CN106678179A - 一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，包括对称设置在工作圆盘（18,20）两侧的上稳压腔腔体（1）、下稳压腔腔体（16），所述上稳压腔腔体（1）外部同轴设置有大直径环形管道（6），上稳压腔腔体（1）内壁沿周向开设有环槽（2），环槽（2）用于将大直径环形管道（6）中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体（16）上设置有与上稳压腔腔体（1）上下对称的大直径环形管道（10）、环槽（14）。内环向射流形成的柱对称流场，辅以合理的稳压腔尺寸设计，能较好地把环槽喷口处的低速径向来流转变为高压轴承供气孔入口截面上速度均匀的入口气流，较好满足轴承内部流道对入口气流的均匀性要求。

Description

一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔

技术领域

本发明涉及高供气压力下静压气体轴承输入气流的稳定装置，具体地说涉及一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔。

背景技术

申请号为201610049454.7的发明专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”，通过对轴承结构的流线型设计，实现了轴承间隙的超音速出流，消除供气压力的限制。但是供气管道输送给轴承的高压空气，速度均匀性与轴承供气孔入口截面所要求的速度均匀性差异较大，因此需要一个气流稳定装置来提高气流的均匀性，这种装置称为稳压腔。

李丹等人在硕士论文“汽油机塑料进气歧管型腔设计方法研究” (李丹.天津大学硕士学位论文，2006.1)中，提到汽车发动机进气歧管的稳压腔，其目的是利用谐振效应提高充气效率，改善各缸的进气均匀性。混合气从一根进气总管进入稳压腔，再从稳压腔分出4个支管进入气缸。此进气系统的主要作用是满足发动机的配气要求。这种稳压腔的进气压力为大气压，使用压力低，不适合与高压圆盘气体轴承配套使用。

陈植等人在论文“超声速后台阶湍流结构试验及其相关技术研究” (陈植.国防科技大学硕士学位论文，2010.11)中提到一种自然吸气式静风洞的稳定段，这种稳定段由扩散段、稳定前段、稳定后段构成，扩散段为大角度扩散段，内部设置孔锥，防止气流分离，促进气流分布均匀。经过扩散段后的气体进入稳定前段，内有消音腔、多孔板及多层阻尼网。该稳定段可以减少前方管道、阀门引起的气流扰动，使得稳定段后期总压脉动小于0.1%，速度脉动不大于1%。该稳定段是为风洞的拉伐尔喷管提供高品质均匀平行的入口气流，是一种由小直径管道向大直径拉伐尔喷管输入气流的装置，与本轴承的大直径管道向小直径轴承进气孔供气相反，而且造价高，使用压力低，因此不适合与高压圆盘止推气体轴承配套使用。

刘海峰等人在论文“大喷嘴间距对置撞击流径向速度分布” (刘海峰等.华东理工大学学报，2000.4)中提到的撞击流反应器，其结构是在装置中部同一平面沿周向均布4个喷嘴，通过大喷嘴间距同轴对置的4股射流撞击形成撞击流流场。由于通过径向轴的不同截面上流场参数不同，这种撞击流反应器的出口流场为不均匀的非柱对称流场，这种结构也不适合与高压圆盘止推气体轴承配套使用。

由此可见，现有的气流稳定装置，不能向高压圆盘气体轴承提供稳定、均匀的气流，来满足高压圆盘气体轴承的供气孔入口的入口气流条件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，使供气管道输送来的不够均匀的气流，经过稳压腔后，变为较均匀的轴承供气孔入口气流，进入轴承后使圆盘气体轴承中气膜内部流场平稳和均匀。可用于与一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承配套使用。

本发明的工作原理为：通过将供气管道输送来的高压空气经过大直径的环形管道，多个相同的高压小管，通入到稳压腔内壁上的环槽。再经由环形喷口向稳压腔的圆柱形内腔供气，形成内环向射流。内环向射流与常见的轴对称或平面射流不同，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。这种柱对称流场，辅以合理的稳压腔尺寸和环槽尺寸设计，能较好地把低速径向来流转变为高压圆盘气体轴承供气孔入口处较均匀的轴向气流，满足轴承流道的入口气流均匀性要求。

本发明一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，包括对称设置在工作圆盘（18,20）两侧的上稳压腔腔体1、下稳压腔腔体16，所述上稳压腔腔体1外部同轴设置有大直径环形管道6，上稳压腔腔体1内壁沿周向开设有环槽2，环槽2用于将大直径环形管道6中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体1上下对称的大直径环形管道10、环槽14。

上稳压腔腔体1内部还沿周向均布有圆形通孔3，圆形通孔3一端与环槽2相连通，圆形通孔3另一端通过快换接头4与小直径高压管5相连通继而小直径高压管5通过快换接头4与大直径环形管道6相连通；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体1上下对称的圆形通孔13、快换接头11、小直径高压管12。

所述环槽2的宽度略大于圆形通孔3的直径。

所述环槽2位于稳压腔高度的1/4至3/4之间。

所述环槽2、圆形通孔3、快换接头4、小直径高压管5、大直径环形管道6的中心线均位于同一水平面。

所述大直径环形管道6外部还设置有直通式管接头8。

支撑架7、15用于将大直径环形管道6、10分别固定在上稳压腔腔体1、下稳压腔腔体16上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、结构新颖：内环向射流与常见的轴对称或平面射流不同，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。在过中心轴线的任意截面上，流场参数完全一样，稳压腔内的流场是理想的二维柱对称流动，可以与高压圆盘止推气体轴承流道内的二维柱对称流动实现良好匹配，使高压圆盘气体轴承间隙内的超音速流场稳定和均匀。

2、适合于在高压下工作：环形管道内径大，通过合理匹配环形管道与多个小直径高压管的流动面积，使稳压腔环槽的进气通道具有较小的流动损失，总压损失小，稳压效率高。

3、结构简单，加工方便，易于装配，成本低，适合于向小尺寸供气孔提供速度均匀的入口气流的工况。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为柱对称内环向射流稳压腔内的气体流动示意图；

图4为轴承和稳压腔装配后流道的马赫数等值线图；

图5为轴承和稳压腔装配后供气孔过渡段的马赫数等值线图；

图6为轴承供气孔入口截面上的速度分布曲线；

图7为收缩段出口截面上的速度分布曲线；

图8为轴承间隙出口截面上的速度分布曲线。

图中，1为上稳压腔腔体，2、14为环槽，3、13为圆形通孔，4、11为快换接头，5为高压管，6、10为环形管道，7、15为支撑架，8、9为直通式管接头，12为下稳压腔高压管，16为下稳压腔腔体，17为上工作圆盘供气孔，18为上工作圆盘，19为轴承间隙出口，20为下工作圆盘轴承，21为收缩段出口，22为下工作圆盘供气孔。

图中Z方向表示稳压腔或轴承的轴线方向，r方向表示稳压腔或轴承的径向方向。

稳压腔的几何参数是：内腔半径R等于90mm，高压圆盘轴承供气孔入口到稳压腔内壁圆孔轴线距离h等于140mm，环槽喷口宽度b等于4mm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

参见图1、图2，示出了一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，其中包括：

由直通式管接头（8）、（9）进入大直径环形管道（6）、（10）中的高压空气，通过小直径高压管（5）、（12）通入稳压腔腔体（1）、（16）上均布的圆孔（3）、（13）中，通过该均布圆孔先沿周向充满稳压腔内壁上开设的环槽（2）、（14），然后通过该环槽喷口射出，形成内环向射流；

通过快换接头（4）、（11）将高压管（5）、（12）与稳压腔腔体（1）、（16）连接；

通过快换接头（4）、（11）将高压管（5）、（12）与环形管道（6）、（10）连接；

稳压腔腔体（1）、（16）分别联接在上下两个工作圆盘（18）、（20）上；

通过支撑架（7）、（15）将环形管道（6）、（10）固定在稳压腔腔体（1）、（16）外壁上。

由上述结构可知，本发明的一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，采用柱对称内环向射流的流动形式，内环向射流与常见的轴对称或平面射流不同，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。稳压腔内的柱对称流场，在过中心轴线的任意截面上的流场参数完全一样，可以与高压圆盘止推气体轴承流道内的二维柱对称流动实现良好匹配，保证高压圆盘气体轴承能正常工作在超音速工况下，使高压圆盘气体轴承间隙内的超音速流场稳定和均匀。

轴承与稳压腔装配后的模型为图1。图1中的支撑架将外部环形管道连接在稳压腔腔体外壁上，用于牢固支撑环形管道，但是，固定环形管道的方式有很多，这种方案只是其中之一，其它的固定方式皆适用于本发明。

图2为图1的A-A向剖视图，由多个直通式管接头进入大直径的环形管道中的高压气体，通过多个小直径高压管向稳压腔内部环槽供气，而大直径环形管道中气体流速低，压力损失小，可以忽略不计；且每根高压小管的内径、长度完全一样，因此每一根高压小管中的流动状态基本相同，从而使通过高压小管进入环槽的气体具有一致的状态，为建立内环向柱对称射流奠定基础。

图3是柱对称内环向射流稳压腔内的气体流动示意图，可以直观地看到整个稳压腔的气体流动情况，稳压腔内的流动是一种二维柱对称流场。

图4为轴承和稳压腔装配后的整个流道的马赫数等值线图。图5是轴承和稳压腔装配后的供气孔过渡段的马赫数等值线图，可以观察到稳压腔出口与轴承收缩段之间的过渡区域内的流动情况。过渡段内，沿z方向，马赫数先是逐渐增加，然后由于轴承对称面上对气流z向运动速度的抑制而逐渐减速；沿轴承径向，即r方向速度则逐渐增加，在收缩段入口区域气流得到均匀的加速，进而在收缩段出口处获得临界音速，并在轴承间隙内不断加速，在平行间隙内获得全部超音速流动。图5表明，轴承的供气孔内，气流状态较为稳定，轴承供气孔内壁面处存在速度较低的回流区，但此回流区较为规则，对过渡段的流动没有不良影响。

轴承供气孔入口截面上的速度分布曲线如图6所示，可看出内环向射流非核心区的气体质量流量，到达轴承供气孔入口处时，被导入到Φ4-Φ5mm之间的环面内，使得该区域的流动速度明显增大。Φ4mm之内的中心柱面内流动速度均匀，符合设计要求。

收缩段出口截面上的速度分布曲线如图7所示，气流经过收缩段的加速，在收缩段出口刚好加速到临界音速，且截面上速度分布十分均匀，较好地符合设计要求。

轴承间隙出口截面上的速度分布曲线如图8所示，在出口截面上全部处于超音速状态，且气流速度分布较均匀，符合设计要求。这说明了稳压腔设计的必要性，也充分反映出本发明一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔对轴承正常工作的重要性。

由此可见，采用一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，与一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承配套使用，能够满足高压圆盘气体轴承供气孔入口的入口气流条件，并且使轴承很好地实现了超音速间隙流动，为高压圆盘气体轴承内部流场的研究提供了有利条件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均因包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔，其特征在于：包括对称设置在工作圆盘（18,20）两侧的上稳压腔腔体（1）、下稳压腔腔体（16），所述上稳压腔腔体（1）外部同轴设置有大直径环形管道（6），上稳压腔腔体（1）内壁沿周向开设有环槽（2），环槽（2）用于将大直径环形管道（6）中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体（16）上设置有与上稳压腔腔体（1）上下对称的大直径环形管道（10）、环槽（14）。

2.如权利要求1所述的射流稳压腔，其特征在于：上稳压腔腔体（1）内部还沿周向均布有圆形通孔（3），圆形通孔（3）一端与环槽（2）相连通，圆形通孔（3）另一端通过快换接头（4）与小直径高压管（5）相连通继而小直径高压管（5）通过快换接头（4）与大直径环形管道（6）相连通；所述下稳压腔腔体（16）上设置有与上稳压腔腔体（1）上下对称的圆形通孔（13）、快换接头（11）、小直径高压管（12）。

3.如权利要求2所述的射流稳压腔，其特征在于：所述环槽（2）的宽度略大于圆形通孔（3）的直径。

4.如权利要求1所述的射流稳压腔，其特征在于：所述环槽（2）位于稳压腔高度的1/4至3/4之间。

5.如权利要求2所述的射流稳压腔，其特征在于：所述环槽（2）、圆形通孔（3）、快换接头（4）、小直径高压管（5）、大直径环形管道（6）的中心线均位于同一水平面。

6.如权利要求1所述的射流稳压腔，其特征在于：所述大直径环形管道（6）外部还设置有直通式管接头（8）。

7.如权利要求1所述的射流稳压腔，其特征在于：支撑架（7、15）用于将大直径环形管道（6、10）分别固定在上稳压腔腔体（1）、下稳压腔腔体（16）上。