CN107504066A - 一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔 - Google Patents

一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，包括对称设置在上工作圆盘(4)、下工作圆盘(5)两侧的上稳压腔腔体(3)、下稳压腔腔体(6)，所述上稳压腔腔体(3)由两个同轴空心圆柱体连接而成，上稳压腔腔体(3)的粗部在上、细部在下，上稳压腔腔体(3)的粗部顶端设置有上盖板(2)，上盖板(2)中心开设中心孔(9)；上稳压腔腔体(3)的细部与上工作圆盘(4)中心开孔螺纹连接，上稳压腔腔体(3)的细部中心开设上供气孔(11)，下端设置上收缩段(12)。本发明使供气管道输送来的不够均匀的气流，采用轴向进气的方式，在稳压腔内腔形成受限轴对称射流流场，实现对高压气体运动方向、速度分布和紊流度的调整，最终在轴承收缩段出口截面上得到流动均匀、平行的径向亚音速或音速气流。

Description

一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔
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及气体轴承，具体地说是一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔。
背景技术
专利号为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气体，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。
申请号为201710051054.4的发明专利申请“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”，通过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。但是这种稳压腔结构较复杂，配套零部件较多，成本偏高。
如何简化稳压腔的结构，同时降低成本，成为设计稳压腔过程中亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，使供气管道输送来的不够均匀的气流，采用轴向进气的方式，在稳压腔内腔形成受限轴对称射流流场，实现对高压气体运动方向、速度分布和紊流度的调整，最终在轴承收缩段出口截面上得到流动均匀、平行的径向亚音速或音速气流。
本发明一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，包括对称设置在上工作圆盘4、下工作圆盘5两侧的上稳压腔腔体3、下稳压腔腔体6，所述上稳压腔腔体3由两个同轴空心圆柱体连接而成，上稳压腔腔体3的粗部在上、细部在下，上稳压腔腔体3的粗部顶端设置有上盖板2，上盖板2中心开设中心孔9；上稳压腔腔体3的细部与上工作圆盘4中心开孔螺纹连接，上稳压腔腔体3的细部中心开设上供气孔11，下端设置上收缩段12；所述下稳压腔腔体6上设置有与上稳压腔腔体3上下对称的下盖板7、中心孔16、下供气孔14和下收缩段13。
上稳压腔腔体3的粗部内腔10与上供气孔11相连通，下稳压腔腔体6的粗部内腔15与下供气孔14相连通。
所述中心孔（9、16）用于与三通支管相连，中心孔(9、16)的内径与三通支管的外径相等。
本发明的工作原理为：通过将供气管道输送来的高压气体经过三通支管分别进入上轴对称射流稳压腔和下轴对称射流稳压腔，经过受限轴对称射流流场，使供气管道输送来的不够均匀的高压气体，最终在收缩段出口截面上得到速度均匀、平行的径向亚音速或音速气流，并且进入圆盘间隙后，在圆盘间隙中继续加速，以超音速流出平行圆盘缝隙，使高压圆盘气体轴承正常工作。
与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用轴向进气的方式，利用受限轴对称射流流场来调整高压气体的运动方向、速度分布和紊流度，可以很好地简化稳压腔的结构设计，方便与三通支管相连接；
2、将轴对称射流稳压腔与轴承供气孔、收缩段整合为一个单体零件，有利于整个轴承系统的安装、加工和调试。如果将稳压腔与供气部件（轴承供气孔-收缩段）设计为两个零件，则稳压腔与供气部件上端面之间的密封和配合是安装时较难解决的问题，一体化设计避免了这些复杂装配操作，使外在因素的干扰减少，并且可以适配不同大小的圆盘，在进行不同直径圆盘的实验时可以减少加工成本及安装时间，直接更换圆盘即可。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为fluent仿真中的计算模型图；
图3为轴对称射流稳压腔及轴承流道的内部流线图；
图4为稳压腔内部的马赫数等值线图；
图5为包含供气孔入口及收缩段的局部放大马赫数等值线图；
图6为轴承收缩段出口截面上的速度分布曲线；
图1中，1为上稳压腔盖板的联接螺钉，2为上盖板，3为上稳压腔腔体，4为上工作圆盘，5为下工作圆盘，6为下稳压腔腔体，7为下盖板，8为下稳压腔盖板的联接螺钉，9、16为中心孔，10、15为粗部内腔，11为上供气孔，12为上收缩段，13为下收缩段，14为下供气孔。
图2中，r为轴对称射流稳压腔入口半径，R为稳压腔内腔半径，L为稳压腔内腔的长度，s为稳压腔内腔出口到气膜中心截面的距离，h为气膜间隙高度的一半,e为轴承进气孔的半径，a为收缩段出口半径，b为轴承圆盘外半径，c为轴对称射流稳压腔腔体半径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见附图1，示出了一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，其中包括：对称设置在上工作圆盘4、下工作圆盘5两侧的上稳压腔腔体3、下稳压腔腔体6，所述上稳压腔腔体3由两个同轴空心圆柱体连接而成，上稳压腔腔体3的粗部在上、细部在下，上稳压腔腔体3的粗部顶端设置有上盖板2，上盖板2中心开设中心孔9；上稳压腔腔体3的细部与上工作圆盘4中心开孔螺纹连接，上稳压腔腔体3的细部中心开设上供气孔11，下端设置上收缩段12；所述下稳压腔腔体6上设置有与上稳压腔腔体3上下对称的下盖板7、中心孔16、下供气孔14和下收缩段13。
上稳压腔腔体3的粗部内腔10与上供气孔11相连通，下稳压腔腔体6的粗部内腔15与下供气孔14相连通。
所述中心孔（9、16）用于与三通支管相连，中心孔(9、16)的内径与三通支管的外径相等。
安装完成后在工作圆盘与稳压腔腔体之间的连接间隙中涂抹密封胶并刮平，保证密封。
供气通道分为上下两支，上部通道：管道中高压气体从所述上盖板2的中心孔9通入，在上稳压腔腔体3的粗部内腔10中形成受限轴对称射流，再通过与粗部内腔10连成一体的上供气孔11、上收缩段12，从上收缩段出口处进入上、下工作圆盘（4，5）形成的平行圆盘缝隙；
下部通道：管道中高压气体从所述下盖板7的中心孔16通入，在下稳压腔腔体6的粗部内腔15中形成受限轴对称射流，再通过与粗部内腔15连成一体的下供气孔14、下收缩段13，从下收缩段出口处进入上、下工作圆盘（4，5）形成的平行圆盘缝隙。
由上述结构可知，本发明提供一种向高压圆盘气体轴承供气的轴对称射流稳压腔，使供气管道输送来的不够均匀的气流，利用轴向进气的方式，在稳压腔内腔形成受限轴对称射流流场，实现对高压气体运动方向、速度分布和紊流度的调整，使轴承收缩段出口截面上形成速度均匀、平行的径向亚音速或音速气流，满足平行圆盘间隙对入口气流的要求。
轴承的工作圆盘与稳压腔腔体装配完成后的模型为图1。图1中轴承工作圆盘的直径不是唯一，可以适配不同直径的圆盘，用于不同的工况，通过螺纹连接，消除间隙和保证密封即可。
图2为fluent仿真中的计算模型图，其中剖面线部分为计算域，因为一体式轴对称射流稳压腔整体模型既是轴对称体，同时又关于气膜间隙中心平面对称，所以可取整体模型的四分之一， 简化计算，不影响计算结果。
图3为轴对称射流稳压腔及轴承流道内部流场流线图，可以从流线图中清楚地看到高压气体从轴对称射流稳压腔入口进入后的流动情况，在轴对称射流稳压腔内部形成一个受限轴对称射流流场，由于内腔壁的限制作用，在受限射流的上、下游各自形成一个涡。
图4为稳压腔内部的马赫数等值线图，可以看到，受限射流长度远小于稳压腔内腔的长度，且马赫数很低；在受限空间的出口处气流马赫数平缓地增大，进入供气孔。
图5为包含供气孔入口及收缩段的局部放大马赫数等值线图，可以很清楚地观察到轴承供气孔内部的马赫数受轴承对称面影响而沿轴向逐步降低；在沿轴承径向，马赫数在收缩段内部逐渐上升，使轴承收缩段出口截面上形成均匀、平行的径向音速气流，满足平行圆盘间隙对入口气流的要求。
图6为轴承收缩段出口截面上的速度分布曲线，气流经过收缩段的加速，在收缩段出口处达到了临界音速，而且从此截面速度分布曲线可以看出，在边界层外部的主流区，截面速度较为均匀，间隙中心到贴近边界层处速度虽然有少许下降，但是相差较小，符合设计要求。
由此可见，采用一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，使轴承收缩段出口截面上形成均匀、平行的径向亚音速或音速气流，满足平行圆盘间隙对入口气流的要求，并且一体式设计对于系统加工、安装和调试都非常方便。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种向高压圆盘气体轴承供气的一体式轴对称射流稳压腔，包括对称设置在上工作圆盘(4)、下工作圆盘(5)两侧的上稳压腔腔体(3)、下稳压腔腔体(6)，其特征在于：所述上稳压腔腔体(3)由两个同轴空心圆柱体连接而成，上稳压腔腔体(3)的粗部在上、细部在下，上稳压腔腔体(3)的粗部顶端设置有上盖板(2)，上盖板(2)中心开设中心孔(9)；上稳压腔腔体(3)的细部与上工作圆盘(4)中心开孔螺纹连接，上稳压腔腔体(3)的细部中心开设上供气孔(11)，下端设置上收缩段(12)；所述下稳压腔腔体(6)上设置有与上稳压腔腔体(3)上下对称的下盖板(7)、中心孔(16)、下供气孔(14)和下收缩段(13)。
2.如权利要求1所述的一体式轴对称射流稳压腔，其特征在于：上稳压腔腔体(3)的粗部内腔(10)与上供气孔(11)相连通，下稳压腔腔体(6)的粗部内腔(15)与下供气孔(14)相连通。
3.如权利要求1所述的一体式轴对称射流稳压腔，其特征在于：所述中心孔(9、16)用于与三通支管相连，中心孔(9、16)的内径与三通支管的外径相等。
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