CN114008338A - 适应性箔片径向轴承 - Google Patents

Abstract

一种适应性箔片径向轴承(100)，包括：衬套(110)，包括限定穿过其中的孔；布置成适形于孔的径向内表面的弹簧箔片(120、130)；布置成适形于弹簧箔片的径向内表面的流体箔片(140、150)，用于可旋转地接纳转子，其中：弹簧箔片包括一个或多个保持部分(160)，其布置成轴向和径向延伸到孔的径向内表面之外。

Description

适应性箔片径向轴承

技术领域

本文公开的主题大体涉及适应性箔片径向轴承。

背景技术

微型涡轮机可以在分布式能源中使用，并且可以使用压缩机、燃烧器、涡轮机和发电机，从而将燃料转换成电力的本地来源。它们占地面积小，转速高，且工作温度高，使得传统轴承，如油基流体静压轴承，不可行。

适应性流体箔片径向轴承利用：衬套；适形于衬套内表面的适应性弹簧箔片；和适形于适应性弹簧箔片内表面的流体顶部箔片，且流体顶部箔片的内表面用于接纳转子。

在加速旋转之前，作用在转子上的重力会压缩转子和衬套内表面之间的流体箔片和弹簧箔片。在加速旋转之后，在非旋转的流体箔片和旋转的转子之间形成一薄层流体导致转子可以说是从流体箔片上脱离，产生低摩擦流体动压轴承，此外，流体的传递促进了热传递。

因此，在高转速和工作温度下，适应性流体箔片径向轴承可用于微型涡轮机，以克服与其他传统形式的径向轴承相关的不可行性。

现有的流体箔片轴承设计通常在弹簧箔片和衬套之间采用波纹弹簧箔片和紧固机构，导致制造过于复杂。此外，这种现有设计在每分钟低转数时的有效性很差，以至于在加速旋转期间，甚至在加速旋转后的正常操作期间会引入过度的轴承磨损。这种现有设计的性能过度依赖于与弹簧箔片相关的制造细节。最后，优化这些现有设计的摩擦特性的范围有限。

因此，希望提供一种解决现有设计中一个或多个上述缺陷的流体箔片轴承。

附图说明

下面通过示例并参考附图进一步描述所公开的布置，其中：

图1以分解透视图描绘适应性箔片径向轴承的示例。

图2从平行于衬套轴线的方向描绘图1的示例性适应性箔片径向轴承。

图3描绘图1的示例性流体箔片径向轴承中保持部分和衬套之间的相互作用。

图4A描绘用于形成弹簧箔片的坯料的示例。

图4B描绘准备插入衬套内的扁平弹簧箔片的示例。

图4C描绘准备插入衬套内的弯曲弹簧箔片的示例。

图5描绘形成弹簧箔片的方法和形成适应性箔片径向轴承的方法的示例。

图6A和6B描绘衬套和与其一起使用的弹簧箔片的第一示例。

图7A、7B和7C描绘衬套和与其一起使用的替代弹簧箔片的第二示例。

具体实施方式

图1描绘适应性箔片径向轴承100的示例，其包括衬套110，包括限定穿过其中的孔；布置成适形于孔的径向内表面的弹簧箔片120、130；布置成适形于弹簧箔片的径向内表面的流体箔片140、150，用于可旋转地接纳转子，其中弹簧箔片120、130包括一个或多个保持部分160，保持部分布置成轴向和径向延伸到孔的内表面之外。

在图1的示例中，弹簧箔片包括第一弹簧箔片段120和第二弹簧箔片段130。同样，流体箔片包括第一流体箔片段140和第二流体箔片段150。这种布置与双叶径向轴承相当，然而，本文的公开同样适用于一叶、三叶或其他叶轴承，其中弹簧箔片和流体箔片包括一个、三个或其他数量的段。

参照图1所示的弹簧箔片120、130，将会观察到，当插入衬套110的孔中时，弹簧箔片的保持部分160将轴向和径向延伸到衬套110的孔之外。

孔的内表面可以限定孔轴线、孔内表面半径和相对设置的孔内表面轴向端。一个或多个保持部分160可以径向延伸到孔内表面半径之外，并且轴向延伸到孔内表面轴向端之外，例如，任何一个保持部分可以延伸到大于孔内表面半径的半径，并且可以延伸到孔内表面轴向端跨越的轴向区域之外的轴线。保持部分160可以包括轴向相对设置的保持部分，其径向和轴向延伸到孔的内表面之外。

在轴承操作的加速旋转阶段之前和期间，以及在其正常操作期间，弹簧箔片为流体箔片提供弹性支撑。因此，在从转子径向向外方向上作用的力可以通过弹簧箔片传递到衬套内表面。

流体箔片提供用于可旋转地接纳转子的表面，并且在使用中，在流体箔片的表面和转子之间形成薄的快速移动的流体层，从而产生低摩擦环境，转子可以在所述低摩擦环境中旋转。所述保持部分延伸到包含临界相互作用表面的孔区域的径向内表面之外，用于减少对与弹簧箔片相关的制造细节的性能依赖。流体层的流体动力学性质防止热量过度积聚。此外，通过降低临界区域内的刚度特性和保持机构之间的相互依赖性，将保持部分重新定位在临界相互作用表面区域之外有助于增加对临界区域内刚度特性的控制。流体箔片径向轴承的这些特性使得流体箔片径向轴承特别适用于高温高转速应用，例如在微型涡轮机的情况下。

在图1提供的示例中，保持构件170和180装配在衬套110中设置的相应凹槽175内，从而在组装后夹紧流体箔片段。

弹簧箔片的保持部分160被布置成轴向和径向延伸到衬套110的孔的内表面之外。在图1提供的示例中，每个弹簧箔片段120和130包括多个设置在其轴向相对端处的保持部分。

因此，弹簧箔片可以设置有一个或多个保持部分，所述保持部分被布置成设置在衬套的每个轴向端处。通过在其轴向相对端处设置具有一个或多个保持部分的弹簧箔片，弹簧箔片可以被插入到衬套110中，并且轴向相对的保持部分组轴向和径向突出到衬套110的径向内表面之外，有助于它们之间的牢固配合，并减少弹簧箔片轴向位移的可能性。

衬套110可以设置有座165，用于接纳弹簧箔片的一个或多个保持部分。衬套可以设置有一个或多个座，用于接纳弹簧箔片的一个或多个保持部分。衬套可以在其每个轴向端处设有一个或多个座。

图2提供适应性箔片径向轴承的前视图。如本示例所示，流体箔片段140和150的轴向取向长度缠绕在流体箔片保持构件170和180周围，流体箔片保持构件将流体箔片段140和150夹紧在设置在衬套110内的凹槽175内。

在图2的示例中，提供第一座165a和第二座165b，用于接纳与第一流体箔片段140和第二流体箔片段150相关联的保持部分160。

如图2所示，保持部分轴向和径向延伸到衬套110的孔的内表面之外。

通过将弹簧箔片的保持部分轴向和径向定位在衬套110的孔的内表面之外，有助于大大简化衬套110的制造，因为保持部分不需要由衬套110的内表面的结构特征支撑。

此外，将保持部分定位在衬套110的孔的临界内表面之外会减少弹簧箔片和衬套之间的保持对轴承性能的影响，这导致轴承性能对制造细节的敏感性降低。

虽然附图示出提供用于接纳弹簧箔片的保持部分的座，但是在本申请中公开的保持构件将同样适用于不设置座的衬套的情况。在这种情况下，保持部分将位于衬套的轴向外端上。

图3提供弹簧箔片的保持部分160和衬套110之间相互作用的特写视图。

在所示的示例中，保持部分设置成环的形式。这些环被布置成从衬套110的孔的内表面径向向外延伸。已经表明，将保持部分设置成环的形式有助于改善保持机构和轴承内与性能相关的临界表面之间的隔离。

回到图1，在这个示例中，弹簧箔片包括轴向取向的条带。条带可以布置成与孔的轴线同轴设置。在所示的两段示例中，第一段120包括轴向条带125，且第二段130包括轴向条带135。

图1描绘弹簧箔片段120，其包括通过保持部分160互连的多个条带125。使用保持部分160连接条带125有助于每个条带的独立可调刚度和弹性。

将参照图3详细解释由包括一个或多个条带的弹簧箔片促进的刚度和弹性的一个方面。

在弹簧箔片120适形于衬套110的孔的径向内表面的情况下，每个条带在条带上周向相对的径向外部接触区域处接触衬套110的孔的径向内表面。在条带的这些周向相对的接触区域之间，流体箔片140接触弹簧箔片120的条带的径向内表面。如此，条带可以被认为是在周向相对的径向外部接触区域处支撑的梁，流体箔片140通过在其径向内表面处接触条带而使周向相对的接触区域之间的梁变形。每个条带和衬套之间以及每个条带和流体箔片之间的接触可以是轴向取向的接触区域。这些轴向取向的接触区域可以是线接触或者可以是沿着轴线的共线点接触。已经发现，通过增加库仑摩擦，弹簧箔片和流体箔片之间的这种接触即使在每分钟低转数时也能提供优异的轴承性能。

弹簧箔片、衬套和流体箔片之间的上述互连通过提供最佳的刚度特性，即使在每分钟低转数时也有利于优异的轴承性能。此外，在支撑流体箔片的条带中建立销对销梁提供在周向上改变弹簧箔片刚度特性的可能性。考虑到由于重力和其他因素，流体箔片径向轴承中的载荷倾向于在周向上变化，这可能是特别有利的。这种变化可以通过在周向上改变条带的物理特性来补偿。

条带可以在周向上弯曲。例如，条带可以是弯曲的，以便呈现径向向外的凹面。这可以与条带、流体箔片和衬套之间的上述接触形式协同作用，并有助于对刚度特性和接触区域的更好控制。

图4A描绘包括具有切口422的金属片的坯料420，弹簧箔片可以由其形成。在本示例中，在条带425之间提供均匀的间隔424。这有助于简化制造。然而，由于上述原因，在条带之间提供不均匀的间隔可能是有利的，从而提供在周向上改变弹性轮廓的可能性。

弹簧箔片420可以包括工字形切口422，例如切口包括用于轴向取向的部分，在其每一端具有用于周向取向的垂直横杆部分。横杆部分可以布置成设置在衬套的每个轴向端处。形成工字形切口422提供用于形成弹簧箔片420的简单制造方法，弹簧箔片在每个工字形切口的一端或两端具有保持部分，保持部分被布置成从孔的内表面轴向和径向向外设置。

衬套的长度(L)可以是衬套孔直径(D)的0.5至3倍，即L/D＝0.5至3，且直径(D)可以设定在15mm至25mm之间或20mm至23mm之间。衬套孔直径(D)和每个条带的周向宽度(W)-见图4A中显示条带宽度的‘W’指示，即每个条带在其第一轴向取向端和第二轴向取向端之间的宽度之间的比率，可以设定为2至12之间，即D/W＝2至12。条带宽度可以在2mm到5mm之间。已经发现，将条带宽度设置在此范围内可以提供最佳的刚度特性，从而有助于实现优异的轴承性能，特别是对于在微型涡轮机中使用适应性径向轴承而言。箔片的厚度可以设定在0.01mm至0.2mm之间。已经确定，上述尺寸提供具有用于一系列应用的优异性能特征的空气轴承。

图4A描绘条带和保持部分160之间的间隔426。此间隔426可以对应于周向设置的切口部分的轴向宽度。当组装时，此间隔426是轴向取向的，并且改善保持机构和位于孔内的条带425之间的隔离。此外，条带425的负荷特性之间的独立性得到改善。

图4B描绘由坯料420形成的弹簧箔片120。一个或多个保持部分160已经形成在条带125之间的切口部分的端部处，并且被布置成在插入衬套时轴向和径向设置在衬套的径向内表面之外。一个或多个保持部分160可以通过在切口422的一端或两端形成平面外弯曲或环来形成在坯料420中，切口布置成与衬套轴向取向。

图4B示出由金属片形成的弹簧箔片160，其包括工字形切口422和平面外保持部分160，准备插入衬套内。与需要复杂波纹技术等的现有弹簧箔片设计相比，这种弹簧箔片有助于显著简化制造。

任选地，如图4C所示，在插入衬套之前，基本上扁平的金属片可以根据衬套的径向内表面的形状弯曲。虽然省略此步骤简化了制造，但是在弹簧箔片的制造过程中以这种方式弯曲扁平金属片仍有助于降低弹簧箔片插入衬套中的性能敏感性。

图5示出形成弹簧箔片500的示例性方法，其包括在金属片501中形成一个或多个切口，所述切口可以是工字形切口；形成一个或多个平面外保持部分503，其可以设置在每个切口的一端或两端处。切口可以布置成在插入衬套时在平行于衬套轴线的方向上延伸。一个或多个保持部分可以布置成在弹簧箔片插入衬套时轴向设置在衬套的径向内表面之外。

图5还示出形成适应性径向轴承550的示例性方法，所述方法可以在形成弹簧箔片500的方法之后执行，包括以下步骤：将弹簧箔片插入衬套505的径向内表面；和将流体箔片插入弹簧箔片507的径向内表面。尽管未示出，但所述方法还可以包括将一个或多个流体箔片保持构件插入衬套的凹槽内，从而将流体箔片以及任选的弹簧箔片保持在衬套内。

尽管未示出，制造适应性径向轴承的方法可以包括：在金属片中形成一个或多个切口，例如如图4A所示，将金属片插入衬套中；在弹簧箔片中其轴向端部分处形成一个或多个保持部分。因此，一旦金属片插入衬套，就可以形成保持部分。

图6A描绘衬套610的示例，衬套具有周向相对设置的座665，座提供止动表面668，止动表面通过弹簧箔片的保持部分160和座665的止动表面668之间的相互作用来防止弹簧箔片旋转。衬套610具有轴向取向的凹槽，用于在其中接纳流体箔片保持构件。

所示的衬套座示例显示位于衬套轴向端面的轴向内侧位置的座。衬套座可以位于衬套径向内表面的轴向端处，并且轴向位于衬套的轴向端面的内部。这会防止保持部分轴向延伸超过衬套的端面，从而改善轴承的操作特性。

图6B描绘适用于图6A的衬套的弹簧箔片620的一部分的示例。如图所示，条带625设置有均匀的周向长度627，有助于简化制造，然而可以提供不均匀的周向长度，提供在周向上改变弹簧箔片的负荷特性的能力。

图7A描绘具有不带止动表面的座765的替代衬套710的示例。通过使用一个或多个弹簧箔片保持构件170、180夹紧弹簧箔片720的端部夹紧区域768来防止弹簧箔片720的旋转。这种布置有助于降低衬套的制造复杂性。

在图7B的示例中，弹簧箔片在其一端设有轴向取向的夹紧钩768，以接纳在衬套710的用于接纳保持构件(例如流体箔片保持构件)的轴向设置的凹槽175中。这样，可以使用一个或多个保持构件来防止弹簧箔片在衬套内旋转，所述保持构件可以是用于将流体箔片夹紧就位的流体箔片保持构件。因此，可以提供保持构件，用于插入接纳保持构件的凹槽中，以固定流体箔片和/或弹簧箔片。

图7B示出弹簧箔片720，其包括轴向取向的钩768，钩包括径向外凹面。

图7C示出弹簧箔片720，其具有轴向取向的钩778，钩包括径向内凹面。

本文公开的每个示例，包含要求保护的示例，可以设置在包括根据任何一个示例的流体箔片径向轴承的燃气涡轮机系统中，例如微型涡轮机系统。在燃气轮机系统中采用这种流体箔片径向轴承提供燃气轮机系统，从而提供对摩擦损失和热量的改进管理。

将认识到，本文公开的示例不是限制性的，并且能够进行许多修改和替换。

Claims (15)

1.一种适应性箔片径向轴承，包括：

衬套，包括限定穿过其中的孔；

弹簧箔片，被布置成适形于所述孔的径向内表面；

流体箔片，被布置成适形于所述弹簧箔片的径向内表面，用于可旋转地接纳转子，其中：

所述弹簧箔片包括一个或多个保持部分，所述保持部分被布置成轴向和径向延伸到所述孔的所述径向内表面之外。

2.根据权利要求1所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述弹簧箔片包括一个或多个轴向取向的条带。

3.根据权利要求2所述的适应性箔片径向轴承，其中：

相邻条带通过所述一个或多个保持部分耦合。

4.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述一个或多个保持部分设置成环的形式。

5.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述条带在周向上弯曲。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述一个或多个条带和所述流体箔片被布置成使得每个条带在第一轴向取向的衬套接触区域和第二轴向取向的衬套接触区域处接触所述衬套的所述径向内表面，并且在所述第一轴向取向的衬套接触区域和所述第二轴向取向的衬套接触区域之间的轴向取向的流体箔片接触区域处接触所述流体箔片。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述条带之间的周向间距是不均匀的。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的适应性箔片径向轴承，其中：

每个条带的周向宽度与所述孔的直径之比在2至12之间。

9.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述衬套包括用于接纳所述弹簧箔片的一个或多个保持部分的座。

10.根据权利要求9所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述座轴向设置在所述衬套的轴向端面内。

11.根据权利要求9或10所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述座包括一个或多个止动表面，用于防止所述弹簧箔片的周向位移。

12.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，其中：

所述弹簧箔片在其相对的轴向端处包括第一组保持部分和第二组保持部分。

13.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，包括：

一个或多个保持构件，被布置成装配在所述衬套中的一个或多个相应的凹槽内，其中：

所述弹簧箔片包括一个或多个轴向取向的保持钩，所述保持钩被布置成当插入所述衬套中的所述一个或多个相应的凹槽中时缠绕在所述一个或多个保持构件周围。

14.根据任一前述权利要求所述的适应性箔片径向轴承，包括：

第一弹簧箔片段和第二弹簧箔片段。

15.一种制造用于适应性箔片径向轴承的弹簧箔片的方法，所述方法包括：

在扁平金属片的矩形部分内形成一个或多个切口，所述切口包括对第二长度进行互连的第一长度，所述第一长度用于在所述适应性箔片径向轴承的衬套内的轴向取向，且所述第二长度用于在所述衬套的轴向端处的周向取向；和

形成一个或多个保持部分，所述保持部分延伸到所述扁平金属片的平面之外，用于轴向定位在所述第二长度之外。

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