CN102003463B - 径向箔片空气轴承 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种径向箔片空气轴承(5000)设置有一个沿轴承壳体(10)的孔(18)的内周的顶箔片(300)。波箔片(20c、20d)安装在轴承壳体(10)的孔(18)的内周上且彼此间隔开。顶箔片(300)的两端形成有弯曲部分(308a、308b)，并且该弯曲部分(308a、308b)安装在槽块(40)的狭缝(414)内，槽块(40)安装在设置于轴承壳体(10)的孔(18)的内周上的槽(140)内，并且顶箔片(300)能够在狭缝(414)内弹性移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种径向箔片空气轴承。
背景技术
箔片空气轴承(foil air bearing)是一种通过空气压力来支撑载荷的轴承，其中空气压力是通过在转子高速旋转时在转子或轴承板(bearing disc)和与之接触的箔片之间进入的具有粘度的空气而产生。
在箔片空气轴承中，径向箔片空气轴承(journal foil air bearing)在高速下会产生转子-轴承系统的动态失稳。即，当转子高速旋转时，动态特性将变得不稳定，并会产生一些问题如振动。
动态失稳可能会由于转子和箔片之间的意外的压力分布而导致，并且受到箔片结构的摩擦阻尼或者转子的质量不平衡的影响。这种动态失稳不利于转子的稳定工作，应当予以解决。
通常，径向箔片空气轴承由一个波箔片(bump foil)和一个顶箔片(topfoil)或者三个波箔片和三个顶箔片构成。
在这些径向箔片空气轴承之中，公知的是由三个波箔片和三个顶箔片构成的径向箔片空气轴承在承载能力和动态稳定性方面是有利的。然而，在此情况下，轴承构件的数量增加，因此制造成本上升，三个波箔片和三个顶箔片应当具有相同的公差，并且三个顶箔片的所有的固定部分都暴露于转子，因此应当确保固定部分的可靠性。
因此，考虑到确保顶箔片的固定部分的可靠性，减少箔片的数量、尤其是减少顶箔片的数量是有利的。
在通常的径向箔片空气轴承中，顶箔片的一端固定于轴承壳体的孔的内周，另一端没有固定而构成自由端，因而顶箔片能够沿其圆形形状在其半径上弹性地扩展或收缩。当转子开始旋转的速度低于起飞速度(lift off speed)时，在转子与顶箔片涂层之间存在明显的摩擦，这会在顶箔片上产生切向力。这意味着顶箔片应当安装成其能够针对转子的旋转方向进行扩展。如果顶箔片安装成与转子的旋转方向相反，则转子与顶箔片之间的间隙将会随着转子的旋转而减小，从而转子可能无法成功旋转，并且轴承可能受损。由此，当转子高速旋转时，转子与顶箔片之间的间隙增大，并且能够适应转子与顶箔片之间产生的热变形和压力。
因此，需要一种能允许转子在两个方向旋转的顶箔片结构。在此情况下，可以解决上述问题，并且组装和安装将变得容易，因为不再需要对应预定的旋转方向来安装顶箔片，所以管理将变得容易，并且降低了轴承受损的可能性。
因此，理想的是提供一种顶箔片结构以减少构件数量且使得顶箔片固定部分的暴露最小化。基于此，如果能够解决转子高速旋转时的动态失稳且允许转子在两个方向旋转，则将是更加理想的。在另一方面，可以在顶箔片上生成凸起(lobe)以解决转子高速旋转时的动态失稳。在此情况下，如果能容易地调节凸起的数量、大小和位置，则将是理想的。本发明能够满足一些或者所有这些要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种径向箔片空气轴承结构，其提供一种顶箔片结构以减少构件数量且最小化顶箔片固定部分的暴露，并且解决转子高速旋转时的动态失稳的问题。此外，本发明的目的是提供一种径向箔片空气轴承结构，其提供一种顶箔片结构以减少构件数量且最小化顶箔片固定部分的暴露，并且允许转子在两个方向旋转。此外，本发明的目的是提供一种径向箔片空气轴承结构，其提供一种顶箔片结构以减少构件数量且最小化顶箔片固定部分的暴露，解决转子高速旋转时的动态失稳的问题，并且允许转子在两个方向旋转。同时，在本发明的另一个方面，本发明的目的是提供一种径向箔片空气轴承，其能够容易地调节凸起的数量、大小和位置，凸起是用来解决转子高速旋转时的动态失稳的问题。
本发明提供一种径向箔片空气轴承，该轴承包括：设置有孔的轴承壳体，转子布置在所述孔内；沿所述轴承壳体的所述孔的内周彼此间隔开设置的至少两个波箔片；以及通过沿周向的一个箔片提供且沿所述波箔片的顶端设置的顶箔片；由此，在所述转子高速旋转时，所述顶箔片在所述波箔片彼此间隔开的间隔处向外变形并在该间隔处形成凸起形状。
根据本发明，有利的是在所述波箔片之间没有形成波的周向距离由所述轴承壳体的所述孔的半径与在相邻的所述波箔片中所述波终止的点关于所述孔的圆心形成的角度的乘积决定，并且该角度在5°和45°之间。
根据本发明，可以沿径向提供多个彼此层叠的所述顶箔片。
根据本发明，理想的是所述顶箔片的两端具有弯曲部分，并且该弯曲部分安装在设置于所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的槽内，以便能够在该槽内在周向和径向弹性移动。
根据本发明，理想的是所述顶箔片安装成使得所述两个弯曲部分在所述槽内相互面对且接触，并且所述顶箔片关于所述弯曲部分对称。
根据本发明，理想的是在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内安装有带有狭缝的槽块，并且所述顶箔片的两端的所述弯曲部分安装在所述槽块的所述狭缝内，同时在所述槽块的所述狭缝内形成有间隙，所述弯曲部分能够在该间隙内在周向和径向弹性移动。
根据本发明，理想的是所述槽块和所述波箔片的一端的弯曲部分插入并安装在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内且彼此接触，并且在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内形成有间隙，从而所述槽块能够在周向弹性移动。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种径向箔片空气轴承，该轴承包括：设置有孔的轴承壳体，转子布置在所述孔内；沿所述轴承壳体的所述孔的内周设置的波箔片；以及通过沿周向的一个箔片提供且沿所述波箔片的顶端设置的顶箔片，其中所述顶箔片的两端具有弯曲部分，并且该弯曲部分安装在设置于所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的槽内，以便能够在该槽内在周向和径向弹性移动。
根据本发明，理想的是所述顶箔片安装成使得所述两个弯曲部分在所述槽内相互面对且接触，并且所述顶箔片关于所述弯曲部分对称。
根据本发明，理想的是在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内安装有带有狭缝的槽块，并且所述顶箔片的两端的所述弯曲部分安装在所述槽块的所述狭缝内，同时在所述槽块的所述狭缝内形成有间隙，从而所述弯曲部分能够在周向和径向弹性移动。
根据本发明，理想的是所述槽块和所述波箔片的一端的弯曲部分插入并安装在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内且彼此接触，并且在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内形成有间隙，从而所述槽块能够在周向弹性移动。
根据本发明，理想的是沿径向提供有多个彼此层叠的所述顶箔片。
本发明可以提供一种径向箔片空气轴承，其提供一种顶箔片结构，不仅能减少构件的数量，最小化顶箔片固定部分的暴露，而且还能允许转子在两个方向旋转。因此，可以为组装和装配提供便利，防止轴承由于转子在意外方向旋转而受损。此外，本发明可以提供一种径向箔片空气轴承，其提供一种波箔片结构，以便在高速时生成凸起以提升转子-轴承系统高速时的动态稳定性。同时，本发明可以提供一种径向箔片空气轴承，其能够容易地调节凸起的数量、大小和位置，该凸起被用来提升转子高速时的动态稳定性。
附图说明
图1和图2显示根据本发明第一实施方式的径向箔片空气轴承的结构；
图3和图4显示根据本发明第二实施方式的径向箔片空气轴承的结构；
图5显示根据本发明第三实施方式的径向箔片空气轴承的结构；
图6至图8显示根据本发明其他方面的径向箔片空气轴承的结构；以及
图9显示根据本发明另一方面的径向箔片空气轴承的结构。
具体实施方式
现在将参照附图解释本发明的优选实施方式。
图1显示根据本发明第一实施方式的径向箔片空气轴承1000。
如图所示，提供了轴承壳体(bearing housing)10，该轴承壳体10具有孔18，转子8设置在该孔18中。
波箔片(bump foil)沿轴承壳体10的孔18的内周188设置，顶箔片(topfoil)沿波箔片的顶端设置。
根据本发明的一些实施方式，至少两个波箔片沿轴承壳体的孔的内周设置，且彼此间隔开。并且，仅设置有一个顶箔片。如下文所述，顶箔片通过一个沿周向的箔片提供。但是，一个以上的顶箔片可以沿径向彼此层叠设置以增加阻尼。
在此实施方式中，两个波箔片沿轴承壳体10的孔18的内周188设置。一个波箔片20a和另一个波箔片20b分别通过点焊安装在挡块4a和挡块4b处。
顶箔片30沿波箔片20a和20b的顶端设置，并且通过沿波箔片20a和20b的顶端内周的一个箔片形成。顶箔片30一端的边缘通过点焊固定于挡块4a，另一端形成自由端。
如图所示，波箔片20a和20b沿轴承壳体10的孔18的内周188彼此间隔开。因此，当转子8高速旋转时，通过孔18内建立的空气压力，顶箔片30在波箔片20a和20b彼此间隔开的间隔处向外变形，形成凸起形状(lobeshape)。
即，因为顶箔片30在波箔片20a和20b之间没有形成波(bump)2的间隔处没有被波2支撑，所以位于该间隔处的顶箔片30的部分通过孔18内建立的空气压力而变形成凸起形状。(参见图2)
此时，在波箔片20a和20b之间没有形成波2的周向距离B由轴承壳体10的孔18的半径R与在相邻波箔片20a和20b中波2终止的点B1和B2关于孔18的圆心O形成的角度θ的乘积决定。理想的角度θ在5°和45°之间。
如果角度θ小于5°，则向凸起形状的变形将会太小，从而效果极微。如果角度θ大于45°，则在顶箔片30处生成的空气压力将会降低到太小，从而轴承的承载能力将会太低。
在此情况下，波2终止于波箔片20a的点为B1，该点是局部波22的端点。波箔片20b的端点B0不是波2终止的点，而是边缘的端点，其不能作为基准。
图2显示在波箔片20a和20b彼此间隔开的间隔处生成凸起L1和L2。
当转子8低速旋转时，顶箔片30由于其弹性而保持其形状。然而，随着转子8转速的提高，轴承中的压力变高，顶箔片30将在没有被波2支撑的间隔处向外变形，最终顶箔片30将在高速下生成凸起形状L1和L2。
在此实施方式中，凸起空间L2并非形成完好的凸起形状，因为顶箔片30在此处并不连续。但是，其整体形成凸起形状。
当形成凸起L1和L2时，转子8和顶箔片30之间在凸起L1和L2处的间隙变宽，而在其他部分的间隙则变窄。因此，其他部分而不是凸起处的间隙中的空气被强力压缩，生成的空气压力使转子8向孔18的圆心O移动。结果，保证了转子8的动态稳定性。并且，在此情况下，转子8和顶箔片30之间的间隙由于凸起空间而变宽，因此降低了摩擦热。结果，获得了冷却效果。
图3显示根据本发明第二实施方式的径向箔片空气轴承2000。
波箔片20c和20d沿轴承壳体10的孔18的内周188设置且彼此间隔开，顶箔片30沿波箔片的顶端设置。
顶箔片30通过沿波箔片20c和20d的顶端的一个箔片形成。顶箔片30的一端通过点焊固定于挡块4c，另一端形成自由端。
波箔片20c和20d各自在其末端具有弯曲部分(弯曲端部)23c和23d，该弯曲部分23c和23d分别插入并固定于轴承壳体10的孔18的内周188上所形成的槽13c和13d中。
波箔片20c和20d彼此间隔开，在波箔片20c和20d之间没有形成波2的周向距离B由轴承壳体10的孔18的半径R与在相邻波箔片20c和20d中波2分别终止的点B3和B4关于孔18的圆心O形成的角度θ的乘积决定。理想的角度θ在5°和45°之间。原因与第一实施方式中的相同。
参照图4，当转子8低速旋转时，顶箔片30由于其弹性而保持其形状。然而，随着转子8转速的提高，轴承中的压力变高，顶箔片30将在没有被波2支撑的间隔处向外变形，最终顶箔片30将在高速下生成凸起形状L3和L4。在此实施方式中，凸起空间L4并非形成完好的凸起形状，因为顶箔片30在此处并不连续。但是，其整体形成凸起形状。
当形成凸起L3和L4时，转子8和顶箔片30之间在凸起L3和L4处的间隙变宽，而在其他部分的间隙则变窄。因此，其他部分而不是凸起处的间隙中的空气被强力压缩，生成的空气压力使转子8向孔18的圆心O移动。结果，保证了转子8的动态稳定性。并且，在此情况下，转子8和顶箔片30之间的间隙由于凸起空间而变宽，因此降低了摩擦热。结果，获得了冷却效果。
图5显示根据本发明第三实施方式的径向箔片空气轴承3000。
在此情况下，顶箔片30a和30b分别通过沿周向的一个箔片提供，且沿径向彼此层叠以增加阻尼。
在此实施方式中，在轴承壳体10的孔18的内周面188上形成有槽14，挡块4d安装在该槽14中。顶箔片30a和30b的弯曲部分34a和34b插入到挡块4d与槽14内侧之间的间隙内。顶箔片30a和30b的与弯曲部分34a和34b相反的两端分别形成自由端。
图6显示根据本发明另一方面的径向箔片空气轴承4000。
转子8设置在轴承壳体10的孔18内，波箔片200沿内周188设置。
在此情况下，可以沿周向提供一个波箔片，或者可以提供一个以上的彼此间隔开的波箔片，如同前述的实施方式。在此实施方式中，一个波箔片200沿周向设置。
根据本发明，一个顶箔片沿周向提供，且沿波箔片的顶端设置。顶箔片的每一端具有向外弯曲的弯曲部分。弯曲部分安装在形成于轴承壳体的孔的内周上的槽内，使得该弯曲部分能够在周向和径向弹性移动。
因为每个弯曲部分能够在槽内在周向和径向弹性移动，所以顶箔片能够响应于转子的任一转动方向而在径向沿其圆形形状扩展。因此，顶箔片能够适应在转子转动期间产生的热变形以及转子和顶箔片之间产生的空气压力，而与转动方向无关。
在此情况下，如果顶箔片安装成其两个弯曲部分彼此面对且接触，则顶箔片将关于该弯曲部分对称，这里理想的。
参照图6和图7，在此实施方式中，顶箔片300的两端形成分别向外弯曲的弯曲部分308a和308b。
并且，在轴承壳体的孔的内周面上设置有槽140，槽块(slot body)40安装在该槽140内。槽块40具有狭缝414，顶箔片300的两个弯曲部分308a和308b插入并安装于该槽块40的狭缝414内，其中弯曲部分308a和308b彼此面对且接触。
在此情况下，在槽块40的狭缝414内形成有间隙C1和C2，在该间隙C1和C2内弯曲部分308a和308b能够在周向和径向弹性移动。
并且，在此实施方式中，槽块40和波箔片200一端的弯曲部分208插入到形成于轴承壳体10的孔18的内周面188上的槽140内，且彼此接触。在槽140内形成有间隙C3，在该间隙C3内槽块40能够在周向弹性移动。
顶箔片300的两端支撑在狭缝414内，且能够在周向和径向弹性移动。因此，顶箔片300能够在径向扩展，而与转子的转动方向无关，并且其能够适应由热变形引发的膨胀以及压力的升高，所有这些都是由于转子的旋转而导致，与转动方向无关。即，转子8的转动方向不产生任何影响。
尤其是，在此情况下，由于槽140具有用于槽块40的间隙C3，所以可以更加弹性地处理转子的旋转。
根据本发明，通过沿周向的一个箔片所提供的顶箔片可以在径向上设置多个，他们彼此堆叠起来以增加阻尼。即，如图8所示，分别通过沿周向的一个箔片提供的顶箔片300和300’相互层叠。在这种情况下，每个顶箔片300或300’的两端的弯曲部分308a和308b以及308a’和308b’插入到槽块40的狭缝414内并安装于其中。
根据本发明，可以提升转子高速旋转时的动态稳定性，并且允许转子在两个方向旋转。为此，本发明提供沿轴承壳体的孔的内周彼此间隔开的至少两个波箔片，以及沿周向的一个顶箔片，其中该顶箔片的两端的弯曲部分安装于轴承壳体的孔的内周上所设置的槽内以便在周向和径向弹性移动。图9显示了这种情况的实施方式。
在这种情况下，槽块40安装于轴承壳体10的孔18的内周188上所设置的槽140内。通过沿周向的一个箔片提供的顶箔片300的两端所形成的弯曲部分308a和308b插入到槽块40的狭缝414内。在这种情况下，在槽块40的狭缝414内形成有间隙C1和C2，以便弯曲部分308a和308b能够在该狭缝414内沿周向和径向弹性移动。
波箔片20c和20d设置成沿轴承壳体10的孔的内周188彼此间隔开。在波箔片20c和20d之间没有形成波2的周向距离B由轴承壳体10的孔18的半径R与在相邻波箔片20c和20d中波2分别终止的点B3和B4关于孔18的圆心O形成的角度θ的乘积决定。理想的角度θ在5°和45°之间。
通过上述结构，顶箔片300能够在径向扩展，而与转子8的旋转方向无关，并且能够适应转子8的两个旋转方向。而且，顶箔片300在波箔片20c和20d彼此间隔开的间隔处向外变形并生成凸起，从而提升了动态稳定性。
因此，本发明适应转子的两个旋转方向，并且能够提升动态稳定性。
根据本发明，提供有多个波箔片，这些波箔片沿轴承壳体的孔的内周彼此间隔开。当转子高速旋转时，这种结构导致顶箔片在波箔片彼此间隔开的间隔处发生变形，并在该间隔处生成凸起。因此，保证了动态稳定性。在这种情况下，波箔片的位置和数量的确定以及波箔片之间没有形成波的周向距离将决定凸起的大小和位置。因此，很容易保证转子的动态稳定性。
在这些实施方式中，提供有沿轴承壳体的孔的内周彼此间隔开的两个波箔片。但也可以提供多于两个波箔片。
如前所述，本发明提供一种径向箔片空气轴承，其提供一个顶箔片结构，不仅能减少构件的数量，最小化顶箔片固定部分的暴露，而且还能允许转子在两个方向旋转，且允许波箔片结构生成凸起。通过该径向箔片空气轴承，可以为组装和安装提供便利，防止轴承由于转子在意外方向旋转而受损，并且提升转子高速时的动态稳定性。
因此，可以理解已经实现了本发明的目的。参照具体实施方式描述了本发明，但是本发明并不局限于此。只有下面的权利要求才确定本发明的范围。
Claims (11)
1.一种径向箔片空气轴承，该轴承包括：
设置有孔的轴承壳体，转子布置在所述孔内；
沿所述轴承壳体的所述孔的内周彼此间隔开设置的至少两个波箔片；以及
通过沿周向的一个箔片提供且沿所述波箔片的顶端设置的顶箔片；
由此，在所述转子高速旋转时，所述顶箔片在所述波箔片彼此间隔开的间隔处向外变形并在该间隔处形成凸起形状。
2.根据权利要求1所述的径向箔片空气轴承，其中在所述波箔片之间没有形成波的周向距离由所述轴承壳体的所述孔的半径与在相邻的所述波箔片中所述波终止的点关于所述孔的圆心形成的角度的乘积决定，并且该角度在5°和45°之间。
3.根据权利要求1所述的径向箔片空气轴承，其中沿径向提供有多个彼此层叠的所述顶箔片。
4.根据权利要求1所述的径向箔片空气轴承，其中所述顶箔片的两端具有弯曲部分，并且该弯曲部分安装在设置于所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的槽内，以便能够在该槽内在周向和径向弹性移动。
5.根据权利要求4所述的径向箔片空气轴承，其中所述顶箔片安装成使得所述两个弯曲部分在所述槽内相互面对且接触，并且所述顶箔片关于所述弯曲部分对称。
6.根据权利要求5所述的径向箔片空气轴承，其中在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内安装有带有狭缝的槽块，并且所述顶箔片的两端的所述弯曲部分安装在所述槽块的所述狭缝内，同时在所述槽块的所述狭缝内形成有间隙，所述弯曲部分能够在该间隙内在周向和径向弹性移动。
7.根据权利要求6所述的径向箔片空气轴承，其中所述槽块和所述波箔片的一端的弯曲部分插入并安装在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内且彼此接触，并且在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内形成有间隙，所述槽块能够在该间隙内在周向弹性移动。
8.一种径向箔片空气轴承，该轴承包括：
设置有孔的轴承壳体，转子布置在所述孔内；
沿所述轴承壳体的所述孔的内周设置的波箔片；以及
通过沿周向的一个箔片提供且沿所述波箔片的顶端设置的顶箔片；
其中所述顶箔片的两端具有弯曲部分，并且该弯曲部分安装在设置于所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的槽内，以便能够在该槽内在周向和径向弹性移动；
其中所述顶箔片安装成使得所述两个弯曲部分在所述槽内相互面对且接触，并且所述顶箔片关于所述弯曲部分对称。
9.根据权利要求8所述的径向箔片空气轴承，其中在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内安装有带有狭缝的槽块，并且所述弯曲部分安装在所述槽块的所述狭缝内，同时在所述槽块的所述狭缝内形成有间隙，从而所述弯曲部分能够在周向和径向弹性移动。
10.根据权利要求9所述的径向箔片空气轴承，其中所述槽块和所述波箔片的一端的弯曲部分插入并安装在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内且彼此接触，并且在所述轴承壳体的所述孔的所述内周上的所述槽内形成有间隙，从而所述槽块能够在周向弹性移动。
11.根据权利要求8所述的径向箔片空气轴承，其中沿径向提供有多个彼此层叠的所述顶箔片。
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