CN105387066A - 一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，该系统包括微型向心涡轮转子、径向空气轴承、前止推空气轴承、后止推空气轴承以及配套的气路系统。其中，微型向心涡轮转子由径向来流驱动实现高速旋转；径向空气轴承为四路独立供气的双排节流缝径向空气轴承；止推空气轴承采用动静压混合的模式；静压止推轴承作用于启动和低转速时，螺旋槽动压止推轴承作用于高转速时。所述微型空气轴承系统结构简单，具有较高的偏摆刚度，在保证微转子低速稳定启动的同时为超高转速工作提供足够的支承高度和稳定性，可以为多种领域里各种形式的高转速小长径比微转子提供支承。

Description

一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统
技术领域
本发明涉及微型空气轴承系统的技术领域，特别涉及一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统。
背景技术
空气轴承具有无摩擦、无污染、阻力小、化学性质稳定、运动精度高、结构简单、加工方便等诸多特点，在微型旋转机械中得到了广泛的应用，尤其是在为需要工作在超高转速下具有紧凑结构的小长径比微转子提供支承时具有显著的优势。
目前，空气轴承根据工作原理不同可分为静压空气轴承和动压空气轴承两种，静压空气轴承通过外部供给的高压气流在轴承气缝形成高压气膜层提供支承力，动压空气轴承依靠转动部件带动气体高速运动所产生的气体动压力来提供支承力。静压空气轴承在较高转速时要提供足够的承载力需要极高的外部供给气压；动压空气轴承在转子启动或是转速较低时承载力极低易导致转子发生碰磨甚至无法正常启动。对于需要工作在超高转速下的小长径比微转子，单独的静压/动压空气轴承都无法满足需求。对于小长径比微转子，微弱的气流扰动均可能导致转子发生径向偏转振动，影响微转子的稳定旋转，严重时可能造成微转子严重的碰磨、卡死甚至碎裂性破坏，因而，提高径向偏转刚度是小长径比微转子支承系统设计中的重点和难点。
发明内容
本发明针对当前小长径比微转子空气轴承系统在不同转速下的承载力问题和偏转刚度问题，提供了一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统。
本发明采用的技术方案为：一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，该系统包括：上层静子件、中间层静子件和下层静子件、微型向心涡轮转子、径向轴承、前止推轴承和后止推轴承；上层静子件、中间层静子件和下层静子件是用于支承和形成转子主流气路和各轴承气路的三层静子结构；微型向心涡轮转子由径向来流驱动，径向轴承提供径向支承力，前后止推轴承提供轴向支承力，从而实现微转子的高速旋转。
其中，所述的微型向心涡轮转子由外部供给的主流驱动实现高速旋转，该主流通过上层静子件侧面的四个径向进气道供入，经过环形均气室进行均压后进入中层静子间中的主流气室，经导向器叶片导流后作用在微型向心涡轮转子的叶片上，从而驱动微转子旋转，微转子旋转速度可通过调节供给主流的流量实现控制。
其中，所述的径向空气轴承由外部供给的高压气流提供径向承载力，该高压气流通过下层静子件侧面的四个径向空气轴承进气道供入，经过周期对称的四个径向空气轴承均气室进行均压后进入中层静子件中对应的径向空气轴承气室，最后经过径向空气轴承节流缝进入径向轴承气缝形成高压气膜层，从而为微转子提供径向支承。
其中，该径向空气轴承具有沿轴向的两排供气节流缝，可以显著地提高小长径比微转子的径向偏转刚度。
其中，该径向空气轴承具有周向均布的四路独立供气气路，通过改变各路供气气流参数可以实现径向空气轴承周期对称供气和周期非对称供气不同工作模式的转换，为微转子在不同工作状态下提供所需的径向支承，提高微转子超高转速稳定性。
其中，所述的前止推空气轴承和后止推空气轴承为混合型空气止推轴承，包含静压止推空气轴承和动压止推空气轴承，其中静压止推空气轴承作用于启动及低转速阶段，外部供给的高压气流经环向均布的八个止推空气轴承节流孔进入止推空气轴承气缝形成高压气膜层，为转子提供轴向支承力；动压止推空气轴承作用于高转速阶段，转子带动的高速旋转气流经止推空气轴承螺旋槽增压在止推空气轴承气缝处形成高压气膜层，从而为微转子提供轴向支承力。
本发明与现有小长径比微转子空气轴承相比具有以下几个方面优点：
(1)本系统中的径向空气轴承具有轴向双排供气节流缝，可以在径向空气轴承气缝中形成两条沿轴向分布且相对于微转子轮盘厚度中线轴对称的高压带区，在提高径向承载力的同时显著地增大了微转子的径向偏转刚度。
(2)本系统中的径向空气轴承具有四路相互独立且周期对称分布的供气气路，可以实现径向空气轴承周期对称供气和周期非对称供气等多种工作模式，满足微转子在不同转速和不同工作状态下对径向支承的不同需求。
(3)本系统中的止推空气轴承采用动静压混合型空气轴承，静压止推空气轴承作用于微转子启动和低转速状态，实现微转子的稳定启动，避免发生低转速碰撞和卡死；螺旋槽动压止推空气轴承提供微转子超高转速状态下的轴向支承，解决了高转速高承载力对静压轴承气源的高压需求问题，满足了微转子在不同转速下的支承需求。
附图说明
图1为本发明一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统的结构示意图。
图2为本发明各层结构的爆炸图。
图3为本发明上层静子件结构示意图，其中，图3(a)为上层静子件上视图，图3(b)为上层静子件下视图，图3(c)为图3(b)的半剖视图。
图4为本发明中层静子件结构示意图，其中，图4(a)为中层静子件上视图，图4(b)为中层静子件下视图，图4(c)为图4(a)的半剖视图。
图5为本发明下层静子件结构示意图，其中，图5(a)为下层静子件下视图，图5(b)为下层静子件上视图，图5(c)为图5(b)的半剖视图。
图6为本发明径向空气轴承双排节流缝供气结构局部示意图。
图7为本发明止推轴承结构示意图，其中，图7(a)为止推空气轴承结构截面图，图7(b)为止推空气轴承结构局部示意图。
图8为本发明各气路结构和气流方向示意图，其中，气路①为径向空气轴承气路，气路②为止推空气轴承气路，气路③为驱动微型向心涡轮转子旋转的主流气路。
附图标号说明：1为上层静子件；2为中层静子件；3为下层静子件；4为微型向心涡轮转子；5为径向空气轴承；6为前止推空气轴承；7为后止推空气轴承；8为密封圈槽；9为定位压紧螺栓孔；10为安装固定螺栓孔；11为主流进气道；12为主流环形均气室；13为主流气室；14为导向器叶片；15为微型向心涡轮转子叶片；16为径向空气轴承进气道；17为径向空气轴承均气室；18为径向空气轴承气室；19为径向空气轴承节流缝；20为止推空气轴承进气道；21为止推空气轴承节流孔；22为止推空气轴承螺旋槽；23为出气道。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统主体包括上层静子件1、中间层静子件2和下层静子件3、微型向心涡轮转子4、径向空气轴承5、前止推空气轴承6和后止推空气轴承7。安装时各层结构件重叠放置，层与层之间通过密封圈槽8内的密封圈实现密封，均布的四个定位压紧螺栓孔9实现各层之间的定位并提供密封圈的压紧力，四个安装固定螺栓孔10实现整个装置的安装和固定。
如图3、图4和图8所示，本发明中的微型向心涡轮转子4由外部供给的主流③驱动实现高速旋转，该主流通过上层静子件1侧面的四个径向主流进气道11供入，经过主流环形均气室12进行均压后进入中层静子件2中的主流气室13，经导向器叶片14导流后作用在微型向心涡轮转子叶片15上，从而驱动微转子旋转，并可通过调节主流③的流量实现对微转子旋转速的控制。
如图4、图5、图6和图8所示，本发明中的径向空气轴承5由外部供给的高压气流①提供径向承载力，该高压气流通过下层静子件3侧面的四个径向空气轴承进气道16供入，经过周期对称的四个径向空气轴承均气室17进行均压后进入中层静子件2中对应的四个径向轴承气室18，最后经过轴向分布的两条径向空气轴承节流缝19进入径向轴承气缝形成高压气膜层，从而为微转子提供径向支承刚度和偏摆刚度。通过调节四个径向空气轴承进气道16的供气参数可以实现径向空气轴承的周期对称和周期非对称供气，从而满足不同工作状态下的微转子的支承刚度需求。
如图7和图8所示，本发明中的前止推空气轴承6和后止推空气轴承7为混合型止推空气轴承，包含静压止推轴承和动压止推轴承，其中静压止推轴承作用于启动及低转速阶段，由外部供给的高压气流②提供轴向承载力，该高压气流由止推空气轴承进气道20供入，经环向均布的八个止推空气轴承节流孔21进入止推空气轴承气缝形成高压气膜层，为转子提供轴向支承力；动压止推轴承作用于高转速阶段，微转子带动的高速旋转气流经止推空气轴承螺旋槽22增压后在止推轴承气缝处形成高压气膜层从而为转子提供轴向支承力。
本发明的工作过程如下：
如图8所示，本发明中的微转子轴承系统工作时需要三路气流供气，包括径向轴承空气气路①，止推空气轴承气路②和驱动微型向心涡轮转子旋转的主流气路③。微转子工作启动时，首先对径向空气轴承气路①通高压气流，在微型向心涡轮转子轮盘侧面形成高压气膜层，利用气膜层压力调整微型向心涡轮转子径向位移，使其位于系统中心位置；然后对前后止推空气轴承气路②通高压气流，在微型向心涡轮转子上下表面形成高压气膜层，利用气膜层压力使微型向心涡轮转子与静子结构脱离，实现完全悬浮；最后通主流气路③，径向来流经过导向器叶片导向后作用在微型向心涡轮转子叶片上，驱动微型向心涡轮转子旋转；通过调节主流气路③的流量实现不同转速的控制；增大主流气路③流量，转速上升，转子高速旋转带动气流进入止推空气轴承螺旋槽进行增压，当转速足够高时，高速旋转气流经螺旋槽增压压力≥静压止推轴承供气压力，静压止推轴承停止供气，由动压止推轴承提供微型向心涡轮转子轴向承载力。
工作完成时控制过程与启动过程相反，减小主流气路③流量使微型向心涡轮转子转速降低；随着转速的下降螺旋槽动压止推轴承产生的轴向气膜压力下降，当该压力＜静压止推轴承供气压力时止推空气轴承气路②开始供气；继续减小主流气流量降低转速，至微型向心涡轮转子停止旋转后依次关闭止推空气轴承气路②和径向空气轴承气路①供气。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，该系统包括：上层静子件(1)、中间层静子件(2)和下层静子件(3)、微型向心涡轮转子(4)、径向空气轴承(5)、前止推空气轴承(6)和后止推空气轴承(7)；上层静子件(1)、中间层静子件(2)和下层静子件(3)是用于支撑和形成转子主流气路和各轴承气路的三层静子结构；微型向心涡轮转子(4)由径向来流驱动，径向空气轴承(5)提供径向支承力，前止推空气轴承(6)、后止推空气轴承(7)提供轴向支承力，从而实现高速旋转。
2.根据权利要求1所述的一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，所述的微型向心涡轮转子(4)由外部供给的主流驱动实现高速旋转，该主流通过上层静子件(1)侧面的四个径向主流进气道供入，经过主流环形均气室进行均压后进入中层静子间(2)中的主流气室，经导向器叶片导流后作用在微型向心涡轮转子叶片上，从而驱动微型向心涡轮转子旋转，旋转速度可通过调节供给主流的流量实现控制。
3.根据权利要求1所述的一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，所述的径向空气轴承(5)由外部供给的高压气流提供径向承载力，该高压气流通过下层静子件(3)侧面的四个径向空气轴承进气道供入，经过周期对称的四个径向空气轴承均气室进行均压后进入中层静子件(2)中对应的径向空气轴承气室，最后经过径向空气轴承节流缝进入径向空气轴承气缝形成高压气膜层，从而为微型向心涡轮转子提供径向支承。
4.根据权利要求3所述的一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，所述的径向空气轴承(5)具有沿轴向的两排供气节流缝，可以增加小长径比微转子的径向偏转刚度。
5.根据权利要求3所述的一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，所述的径向空气轴承(5)具有周向均布的四路独立供气气路，通过改变各路供气气流参数可以实现径向空气轴承周期对称供气和周期非对称供气不同工作模式的转换，为微转子在不同工作状态下提供所需的径向支承，提高微转子超高转速稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种支撑高转速小长径比微转子的空气轴承系统，其特征在于，所述的前止推空气轴承(6)和后止推空气轴承(7)均为混合型止推空气轴承，包含静压止推轴承和动压止推轴承，其中静压止推轴承作用于启动及低转速阶段，外部供给的高压气流经环向均布的八个止推空气轴承节流孔进入止推空气轴承气缝形成高压气膜层，从而为转子提供轴向支承力；动压止推轴承作用于高转速阶段，转子带动的高速旋转气流经止推空气轴承螺旋槽增压在止推空气轴承气缝处形成高压气膜层，从而为微转子提供轴向支承力。
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Granted publication date: 20180330

Termination date: 20191130