CN114060409A - 气体轴承、压缩机和空调系统 - Google Patents

气体轴承、压缩机和空调系统 Download PDF

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CN114060409A CN202010746699.1A CN202010746699A CN114060409A CN 114060409 A CN114060409 A CN 114060409A CN 202010746699 A CN202010746699 A CN 202010746699A CN 114060409 A CN114060409 A CN 114060409A
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李思茹
韩聪
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Abstract

本申请涉及空调技术领域，公开一种气体轴承，包括：轴承基体，其上设置有多个节流孔；其中，在轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组。当轴承间隙内的气体逸散时，气流在孔槽内的往复振荡形成具备一定阻尼性的弹性气柱，减少了气体的泄漏，因此，气流损失小，对气流的需求比常规要小；还可以提高气体轴承的承轴强度，提高气体轴承的承载力，承载可靠性提升，提高了气体轴承的性能。还使得轴承对于气体压力的波动响应缓冲时间长，进而保护压缩机轴承的运转平稳性，轴承的承载可靠性提升，有效降低压缩机的振动；还提高了气体轴承对杂质的容错性。本申请还公开一种压缩机和空调系统。

Description

气体轴承、压缩机和空调系统
技术领域
本申请涉及空调技术领域，例如涉及一种气体轴承、压缩机和空调系统。
背景技术
目前，气悬浮静压气体轴承(以下简称气体轴承)因其功耗低、寿命长和精度高等优点在航空航天、高转速及高精密度的行业得到了广泛应用。其中小孔节流静压气体轴承通过节流孔向轴承间隙内提供高压的气体或制冷剂，替代传统的润滑油，从而承载转子的转动。
气体轴承的内壁(在一些情况下，也可称之为轴套内壁)为光滑面，气流从喷射孔(即节流孔)喷出后从轴承的边缘部泄露出去，对于压力的响应和波动速度快。
在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：进入轴承间隙的气体很容易从轴承的边缘部泄露出去，影响气体轴承的性能。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
本公开实施例提供一种气体轴承、压缩机和空调系统，以解决进入轴承间隙的气体很容易从轴承的边缘部泄露出去，影响气体轴承的性能的问题。
在一些实施例中，所述气体轴承，包括：轴承基体，其上设置有多个节流孔；其中，在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组。
可选地，每圈孔槽组包括多个孔槽，且所述多个孔槽呈设定间隔设置；
当在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组时，相邻孔槽组中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。
可选地，孔槽的形状包括圆形或者正N边形，其中，N为3或者大于等于4的偶数。
可选地，所述正N边形的内切圆的直径或者所述圆形的直径均在1.5～3mm范围内。
可选地，所述孔槽组中的孔槽的深度在3～4mm范围内。
可选地，在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组，所述孔槽组中的孔槽的形状为正N边形，其中，N为大于等于4的偶数；每圈孔槽组中的相邻孔槽以边对边的方式设置，且相邻孔槽组中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。
可选地，所述孔槽的形状为正六边形；每圈孔槽组中的相邻孔槽以边边相对方式设置，且相邻孔槽组中的孔槽呈交错设置，形成蜂窝状。
可选地，所述轴承基体呈中空筒状轴承基体；在所述中空筒状轴承基体的两侧边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组。
在一些实施例中，所述压缩机，包括前述的气体轴承。
在一些实施例中，所述空调系统，包括前述的压缩机。
本公开实施例提供的一种气体轴承、压缩机和空调系统，可以实现以下技术效果：
本公开实施例提供的气体轴承，在轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置的一圈或多圈孔槽组，当轴承间隙内的气体向轴承的边缘部逸散时，气流在孔槽内的往复振荡形成具备一定阻尼性的弹性气柱，多个孔槽中的气体可以简化成弹性气柱，类似于空气弹簧振子。一圈孔槽组中的多个孔槽中的空气弹簧振子在气体轴承的边缘部形成了一层气体弹性气膜，减少了气体的泄漏，因此，气流损失小，对气流的需求比常规要小。而且，在气体轴承的边缘部形成的该层气体弹性气膜可以提高气体轴承的承轴强度，提高气体轴承的承载力，承载可靠性提升，提高了气体轴承的性能。同时，孔槽组的多个孔槽中的空气弹簧振子(气柱)属于一定压力的气体，具有一定的阻尼特性，对于轴承供气压力的波动有一定的延迟性，使得轴承对于气体压力的波动响应缓冲时间长，进而保护压缩机轴承的运转平稳性，给气动控制提供一定的控制缓冲时间，轴承的承载可靠性提升，有效降低压缩机的振动。进一步地，能够避免气体中的杂质被立即喷出或卡在轴和轴承之间而对气体轴承的控制精度造成影响，提高了气体轴承对杂质的容错性。
以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
图1是本公开实施例提供的一种气体轴承的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种气体轴承的剖视结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种气体轴承的剖视结构示意图；
图4是本公开实施例提供的一种气体轴承的孔槽组设置方式示意图；
图5是本公开实施例提供的另一种气体轴承的孔槽组设置方式示意图；
图6是本公开实施例提供的另一种气体轴承的孔槽组设置方式示意图；
图7是本公开实施例提供的另一种气体轴承的孔槽组设置方式示意图；
图8是本公开实施例提供的另一种气体轴承的孔槽组设置方式示意图；
附图标记：
100、轴承基体；101、节流孔；102、缓冲腔；103、第一侧边缘部；104、第二侧边缘部；110、外层结构体；111、供气孔；120、轴套；121、凹槽；200、孔槽组；210、正六边形孔槽；220、圆形孔槽。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。
另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。
除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
结合图1至图8所示，本公开实施例提供一种气体轴承，包括轴承基体100，其上设置有多个节流孔101。其中，在轴承基体100的边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组200。
本公开实施例提供的气体轴承，在轴承基体100的边缘部的内壁上沿周向设置的一圈或多圈孔槽组200，当轴承间隙内的气体向轴承的边缘部逸散时，气流在孔槽中的往复振荡形成具备一定阻尼性的弹性气柱，多个孔槽中的气体可以简化成多个弹性气柱，类似于空气弹簧振子。一圈孔槽组200中的多个孔槽中的空气弹簧振子在气体轴承的边缘部形成了一层气体弹性气膜，气流在孔槽中的往复振荡会耗散气体的能量，同时往复震荡的气体形成的振荡气膜对轴承间隙中的逸散气流也有阻碍作用，减少了气体的泄漏，因此，气流损失小，对气流的需求比常规要小。而且，在气体轴承的边缘部形成的该层气体弹性气膜可以提高气体轴承的承轴强度，提高气体轴承的承载力，承载可靠性提升，提高了气体轴承的性能。
对于气体轴承，其供气方式属于机械流体控制，其受供气压力波动的影响大，若响应速度跟不上将导致轴的运转不稳定，严重时还会造成“抱轴”现象。因此，本公开实施例的气体轴承中，孔槽组200的多个孔槽中的空气弹簧振子(气柱)属于一定压力的气体，具有一定的阻尼特性，在喷射压力(即供气压力)发生波动时，由于孔槽组200内部的涡流形成的镇流阻尼，会减缓压力的剧烈波动，对于轴承供气压力的波动有一定的延迟性，使得轴承对于气体压力的波动响应缓冲时间长，进而保护压缩机轴承的运转平稳性，给气动控制提供一定的控制缓冲时间，轴承的承载可靠性提升，有效降低压缩机的振动。
本公开实施例提供的气体轴承，当气体中混有杂质(该杂质是系统的清洁度所允许的)时，杂质可被吸附到孔槽内，避免了杂质被立即喷出或卡在轴和轴承之间而对气体轴承的控制精度造成影响，提高了气体轴承对杂质的容错性。
本公开实施例的气体轴承中，其上设置有多个节流孔101，通过该些节流孔101向轴承间隙内提供高压的气体或制冷剂，以承载转子的转动。具有节流孔101的气体轴承的润滑过程为：高压气体从从外部供气装置导出，流经供气管道，最终从节流孔101进入轴承间隙，从而承载转子的旋转。
在一些实施例中，如图1至图3所示，针对径向气体轴承，多个节流孔101设置为沿周向的多个环形节流孔组，且各环形节流孔组平行且节流孔101轴向共线。当然气体轴承中的多个节流孔101的设置方式不限于图1至图3所示的情况。
本公开实施例的气体轴承中，一圈或多圈孔槽组200的设置目的是为了减缓轴承间隙内的气体的逸散速率，因此，其设置位置一定是在气体的逸散路径上，而轴承基体100的边缘部即是位于气体逸散路径上的。例如，如图2和图3所示，针对中空筒状轴承基体100的两侧边缘部(第一侧边缘部103和第二侧边缘部104)均位于气体逸散路径上。
本公开实施例中，孔槽组200中的孔槽的数量、形状和深度等参数不限定，只要能够形成弹性气柱即可。
在一些实施例中，孔槽的形状为具有对称中心的形状。即孔槽的形状能够在旋转一定角度后重合。在形成的弹性气柱的对称性好，结构稳定，阻尼效果更好。
可选地，孔槽的形状为圆形或者正N边形，其中，N为3或者大于等于4的偶数。例如，正三角形、正方形、正六边形或者正八边形等。
可选地，孔槽的形状为正六边形。结构稳固。
可选地，正N边形孔槽的内切圆的直径或者圆形孔槽220的直径均在1.5～3mm范围内。该尺寸的孔槽更易于形成弹性气柱，且形成的弹性气柱稳定。
可选地，正N边形孔槽的内切圆的直径或者圆形孔槽220的直径均在1.7～2.6mm范围内。
可选地，正N边形孔槽的内切圆的直径或者圆形孔槽220的直径均在2.0～2.2mm范围内。
在一些实施例中，孔槽组200中的孔槽的深度h在3～4mm范围内。
可选地，正N边形孔槽的内切圆的直径或者圆形孔槽220的直径均在1.5～3mm范围内，且孔槽组200中的孔槽的深度h在3～4mm范围内。该尺寸限定的孔槽更易于形成弹性气柱，且形成的气柱的高度和直径比例更好，弹性气柱更稳定，阻尼效果更好。本公开实施例中，在不影响轴承基体100强度的前提下，孔槽的深度h的具体数值依据实际情况确定。
可选地，孔槽组200中的孔槽的深度h在3.2～3.8mm范围内。
可选地，孔槽组200中的孔槽的深度h为3.5mm。
本公开实施例中，孔槽组200是沿轴承基体100的边缘部的内壁上沿周向设置的一圈孔槽，必然包括多个孔槽。在一些实施例中，每圈孔槽组200包括多个孔槽，且多个孔槽呈设定间隔设置。依据孔槽的形状，将每圈孔槽组200中的多个孔槽沿周向顺次进行排列设置即可。此处，设定间隔为相邻孔槽之间的最短距离，此处的距离可以是直线距离，也可以是沿圆周的弧线距离，不限定。轴承基体100的内壁上开制孔槽，孔槽由于需要一定的承载力及抵抗轴落下的力，需要孔槽的边缘具有一定的厚度。即，相邻孔槽之间需要一定的设定间隔来保证其具有一定的承载力和抵抗轴落下的力。
可选地，设定间隔在1～1.5mm范围内。结合实际需要确定即可。可选地，设定间隔为1.2mm、1.3mm、1.5mm或者其他。
如图4和图5所示，孔槽为正六边形孔槽210，以对角线位于同一圆周线上方式，将多个正六边形孔槽210呈设定间隔设置，排布构成一圈孔槽组200。即角对角设置方式。则设定间隔即为相邻孔槽的距离最近的角与角之间的距离。
如图6所示，孔槽为正六边形孔槽210，以对边的中点连线位于同一圆周线上方式，将多个正六边形孔槽210呈设定间隔设置，排布构成一圈孔槽组200。即边对边设置方式。则设定间隔即为相邻孔槽的距离最近的边与边之间的距离。
如图7和图8所示，孔槽为圆形孔槽220，以直径位于同一圆周线上方式，将多个圆形孔槽220呈设定间隔设置，排布构成一圈孔槽组200。则设定间隔即为相邻孔槽的距离最近的点与点之间的距离。
在一些实施例中，当在轴承基体100的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组200时，相邻孔槽组200中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。设置多圈孔槽组200，可形成更多的弹性气柱，各弹性气柱之间相互协同作用，起到更好偶读阻尼作用。
可选地，相邻孔槽组200中的孔槽呈平齐设置。如图5所示的正六边形孔槽210以角对角设置方式排布形成孔槽组200，相邻孔槽组200中的正六边形孔槽210呈平齐设置。如图7所示的圆形孔槽220排布形成孔槽组200，相邻孔槽组200中的圆形孔槽220呈平齐设置。
可选地，相邻孔槽组200中的孔槽呈交错设置。如图4所示的正六边形孔槽210以角对角设置方式排布形成孔槽组200，相邻孔槽组200中的正六边形孔槽210呈交错设置。如图6所示的正六边形孔槽210以边对边设置方式排布形成孔槽组200，相邻孔槽组200中的正六边形孔槽210呈交错设置。如图8所示的圆形孔槽220排布形成孔槽组200，相邻孔槽组200中的圆形孔槽220呈交错设置。
在一些实施例中，结合图1至图6所示，在轴承基体100的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组200，孔槽组200中的孔槽的形状为正N边形，其中，N为大于等于4的偶数。每圈孔槽组200中的相邻孔槽以边对边的方式设置，且相邻孔槽组200中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。孔槽采用正N边形且以边对边方式设置所形成的弹性气柱更稳定。
可选地，孔槽的形状为正六边形孔槽210；每圈孔槽组200中的相邻孔槽以边对边的方式设置，且相邻孔槽组200中的孔槽呈交错设置，形成蜂窝状(如图6所示)。本公开实施例中，每相邻的3个正六边形孔槽210中，各相邻边之间的间距相同，形状稳定的排布结构，此时形成的多个弹性气柱的相互协同作用更优，阻尼性能更好。
在一些实施例中，结合图1至图3所示，轴承基体100呈中空筒状轴承基体100；在中空筒状轴承基体100的两侧边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组200。
本公开实施例的轴承基体100为径向轴承基体100。如图1至图3所示，轴承基体100一般包括外层结构体110和轴套120，外层结构体110套设在轴套120外。轴套120上设置的多个节流孔101排布设置为多个节流孔组(例如，3圈节流孔组)，且设置节流孔组的轴套120的外周壁上设置凹槽121，当外层结构体110套设在轴套120外时，该凹槽121部分形状缓冲腔102，并在与缓冲腔102相对应的外层结构体110上设置多个供气孔111。高压气体由供气孔111进入缓冲腔102后，再进由各节流孔101进入轴承间隙内，从而承载转子的旋转。在中空筒状轴承基体100的轴套120上，设置有多个节流孔组，多个环形节流孔组沿中空筒状轴承基体100的周向且平行地设置于轴套120上；且多个环形节流孔组等距设置，即相邻两个环形节流孔组的距离一样。
本公开实施例中，供气孔111的设置位置和数量不限定，根据实际需要设置即可。例如，设置12个供气孔111，沿轴向平行地设置6排，每排2个。当然，供气孔111的设置不限于此。
本公开实施例中，中空筒状轴承基体100中，进入轴承间隙的气体向中空筒状轴承基体100的两侧端部逸散，因此，在中空筒状轴承基体100的两侧边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组200。如图2和图3所示，在中空筒状轴承基体100的第一侧边缘部103和第二侧边缘部104分别设置4圈孔槽组200。且孔槽组200的设置位置依据轴承基体100的结构尺寸确定即可。
在一些实施例中，如图3所示，位于外侧的孔槽组200中的孔槽与相邻的节流孔组的距离D1，与相邻两个节流孔组之间的距离d一致，即D＝d。而内侧的孔槽组200中的孔槽与该相邻的节流孔组的距离D2不限定，例如，D2＝d/3。
本公开实施例中，图4所示的孔槽组200的设置方式为将图3中所述的气体轴承的内壁上设置的孔槽组200展开后的图案。图5至图8所示的孔槽组200的设置方式均可设置于图1至图3所示的气体轴承的内壁上从而获得相应的具有阻尼特性的气体轴承。
本公开实施例中，孔槽组200的成型方式不限定，可以采用化学方法，例如，电化学腐蚀；也可以采用机械加工方法，例如，激光加工。
本公开实施例提供一种压缩机，包括前述的气体轴承。
采用本公开实施例的压缩机可包括一个或多个前述的气体轴承。采用本实施例提供的气体轴承对压缩机的转轴进行支撑时，在轴承基体100的边缘部的内壁上的孔槽内形成多个弹性气柱，具有一定的阻尼特性，在喷射压力(即供气压力)发生波动时，由于孔槽组200内部的涡流形成的镇流阻尼，会减缓压力的剧烈波动，对于轴承供气压力的波动有一定的延迟性，使得轴承对于气体压力的波动响应缓冲时间长，进而保护压缩机轴承的运转平稳性，给气动控制提供一定的控制缓冲时间，轴承的承载可靠性提升，可有效降低压缩机的振动。
可选地，压缩机为离心式压缩机。
同时，冷媒气体在气体轴承内更好的流动，进一步去除了因轴转动产生的冷媒气体的摩擦热量，进一步提高了离心式压缩机的高速运转性能。
本公开实施例提供一种空调系统，包括前述的压缩机。
将包括前述气体轴承的压缩机应用于空调系统中，在轴承基体100的边缘部的内壁上的孔槽内形成多个弹性气柱，具有一定的阻尼特性，减少了气体的泄漏，气流损失小，对气流的需求比常规要小，减少了空调系统中制冷剂的供给量，进一步提升空调系统的稳定性。而且，可避免气态制冷剂中含有的清洁度的杂质对气体轴承的控制精度造成影响，提高了气体轴承对杂质的容错性。可以以冷媒气体作为气体轴承的润滑剂，同时还可去除因轴转动产生的冷媒气体的摩擦热量，进一步提高了离心式压缩机的高速运转性能，保证空调系统的稳定性。
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种气体轴承，其特征在于，包括：
轴承基体，其上设置有多个节流孔；其中，在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组。
2.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，
每圈孔槽组包括多个孔槽，且所述多个孔槽呈设定间隔设置；
当在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组时，相邻孔槽组中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。
3.根据权利要求1或2所述的气体轴承，其特征在于，孔槽的形状包括圆形或者正N边形，其中，N为3或者大于等于4的偶数。
4.根据权利要求3所述的气体轴承，其特征在于，所述正N边形的内切圆的直径或者所述圆形的直径均在1.5～3mm范围内。
5.根据权利要求1或2所述的气体轴承，其特征在于，所述孔槽组中的孔槽的深度在3～4mm范围内。
6.根据权利要求1或2所述的气体轴承，其特征在于，
在所述轴承基体的边缘部的内壁上沿周向设置有多圈孔槽组，所述孔槽组中的孔槽的形状为正N边形，其中，N为大于等于4的偶数；
每圈孔槽组中的相邻孔槽以边对边的方式设置，且相邻孔槽组中的孔槽呈平齐设置或者交错设置。
7.根据权利要求6所述的气体轴承，其特征在于，
所述孔槽的形状为正六边形；每圈孔槽组中的相邻孔槽以边边相对方式设置，且相邻孔槽组中的孔槽呈交错设置，形成蜂窝状。
8.根据权利要求1或2所述的气体轴承，其特征在于，所述轴承基体呈中空筒状轴承基体；在所述中空筒状轴承基体的两侧边缘部的内壁上沿周向设置有一圈或多圈孔槽组。
9.一种压缩机，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的气体轴承。
10.一种空调系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的压缩机。
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