CN103438096B - 一种具有类梁结构的沿圆周分布波箔的箔片气体轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向弹性箔片气体轴承，具体的说，它是一种具有类梁结构的沿圆周分布波箔的气体动压轴承。这种新型箔片空气轴承由轴承套、弹性支承结构、顶层箔片和箔片固定装置组成。弹性支承结构由两种不同形状的支承箔片构成，并由金属箔片压制而成，其波状凸起沿圆周方向分布。压制成形的支承箔片，其中一种主要箔片具有两边窄，中间宽的形状，其类梁结构能够使轴承中部刚性较大，另一种辅助箔片能够填补主要箔片之间的缝隙，为轴承端部提供辅助支承。在设计时通过改变箔片凸起的高度、形状和宽度沿轴向的变化规律等参数，可以方便地改变轴承沿轴向的刚度特性，使轴承在中间部位变形减小，提高轴承的承载能力。

Description

一种具有类梁结构的沿圆周分布波箔的箔片气体轴承

技术领域

本发明涉及一种径向弹性箔片气体轴承，更具体的说，它涉及一种具有类梁结构的沿圆周分布波箔的气体动压轴承。

背景技术

箔片气体轴承是一种自作用弹性支承气体动压轴承。它由轴承套、弹性支承箔片和顶层箔片等构成。与普通转子轴承相比，它具有转速高，精度好，可靠性高，无油润滑，摩擦损耗小，能在高温环境下工作等一系列优点。箔片气体轴承在航空航天和国防军工等领域具有广阔的应用前景，包括新一代战机、高温燃气轮机、巡航导弹、超低温冷却系统。同时，弹性箔片轴承技术也是21世纪分布式能源系统微型燃气轮机核心技术之一。

在箔片气体轴承中，箔片是主要的支承结构，它应该具有一定的刚性和阻尼，使轴承相应的获得一定的承载能力和缓和冲击振动的能力。传统的具有沿轴向分布整体式支承箔片的气体轴承由于箔片在轴承套和顶层箔片之间均匀分布，支承箔片只能沿圆周方向变形，轴承在中部和端部具有相同的刚性，而轴承在工作状态下中部气压大，两端气压小，所以中部箔片在轴承工作过程中变形较大。这与箔片空气轴承希望中间刚性比两端刚性大的要求不符，不利于轴承承载能力的进一步提高。本发明通过改进气体轴承的结构，采用特殊形状的多片式支承箔片，提高了轴承中部的刚性，减小变形，提高了轴承的总体承载能力。

发明内容

本发明为了寻求能显著改善气体轴承内部刚性分布情况，提高轴承总体承载能力的方法，提供了一种新型箔片轴承结构。此种结构可以在一定程度上解决气体轴承支承箔片中部刚性较小，运行过程中变形过大，不利于提高轴承承载能力的问题。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：箔片气体轴承的基本组成部分为轴承套、弹性支承箔片、顶层箔片和箔片固定装置。弹性支承箔片上的波状凸起沿圆周方向分布，分为两种：第一种是中间宽两端窄弧形片状结构的主要支承箔片，为轴承提供主要支承。第二种是辅助支承箔片，用于填补主要箔片之间的空缺，为轴承两端提供辅助支承。两种支承箔片和顶层箔片的一端固定在轴承套上，另一端自由无约束。

本发明提出的技术方案意在通过改变现有轴承弹性支承箔片的结构和安装方法，利用主要支承箔片沿圆周方向宽度的不均匀性来提高轴承中部的刚性和承载能力。在轴承工作时，主要支承箔片承受来自顶层箔片的径向载荷而产生变形，凸起高度变小，在一端固定的情况下，自由端就会沿箔片的长度方向也就是轴承的轴向延伸。这为轴承提供了主要的弹性支承。另一方面，主要支承箔片上沿圆周方向波状凸起沿轴承的轴向排列，形成了类似于梁的结构。当轴置于这种类梁结构上时，此结构受到来自于轴的径向载荷，就会产生弯曲变形并沿圆周方向延伸，为轴承提供额外的弹性支承，其大小随着主要箔片的宽度增大而变大。因为主要支承箔片为在宽度方向中间宽两端窄的片状结构，所以这种额外的弹性支承也是在轴承的中部最大，两端较小。在轴承的两端，由于主要支承箔片的特殊形状而形成的空隙由辅助支承箔片来填补，保证了箔片空气轴承的性能不受这些空隙的影响。

与现有的箔片气体轴承相比，本发明提出的特殊箔片结构和安装形式由于其内在的双弹性支承属性可以为轴承中部提供额外的刚性，改善轴承沿轴向的刚性分布，使轴承中部刚性比两端大，轴承运转时压力分布更加均匀，能够显著提高轴承的承载能力，在一定程度上也改善了气体轴承可靠性差的问题。

附图说明

图1箔片气体轴承的整体结构示意图

图2主要支承箔片及其重要形状参数示意图

图3辅助支承箔片及其重要形状参数示意图

图4箔片气体轴承的两种支承箔片在轴承中的布置形式示意图

图5箔片气体轴承的支承箔片端部固定方法示意图

图6箔片气体轴承的主要零件示意图

图中：1-轴承套，2-箔片固定压圈，3-固定螺栓，4-主要支承箔片，5-辅助支承箔片，6-顶层箔片

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为径向弹性箔片气体动压轴承的整体结构示意图。径向弹性箔片气体轴承由轴承套1、弹性支承结构、箔片固定压圈2和顶层箔片6四部分组成，其中弹性支承结构又由主要支撑箔片4和辅助支承箔片5组成。弹性支承结构和顶层箔片一起形成了箔片气体轴承的弹性支承表面。

图2为主要支承箔片及重要形状参数示意图，其总长为L，两端宽度为B，中部宽度最大处的长度为A，其中L的大小等于轴承套的轴向长度，A段长度占L的五分之一到三分之一之间，B约为中部最宽处的三分之一至二分之一之间。图3为辅助支承箔片及重要形状参数示意图，其长度为h，一端的宽度a，另一端宽度为b，其中h略小于主要支承箔片一端具有倾角那部分的长度，，b小于a的五分之一。

两种不同形状的支承箔片由金属箔片经液压机压制而成，压制后形成沿圆周方向的圆弧形凸起形状，且在一端具有与箔片端部平面垂直的薄片，用于与轴承套端部相配合来固定箔片，如图2和图3所示。在轴承的轴线方向，主要支承箔片在靠近轴承中部波状凸起的宽度大于靠近轴承端部的凸起的宽度，正是这些并排排列的波状凸起在轴承工作时受力弯曲为轴提供了额外的弹性支承。在设计时通过改变箔片在中部和端部宽度的不均匀性等参数，可以方便地获得具有不同刚度特性的箔片空气轴承。

将压制成形后的支承箔片经热处理后进行装配，其在轴承套和顶层箔片之间的布置形式如图4所示。在整个圆周方向主要支承箔片和辅助支承箔片的数目经优化设计确定，一般在6至12片之间，即每个箔片在周向所占的角度为60至30度。顶层箔片采用同样的方法加工成圆柱形，且在轴承套的内圆柱面和其中一块主要支承箔片上开有一道凹槽和缺口，采用焊接的方式将顶层箔片的一端焊接在凹槽的侧面上，另一端自由。两种支承箔片交错排列，其一端的薄片凸起贴合在轴承套端部，被压圈2压紧，并用固定螺栓固定，如图5所示。两种箔片的凸起与顶层箔片的底部相接处，凹陷处与轴套内表面相接触。

除了以上提出的实例，轴承弹性支承结构和顶层箔片可直接焊接在轴承套的内圆柱面上，支承箔片的数目、凸起的结构、形状参数和宽度沿轴向的变化规律可根据不同情况进行设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。

Claims (7)

1.一种径向弹性箔片气体轴承，包括轴承套、多片式弹性支承结构和顶层箔片，弹性支承结构和顶层箔片的一端固定在轴承套上，另一端自由，其特征是：轴承的弹性支承结构由主要支承箔片和辅助支承箔片组成，两种支承箔片沿轴承的圆周方向交错排列，共同为轴承提供弹性支承；

两种支承箔片具有沿圆周方向的凸起，其中主要支承箔片为中间宽度和两边不相等的形状，在轴承中部沿圆周方向排列，辅助支承箔片的形状能够填补主要支承箔片之间的空缺，在轴承两端沿圆周方向排列。

2.根据权利要求1所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，所述的弹性箔片气体轴承弹性支承结构的一端由压圈压紧，并由固定螺栓将箔片和压圈固定在轴承套的端面上，顶层箔片的一端焊接在轴承套内圆柱面的凹槽的侧面上，另一端自由。

3.根据权利要求1或2所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，所述的弹性支承结构中的两种不同形状的箔片在完全固定后之间留有缝隙。

4.根据权利要求1或2所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，所述的弹性支承结构中的主要支承箔片靠近轴承中间处的宽度大于靠近轴承端部的宽度。

5.根据权利要求4所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，所述的弹性支承结构中的主要支承箔片靠近轴承中间处的宽度向两边呈线性逐渐变小，即向靠近轴承端部的方向逐渐变小。

6.根据权利要求1所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，主要支承箔片沿轴承轴向的总长为L，两端宽度为B，中部宽度最大处的长度为A，其中L的大小等于轴承套的轴向长度，A段长度占L的五分之一至三分之一，B为中部最宽处的三分之一至二分之一。

7.根据权利要求6所述的弹性箔片气体轴承，其特征是，辅助支承箔片沿轴承轴向的长度为h，一端的宽度a，另一端宽度为b，其中h略小于主要支承箔片一端具有倾角那部分的长度，b小于a的五分之一。