CN104019131A - 高速电机用气体动静压混合轴承系统及该电动旋转机械 - Google Patents
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Abstract
一种根据本发明的高速电机用气体动静压混合轴承系统，用以支承立式布置的高速电动旋转机械，采取在电机转子上下两端的轴颈上各安置一个径向动静压混合轴承，下端的径向动静压混合轴承下侧紧靠安置一个轴向动静压混合轴承；电机转子的底部设置一个对电机转子的轴向轴承作非接触保护的滚动轴承轴向支承，整体构成高速电机转子支承的气体动静压径/轴向混合轴承系统。采用本发明的高速电机用气体动静压混合轴承支承的高速电动旋转机械，电机转子可实现稳定高速旋转，效果是显著的。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速电机用气体动静压混合轴承系统，特别涉及用于由大容量高速电机驱动的离心式空气压缩机、离心式蒸气压缩机、离心式空气制冷机等的转子支承，其中电机以例如不小于每分钟数万转的高速旋转。本发明也涉及包括该气体动静压混合轴承系统的其它高速电动旋转机械。
背景技术
大功率、高转速的高速电机(20kw，40000/min以上)设计的主要技术问题之一就是轴承设计。目前，对这种大功率、高转速的电机轴承设计一般都考虑采用电磁轴承与滚动轴承混合支承的主动型磁力轴承支承方式，但这种磁力轴承的电控和制造复杂，价格昂贵、可靠性较低，目前还不能商品化；液体滑动轴承因电机高速旋转时的摩擦损失较大和空气动压滑动轴承的承载力小，以及空气动压滑动轴承存在起停阶段的磨损、制造精度要求很高等诸多原因也受到相当程度的使用限制；采用复合陶瓷球角接触球轴承作为这种大功率、高转速的电机轴承，目前国内还未见相关报道。
本发明提供的高速电机用气体动静压混合轴承系统，采用通常的小型空压机作为轴承气源，特殊场合也可分流主机压缩气体(如航空发动机等)或化工流程尾气作气源，供气压力通常在0.3～0.8MPa之间，从而可大大提高采用气体动静压混合轴承系统作支承的高速电动旋转机械的工作转速、电机功率密度、电机效率等，其可靠性和电机的性价比也明显提高。
发明内容
发明采取的技术方案是一种用于高速电机转子支承的气体动静压混合轴承系统，采用0.3～0.8MPa的轴承供气压力作静压支承，且考虑电机以不小于每分钟数万转的高速旋转而形成的动压效应，再采用动/静压轴承融合设计，用以支承立式布置的高速电动旋转机械，其效果是显著的。它包括：在电机转子上下两端的轴颈上各安置一个径向动静压混合轴承；电机转子下端的轴颈旁紧靠联接于一体的轴向推力盘，轴向推力盘的上下两侧各安置一个环形轴向动静压混合轴承，电机转子底部设置一个对轴向推力盘上下两侧的环形轴向动静压混合轴承运动副作非接触保护的滚动轴承轴向支承，整体构成高速电机转子支承的气体动静压径/轴向混合轴承系统。
采取的主要技术措施是，采用半浮动的径向动静压混合轴承结构，以吸收电机工作过程中电机转子轴颈的热膨胀量对轴承副间隙的影响；电机上下轴承座靠电机定/转子绕组一侧设置压缩气体的喷射腔，喷射腔的端面圆周上均布数个喷嘴孔，压缩气体通过喷嘴孔对定/转子绕组端部进行喷射一膨胀降温一冷却；供给轴向推力盘上下两侧的环形轴向动静压混合轴承的压缩气体采取各自独立的气路进入轴承内，上侧的环形轴向轴承的压缩气体通过反比例阀后再进入轴承内，反比例阀随调控压力的升高而使轴承供气压力按比例减小，反之则反，调控压力取自高速电动旋转机械——离心式压气机入口的压力，以自适应离心式压气机在作为产品系统设计时的轴向力平衡；轴向推力盘下侧的环形轴向轴承的压缩气体由气源直接进入轴承内。
本发明的有益效果是该高速电动旋转机械的工作转速达到40000r/min以上时，电机运行稳定、可靠。
附图说明
图1是一种作为包括本发明的高速电机用气体动静压混合轴承系统的高速电动旋转式机械的离心式压气机实施例主视图
图2是作为包括本发明的高速电机用气体动静压径向混合轴承的视图
图3是作为包括本发明的高速电机用上/下环形气体动静压轴向混合轴承的视图
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的具体实施例。图1表示为一种离心式压气机1的主视图，该压气机1立式安置，上端安置离心式压气总成2，由一台包括本发明的气体动静压混合轴承系统作支承的电机10通过隔热套4与离心式压气总成2联接，离心式压气总成2中的压气叶轮3联接于电机转子11的端部，两者同轴旋转。图1中，压气机1在其中部包括一台电机10。电机10包括电机转子11和电机定子9。电机转子11上下两端的轴颈上各安置一个半浮动的径向动静压混合轴承14；电机转子11下端的轴颈旁紧靠联接于一体的轴向推力盘17，轴向推力盘17的上侧安置上环形轴向动静压混合轴承16，下侧安置下环形轴向动静压混合轴承18；电机转子11的底部设置一个对上下环形轴向动静压混合轴承16和18运动副作非接触保护的滚动轴承轴向支承23，整体构成高速电机转子支承的气体动静压径/轴向混合轴承系统。
图2中，径向动静压混合轴承14的节流形式为：小孔-浅腔二次节流，节流孔径0.3mm，节流孔在径向轴承的轴向长度上均布四排，每排圆周上均布八个节流孔并对应布置矩形节流浅腔；节流孔在浅腔中的位置为：在轴承的轴线方向上，节流孔设置在浅腔的中间；在轴承的圆周方向上，节流孔设置在浅腔的一侧，使其处于收敛楔形气膜的起使端。
由图1和图2所示，半浮动的径向动静压混合轴承14的结构形式为：径向动静压混合轴承14两端的外圆周上各嵌有一个“0”形橡胶密封圈15，径向动静压混合轴承14由定位螺钉13定位在上轴承座5和下轴承座12的轴承孔中，可径/轴向微量浮动，以吸收电机10工作过程中电机转子11轴颈的热膨胀量对轴承副间隙的影响和电机10运行中的振动。
图1中，电机10的上轴承座5和下轴承座12靠电机定/转子绕组的一侧还设置有压缩气体的喷射腔6，喷射腔6的端面圆周上均布数个喷嘴孔7，压缩气体通过喷嘴孔7对电机转子绕组和定子绕组端部进行喷射-膨胀降温-冷却，以间接控制电机10温升引起的电机转子11轴颈的热膨胀量，使轴承工作稳定；另一方面，对电机的可靠运行也起到很好的作用。
图3中，上下环形轴向动静压混合轴承16和18的节流形式为：小孔-浅腔二次节流，节流孔径0.3mm，节流孔在环形轴向轴承端面的径向圆周方向上均布两圈，每圈上均布十六个节流孔并对应布置扇形节流浅腔；节流孔在浅腔中的位置为：在轴承的径向方向上，节流孔设置在浅腔的中间；在轴承的圆周方向上，节流孔设置在浅腔的一侧，使其处于收敛楔形气膜的起使端。
图1中，供给上下环形轴向动静压混合轴承16和18的压缩气体采取各自独立的气路进入轴承内，轴向推力盘17上侧的上环形轴向动静压混合轴承16的压缩气体由气源25通过反比例阀24后再进入轴承内，反比例阀24随调控压力的升高而使轴承供气压力按比例减小，调控压力取自高速电动旋转机械—一离心式压气机1入口的压力，以自适应离心式压气机1在作为产品系统设计时的轴向力平衡；轴向推力盘17下侧的下环形轴向动静压混合轴承18的压缩气体由气源25直接进入轴承内。
在图1中，滚动轴承轴向支承23安置在活塞筒19内孔中，活塞筒19可以在气缸20筒里上下移动，通过调节螺母22可准确控制活塞筒19的轴向位移量，电机10工作时，压缩气体通过活塞筒19将滚动轴承轴向支承23推动下移，使电机转子11与滚动轴承轴向支承23脱开，电机转子11在动静压径/轴向混合轴承支承下处于非接触状态正常运转；电机10不工作或检修时，活塞筒19下面的弹簧21将活塞筒19推动上移，滚动轴承轴向支承23将电机转子11托起，使电机转子轴上固定的轴向推力盘17不与上下环形轴向动静压混合轴承16和18接触，形成轴向运动副间的非接触保护。
由图1所表示的一种高速电动旋转式机械的离心式压气机1的电机定子9和转子11采取压气机1自身进气系统吸气冷却，冷却气流的通路为：环境空气垂直于压气机1轴线方向流过压气机1的电机定子9外圆上热套的定子换热套8的外圆周表面，通过定子换热套8上的散热翅片对电机定子9进行冷却，流出电机定子9的气体由压气总成2吸入；电机定/转子绕组端部散发的热量，通过定子换热套8端面圆周上均布的数个排气孔26排出，一併随压气总成2吸入，形成由压气机1自身吸气冷却方式。
由于采用图2和图3中的气体动静压径/轴向混合轴承设计，由图1所表示的离心式压气机1，高速运行时效果是显著的。
Claims (3)
1.一种根据本发明的高速电机用气体动静压混合轴承系统，用以支承立式布置的高速电动旋转机械，包括：在电机转子(11)上下两端的轴颈上各安置一个半浮动的径向动静压混合轴承(14)；电机转子(11)下端的轴颈旁紧靠联接于一体的轴向推力盘(17)，轴向推力盘(17)的上侧安置上环形轴向动静压混合轴承(16)，下侧安置下环形轴向动静压混合轴承(18)；电机转子(11)的底部设置一个对上下环形轴向动静压混合轴承(16)和(18)运动副作非接触保护的滚动轴承轴向支承(23)，整体构成高速电机转子支承的气体动静压径/轴向混合轴承系统；
径向动静压混合轴承(14)的节流形式为：小孔-浅腔二次节流，节流孔径0.3～0.6mm，节流孔在径向轴承的轴向长度上均布四排，每排圆周上均布六～十个节流孔并对应布置矩形节流浅腔；节流孔在浅腔中的位置为：在轴承的轴线方向上，节流孔设置在浅腔的中间；在轴承的圆周方向上，节流孔设置在浅腔的一侧，使其处于收敛楔形气膜的起使端；
半浮动的径向动静压混合轴承(14)的结构形式为：径向动静压混合轴承(14)两端的外圆周上各嵌有一个“0”形橡胶密封圈(15)，径向动静压混合轴承(14)由定位螺钉(13)定位在上轴承座(5)和下轴承座(12)的轴承孔中，可径/轴向微量浮动，以吸收电机(10)工作过程中电机转子(11)轴颈的热膨胀量对轴承副间隙的影响和电机(10)运行中的振动；
电机(10)的上轴承座(5)和下轴承座(12)靠电机定/转子绕组的一侧还设置有压缩气体的喷射腔(6)，喷射腔(6)的端面圆周上均布数个喷嘴孔(7)，压缩气体通过喷嘴孔(7)对电机转子绕组和定子绕组端部进行喷射-膨胀降温-冷却，以间接控制电机(10)温升引起的电机转子(11)轴颈的热膨胀量，使轴承工作稳定；
上下环形轴向动静压混合轴承(16)和(18)的节流形式为：小孔-浅腔二次节流，节流孔径0.2～0.5mm，节流孔在环形轴向轴承端面的径向圆周方向上均布两圈，每圈上均布八～十六个节流孔并对应布置扇形或圆形节流浅腔；节流孔在浅腔中的位置为：在轴承的径向方向上，节流孔设置在浅腔的中间；在轴承的圆周方向上，节流孔设置在浅腔的一侧，使其处于收敛楔形气膜的起使端；
供给上下环形轴向动静压混合轴承(16)和(18)的压缩气体采取各自独立的气路进入轴承内，轴向推力盘(17)上侧的上环形轴向动静压混合轴承(16)的压缩气体由气源(25)通过反比例阀(24)后再进入轴承内，反比例阀(24)随调控压力的升高而使轴承供气压力按比例减小，调控压力取自高速电动旋转机械——离心式压气机(1)入口的压力，以自适应离心式压气机(1)在作为产品系统设计时的轴向力平衡；轴向推力盘(17)下侧的下环形轴向动静压混合轴承(18)的压缩气体由气源(25)直接进入轴承内。
2.根据权利要求1所述的对上下环形轴向动静压混合轴承运动副作非接触保护的滚动轴承轴向支承，其特征是：
滚动轴承轴向支承(23)安置在活塞筒(19)内孔中，活塞筒(19)可以在气缸(20)筒里上下移动，通过调节螺母(22)可准确控制活塞筒(19)的轴向位移量，电机(10)工作时，压缩气体通过活塞筒(19)将滚动轴承轴向支承(23)推动下移，使电机转子(11)与滚动轴承轴向支承(23)脱开，电机转子(11)在动静压径/轴向混合轴承支承下处于非接触状态正常运转；电机(10)不工作或检修时，活塞筒(19)下面的弹簧(21)将活塞筒(19)推动上移，滚动轴承轴向支承(23)将电机转子(11)托起，使电机转子轴上固定的轴向推力盘17不与上下环形轴向动静压混合轴承16和18接触，形成轴向运动副间的非接触保护。
3.一种高速电动旋转式机械的压气机(1)，包括一个由权利要求1所述的高速电机用气体动静压混合轴承系统，且压气机(1)的电机定子(9)和电机转子(11)采取压气机(1)自身进气系统吸气冷却，冷却气流的通路为：环境空气垂直于压气机(1)轴线方向流过压气机(1)的电机定子(9)外圆上热套的定子换热套(8)的外圆周表面，通过定子换热套(8)上的散热翅片对电机定子(9)进行冷却，流出电机定子(9)的气体由压气总成(2)吸入；电机定/转子绕组端部散发的热量，通过定子换热套(8)端面圆周上均布的数个排气孔(26)排出，一併随压气总成(2)吸入，形成由压气机(1)自身吸气冷却方式。
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