CN102927124B - 一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，包括轴承座和设置于轴承座内的轴，轴承座内侧设置有弹性支撑组件；弹性支撑组件包括设置在轴承座内侧的多层弹性鼓泡元件和设置在弹性鼓泡元件与轴之间的顶层平箔，顶层平箔贴合在弹性鼓泡元件上；每层弹性鼓泡元件上均设有具有连续过渡曲面的壳型凸起；弹性支撑组件一端通过定位元件固定与轴承座上，另外一端自由。本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，结构新颖、能够产生及时有效形变、局部及整体刚度和阻尼高度可调，具有良好载荷适应性和优异稳定性。

Description

一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承

技术领域

本发明属于动压气体轴承领域，涉及一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承。

背景技术

气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承，即在高速旋转的转子和轴承之间形成气膜，避免运动面和静止面之间的直接接触。气体轴承所采用的方法是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，从而使物体浮起。气体轴承按照其承载原理可以分为静压气体轴承和动压气体轴承。与静压式气体轴承相比，动压气体轴承不需要外部气源供气，但要求构成楔形间隙的两表面间存在相对运动，而且其动压效果随相对运动速度的增加而愈加明显。采用动压气体轴承无需供气系统，能极大简化装置，具有显著的节能效果和良好的经济效益，能进一步拓展气体轴承的应用范围。

箔片动压气体轴承是一种自作用柔性表面动压气体轴承，其柔性表面一般采用金属箔片制成，靠弹性流体动力润滑机理工作，这是和刚性表面动压气体轴承的主要区别。柔性表面使得轴承在工作时能够随工作条件的变化自动建立不同的气膜厚度，从而使得轴承可以适应一定范围内转子的角偏差且随着转速的变化产生一定的适应性刚度；箔片轴承结构产生的阻尼效应可以抑制转子的振动，使其具有优异的稳定性。诸多特点使箔片气体轴承在高速及超高速透平机械中得到了广泛应用。

鼓泡箔片动压径向气体轴承是箔片动压径向轴承中的一种，鼓泡箔片动压径向气体轴承具有一般箔片动压径向气体轴承的吸收震动能力强、稳定性高等优点。但是传统的单层鼓泡箔片动压径向气体轴承鼓泡箔片支承刚度较大，鼓泡支点几乎没有变形裕度，在启停阶段及运行过程，由于冲击载荷及转子自激涡动，轴承与主轴表面容易发生摩擦，引起轴承及转子的摩擦损毁；而且单层鼓泡箔片轴承表面刚度一致，不能适应轴承局部支承刚度随载荷的变化需求，存在一定缺陷，对所承载载荷的适应能力较差并且难以承受不确定的冲击载荷，限制了其在透平机械中的应用。因此继承一般鼓泡箔片动压气体轴承的优势，发展能够产生及时有效形变，适应不同载荷范围，局部和整体刚度及阻尼高度可调，具有更加优异稳定性及良好装配性能的鼓泡箔片动压气体轴承就非常必要了。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，该多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，结构新颖、能够产生及时有效形变、局部及整体刚度和阻尼高度可调，具有良好载荷适应性和优异稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，包括轴承座和设置于轴承座内的轴，轴承座内侧设置有弹性支撑组件；弹性支撑组件包括设置在轴承座内侧的多层弹性鼓泡元件和设置在弹性鼓泡元件与轴之间的顶层平箔，顶层平箔贴合在弹性鼓泡元件上；每层弹性鼓泡元件上均设有具有连续过渡曲面的壳型凸起；弹性支撑组件一端通过定位元件固定与轴承座上，另外一端自由。

所述的弹性支撑组件在轴承座内具有抬起、变形、沿周向滑移的空间。

通过增加或减少弹性鼓泡元件层叠数量来改变轴承与主轴安装时的预紧力，改善轴承转子系统的启、停及运行性能。

通过改变弹性鼓泡元件上的壳型凸起的形状，增加或减少弹性鼓泡元件对上层元件的支承面积，对动压气体轴承的局部刚度及阻尼进行调整。

所述的壳型凸起包括空心柱体球冠凸起、空心椎体球冠凸起、空心球冠凸起、空心卧式槽型凸起中的一种或几种。

所述在弹性鼓泡元件表面不同区域设置不同密度的壳型凸起和/或在弹性鼓泡元件表面不同区域设置不同形状的壳型凸起，改变弹性鼓泡元件层与层之间支点数量、支点接触面积对动压气体轴承的局部刚度和阻尼进行调节。

所述依照其壳型凸起的位置，通过弹性鼓泡元件不同的叠合布置方式改变底层弹性鼓泡元件支承点的位置，改变动压气体轴承整体刚度分布和阻尼分布。

依照其壳型凸起的位置，相邻两层弹性鼓泡元件之间采用周向顺排，轴向顺排，对中错排或非均匀排列的方式叠合。

所述的弹性支撑组件中弹性鼓泡元件与顶层平箔的组合方式包括：整体加工卷曲多层组合、分体加工多层叠合。

所述的轴承座上开设有定位孔，所述的定位元件为销钉；弹性支撑组件的一端通过销钉固定与轴承座上的定位孔中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，将原有单层鼓泡箔片轴承的单层鼓泡与平箔贴合的箔片轴承弹性支承组件改成具有两层或多层鼓泡元件与平箔贴合组成的箔片轴承弹性支承元件，多层鼓泡元件层叠组合结构使得箔片轴承弹性结构具有径向形变及周向滑移的空间，改善了原有单层鼓泡箔片轴承鼓泡支点支承刚度过大导致顶层平箔与轴发生摩擦损毁的情况，并且可以通过增加或减少鼓泡箔片层叠数量来改变轴承与主轴安装时的预紧力，改善轴承转子系统的启、停及运行性能，也实现了高速透平机械的稳定运行。

相对与单层箔片轴承而言，多层结构给箔片轴承提供了更大的产生有效形变的空间，能够产生更加宽范围的适应性刚度和阻尼，以适应透平机械冲击载荷和大范围的承载力变化。多层结构的较大形变空间也为透平机械转子与轴承之间因高速相对运动产生的热量提供了一个更好的对流散热空间。

本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，还可以改变弹性鼓泡元件上的壳型凸起的形状，增加或减少弹性鼓泡元件对上层元件的支承面积，对箔片轴承的局部刚度及阻尼进行调整。

本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，多层弹性鼓泡元件与平箔层叠组成的箔片轴承弹性支承组件，可以采用整体加工卷曲多层及分体加工多层叠合的方式；其相邻两层鼓泡元件之间可以采用周向顺排，轴向顺排，对中错排及非均匀排列，采用不同的排列方式可以对箔片轴承的整体刚度及阻尼进行调整。

本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，本发明可以在同一弹性鼓泡元件上采用不同形状凸起，在同一鼓泡元件不同区域布置不同密度的凸起，改变鼓泡元件层与层之间支点数量、支点接触面积可以对箔片轴承局部刚度和阻尼进行高精度调节。

本发明提供的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，适用于高速透平机械的具有柔性表面弹性支承，是一种刚度和阻尼局部及整体高度可调的箔片径向动压气体轴承；而且还具有结构简单，装配性能良好的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；其中，1为轴承座；2为鼓泡元件；3为顶层平箔；4为定位元件；

图2-1～2-3为本发明弹性支承组件两种装配方式，图2-1单个鼓泡元件凸起面与凹陷面图2-2整体加工卷曲叠合，图2-3分体加工多层层叠；

图3-1～3-4为鼓泡的几种典型形状，图3-1空心柱体球冠凸起，图3-2空心椎体球冠凸起，图3-3空心球冠凸起，图3-4空心卧式槽型凸起；

图4-1～4-4为本发明多层鼓泡层与层之间布置方式，图4-1周向顺排，图4-2轴向顺排，图4-3对中错排，图4-4非均匀排列。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，包括轴承座1和设置于轴承座1内的轴，轴承座1内侧设置有弹性支撑组件；弹性支撑组件包括设置在轴承座1内侧的多层弹性鼓泡元件2和设置在弹性鼓泡元件2与轴之间的顶层平箔3，顶层平箔3贴合在弹性鼓泡元件2上；每层弹性鼓泡元件2上均设有具有连续过渡曲面的壳型凸起；弹性支撑组件一端通过定位元件4固定与轴承座1上，另外一端自由。

顶层平箔3与弹性鼓泡元件2组成的箔片轴承弹性支承组件具有抬起、变形、沿周向滑移的空间，改善了原有单层鼓泡箔片轴承鼓泡支点支承刚度过大导致顶层平箔与轴发生摩擦损毁的情况。进一步，通过增加或减少弹性鼓泡元件2层叠数量来改变轴承与主轴安装时的预紧力，改善轴承转子系统的启、停及运行性能，有助于实现高速透平机械的稳定运行。

参见图2，本发明的弹性鼓泡元件2的壳型凸起的凸起面和凹陷面示意图如图2-1，顶层平箔与多层弹性鼓泡元件（以两层为例）组成的箔片轴承弹性支承组件可以采用图2-2所示的整体加工卷曲多层，图2-3分体加工多层叠合的方式。

可以通过改变弹性鼓泡元件2上的壳型凸起的形状，增加或减少弹性鼓泡元件2对上层元件的支承面积，对箔片轴承（动压气体轴承）的局部刚度及阻尼进行调整。

具体的参见图3-1～3-4，弹性鼓泡元件2的壳型凸起可以为图3-1所示的空心柱体球冠凸起、图3-2所示的空心椎体球冠凸起、图3-3所示的空心球冠凸起、图3-4所示的空心卧式槽型凸起等具有连续过渡曲面的壳型凸起；通过改变鼓泡元件表面凸起的形状，增加或减少鼓泡元件对上层元件的支承面积，可以对所述箔片轴承的局部刚度进行调整。

进一步，可以在同一鼓泡元件上采用不同形状凸起，在同一鼓泡元件不同区域布置不同密度的凸起，改变鼓泡元件层与层之间支点数量、支点接触面积可以对箔片轴承局部刚度和阻尼进行高精度调节。

参见图4-1～4-4，多层鼓泡元件（以两层为例）依照鼓泡凸起的位置，相邻两层鼓泡元件之间可以采用图4-1周向顺排，图4-2轴向顺排，图4-3对中错排，图4-4非均匀排列等叠合布置方式，通过不同的叠合布置方式可以改变底层鼓泡支承点的位置，从而改变箔片轴承整体刚度分布和阻尼分布。

具体的轴承座1上开设有定位孔，所述的定位元件4为销钉；弹性支撑组件的一端通过销钉固定与轴承座1上的定位孔中。

相对与单层箔片轴承而言，多层结构给箔片轴承提供了更大的产生有效形变的空间，能够产生更加宽范围的适应性刚度和阻尼，以适应透平机械冲击载荷和大范围的承载力变化。多层结构的较大形变空间也为透平机械转子与轴承之间因高速相对运动产生的热量提供了一个更好的对流散热空间。其次，多层弹性鼓泡元件层与层之间的不同布置方式，以及单层鼓泡元件鼓泡点的多种形状及非均匀分布，可以改变鼓泡元件层与层之间支承点的位置、密度、支承面大小，从而可以从周向、轴向整体及局部对轴承的刚度及阻尼进行高精度调节，最大程度上改善高速透平机械支承系统的机械性能，提高其高速运转的稳定性。此外，对于固定尺寸的轴承座可以通过改变弹性元件层叠数量及鼓泡元件凸起高度来调节轴承的预载荷，进而改善和提高轴承的启、停性能及形变特性。该多层鼓泡弹性结构箔片轴承改善了原有单层鼓泡箔片轴承支承点刚度过大，顶层平箔与轴容易发生摩擦损毁的情况。而且所述多层鼓泡箔片动压气体轴承还具有结构简单，装配性能良好的特点。

Claims (7)

1.一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，包括轴承座(1)和设置于轴承座(1)内的轴，轴承座(1)内侧设置有弹性支撑组件；弹性支撑组件包括设置在轴承座(1)内侧的多层弹性鼓泡元件(2)和设置在弹性鼓泡元件(2)与轴之间的顶层平箔(3)，顶层平箔(3)贴合在弹性鼓泡元件(2)上；每层弹性鼓泡元件(2)上均设有具有连续过渡曲面的壳型凸起；弹性支撑组件一端通过定位元件(4)固定与轴承座(1)上，另外一端自由； 

通过增加或减少弹性鼓泡元件(2)层叠数量来改变轴承与主轴安装时的预紧力，改善轴承转子系统的启、停及运行性能； 

依照其壳型凸起的位置，通过弹性鼓泡元件(2)不同的叠合布置方式改变底层弹性鼓泡元件(2)支承点的位置，改变动压气体轴承的整体刚度分布和阻尼分布；具体是，相邻两层弹性鼓泡元件(2)之间采用周向顺排，轴向顺排，对中错排或非均匀排列的方式叠合。 

2.根据权利要求1所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，所述的弹性支撑组件在轴承座(1)内具有抬起、变形、沿周向滑移的空间。 

3.根据权利要求1所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，改变弹性鼓泡元件(2)上的壳型凸起的形状，增加或减少弹性鼓泡元件(2)对上层元件的支承面积，对动压气体轴承的局部刚度及阻尼进行调整。 

4.根据权利要求3所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，所述的壳型凸起包括空心柱体球冠凸起、空心椎体球冠凸起、空心球冠凸起、空心卧式槽型凸起中的一种或几种。 

5.根据权利要求1所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，在弹性鼓泡元件(2)表面不同区域设置不同密度的壳型凸起和/或在弹性鼓泡元件(2)表面不同区域设置不同形状的壳型凸起，改变弹性鼓泡元件(2)层与层之间支点数量、支点接触面积对动压气体轴承的局部刚度和阻尼进行 调节。 

6.根据权利要求1所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，弹性支撑组件中弹性鼓泡元件(2)与顶层平箔(3)的组合方式包括：整体加工卷曲多层组合、分体加工多层叠合。 

7.根据权利要求1所述的多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其特征在于，所述的轴承座(1)上开设有定位孔，所述的定位元件(4)为销钉；弹性支撑组件的一端通过销钉固定于轴承座(1)上的定位孔中。