CN106704361A - 具有自引导冷却的箔片气体轴承组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件。在一个方面，本发明涉及一种轴颈轴承组件，其包括箔片组件，使得旋转轴由润滑气体层横向支撑。一旦轴旋转，箔片组件引起轴颈轴承组件的自引导冷却。由此防止由于机械元件的热引起的变形而导致的损坏。在另一方面，本发明涉及一种通过推力滑块轴向支撑旋转轴的推力轴承组件，其中箔片组件促进自引导冷却。

Description

具有自引导冷却的箔片气体轴承组件

技术领域

本发明涉及一种用于支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件。在一个方面，本发明涉及一种轴颈轴承组件，其包括箔片组件，使得旋转轴由润滑气体层横向支撑。一旦轴旋转，箔片组件导致轴颈轴承组件的自引导冷却。由此防止由于机械元件由热引起的变形导致的损坏。在另一方面，本发明涉及一种借助推力滑块轴向支撑旋转轴的推力轴承组件，其中箔片组件促进自引导冷却。

背景技术

液体或气体轴承用于机械工程中的许多不同的装置中。例如在涡轮机中，轴颈以高速旋转并且构成用于机械元件的载荷。为了支撑高速旋转轴，已经开发了箔片气体轴承。对于旋转轴的横向支撑，轴颈轴承包括外部刚性支撑轴承套筒和内部箔片组件。特别地，箔片气体轴颈轴承包括箔片，其可以被称为接收可旋转轴的顶部箔片。一般来说，在顶部箔片下面，中间箔片组件构成弹性层，其可以缓冲由于轴在轴颈轴承内的横向运动而引起的局部变形。在轴的表面和顶部箔片之间仅保留非常薄的周向间隙。甚至可以选择轴承，使得轴的直径有意地大于轴承，使得轴首先压靠顶部箔片。对于这两种情况，一旦轴旋转，当环境气体被压缩到间隙中时，在轴的表面和顶部箔片之间产生流体动压力。间隙内的气体沿着轴的旋转方向流动，作为润滑剂，并且因此被称为润滑气体。流动的润滑气体的流体动压力构成支撑层，该支撑层将轴的载荷传递到顶部箔片，顶部箔片由内部刚性轴承套筒上的弹性中间箔片支撑。由于润滑气体，可以避免轴的表面和顶部之间的直接摩擦。

然而，高转速可导致润滑气体的温度升高和整个轴承组件的加热。箔片气体轴承的热引起的变形可以增加这种影响，并且导致“热失控(thermal runaway)”情况和机械损坏。因此，在现有技术中已经开发了多种方案以确保箔片气体轴承和/或轴的冷却。

在US 6 286 303 B1中，公开了具有用于冷却空气的入口的喷头的使用，其将较冷温度的气体输送到轴颈的内表面，从而冷却整个箔片气体轴承和轴组件。

在EP 0186 263 A2中，通过中间箔片内的流动引导装置提供用于箔片推力轴承的冷却，以能够向两个相对旋转的表面的界面提供更冷的气体和/或流体。

在EP 0 303 189 A2中描述了一种箔片气体轴承组件，其中狭槽沿着轴的轴向方向在箔片内延伸，从而提供流体穿过箔片的轴向流动。

现有技术的冷却装置和方法主动地将较低温度的气体推向轴承或提供用于沿着轴轴向引导较低温度气体的装置。现有技术的装置和方法需要额外的能量用于推动冷却气体或昂贵和精细的结构。通过箔片气体轴承的简单的构造方法的有效的被动冷却系统在现有技术中没有公开。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的缺点，并提供一种用于支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件，其在轴的旋转期间提供有效的自引导被动冷却。本发明的另一方面是提供一种箔片气体轴承组件，其易于构造并且能够实现对于高速旋转中的轴提供特别好的弹性支撑，同时使由于加热对机械部件的有害影响最小化。

该目的通过根据独立权利要求的轴颈轴承组件和推力轴承组件实现。从属权利要求涉及轴颈轴承组件和推力轴承组件的优选实施例。

因此，在一个实施例中，本发明涉及一种用于支撑可旋转轴的轴颈轴承组件，其包括多个箔片和轴承套筒，所述多个箔片包括成形为接收可旋转轴的至少一个顶部箔片和在顶部箔片外部的至少一个中间箔片，轴承套筒具有包围所述中间箔片的内部凹形表面，其中顶部箔片在所述顶部箔片的部分中具有至少一个开口，使得所述开口相对于所述可旋转轴的表面具有0°至60°的开口角度。

轴颈轴承组件构造成支撑可旋转轴。因此，轴颈轴承优选地理解为用作支撑可旋转轴的轴承组件，并因此用作滑动表面。在本文中，可旋转轴优选地具有圆柱形几何形状。对于圆柱形轴，成形为用于接收可旋转轴的顶部箔片，是指跨越与可旋转轴的外径匹配的圆柱形表面的大部分区域的顶部箔片。优选地，在顶部箔片和可旋转轴之间保留薄的间隙。因此，顶部箔片成形为接收轴，但不必接触轴的外表面。此外，顶部箔片可以以这样的方式组装，即其不是在其整个表面上接收轴，而是仅在表面的一部分上。接收轴并因此紧密接近轴的表面的顶部箔片的表面的部分被称为轴承段。至少一个中间箔片位于顶部箔片的外部。中间箔片可以具有不同的形状。然而，优选地，中间箔片被成形为使得由中间箔片跨越的层比由顶部箔片跨越的层具有更大的径向高度。此外，优选地，中间箔片沿着其径向高度弹性地起作用。刚性的轴承套筒位于中间箔片的外侧。优选地，刚性轴承套筒的内表面具有与可旋转轴的外表面相似的形状。因此，对于圆柱形可旋转轴，轴承套筒的内表面是圆柱形的。顶部箔片和中间箔片因此构成了在可旋转轴的外表面和刚性轴承套筒的内表面之间的箔片层。有利地，两个箔片层用于不同的目的。顶部箔片的内表面足够平滑以接纳可旋转轴。在轴的旋转期间产生流体动压力，其导致在轴的表面和顶部箔片之间建立较高压力的气体层。由于粘附作用，该层气体沿着轴的表面一起被拖动。该层被称为润滑气体，其在轴的旋转方向上具有高的切向速度。有利地，由于润滑气体层，轴的表面不直接阻碍顶部箔片层。以这种方式，可以实现特定的摩擦减小的轴承。然而，轴的横向运动通过润滑气体层传递到顶部箔片。有利地，如果沿着其高度弹性地构造，则中间箔片可以缓冲这些运动。因此，两层箔片(至少一个顶部箔片和至少一个中间箔片)的组合具有以下优点：由顶部箔片的轴承段形成的薄的润滑气体层可以减少摩擦，而至少一个中间箔片的较厚的层可以用作刚性轴和轴承套筒之间的机械阻尼元件。此外，中间箔片优选地为轴的横向运动提供弹性和柔性，并且确保润滑气体层的稳定维持。然而，对于高速旋转轴，优选的薄的润滑气体可能潜在的显著变热。

令人惊讶的是，通过在顶部箔片和中间箔片之间的开口相对于轴的表面具有0°至60°的开口角度，实现了用于轴承组件的有效的自引导冷却。有利地，开口因此相对于流动的润滑气体的切向速度具有0°至60°的角度。优选地，顶部箔片的包含开口的部分为此倾斜，使得其沿着旋转方向和切向润滑气流的方向上升。如本文所公开的，0°度的开口角度是指在顶部箔片的垂直于润滑气体的切向流向的一部分内的开口。根据本发明，不是优选的90°的开口角度是指在平行于可旋转轴的表面并且因此平行于润滑气流的切向速度的部分中的顶部箔片中的开口。有利地，顶部箔片内的至少一个具有0°至60°的开口角度的开口将部分润滑流动气体引导到中间箔片层的空间中，因此处于顶部箔片下方。因此，除了润滑气体流动层之外，还产生位于中间箔片层中的气流并且称其为中间气流层。连续性和质量守恒的物理定律要求如果润滑气体的一部分离开顶部箔片和轴之间的层以加入中间气流，则其必须由新的流入气体代替。因此，由于根据本发明的开口，较冷的环境气体连续地流入顶部箔片和轴之间的间隙中加入润滑气流。与现有技术的轴承装置相比，由此实现了有效的自引导冷却。由于在这种情况下润滑气体几乎不进入中间箔片层，因此不能用具有大约90°开口角度的开口实现这种有效的自引导冷却。有利地，由于根据本发明的开口的冷却不需要任何额外的装置或能量来迫使较冷的环境空气进入润滑层。相反，利用旋转轴的能量来将冷却气体吸入到润滑气体中。由此可以避免润滑气体的有害加热。特别地，自引导冷却也比例如通过沿现有技术中所述的中间箔片的轴向开口轴向引导冷气体所引发的冷却更有效。

在优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，开口相对于可旋转轴的表面的开口角度在10°至50°之间，优选在20°至40°之间。具有这些特别优选的开口角度的顶部箔片内的开口将流动的润滑气体的最佳量引导到中间箔片层中。这些开口角度构成了一种特别的最佳折衷，即不将过多的润滑气体引导到中间箔片层中，这可能干扰润滑流动，同时将足够量的润滑气体引导到中间箔片层中以实现轴承的有效冷却。

在本发明的一个优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，其包括两个或更多个顶部箔片，每个顶部箔片具有顶部箔片尾部和顶部箔片前部，顶部箔片尾部包括与可旋转轴的表面形成30°至90°角度的下降坡道，顶部箔片前部包括与可旋转轴的表面形成30°至90°角度的上升坡道，其中上升坡道包括开口。通过以所述方式组装多个顶部箔片，将润滑气体连接到中间箔片层内的空间的开口是特别有效的。使用具有顶部箔片尾部和顶部箔片前部的两个或更多个顶部箔片有利地沿着轴的周向产生的轴承段区域和轴承腔。其中，轴承段是顶部箔片的区域，其特征在于顶部箔片和轴的表面之间具有小间隙，并且轴承腔是指由下降坡道和上升坡道产生的空间。这种构造确保在轴承段内的特别稳定的润滑气流，同时允许冷的环境空气优选在轴承腔的位置处加入润滑气流。此外，顶部箔片尾部的下降坡道减小了润滑气流中的湍流，并且将一部分润滑气流有效地引导到上升坡道的开口中，而另一部分进入轴承段中的间隙。这里，顶部箔片前部的上升坡道的30°倾斜角导致60°的开口角度。类似地，顶部箔片前部的上升坡道的90°倾斜角导致0°的开口角度。将开口嵌入顶部箔片前部中的上升坡道中同样地减少湍流并增加冷却效果，同时保持支撑性润滑气体层。在特别优选的实施例中，顶部箔片尾部的下降坡道可以与顶部箔片前部的上升坡道重叠，以优化加入中间气流的润滑气体的部分，以有效冷却。因此，可以有利地优化轴承腔相对于轴承段的尺寸，用于可旋转轴的特别有效的自引导冷却和高载荷支撑。较大的轴承腔导致较小的轴承段，因此可能降低轴承的载荷能力。优选地，轴承的载荷能力由轴颈轴承组件施加到轴上的轴承力控制，其等于流体动压力乘以轴承段的总表面。然而，对于较小的轴承腔，可能导致较少的润滑气体因为旋转轴的拖拽力的影响占主导地位而进入中间箔片层。在这种情况下，大多数润滑气流从一个轴承段流到下一个轴承段，这可能降低自引导冷却效果。

在另一优选实施例中，根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件的特征在于，顶部箔片的上升坡道包括沿着可旋转轴的圆柱形轴线的方向对齐的两个或多个开口。在轴颈轴承组件的该优选实施例中，可以实现特别有效的自引导冷却，同时支撑高机械载荷的旋转轴。

在另一优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，开口具有在10∶1与2∶1之间的长宽比，其中开口的长度是沿着可旋转轴的圆柱轴线方向的开口的尺寸。优选的长宽比产生令人惊讶的高效冷却效果，而不干扰润滑气流。

在另一优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，顶部箔片由镍基超合金制成，优选地含有选自包括铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪的化合物。这些材料特别好地适用于自引导冷却，因为它们提供顶部箔片组件特别好的稳定性，顶部箔片组件包括在一个或多个顶部箔片的部分内的开口。此外，上述材料特别适合于在高温下的应用。最优选地，顶部箔片由合金X-750制成。可进一步优选用固体润滑剂如聚四氟乙烯和/或二硫化钼另外涂覆顶部箔片。还优选使用铬涂层、等离子体涂层或其它类型的涂层处理轴的表面以使表面硬化。这些涂层尤其在旋转开始和停止时减少顶部箔片和轴之间的磨损。在低旋转速度下，流体动压力可能不足以提供稳定的润滑气体层。因此，固体润滑剂涂层的使用降低了在轴和/或顶部箔片的表面处的特别严重的退化并且延长了轴承组件的寿命。

上述合金X-750是特别优选的镍基超合金，其已经演变为描述性术语。特别优选的镍基超合金作为商品名的表征是明确和清楚的。合金X-750是指由特殊金属公司生产，并于2015年10月在特殊金属数据表中说明和公开的镍。铬合金。在2015年10月，技术数据表可从http：//www.specialmetals.com/documents/lnconel％20alloy％20X-750.pdf下载。

在另一优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，中间箔片是波纹箔片并且在顶部箔片和轴承套筒之间构成弹性层。优选地，波纹箔片是沿着由中间箔片形成的层的高度具有凸起和凹陷的箔片。这里，中间箔片层的高度是指相对于可旋转轴的径向延伸。特别优选地，波纹箔片具有凸起，因此这种波纹箔片也称为凸起箔片。因此，中间箔片层的内表面(凸起的顶部)接触顶部箔片的外表面。可以有利地通过波纹箔片的局部变形来抑制迫使顶部箔片偏转的轴的运动。例如，凸起可以偏转并提供弹性恢复力。有利地，中间箔片的波纹结构为中间箔片层沿其高度提供特别有效的弹性。由此横向运动被抑制并且轴被稳定地保持在居中的轴向位置。甚至冲击载荷，即所支撑的轴的载荷的突然急剧增加，可以通过特别是包括多个凸起的波纹箔片令人惊讶地很好地补偿。

在另一个优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，波纹箔片包括和/或两个或更多个波纹箔片形成至少一个狭缝，其沿着轴承套筒的表面周向延伸，其中开口与所述狭缝对齐。波纹箔片具有如上所述的特别有利的弹性性质。此外，中间箔片的结构作为波纹箔片优选凸起箔片，对于如果存在周向狭缝的自引导冷却是特别有利的。这种狭缝优选地通过在波纹箔片中切出线而形成，使得狭缝没有中间箔片的材料。然而，也可以通过沿着形成狭缝的周线使波纹箔片在轴承套筒的内表面上平坦来形成狭缝。此外，也可以通过在轴承套筒的内表面上轴向地将两个或多个波纹箔片组装在彼此的顶部上而形成狭缝，使得没有波纹箔片的空间保留并形成狭缝。根据该优选实施例的狭缝的特征在于其形成在波纹箔片层内沿周向延伸的开放空间。由于顶部箔片内的开口与狭缝对齐，部分润滑气体可以通过开口进入波纹箔片层，并且随后沿着狭缝被引导。这种布置减少了中间气流的流动模式中的湍流并且增加了冷却效果。由于凸起箔片的结构优选地使得轴向开口形成在凸起下面，然而中间气体离开凸起箔片的层。对于优选实施例尤其是这样，其中在顶部箔片的尾部的下降坡道防止中间气流进入下一个轴承段下面的中间箔片层。由于波纹箔片的敞开结构，中间气体与较冷的环境空气特别好地混合，并且防止中间箔片层的加热。

在另一优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于，中间箔片由选自包括镍基超合金的组的材料制成，其优选含有选自铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，更优选地，中间箔片由合金X-750制成。这些材料为中间箔片提供特别显著的弹性，特别是对于是波纹箔片的中间箔片，尤其是凸起箔片。此外，上述材料甚至在高温下也增加了箔片组件的稳定性。

在另一优选实施例中，轴颈轴承的特征在于，中间箔片前部包括平坦的中间箔片固定区域，而顶部箔片前部包括平坦的顶部箔片固定区域，并且顶部箔片固定区域和中间箔片固定区域固定到轴承套筒的内表面。顶部箔片和中间箔片的前部到轴承套筒的内表面的平坦固定构成了用于将箔片组件附接到轴承套筒的特别稳定的方式。顶部箔片前部和中间箔片前部的这种平坦固定可以优选通过将箔片点焊到内表面上来实现。然而，其他固定装置也可以优选地是可能的，只要它们能够确保箔片平坦地固定到内表面。

此外，在优选实施例中，本发明涉及用于制造根据本发明的轴颈轴承组件的优选方法，包括以下步骤：

a)切割一个或多个顶部箔片，当顶部箔片是平坦的时使用激光切割和/或蚀刻；

b)切割一个或多个中间箔片，当中间箔片是平坦的时使用激光切割和/或蚀刻；

c)一个或多个顶部箔片通过压制、弯曲和/或滚压成形为接纳圆柱形轴；

d)将一个或多个中间箔片在模具上压制和/或冲压，该模具优选构造为将中间箔片成形为波纹箔片；

e)一个或多个中间箔片和一个或多个顶部箔片优选地使用合适的夹具通过点焊固定到套筒。

在轴承组件的制造中，可能还需要热处理箔片。特别是如果例如箔片由合金X-750制成的情况。由此可以实现沉淀硬化，使得箔片的强度增加。可进一步优选用固体润滑剂如聚四氟乙烯和/或二硫化钼涂覆顶部箔片。本领域技术人员将知道如何执行上述方法步骤以制造优选的轴颈轴承组件。对于制造步骤的细节，本领域技术人员可进一步参考关于箔片气体轴承制造的出版物，如2008年出版的Della Corte等人所著的《摩擦处理》(Tribology Transactions)，第51卷第3期，第254-264页。

此外，本发明涉及根据本发明的轴颈轴承组件及其优选实施例的用途，用于支撑可旋转轴，优选地用于空气循环机、涡轮增压器、微机电系统、涡轮膨胀机、飞机辅助动力单元、车辆增程器、发动机、压缩机、鼓风机、铣削主轴、磨削主轴和/或涡轮机的可旋转轴，该涡轮机优选为蒸汽涡轮机和/或微型燃气涡轮机。有利地，根据本发明的轴颈轴承能够支撑高载荷的可旋转轴，这是由于在顶部箔片和轴的表面之间形成的润滑气体膜和中间箔片的弹性支撑。因此，与现有技术的刚性气体轴承相比，轴颈轴承组件对于包括可旋转轴的装置的热变形和几何误差更稳定。此外，由于轴颈轴承组件构成气体轴承，其有利地没有用于常规刚性轴颈轴承中的油。因此，通过使用气体作为润滑剂，轴颈轴承组件集成到其中的装置不需要另外的油系统，例如泵和/或油过滤器。这有利地进一步确保了更低的维护成本、更轻的重量、减少的排放和避免任何油泄漏，这对于例如在食品和/或电子工业中不能容忍油污染的方法是特别需要的。此外，由于箔片组件，即使对于特别快速旋转的轴，也防止了轴颈轴承组件的过热。此外，轴颈轴承组件构成简单的构造方案并且重量轻。因此，根据本发明的轴颈轴承组件特别好地适用于机械工程中的应用，其中快速旋转轴应被牢固且有效地支撑。因此，根据本发明的轴颈轴承组件特别改善了诸如空气循环机、涡轮增压器、微机电系统、涡轮膨胀机、飞机辅助动力单元、车辆增程器、发动机、压缩机、鼓风机、铣削主轴、磨削主轴和/或涡轮机等装置的工作效率。根据本发明的轴颈轴承组件在这些装置中的使用提高了这些装置的寿命、生产率和能效。例如，装置可以以高生产率(和轴的高旋转速度)运行而没有由于热失控而损坏的风险。此外，可以降低能量成本，因为装置的自引导冷却不需要主动引入冷却气体到轴颈轴承。

虽然已经关于轴颈轴承组件公开了本发明的上述实施例，但值得强调的是，根据本发明的技术教导同样可以应用于其它类型的轴承。

因此，本发明还涉及一种支撑可旋转部件的轴承组件，包括固定安装构件和多个箔片，多个箔片包括至少一个用于接收可旋转构件的顶部箔片和至少一个位于可旋转构件和固定安装构件之间的中间箔片，其特征在于，顶部箔片在其一部分中具有至少一个开口，使得所述开口相对于可旋转构件的表面具有0°至60°的开口角度。

因此，本文公开的轴颈轴承组件构成本发明的上述总体构思的优选实施例。在轴颈轴承组件的情况下，可旋转构件是可旋转轴，而固定安装构件对应于套筒。套筒是固定安装构件，因为其优选地附接到系统或装置的非旋转部件，轴在其中旋转。

对于轴颈轴承组件详细描述的有利的自引导冷却也可以用于具有箔片组件的其他类型的轴承，其中顶部箔片包括相对于可旋转构件的表面具有0°至60°的开口角度的开口。自引导冷却的原理依赖于将润滑气流引导到中间箔片层中。在轴承组件中，润滑气流出现在顶部箔片(优选顶部箔片的轴承段)和可旋转构件的表面之间，该可旋转构件的表面在轴颈轴承组件的情况下是可旋转轴的表面。有利地，顶部箔片和可旋转构件之间的润滑气体层减少了摩擦。然而，由于可旋转构件的旋转，润滑气流可能加热并导致对部件的热损坏。根据本发明，这可以通过将润滑气流引导到中间箔片层中来有利地防止。由于连续性规律，离开顶部箔片和可旋转构件的表面之间的层的润滑气体被环境气体替代，其优选比润滑气体更冷。如本文所述，被引导到中间箔片层中的润滑气体的量取决于顶部箔片中的开口相对于润滑气流的方向的角度。对于本发明上下文中的轴承，润滑气体优选地沿着可旋转构件的表面流动，润滑气体被该表面拖动。润滑气体的流动方向与可旋转构件的表面之间的这种关系允许构造具有相对于可旋转构件的表面的有利开口角度的轴承组件。对于轴颈轴承组件，开口角度如上所述相对于轴颈的圆柱形表面所定义。

从前述段落可以清楚地看出，本发明的教导也适用于其它类型的轴承。特别是在推力轴承的情况下，可旋转构件对应于推力滑块，而固定安装构件对应于止推板。

因此，在另一实施例中，本发明涉及一种支撑可旋转轴的推力轴承组件，其包括附接到可旋转轴的推力滑块、止推板和多个箔片，多个箔片包括成形为接收推力滑块的至少一个顶部箔片、和位于顶部箔片和止推板之间的至少一个中间箔片，其特征在于，顶部箔片在其部分中具有至少一个开口，使得所述开口相对于推力滑块的表面具有0°至60°的开口角度。

轴颈轴承适合于支撑旋转轴的横向运动。推力轴承设计成支撑旋转轴的轴向载荷和/或运动。为此，推力滑块固定到可旋转轴。优选地，推力滑块具有带有用于接收轴的内孔的盘的形状。由于推力滑块附接到轴，它与所述轴一起旋转。对于期望的轴向支撑，推力滑块必须由固定安装构件支撑，在推力轴承组件的情况下，该固定安装构件被称为止推板。止推板优选地附接到用于支撑轴的轴向载荷的另外的固定部件。例如，在发动机内部，旋转轴可以由推力轴承支撑，对于该推力轴承，止推板连接到发动机的固定壳体。一旦轴旋转，推力滑块相对于止推板旋转。如在轴颈轴承的情况下，其中轴相对于套筒旋转，箔片组件用作旋转部件之间的支撑和润滑元件。对于优选的推力轴承，顶部箔片成形为承接推力滑块，因此优选地至少大部分是平坦的。顶部箔片的平坦部分用作支撑推力滑块的轴承段。在顶部箔片的轴承段和推力滑块之间，一旦轴开始旋转，将形成薄的润滑气体层。优选的推力轴承组件的顶部箔片包括具有开口的部分，使得相对于推力滑块的表面的开口角度在0°至60°之间。有利地，对于轴颈轴承组件，开口相对于流动的润滑气体的速度具有0°至60°的角度。优选地，顶部箔片的包含开口的部分为此倾斜，使得其沿着推力滑块的旋转方向和切向润滑气流的方向上升。如本文所公开的，0°的开口角度是指在顶部箔片的相对于润滑气体的切向流垂直的部分内的开口。不是根据本发明优选的90°的开口角度是指顶部箔片的平行于推力滑块的表面并因此平行于润滑气体流的切向速度的部分中的开口。有利地，顶部箔片内的具有0°至60°之间的开口角度的至少一个开口将润滑流动气体的一部分引导到中间箔片层的空间中，从而在顶部箔片下方。因此，除了润滑气流层之外，在中间箔片层中产生气流并且被称为中间气流层。连续性和质量守恒的物理定律要求如果润滑气体的一部分离开在顶部箔片和推力滑块之间的层以加入中间气流，则其必须由新的流入气体代替。因此，由于根据本发明的开口，较冷的环境气体连续地流入顶部箔片和推力滑块之间的间隙中，加入润滑气流。与现有技术的轴承装置相比，由此实现了有效的自引导冷却。由于在这种情况下润滑气体几乎不进入中间箔片层，因此不能用具有大约90°的开口角度的开口实现这种有效的自引导冷却。有利地，由于根据本发明的开口，冷却不需要任何额外的装置或能量来迫使较冷的环境空气进入润滑层。相反，利用旋转轴的能量来将冷却气体吸入到润滑气体中。由此可以避免润滑气体的有害加热。

已经公开的用于轴颈轴承的技术特征和优选实施例优选地也适用于推力轴承。因此，本领域技术人员可以认识到，轴颈轴承的优选特征也可以有利地用于推力轴承的情况中。例如，对于轴颈轴承，已经公开了优选的开口为10°至50°，更优选为20°至40°。因此，本领域技术人员可以认识到，对于推力轴承，开口角度也为10°至50°，更优选为20°至40°。此外，对于根据本发明的轴颈轴承的特征和优选实施例所公开的令人惊讶的技术效果可以有利地用于推力轴承。

因此，在本发明的优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，开口角度在10°至50°之间，并且优选在20°至40°之间。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，推力轴承组件包括两个或更多个顶部箔片，每个顶部箔片具有顶部箔片尾部和和顶部箔片前部，顶部箔片尾部包括与推力滑块的表面形成30°至90°角的下降坡道，顶部箔片前部包括与推力滑块的表面形成30°至90°角的上升坡道，其中上升坡道包括开口。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，顶部箔片的上升坡道包括沿推力滑块的径向方向对齐的两个或更多个开口。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，开口具有在10∶1至2∶1之间的长宽比，其中开口的长度是开口沿推力滑块的径向方向的尺寸。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，顶部箔片由镍基超合金制成，优选含有选自铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，更优选顶部箔片由合金X-750制成。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，中间箔片是波纹箔片，并且在顶部箔片和轴承套筒之间构成弹性层。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，波纹箔片包括和/或两个或更多个波纹箔片形成至少一个狭缝，其沿止推板的表面周向延伸，其中开口与所述狭缝对齐。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，中间箔片由镍基超合金制成，优选含有选自包括铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，并且更优选顶部箔片由合金X-750制成。

在本发明的另一个优选实施例中，推力轴承组件的特征在于，中间箔片前部包括平坦的中间箔片固定区域，而顶部箔片前部包括平坦的顶部箔片固定区域，顶部箔片固定区域和中间箔片固定区域固定到止推板的表面。

在另一个优选实施例中，本发明涉及根据本发明优选实施例的推力轴承组件的用途，其用于支撑可旋转轴，优选用于支撑空气循环机、涡轮增压器、微机电系统、涡轮膨胀机、飞行器辅助动力单元、车辆增程器、发动机、压缩机、鼓风机、铣削主轴、磨削主轴和/或涡轮机的可旋转轴，该涡轮机优选为蒸汽涡轮机和/或微型燃气涡轮机。

附图说明

应当理解，在实施本发明时可以采用本文所述的本发明实施例的各种替代方案。这旨在说明本发明的权利要求限定本发明的范围，并且由此在这些权利要求及其等同物的范围内的方法和装置被涵盖。

本发明将参考实施例更详细地解释，而不旨在限制。

附图说明

图1是用于支撑可旋转轴的优选轴颈轴承组件的示意图；

图2是用于支撑可旋转轴的优选轴颈轴承组件的截面图的示意图；

图3是支撑旋转轴的优选轴颈轴承组件的放大剖视图的示意图，示出了引导润滑剂和中间气流的顶部箔片和中间箔片的组件；

图4是优选的轴颈轴承组件的放大剖视图的示意图，示出了如何通过移动顶部箔片的下降坡道来改变轴承腔的尺寸；

图5是优选的轴颈轴承组件的剖视图的示意图，其描绘了位于波纹箔片顶部的顶部箔片；

图6是具有透明顶部箔片的优选轴颈轴承组件的剖视图的示意图，以示出位于轴承套筒的内表面顶部的波纹箔片；

图7是优选的轴颈轴承组件的一部分的示意图，其描绘了顶部箔片中的与波纹箔片层内的狭缝对齐的多个开口；

图8是优选轴颈轴承组件的截面的示意图，其描绘了具有波纹箔片的向外延伸的狭缝；

图9是用于支撑可旋转轴的优选推力轴承组件的示意图；

图10是两个优选推力轴承组件的示意图，其间设置有用于支撑可旋转轴的推力滑块；

图11是两个优选推力轴承组件的示意图，其间设置有用于支撑可旋转轴的推力滑块；

图12是支撑旋转轴的优选推力轴承组件的放大剖视图的示意图，示出了引导润滑剂和中间气流的顶部箔片和中间箔片的组件；

图13是优选推力轴承组件的剖视图的示意图，其在顶部箔片中包括多个开口；

图14是优选推力轴承组件的剖视图的示意图，示出了在顶部箔片中的与波纹箔片层内的狭缝对齐的多个开口；

图15是优选的推力轴承组件的示意图，示出了在顶部箔片中的与波纹箔片层内的狭缝对齐的多个开口。

附图标记列表

1-可旋转轴；2-轴承套筒；3-顶部箔片；4-中间箔片；5-轴颈轴承组件；6-箔片固定区域；7-开口；8-上升坡道；9-下降坡道；10-润滑气体的切向速度分量；11-凸起元件；12-狭缝；13-环境气流；14-中间气流；17-轴承腔；21-顶部箔片轴承段；22-顶部箔片固定区域；23-中间箔片固定区域；24-开口角度；26-轴承段；28-止推板；29-止推滑块。

具体实施方式

图1示出了支撑旋转轴1的优选轴颈轴承组件5。轴1的旋转方向由箭头逆时针指示。轴1具有圆柱形形状，并且三个顶部箔片3(其中两个可见)被成形为接收轴1。从顶部箔片3向外定位有三个波纹箔片4，其作为顶部箔片3和刚性轴承套筒2的内表面之间的弹性层。当轴1旋转时，在高的流体动压力下的气体层作为顶部箔片3和轴1的表面之间的润滑剂。

图2是图1所示的优选轴颈轴承组件的剖视图。因此，示出了三个顶部箔片3在三个波纹箔片3的顶部上的定位。顶部箔片3的轴承段26对应于顶部箔片3的紧邻轴1的表面的部分。润滑气体层形成在轴承段26和轴1的表面之间。轴1的载荷因此被传递到顶部箔片3的轴承段26，其由波纹箔片4的凸起支撑。此外，每个顶部箔片3的前部包括顶部箔片前部平坦部分22和上升坡道8。每个顶部箔片3的尾部包括下降坡道9。由此形成轴承腔17，其对应于顶部箔片3不紧邻轴1的表面的空间。

图3示出了由于轴1在箭头所示的方向上的旋转而紧邻轴承腔17的气体的流动模式。上升坡道8包括开口7。上升坡道与轴的表面形成一角度。因此，开口7与轴1的表面形成开口角度24，并因此与润滑气体10的切向速度分量形成开口角度24。润滑气体的一部分通过开口7进入由波纹箔片4的层形成的空间。因此产生由波形箭头所示的中间气流14。由于连续性规律，环境气体13在轴承腔17的位置处加入润滑气体。在润滑气体的温度由于与轴1的表面和顶部箔片3的摩擦而增加的情况下，润滑气体与较冷的环境气体13的混合导致轴颈轴承组件的自引导冷却效果。

图4示出了如图3所示的紧邻轴承腔17的气体的流动模式。然而，透明的下降坡道9a示出了下降坡道9的位置如何可以相对于上升坡道8移动，以便改变轴承腔17的尺寸。轴承腔17的尺寸可以优化以增加中间气流14，从而增加自引导冷却效果。

图5示出了优选的轴颈轴承组件5的剖视图，其包括在顶部箔片3的上升坡道8内的五个开口7。顶部箔片固定区域22与中间箔片固定区域23一起点焊到轴承套筒2的内表面。五个开口7具有3∶1的长宽比，其中，长度对应于沿着轴(未示出)的轴向方向的延伸，并且沿着所述轴向方向对齐。

图6示出了与图5相同的剖视图，顶部箔片3的一部分被描绘为透明的以便示出在顶部箔片3下面的波纹箔片4。波纹箔片4包括多个凸起元件11，其用作弹性元件以支撑顶部箔片3，并因此支撑轴(未示出)。波纹箔片4还包括位于凸起元件11之间的五个狭缝12。狭缝12与开口7对齐并且引导中间气流14。由于波纹箔片4包括轴向开口，中间气流14离开中间箔片层。由于连续性规律，较冷的环境气流13进入中间箔片层并降低轴颈轴承组件的温度。

图7示出了开口7与狭缝12的对齐。为此，开口的间距与狭缝的间距相匹配。中间气流14由狭缝引导并在轴向开口处(设计的底部)离开中间箔片层，由于连续定律导致较冷的环境气体13进入。下降坡道9防止中间气流14进入下一个轴承段(未示出)。因此，下降坡道增加了环境气体13的流量以冷却轴颈轴承组件。

图8是优选的轴颈轴承组件的剖视图，其中为了说明的原因，顶部箔片3被示出为与轴颈轴承组件的其余部分分开。顶部箔片3包括九个开口7，当组装在波纹箔片4上时，其与相应的狭缝12对齐。在该实施例中，狭缝12向外布置，以促进中间气流14从中间箔片层排出。因此，这种狭缝模式增加了环境气体13的流量以冷却轴颈轴承组件。

图9示出了轴向支撑旋转轴1的优选推力轴承组件。轴1的旋转方向由箭头逆时针指示。盘式的推力滑块29被附接到圆柱形轴1上。轴的轴向载荷因此通过推力滑块29传递到止推板26，其可以用作固定安装件。多个顶部箔片3位于波纹箔片4的顶部，波纹箔片4用作顶部箔片3和表面止推板26之间的弹性层。当轴1旋转时，推力滑块29与轴1一起旋转，并且在高流体动压力下的气体层作为顶部箔片3和表面推力滑块29之间的润滑剂。

图10示出了在两个轴向方向上支撑旋转轴1的载荷的两个优选的推力轴承。为此，推力滑块29布置在两个优选推力轴承之间，每个推力轴承包括止推板28和顶部箔片3与中间箔片4的组件(不可见)。

图11示出了两个优选推力轴承的侧视图，其支撑图10所示的旋转轴1的载荷。在该视图中，推力滑块29在两个优选推力轴承27之间的布置是可见的。每个推力轴承27包括止推板28和顶部箔片3与中间箔片4的组件，示意性地描绘为薄层。

图12示出了由于推力滑块29在其上方的箭头所示的方向上的旋转而紧邻轴承腔17的气体的流动模式。上升坡道8包括开口7。上升坡道相对于推力滑块29形成一角度。因此，开口7与推力滑块29的表面形成开口角度24，并因此与润滑气体10的速度分量形成开口角度24。润滑气体的一部分通过开口7进入由波纹箔片4的层形成的空间。因此，产生由波形箭头示出的中间气流14。由于连续性规律，环境气体13在轴承腔17的位置处加入润滑气体。在润滑气体的温度由于与推力滑块的表面和顶部箔片3的表面的摩擦而增加的情况下，润滑气体与较冷的环境气体13的混合导致轴颈轴承组件的自引导冷却效果。

图13是优选推力轴承组件的剖视图，描绘了止推板28上的俯视图，中间箔片(不可见)和顶部箔片3被组装到止推板28上。每个顶部箔片3包括在顶部箔片3的上升坡道8内的四个开口7。四个开口7具有3∶1的长宽比，其中长度对应于沿推力滑块(未示出)的径向方向(其等于止推板(28)的径向方向)的延伸，并且沿所述径向方向对齐。

图14是优选推力轴承组件的剖视图，其中为了说明的原因，一个顶部箔片3从推力轴承组件的其余部分分离。顶部箔片3包括四个开口7，当组装在波纹箔片4上时，其与凸起元件11之间的相应狭缝12对齐。为此，顶部箔片固定区域22与中间箔片固定区域23一起点焊到止推板28的内表面。由此确保狭缝12与开口7的精确对齐，并且在旋转期间，润滑气体的一部分有利地在波纹箔片4层中被引导以形成中间气流。由于波纹箔片4包括径向开口，中间气流可以离开波纹箔片层。这还通过下降坡道9辅助，防止中间气流进入下一个轴承腔。由于连续性规律，较冷的环境气流13进入波纹箔片层并降低轴颈轴承组件的温度。

图15是优选推力轴承组件的示意图，图14示出了剖视图。为了说明的原因，顶部箔片3从推力轴承组件的其余部分分离。顶部箔片3包括四个开口7，当组装在波纹箔片4上时，它们与凸起元件11之间的相应狭缝12对齐。总的来说，所描述的推力轴承组件包括八个顶部箔片和八个波纹箔片4，其中一个是可见的。因此，推力滑块和轴由八个轴承段轴向地支撑，在它们之间八个轴承腔允许自引导冷却。

Claims (15)

1.一种支撑可旋转轴(1)的轴颈轴承组件(5)，其包括多个箔片和轴承套筒(2)，所述多个箔片包括成形为接收可旋转轴(1)的至少一个顶部箔片(3)和在顶部箔片(3)外部的至少一个中间箔片(4)，轴承套筒(2)具有包围所述中间箔片(4)的内部凹形表面，其特征在于：

所述顶部箔片(3)在其一部分中具有至少一个开口(7)，使得所述开口(7)相对于所述可旋转轴(1)的表面具有0°至60°的开口角度(24)。

2.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于，

所述开口角度(24)在10°至50°之间，优选在20°与40°之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述轴颈轴承组件(5)包括两个或更多个顶部箔片(3)，每个顶部箔片具有顶部箔片尾部和顶部箔片前部，顶部箔片尾部包括与所述可旋转轴(1)的表面形成30°至90°角度的下降坡道(9)，顶部箔片前部包括与所述可旋转轴(1)的表面形成30°至90°角度的上升坡道(8)，其中所述上升坡道(8)包括所述开口(7)。

4.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述顶部箔片(3)的所述上升坡道(9)包括在沿着可旋转轴(1)的圆柱形轴线的方向对齐的两个或更多个开口(7)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述开口(7)具有在10∶1与2∶1之间的长宽比，其中所述开口(7)的长度是所述开口(7)沿所述可旋转轴(1)的圆柱轴线方向的尺寸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述顶部箔片(3)由镍基超合金制成，优选地含有选自铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，优选地，所述顶部箔片(3)由合金X-750制成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于，

所述中间箔片(4)是波纹箔片，并且在所述顶部箔片(3)和所述轴承套筒(2)之间构成弹性层。

8.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述波纹箔片包括和/或两个或更多个波纹箔片形成沿着所述轴承套筒(2)的表面周向延伸的至少一个狭缝(12)，其中所述开口(7)与所述狭缝(12)对齐。

9.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

所述中间箔片(4)由镍基超合金制成，优选地含有选自铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，优选地，所述中间箔片由合金X-750制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：

中间箔片前部包括平坦的中间箔片固定区域(23)，而顶部箔片前部包括平坦的顶部箔片固定区域(22)，并且所述顶部箔片固定区域(22)和所述中间箔片固定区域(23)固定到所述轴承套筒(2)的内表面。

11.一种根据权利要求1-10中任一项所述的轴颈轴承组件(5)的用途，其用于支撑可旋转轴(1)，优选地用于支撑空气循环机、涡轮增压器、微机电系统、涡轮膨胀机、飞机辅助动力单元、车辆增程器、发动机、压缩机、鼓风机、铣削主轴、磨削主轴和/或涡轮机的可旋转轴(1)，该涡轮机优选为蒸汽涡轮机和/或微型燃气涡轮机。

12.一种支撑可旋转轴(1)的推力轴承组件(27)，包括附接到可旋转轴(1)上的推力滑块(29)、止推板(2)和多个箔片，所述多个箔片包括成形为接纳所述推力滑块(29)的至少一个顶部箔片(3)，和位于所述顶部箔片(3)和所述止推板(28)之间的至少一个中间箔片(4)，其特征在于：

所述顶部箔片(3)在其一部分中具有至少一个开口(7)，使得所述开口(7)相对于所述推力滑块(29)的表面具有0°至60°的开口角度(24)。

13.根据权利要求13所述的推力轴承组件(27)，其特征在于：

所述开口角度(24)在10°至50°之间，优选在20°与40°之间。

14.根据权利要求13或14所述的推力轴承组件(27)，其特征在于：

所述推力轴承组件(27)包括两个或多个顶部箔片(3)，每个顶部箔片具有顶部箔片尾部和顶部箔片前部，顶部箔片尾部包括与所述推力轴承的表面形成30°至90°角度的下降坡道(9)，顶部箔片前部包括与所述推力轴承的表面形成30°至90°角度的上升坡道(8)，其中所述上升坡道(8)包括所述开口(7)。

15.一种根据权利要求12-14中任一项所述的推力轴承组件(27)的用途，其用于支撑可旋转轴(1)，优选地用于支撑空气循环机、涡轮增压器、微机电系统、涡轮膨胀机、飞机辅助动力单元、车辆增程器、发动机、压缩机、鼓风机、铣削主轴、磨削主轴和/或涡轮机的可旋转轴(1)，该涡轮机优选为蒸汽涡轮机和/或微型燃气涡轮机。