CN109780051A - 一种柔性组件及动压径向气体轴承 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种柔性组件及动压径向气体轴承。由于在传统箔片轴承结构中，波箔拱底与轴承座上表面仅有单方向的线接触，限制了刚度的可变范围；同时由于波箔轴承结构空间未被充分利用，使得摩擦阻尼对能量耗散效果较差。本申请提供了一种柔性组件，包括第一箔片组和第二箔片组，第一箔片组与第二箔片组相互交叉，第一箔片组与第二箔片组空间相位相反。使得柔性组件具有更高的结构阻尼。本申请的动压径向气体轴承，通过采用柔性组件，充分利用了箔片轴承有限的工作空间，增加了柔性组件与平箔、轴承座表面的接触面积，提高了轴承摩擦阻尼，从而增强轴承内的能量耗散，有效地维持了转子‑轴承系统的稳定性。

Description

一种柔性组件及动压径向气体轴承

技术领域

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种柔性组件及动压径向气体轴承。

背景技术

动压气体轴承可分为刚性表面动压气体轴承和柔性表面动压气体轴承，目前应用最为广泛的动压气体轴承是柔性表面动压气体轴承，也可称为弹性箔片轴承或箔片轴承(Compliant Foil Bearing，CFB)。箔片轴承是一种自作用柔性表面动压气体轴承，其柔性表面一般采用金属箔片制成，靠弹性流体动力润滑机理工作；柔性表面使得轴承在工作时能够随工作条件的变化自动建立不同的气膜厚度，从而使得轴承可以适应一定范围内转子的角偏差且随着转速的变化产生一定的适应性刚度；箔片轴承结构产生的阻尼效应可以耗散转子的振动能量，使其具有优异的稳定性。

目前弹性箔片动压径向气体轴承的结构形式主要有张紧型、悬臂型、多楔型、缠绕型和波箔型等，其中在高速透平(涡轮)机械领域最为广泛应用的是波箔动压气体轴承，常见于战斗机环控系统、装甲车辆透平制冷器等。箔片轴承由构成轴承表面的平箔和具有许多弹性波结构的波箔组成，平箔支承在波箔上，波箔为平箔提供了弹性基础并控制了轴承表面刚度，具有较好的承载力和稳定性。

由于在传统箔片轴承结构中，波箔拱底与轴承座上表面仅有单方向的线接触，限制了刚度的可变范围；同时由于波箔轴承结构空间未被充分利用，使得摩擦阻尼对能量耗散效果较差。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于由于在传统箔片轴承结构中，波箔拱底与轴承座上表面仅有单方向的线接触，限制了刚度的可变范围；同时由于波箔轴承结构空间未被充分利用，使得摩擦阻尼对能量耗散效果较差的问题，本申请提供了一种柔性组件及动压径向气体轴承。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种柔性组件，包括第一箔片组和第二箔片组，所述第一箔片组与所述第二箔片组相互交叉，所述第一箔片组与所述第二箔片组空间相位相反。

可选地，所述第一箔片组沿周向排列，所述第二箔片组沿径向排列。

可选地，所述第一箔片组一侧自由，所述第一箔片组另一侧与第一箔片卡板相连接；所述第二箔片组一侧自由，所述第二箔片组另一侧与第二箔片卡板相连接。

可选地，所述交叉方式为单拱连续穿插、错位穿插或者间隔穿插。

可选地，所述第一箔片组包括若干箔片，所述第二箔片组包括若干箔片。

可选地，所述箔片截面型线为阶跃线或者弦曲线。

可选地，所述箔片材料为铍青铜、不锈钢或者镍基合金，所述箔片粗细均匀。

本申请还提供一种动压径向气体轴承，包括相互连接的弹性元件和轴承座，所述弹性元件设置于所述轴承座内侧；

所述弹性元件包括平箔和所述柔性组件，所述平箔通过卡板与所述轴承座相连接，所述柔性组件通过所述第一箔片卡板和所述第二箔片卡板与所述轴承座相连接。

可选地，所述平箔与轴形成摩擦副；所述轴包括轴颈工作面，所述轴颈工作面上由内到外依次设置有平箔、柔性组件和轴承座。

可选地，所述柔性组件通过所述第一箔片卡板与所述轴承座相连接，所述柔性组件通过所述第二箔片卡板与所述轴承座相连接。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种柔性组件及动压径向气体轴承的有益效果在于：

本申请提供的柔性组件，通过将第一箔片组与第二箔片组交叉组合，使得第一箔片组与第二箔片组空间相位相反，使得柔性组件具有更高的结构阻尼，通过自适应调节，在高载荷状态下具有更高的刚度。本申请的动压径向气体轴承，通过采用柔性组件，充分利用了箔片轴承有限的工作空间，增加了柔性组件与平箔、轴承座表面的接触面积，提高了轴承摩擦阻尼，从而增强轴承内的能量耗散，有效地维持了转子-轴承系统的稳定性。

附图说明

图1是本申请的一种柔性组件结构示意图；

图2是本申请的一种柔性组件结构剖面示意图；

图3是本申请的一种柔性组件第一组合方式示意图；

图4是本申请的一种柔性组件第二组合方式示意图；

图5是本申请的一种动压径向气体轴承结构示意图；

图6是本申请的一种动压径向气体轴承装配示意图；

图中：1-第一箔片组、2-第二箔片组、3-第一箔片卡板、4-第二箔片卡板、5-轴、6-轴承座、7-平箔、8-卡板、9-轴颈工作面。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

随着航空航天、能源动力等领域技术的发展，为了保持高速运转机械的清洁性、稳定性和可靠性，对润滑技术也提出了越来越高的要求。当透平机械工作在极端温度下，如低温氦液化装置、超高温涡喷系统等，同时油介质由于其物性改变已无法实现润滑。此外，油介质的使用使得系统的清洁性无法得到保证，因此就需要其他形式的无油轴承来进行润滑。由于磁轴承结构复杂、造价昂贵，推广受到限制，故气体轴承成为较好的选择。

气体轴承利用工质气体粘性来提高其间隙内的气体压力，从而使转子浮起，按其工作原理可分为静压气体轴承和动压气体轴承两种。静压气体轴承需要一套供气系统，装置较为复杂，同时需要耗费一定量的压力气体，使其经济性和可用性降低。对于一些特定的场合，如燃气轮机、航空涡轮制冷器、空间微型透平制冷机等，采用动压气体轴承。

交叉，方向不同的几条线或条状物互相穿过。

参见图1～3，本申请提供一种柔性组件，包括第一箔片组1和第二箔片组2，所述第一箔片组1与所述第二箔片组2相互交叉，所述第一箔片组1与所述第二箔片组2空间相位相反。

第一箔片组1和第二箔片组2可以产生堆叠、重合。在载荷作用下，第一箔片组1和第二箔片组2由于波形的导向作用，形成自适应调整。在无载荷及低载荷状态下第一箔片组1和第二箔片组2不相接触，在高载荷状态下第一箔片组1和第二箔片组2堆叠、重合，以极大增加箔片刚度，形成大承载区。

柔性组件具有更高的结构阻尼与摩擦阻尼，对于阻尼，一方面，相互交叉的结构本身带来了更高的结构阻尼；另一方面，结构的交叉增大了接触面积，进而导致摩擦阻尼增加。交叉结构增加了柔性组件与平箔7、轴承座6表面的接触面积，在承载过程中，第一箔片组1和第二箔片组2分别耗散周向及径向振动能量。转子高速运转过程中，其涡动相较于低速工况较大，这使得转子振幅增大，不稳定性增加。相较于传统箔片轴承的柔性箔片，交叉排布的柔性组件可以通过提高轴承摩擦阻尼，有效地将转子振动的能量耗散，抑制转子的不稳定涡动，提高转子-轴承系统的稳定性。

如图1所示，所述的第一箔片组1与第二箔片组2相互交叉组合，共同构成柔性组件。图2和图3展示了几种典型的个体连结方式与组合方式。

进一步地，所述第一箔片组1沿周向排列，所述第二箔片组2沿径向排列。

当承受载荷时，周向排列的第一箔片组1发生周向相对位移，径向排列的第二箔片组2发生径向相对位移，在载荷作用下，第一箔片组1和第二箔片组2由于波形的导向作用，形成自适应调整。在无载荷及低载荷状态下第一箔片组1和第二箔片组2不相接触，在高载荷情况下，第一箔片组1和第二箔片组2可堆叠、重合，箔片刚度极大增加，形成大承载区。柔性组件在不同载荷下的自适应调整及高载荷下产生的大刚度承载区，使得本申请中的柔性组件及动压径向气体轴承具有较宽的载荷适用范围。

周向排列的第一箔片组1与径向排列的第二箔片组2相互交叉组合成柔性组件，这里的排列方式当然不限于周向或者径向，其他任何可以满足其交叉组合的排列方式均可。

进一步地，所述第一箔片组1一侧自由，所述第一箔片组1另一侧与第一箔片卡板3相连接；所述第二箔片组2一侧自由，所述第二箔片组2另一侧与第二箔片卡板4相连接。

这里的第一箔片卡板3与第一箔片组1可以是固定连接，也可以是其他连接方式，第一箔片卡板3与第一箔片组1材质相同，第二箔片卡板4与第二箔片组2可以是固定连接，也可以是其他连接方式，第二箔片卡板4与第二箔片组2材质相同；柔性组件通过第一箔片卡板3和第二箔片卡板4与轴承座6相连接。

进一步地，所述交叉方式为单拱连续穿插、错位穿插或者间隔穿插。

进一步地，所述第一箔片组1包括若干箔片，所述第二箔片组2包括若干箔片。

进一步地，所述箔片截面型线为阶跃线或者弦曲线。这里的弦曲线可以是正弦曲线，也可以是余弦曲线，只要能满足第一箔片组1和第二箔片组2进行交叉组合后空间相位相反即可，也就是，在空载时，第一箔片组1和第二箔片组2不接触。

各个箔片具有等距式、放射式或者迷宫式等个体连结方式，且具有不同的交叉组合方案；可根据工况设计柔性组件各组箔片的截距、厚度及间距等参数，实现轴承支承特性的整体或局部调节，适应不同的载荷分布。

进一步地，所述箔片材料为铍青铜、不锈钢或者镍基合金，所述箔片粗细均匀。

这里的箔片材料并不限于上面所描述的3种，其他有相同效果的材料也可以；同时箔片也可根据工况的需求选择粗细不同的箔片形成箔片组。

参见图4～5，本申请提供一种动压径向气体轴承，包括相互连接的弹性元件和轴承座6，所述弹性元件设置于所述轴承座6内侧；

所述弹性元件包括平箔7和所述柔性组件，所述平箔7通过卡板8与所述轴承座6相连接，所述柔性组件与所述轴承座6相连接。

如图6所示，根据轴承座6结构，弹性元件由平箔7和柔性组件组成，其中，周向排列的第一箔片组1与径向排列的第二箔片组2相互交叉组合，共同构成柔性组件，平箔7配合在柔性组件内侧，柔性组件外侧与轴承座6相配合，根据不同工况与载荷分布情况，弹性元件的延展方向可与轴旋转方向相同或相反。

平箔7设置在柔性组件内侧，两者共同固定于轴承座6内侧。具体的，第一箔片组1一侧固定在轴承座6上，另一侧自由，第二箔片组2一侧固定在轴承座6上，另一侧自由。整个柔性组件固定在轴承座6内侧，柔性组件与轴承座6的固定方式包括但不限于点焊或者销钉。

进一步地，所述平箔7与轴5形成摩擦副；所述轴5包括轴颈工作面9，所述轴颈工作面9上由内到外依次设置有平箔7、柔性组件和轴承座6。

这里轴颈工作面9与弹性元件的平箔7相配合，构成径向摩擦副；轴颈工作面9设置于轴5的下方，轴颈工作面9的外侧依次设置平箔7、柔性组件和轴承座6。轴颈工作面9与弹性元件一表面相配合，弹性元件另一表面与轴承座6相配合。

轴颈即指轴上同一直径的一段轴或直径不等但形成的外圆表面是均匀连续的圆柱面，亦即轴承的安装面。

进一步地，所述柔性组件通过所述第一箔片卡板3与所述轴承座6相连接，所述柔性组件通过所述第二箔片卡板4与所述轴承座6相连接。

本申请提供的柔性组件，通过将第一箔片组1与第二箔片组2交叉组合，使得第一箔片组1与第二箔片组2空间相位相反，使得柔性组件具有更高的结构阻尼。本申请的动压径向气体轴承，通过采用柔性组件，充分利用了箔片轴承有限的工作空间，增加了柔性组件与平箔7、轴承座6表面的接触面积，提高了轴承摩擦阻尼，从而增强轴承内的能量耗散，有效地维持了转子-轴承系统的稳定性。

本申请可以通过预先调节柔性组件各组箔片的截距、型线、厚度及间距等参数，实现轴承支承特性的整体或局部调节，适应不同载荷分布，不同承载情况，以进一步拓宽了轴承的适用范围。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种柔性组件，其特征在于：包括第一箔片组(1)和第二箔片组(2)，所述第一箔片组(1)与所述第二箔片组(2)相互交叉，所述第一箔片组(1)与所述第二箔片组(2)空间相位相反。

2.如权利要求1所述的柔性组件，其特征在于：所述第一箔片组(1)沿周向排列，所述第二箔片组(2)沿径向排列。

3.如权利要求1所述的柔性组件，其特征在于：所述第一箔片组(1)一侧自由，所述第一箔片组(1)另一侧与第一箔片卡板(3)相连接；所述第二箔片组(2)一侧自由，所述第二箔片组(2)另一侧与第二箔片卡板(4)相连接。

4.如权利要求1所述的柔性组件，其特征在于：所述交叉方式为单拱连续穿插、错位穿插或者间隔穿插。

5.如权利要求1～4中任一项所述的柔性组件，其特征在于：所述第一箔片组(1)包括若干箔片，所述第二箔片组(2)包括若干箔片。

6.如权利要求5所述的柔性组件，其特征在于：所述箔片截面型线为阶跃线或者弦曲线。

7.如权利要求6所述的柔性组件，其特征在于：所述箔片材料为铍青铜、不锈钢或者镍基合金，所述箔片粗细均匀。

8.一种动压径向气体轴承，其特征在于：包括相互连接的弹性元件和轴承座(6)，所述弹性元件设置于所述轴承座(6)内侧；

所述弹性元件包括平箔(7)和所述柔性组件，所述平箔(7)通过卡板(8)与所述轴承座(6)相连接，所述柔性组件与所述轴承座(6)相连接。

9.如权利要求8所述的动压径向气体轴承，其特征在于：所述平箔(7)与轴(5)形成摩擦副；所述轴(5)包括轴颈工作面(9)，所述轴颈工作面(9)上由内到外依次设置有平箔(7)、柔性组件和轴承座(6)。

10.如权利要求8所述的动压径向气体轴承，其特征在于：所述柔性组件通过所述第一箔片卡板(3)与所述轴承座(6)相连接，所述柔性组件通过所述第二箔片卡板(4)与所述轴承座(6)相连接。