轴承座内壁，其尾端自由地迭搭在相邻平箔内侧；所述平箔与轴承座内壁之间都设置有反向波箔；所述反向波箔首端固定在轴承座内壁，其尾端处于自由状态。
2.如权利要求1所述一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，其特征在于：所述反向波箔沿周向设置有若干个弧形凸起，弧形凸起顶端与轴承座内壁贴合。
3.如权利要求1所述的具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，其特征在于：所说的反向波箔由若干个弹性波构成，反向波箔的弧形凸起顶端沿周向分布并与轴承座内侧贴和，反向波箔的波拱间过渡底边与平箔贴和，反向波箔与平箔组成的弹性元件的延展即滑移方向与主轴旋转方向相反。
4.如权利要求1所述一种具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，其特征在于：所述轴承座内壁设置有若干个卡槽，反向波箔和平箔的首端都固定在轴承座内壁的卡槽中。
5.根据权利要求1所述的具有分段组合复合支承的箔片动压径向气体轴承，其特征在于：所述平箔、波箔和轴承座均都经过表面处理。
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