CN109990156A - 一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器 - Google Patents

一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器，包括中心对称的圆柱形气流腔体(7)，圆柱形气流腔体(7)内部设置有中心对称的柱锥过渡状气体腔(3)，圆柱形气流腔体(7)右端设置有连接圆盘(4)；圆柱形气流腔体(7)与柱锥过渡状气体腔(3)的中心轴位于同一直线上；所述圆柱形气流腔体(7)左端铣有两个以上与中心轴夹角为α的斜面(5)，所述斜面(5)沿中心轴均布；每个斜面(5)上开有螺纹孔(6)，螺纹孔(6)与中心轴夹角为β。本发明结构简单，加工方便：柱面、锥面、斜面均是机械加工中常见的几何型面，易于加工和装配，成本低，适合于向高压圆盘气体轴承的多个工作圆盘提供流量均匀相等的气流。

Description

一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器
技术领域
本发明涉及高供气压力下静压气体轴承供气系统内的气流分配装置，具体地说涉及一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器。
背景技术
申请号为201710051054.4的发明专利“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”，通过将气体引入对称设置在工作圆盘两侧的上稳压腔腔体与下稳压腔腔体内部形成内环向射流，进而形成柱对称流场；再辅以合理的稳压腔尺寸设计，使得高压圆盘气体轴承供气孔入口截面上的入口气流速度均匀。但这种设计需要保证上下稳压腔的进气量要相等，故需要设计一种既能将气流等量地分为两股或多股，又能保证其流动平稳性的气流分配装置，即气流分配器。
申请号为200410101171.X的发明专利“带有使流向有误的气流循环运动的装置的基于柯恩达效应的气流分配器”，提到通过改变上游管道中活动元件的位置以在下游管道中产生科恩达效应进而改变气流方向。这种分配器主要用于改变气流的流动方向，不满足高压圆盘气体轴承供气系统中将一股气流平稳等量地分为两股或多股气流的要求。
申请号为201621195249.3的实用新型专利中提到一种静压分配器，其本体内部为中空结构，且为梯形形状；上底面开有一个进气口，下底面开有若干个出气口；内壁上设有导流片且设于所述出气口的两侧；气流在导流片的作用下被均匀导向各个出气口，且能保持气流量基本一致，防止出现各出气口出气量差距较大的情况。但该种用于送风管道的气流分配器的进气压力仅稍高于大气压，使用压力低，不适合高压圆盘气体轴承供气系统中的高压环境。
申请号为201611065628.5的发明专利“一种分级燃气低氮燃烧器”所提到的分配器主要用于给燃气和空气提供流动路径，实现将燃气分级喷出与三层助燃空气的高效混合，以进行充分燃烧，其末级燃气压力低，不能实现高压圆盘气体轴承供气系统中将高压气流从主管路分流并等量地导出至两个或多个分支管路的要求。
综上，现有的气流分配器，无法为高压圆盘气体轴承供气系统提供平稳且流量相等的两股或多股高压气流，不能满足高压圆盘气体轴承供气系统中将高压气流平稳等量地分流为两束或多束高压气流并导出的要求，亟待研发一种等流量气流分配器满足技术需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于向高压圆盘气体轴承多个工作圆盘供气的等流量气流分配器，使前端管道输出的一股高压气流，流经分配器后，变为流量相等、状态较为稳定的两股或多股高压气流，以保证分配器后端的上、下稳压腔有稳定且流量相等的工作气流。可与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配套使用。
本发明的工作原理为：使气源管道输出的高压气体流经分配器内部气体腔的圆柱部分，继而向气体腔的圆锥部分过渡，最后由与气体腔圆锥部分相连的两个或多个对称螺纹孔所连接的分支管道流出气流分配器。在此过程中，由圆柱形气体腔到圆锥形气体腔，再到与圆锥型气体腔相连的螺纹孔，其流道变化平缓，流线突变小，高压气流的局部压力损失小，气流稳定性较好。对称分布的两个或多个螺纹孔及分支管道能将高压气体等量地分流，保证流出分配器的多束气流流量相等。满足与高压圆盘气体轴承配套的柱对称内环向射流稳压腔的使用要求。
本发明一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器，包括中心对称的圆柱形气流腔体7，圆柱形气流腔体7内部设置有中心对称的柱锥过渡状气体腔3，圆柱形气流腔体7右端设置有连接圆盘4；圆柱形气流腔体7与柱锥过渡状气体腔3的中心轴位于同一直线上；
所述圆柱形气流腔体7左端铣有两个以上与中心轴夹角为α的斜面5，所述斜面5沿中心轴均布；每个斜面5上开有螺纹孔6，螺纹孔6与中心轴夹角为β；
所述柱锥状气体腔3右端为圆柱形，柱锥状气体腔3左端为锥形，锥角为γ，并且柱锥状气体腔3与螺纹孔6相连通。
所述α取值为30°-45°。
所述β取值为25°-60°。
所述γ取值为30°-80°。
所述连接圆盘4周向均布有多个用于安装连接螺栓的圆柱形通孔1，连接圆盘4右端面中央区域还设置有用于连接法兰的环型密封凸面2，所述柱锥过渡状气体腔3与环型密封凸面2相连通。
所述螺纹孔6通过密封管螺纹与分支管道相连接，用于输出气流。
本发明是这样实现的：气流从前端管道进入柱锥状气体腔3的右段部分，先在气体腔的圆柱段内向左行进，再经气体腔的圆锥段平稳过渡，最后被两个或多个对称布置的螺纹孔6所连接的分支管道等量地分流并平稳流出分配器。气流在分配器内由圆柱段过渡到圆锥段的流动过程中，流线平缓突变小，局部压力损失小，较好地保证了气流的稳定性；气流在从圆柱段向圆锥段过渡之后继续保持平稳，并经由圆锥段气体腔上对称分布的两个或多个螺纹孔6所连接的分支管道稳定、等量地分流，实现气流在两个或多个方向上的等量分配。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、结构新颖：采用圆柱段衔接圆锥段的两段式气体腔的设计，流道过渡平缓，有效地减少了高压气体流动过程中由于流线突变所造成的局部压力损失与气流波动，气流稳定性好；采用在多个斜面上对称加工螺纹孔的设计，使气流能够等量地分流，保证流出分配器的高压气体流量相等，满足上、下稳压腔的使用要求。
2、适合于在高压下工作：分配器整体采用304不锈钢材料制作，结构强度设计满足安全要求，流道设计合理，压力损失小，通流效率高，气流稳定性好。
3、结构简单，加工方便：柱面、锥面、斜面均是机械加工中常见的几何型面，易于加工和装配，成本低，适合于向高压圆盘气体轴承的多个工作圆盘提供流量均匀相等的气流。
附图说明
图1为本发明实施例一的主剖视图；
图2为本发明实施例一的左视图；
图3为本发明实施例一的俯视图；
图4为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例一入口截面的总压图。
图5为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例一的两分支管道的出口截面总压图。
图6是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例一内部X-Y截面上的马赫数等值线图。
图7是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.86MPa，实施例一内部X-Y截面上的马赫数等值线图。
图8是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.86MPa，实施例一分支管道出口截面上的马赫数等值线图。
图9为本发明实施例二的主剖视图；
图10为本发明实施例二的左视图；
图11为本发明实施例二的俯视图；
图12为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例二的两分支管道出口截面总压图。
图13为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例二内部X-Y截面上的马赫数等值线图。
图14为本发明实施例三的主剖视图；
图15为本发明实施例三的左视图；
图16为本发明实施例三的俯视图；
图17为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例三的分支管道出口截面总压图；
图18是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，实施例三内部X-Y截面上的马赫数等值线图。
图中，1为圆柱形通孔，2为环型密封凸面，3为柱锥过渡状气体腔，4为连接圆盘，5为斜面，6为螺纹孔，7为圆柱形气流腔体。
具体实施方式
实施例一
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-图3所示，一种具有两个分支管道,用于向一套高压圆盘气体轴承的两个工作圆盘等流量分流的气流分配器，其中包括中心对称的圆柱形气流腔体7，圆柱形气流腔体7内部设置有中心对称的柱锥过渡状气体腔3，圆柱形气流腔体7右端设置有连接圆盘4；圆柱形气流腔体7与柱锥过渡状气体腔3的中心轴位于同一直线上；
所述圆柱形气流腔体7左端铣有两个与中心轴夹角为37.5°的斜面5，所述斜面5沿中心轴均布；每个斜面5中心开有螺纹孔6，螺纹孔6与中心轴夹角为45°；
所述柱锥状气体腔3右端为圆柱形，柱锥状气体腔3左端为锥形，锥角为75°，并且柱锥状气体腔3与螺纹孔6相连通。所述连接圆盘4周向均布有四个用于安装连接螺栓的圆柱形通孔1，连接圆盘4右端面中央区域还设置有用于连接法兰的环型密封凸面2，所述柱锥过渡状气体腔3与环型密封凸面2相连通。
所述螺纹孔6通过密封管螺纹与分支管道相连接，用于输出气流。
由上述结构可知，一种用于向高压圆盘气体轴承的两个工作圆盘等流量分流的气流分配器，采用柱锥过渡状两段式气体腔，并结合上下对称分布的两个螺纹孔，实现了高压气体由单通道流动向双通道流动的平稳转变。气体腔的分段式结构设计使得流道过渡平缓，高压气体流线突变小，较好地减少了流动过程中的局部压力损失，且气流状态较为稳定；加上采用两个上下对称分布的螺纹孔及分支管道的设计，保证了最为重要的双通道流动时两路高压气流的流量相等；为与高压圆盘气体轴承配套的上、下柱对称内环向射流稳压腔提供了等量的入口气流。
图1所示为气流分配器的主剖视图，图中示出了气流分配器的整体结构，包括右侧连接圆盘（4），圆盘上的4个通孔（1），以及分配器右端面的环形密封凸面（2），分配器中的柱锥过渡状两段式气体腔（3），分配器左侧部分的气流腔体（7），两个上下对称分布的斜面（5），以及对称设置的两个螺纹孔（6）。分配器连接方式、斜面及螺纹孔的数量、螺纹孔的开孔位置以及气体腔的过渡形式包括但不限于本发明这一种，均适用于本发明。
图2所示为气流分配器的左视图，图中示出了分配器的整体形状为一回转体。同时也示出了4个圆形通孔（1）在连接圆盘上的位置分布；此外就上下两个对称斜面（5）以及斜面上两个对称螺纹孔的位置分布也做出了表示。
图3所示为气流分配器的俯视图，图中示出了4个圆形通孔（1）在连接圆盘上的位置，同时示出了在圆柱形气流腔体（7）上所铣出的斜面（5）以及加工出的螺纹孔（6）的俯视形状及位置分布。
分配器的几何参数可选择为：分配器总长L为93mm；连接圆盘直径D=180mm，厚度L1=26mm，圆柱形气流腔体直径D1=90mm，气流腔圆柱段的长度L2=53mm。右端面环形密封凸面直径D2=87mm，凸面高度h=4mm，气体腔圆柱段直径D2=50mm，气体腔圆锥段锥角为75°，两对称螺纹孔代号为Rp3/4，上下两斜面与分配器中心轴线成37.5°角。两对称布置的螺纹孔中心轴线与分配器中心轴线成52.5°角。
在实际工作中分配器后端要连接分支管道、稳压腔和高压圆盘气体轴承流道，因此分配器后端分支管道内的压力不是大气压。当分配器后端分支管道直接连通大气环境时，由于大背压比使得管道内的流速远大于实际工况，此时分配器进出口截面的总压损失达到最大。
取分配器后端分支管道长90mm，用Fluent流体仿真软件对分配器及后端分支管道流场进行流体仿真，采用k-epsilon（2eqn）模型，流动介质为理想气体（ideal-gas），进口边界条件为压力入口（pressure-inlet），总压为0.9MPa，出口边界为压力出口0.1MPa（pressure-outlet），与大气连通，采用默认的SIMPLE求解方式，收敛精度保持默认，进行初始化并开始计算直至其收敛。对所得数据进行后处理，通过软件内置的压力面积分功能得到进口截面和出口截面的平均总压如图4、图5所示。
图4为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有两个分支管道时分配器入口截面的总压图。可以直观地看出右侧进口截面的平均总压为0.9MPa。
图5为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有两个分支管道时分配器的两分支管道出口截面的总压图。可以直观地看出左侧两出口截面的平均总压为0.758MPa。可以计算出两出口截面与进口截面的总压损失比约为15.8%，这是极端工况下分配器进出口截面的总压损失比，实际工况下分配器进出口截面的总压损失比应远小于15.8%，说明本发明的分配器工作效率高，总压损失小，能满足高压圆盘气体轴承的供气要求。
图6是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有两个分支管道时分配器内部X-Y截面上的马赫数等值线图。可以看到，气流从气体腔的锥形部分进入分支管道后，马赫数从0.5快速地升高到1，然后由于稀疏波的作用马赫数从临界声速继续增加直到最大马赫数1.292；在从声速线反射回来的压缩波的作用下，气流速度又从最大马赫数开始连续下降。从图6可知分配器流道内并未产生激波，连续的稀疏波和压缩波产生的总压损失很小，因此分配器流道内的总压损失主要发生在分支管道靠近气流腔圆柱段的外拐角处，以及圆锥段的终止部分，所以此分配器工作效率高，总压损失小。从图6还可以看出，分支管道靠近气流腔圆柱段的外拐角处存在一个较小的回流区，从此回流区向管道下游发展成面积较小的亚音速气流束，由于分支管道对称布置，回流区和亚音速气流束也在分支管道中对称且稳定地形成，使得从气流腔圆柱部分流入的一股气流可以稳定地分成等量的两股气流。
图7是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.86MPa，具有两个分支管道时分配器内部X-Y截面上的马赫数等值线图。可以看到，分配器在实际工作中处于亚音速流动状态，分支管道靠近气流腔圆柱段的外拐角处存在一个回流区，此回流区比图6中的回流区大，回流区向管道下游发展成低速气流束，此低速气流束的速度增长明显比图6中相同区域的速度增长要慢。由于分支管道对称布置，回流区和低速气流束也在分支管道中对称且稳定地形成，使得从气流腔圆柱部分流入的一股气流可以稳定地分成等量的两股气流。
图8是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.86MPa，具有两个分支管道时分配器分支管道出口截面上的马赫数等值线图，可看出，马赫数在0.15以下的低速气流区所夹张角约为60º，因此低速气流区仅占整个管道通流面积的1/6。随着分支管道长度的增加，截面上的高速和低速气流区进一步混合，使得分支管道的通流效率进一步提高。
实施例二
参见图9-图11，示出了一种具有四个分支管道,用于向两套高压圆盘气体轴承的四个工作圆盘等流量分流的气流分配器。
除增加分支管道数量外，其余特征同实施例一。
图9所示为具有四个分支管道时的分配器左视图，图中示出了上下左右四个对称斜面（5）以及斜面上四个对称布置的螺纹孔位置分布。
图10所示为具有四个分支管道时的分配器俯视图，图中示出了在圆柱形气流腔体（7）上所铣出的四个斜面（5）以及加工出的四个螺纹孔（6）的俯视形状及位置分布。
分配器实施例2与实施例1的几何参数类似。图11为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，四个分支管道时分配器的四分支管道出口截面的总压图。可以直观地看出左侧四个出口截面的平均总压为0.671MPa。可以计算出四个出口截面与进口截面的总压损失比约为25.4%，高于两个分支管道时的情况。
图12是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有四个分支管道时分配器内部X-Y截面上的马赫数等值线图。此时的马赫数分布与图6比较相似，区别在于气流分成四股后使圆锥顶端的滞止低速区增大，使分支管道的实际入口面积减小，增大了分支管道入口截面的马赫数，进而使总压损失变大，但仍然可以保持在75%左右的较高水平。
实施例三
参见图14、图15、图16，示出了一种分支管道数等于4，但出流角度变化时的气流分配器，用于向两套高压圆盘气体轴承的四个工作圆盘等流量分流。
所述圆柱形气流腔体7左端铣有四个与中心轴夹角为45°的斜面5，所述斜面5沿中心轴均布；每个斜面5上开有螺纹孔6，螺纹孔6与中心轴夹角为30°；
所述柱锥状气体腔3右端为圆柱形，柱锥状气体腔3左端为锥形夹角40°，并且柱锥状气体腔3与螺纹孔6相连通。
其余特征同实施例一。
图14所示为具有四个分支管道的实施例三的主剖视图，图中示出了气流分配器的整体结构。气流腔3的左端锥面锥角变为40º，圆柱形气流腔体7上所铣出的四个斜面5与中心轴的夹角变为45º，螺纹孔6的中心线与中心轴的夹角变为30º。
图15所示为具有四个分支管道的实施例三的左视图，图中示出了上下左右四个对称斜面5以及斜面上四个对称布置的螺纹孔位置分布。
图16所示为具有四个分支管道的实施例三的俯视图，图中示出了在圆柱形气流腔体7上所铣出的四个斜面5以及加工出的四个螺纹孔6的俯视形状及位置分布。
分配器实施例三与实施例一的几何参数类似。图17为供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有四个分支管道的实施例三的分支管道出口截面总压图。可以直观地看出左侧四个出口截面的平均总压为0.7MPa，出口截面与进口截面的总压损失比约为21.7%，也高于两个分支管道时的总压损失比。
图18是供气压力为0.9MPa，出口压力为0.1MPa，具有四个分支管道的实施例三内部X-Y截面上的马赫数等值线图。从图18可看出，分支管道壁面边界层关于分支管道轴线对称分布，利于其低速区和高速区的混合，从而减小了总压损失。
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 (5)

1.一种用于向高压圆盘气体轴承供气的等流量气流分配器，其特征在于：包括中心对称的圆柱形气流腔体(7)，圆柱形气流腔体(7)内部设置有中心对称的柱锥过渡状气体腔(3)，圆柱形气流腔体(7)右端设置有连接圆盘(4)；圆柱形气流腔体(7)与柱锥过渡状气体腔(3)的中心轴位于同一直线上；
所述圆柱形气流腔体(7)左端铣有两个以上与中心轴夹角为α的斜面(5)，所述斜面(5)沿中心轴均布；每个斜面(5)上开有螺纹孔(6)，螺纹孔(6)与中心轴夹角为β；
所述柱锥状气体腔(3)右端为圆柱形，柱锥状气体腔(3)左端为锥形，锥角为γ，并且柱锥状气体腔(3)与螺纹孔(6)相连通。
2.如权利要求1所述的气流分配器，其特征在于：所述α取值为30°-45°。
3.如权利要求1所述的气流分配器，其特征在于：所述β取值为25°-60°。
4.如权利要求1所述的气流分配器，其特征在于：所述γ取值为30°-80°。
5.如权利要求1所述的气流分配器，其特征在于：所述连接圆盘(4)周向均布有多个用于安装连接螺栓的圆柱形通孔(1)，连接圆盘(4)右端面中央区域还设置有用于连接法兰的环型密封凸面(2)，所述柱锥过渡状气体腔(3)与环型密封凸面(2)相连通。
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