CN114110014A - 气体动压轴承、压缩机和发动机 - Google Patents

气体动压轴承、压缩机和发动机 Download PDF

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CN114110014A CN202111425056.8A CN202111425056A CN114110014A CN 114110014 A CN114110014 A CN 114110014A CN 202111425056 A CN202111425056 A CN 202111425056A CN 114110014 A CN114110014 A CN 114110014A
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陈彬
陈振
贾金信
苏久展
闫瑾
孔祥茹
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Abstract

本申请提供一种气体动压轴承、压缩机和发动机。该气体动压轴承包括轴承座、波箔和顶箔，顶箔安装在轴承座的内周侧，并与轴承座的内周壁之间形成环形空间，波箔安装在环形空间内，波箔的结构在轴承座的周向呈周期性变化，在一个周期内，波箔包括平段和支承段，平段与轴承座相配合，支承段的顶部与顶箔相配合，支承段的顶部包括第一波峰、波谷和第二波峰，波谷位于第一波峰和第二波峰之间，并向着轴承座凹陷。根据本申请的气体动压轴承，能够增大轴承的阻尼，提高轴承的整体刚度，提高轴承的承载性能。

Description

气体动压轴承、压缩机和发动机
技术领域
本申请涉及轴承技术领域，具体涉及一种气体动压轴承、压缩机和发动机。
背景技术
气体动压轴承是一种弹性支承的动压气体轴承，转轴高速旋转带动轴承和转轴之间的气体流动，粘性气体进入楔形区域产生流体动压效应，形成高压气膜，当动压气膜压力足够大时即可悬浮高速旋转的转轴。在转轴高速旋转时，高压气膜挤压轴承，顶层箔片和支承波箔均产生弹性形变，增大气膜间隙，保证轴承稳定运行。
然而在实际的工作过程中，气体动压轴承的厚度有限，因此阻尼较小，整体刚度不足，容易导致轴承承载能力较低，且运行稳定性较差。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种气体动压轴承、压缩机和发动机，能够增大轴承的阻尼，提高轴承的整体刚度，提高轴承的承载性能。
为了解决上述问题，本申请提供一种气体动压轴承，包括轴承座、波箔和顶箔，顶箔安装在轴承座的内周侧，并与轴承座的内周壁之间形成环形空间，波箔安装在环形空间内，波箔的结构在轴承座的周向呈周期性变化，在一个周期内，波箔包括平段和支承段，平段与轴承座相配合，支承段的顶部与顶箔相配合，支承段的顶部包括第一波峰、波谷和第二波峰，波谷位于第一波峰和第二波峰之间，并向着轴承座凹陷。
优选地，波谷与顶箔之间形成楔形区域。
优选地，第一波峰和第二波峰与波谷之间的高度差为支承段的拱高的 0.1～0.25倍。
优选地，支承段的弦长为拱高的2.5～4倍。
优选地，支承段的拱高为0.4mm～0.7mm。
优选地，第一波峰和第二波峰的结构相同，高度相同。
优选地，第一波峰和第二波峰的高度不同，其中之一的高度比另外一个的高度高出0.02mm～0.05mm。
优选地，波箔还包括第一固定端，波箔通过第一固定端固定安装在轴承座上。
优选地，顶箔包括第二固定端和承载区域，第二固定端固定连接在轴承座上，承载区域与波箔相配合。
根据本申请的另一方面，提供了一种压缩机，包括气体动压轴承，该气体动压轴承为上述的气体动压轴承。
根据本申请的另一方面，提供了一种发动机，包括上述的气体动压轴承或上述的压缩机。
本申请提供的气体动压轴承，包括轴承座、波箔和顶箔，顶箔安装在轴承座的内周侧，并与轴承座的内周壁之间形成环形空间，波箔安装在环形空间内，波箔的结构在轴承座的周向呈周期性变化，在一个周期内，波箔包括平段和支承段，平段与轴承座相配合，支承段的顶部与顶箔相配合，支承段的顶部包括第一波峰、波谷和第二波峰，波谷位于第一波峰和第二波峰之间，并向着轴承座凹陷。该气体动压轴承在波箔的一个拱形段设置两个波峰，并且在两个波峰之间设置一个波谷，从而能够利用两个波峰增大波箔与顶箔之间的接触面积，增大轴承的阻尼，提高轴承的整体刚度，同时，由于轴承在周向方向上的整体刚度存在周期性变化，而波谷的凹陷能够与顶箔之间形成空气间隙，使得气膜厚度在宏观和微观上均有楔形区域，从而提高了轴承承载能力。
附图说明
图1为本申请一个实施例的气体动压轴承的结构示意图；
图2为图1的I处的放大结构示意图；
图3为本申请一个实施例的气体动压轴承的轴承座结构示意图；
图4为本申请一个实施例的气体动压轴承的波箔的立体结构示意图；
图5为图4的L处的放大结构示意图；
图6为本申请一个实施例的气体动压轴承的顶箔的立体结构示意图；
图7为本申请一个实施例的气体动压轴承的气膜压力分布结构图。
附图标记表示为：
1、轴承座；2、波箔；3、顶箔；4、平段；5、支承段；6、第一波峰；7、第二波峰；8、波谷；9、第一固定端；10、第二固定端；11、承载区域；12、气膜；13、转轴；14、轴向凹槽。
具体实施方式
结合参见图1至图7所示，根据本申请的实施例，气体动压轴承包括轴承座1、波箔2和顶箔3，顶箔3安装在轴承座1的内周侧，并与轴承座1的内周壁之间形成环形空间，波箔2安装在环形空间内，波箔2的结构在轴承座1 的周向呈周期性变化，在一个周期内，波箔2包括平段4和支承段5，平段4 与轴承座1相配合，支承段5的顶部与顶箔3相配合，支承段5的顶部包括第一波峰6、波谷8和第二波峰7，波谷8位于第一波峰6和第二波峰7之间，并向着轴承座1凹陷。
该气体动压轴承在波箔2的一个拱形段也即支承段5设置两个波峰，并且在两个波峰之间设置一个波谷，从而能够利用两个波峰增大波箔2与顶箔3之间的接触面积，增大轴承的阻尼，提高轴承的整体刚度，同时，由于轴承在周向方向上的整体刚度存在周期性变化，而波谷的凹陷能够与顶箔3之间形成空气间隙，转轴13在高速旋转过程中，因偏心运动导致气膜12形成楔形区域，气体进入楔形区域后形成高压润滑气膜，为轴承-转轴系统提供承载力，而平段4与相邻的两个支承段5之间也存在类似的楔形区域，使得气膜厚度在宏观和微观上均有楔形区域，从而提高了轴承承载能力。
在一个实施例中，波谷8与顶箔3之间形成楔形区域，能够与转轴运动过程中气膜受压的变化形状相适配，从而进一步优化轴承的承载结构，提高轴承的承载能力。
波箔2还包括第一固定端9，波箔2通过第一固定端9固定安装在轴承座 1上。在本实施例中，波箔2的一端通过第一固定端9固定连接在轴承座1上，另一端沿轴承座1的周向延伸，且端部为自由结构，使得波箔2能够根据受压作用伸缩，提高了波箔2对于承压压力的适应性。
顶箔3包括第二固定端10和承载区域11，第二固定端10固定连接在轴承座1上，承载区域11与波箔2相配合。在本实施例中，顶箔3通过第二固定端10与轴承座1固定连接，承载区域11与第二固定端10固定连接，且承载区域11呈环形结构，顶箔3沿周向方向的延伸长度与波箔2基本上相同，使得顶箔3始终能够与波箔2进行有效配合，同时对转轴13形成有效的承载作用。顶箔3的另一端也为自由端，可以自由活动，从而适应转轴13的运动。
轴承座1为轴承的主体结构，作用为安装、保护、支承和冷却气体动压轴承的箔片。轴承座1内侧壁开有轴向凹槽14，轴向凹槽14沿轴向贯穿轴承座 1，波箔2的第一固定端9和顶箔3的第二固定端10均安装在该轴向凹槽14 内，使用合适的销钉打紧，以轴向固定轴承。此外，轴承座1可设计径向通孔，通过气体流动迅速带走箔片轴承运行过程中产生的热量，降低轴承温度，从而减小温度轴承性能的影响。
波箔2装配在轴承座1和顶箔3之间，为轴承提供刚度和阻尼。波箔2由矩形箔片经切割、裁剪、成型等多道工序加工而成，常用的箔片选用材料为 Inconel X-750、Inconel718、GH145、SUS304等，目前箔片气体动压轴承较多使用Inconel X-750镍基高温合金作为箔片材料。波箔2的第一固定端9嵌装在轴承座1的轴向凹槽14处，保证转轴13运行过程中波箔2不会发生周向滑动。波箔2的支承段5在圆周方向存在方向向外地张力，故波箔2的平段4贴紧于轴承座1的内壁上。波箔2的支承段5包括两侧的连接段以及位于两个连接段之间的第一波峰6、波谷8和第二波峰7，第一波峰6的一端通过连接段与平段4的一端连接，第二波峰7的一端通过连接段与另一个平段4的一端连接，因此，相邻的两个平段4之间的部分均可以认为是支承段5，也即拱形段。
在一个实施例中，第一波峰6和第二波峰7与波谷8之间的高度差为支承段5的拱高的0.1～0.25倍，以在两个波峰之间形成微型凹槽结构，当第一波峰 6和第二波峰7均与顶箔3相接触时，两个波峰中间的波谷8处形成凹槽。在转轴13运行过程时，波箔2的平段4与轴承座1、第一波峰6和第二波峰7 与顶箔3发生摩擦滑动摩擦或静摩擦，增大了波箔2和顶箔3的接触面积，提高了箔片轴承的阻尼和刚度。
在一个实施例中，支承段5的弦长为拱高的2.5～4倍，能够使得支承段5 的弦长与调整后的拱高相匹配，从而使得采用两个波峰之后的拱形段的结构能够与调整后的弦长相适配，提高波箔2的承载能力，为波箔2提供更大的刚度。
在一个实施例中，支承段5的拱高为0.4mm～0.7mm。
在一个实施例中，第一波峰6和第二波峰7的结构相同，高度相同。
结合参见图2所示，转轴13高速旋转时，顶箔3和转轴13之间产生空气间隙，因流体粘性作用形成了气膜12。气膜12为转轴13悬浮提供支撑力，相对地，气膜12对顶箔3也有沿圆周方向向外的压力，压迫波箔2和顶箔3发生微小变形。分析波箔结构单元的刚度知，轴承在第一波峰6和第二波峰7的整体刚度为波箔支承刚度和顶箔支承刚度之和，在波谷8的整体刚度为顶箔支承刚度，其数值相对较小，在上一个波箔第二波峰7和下一个第一波峰6之间的整体刚度系数最小。因此，顶箔3在波箔2的第一波峰6和波箔2的第二波峰7处变形量小于波箔2的波谷8处变形量，在上一个波箔2的第二波峰7和下一个波箔2的第一波峰6之间变形量最大。
综上，在宏观角度上，从波箔2的固定端到自由端，气膜12厚度的变化趋势由大变小再变大，因流体动压效果形成了高压气膜，支撑转轴13悬浮在气膜12稳定运行；在微观角度上，单个波箔结构的气膜12厚度的变化趋势由小变大再变小，同样形成了楔形区域，高压气体堆积在波谷8处，从而提高了轴承的承载性能。
在一个实施例中，所述第一波峰6和所述第二波峰7的高度不同，其中之一的高度比另外一个的高度高出0.02mm～0.05mm。
在本实施例中，以第一波峰6的高度比所述第二波峰7的高度高出 0.02mm～0.05mm为例，在未承载状态下，顶箔3与波箔2的第一波峰6相接触，与第二波峰7不接触，第一波峰6为轴承提供支承刚度和阻尼，此时轴承整体支承刚度较小，在轻载条件下轴承的自适应能力较强，随压力波动而发生弹性变形。在重载条件下，顶箔3在第一波峰6处受压变形，进而与第二波峰 7相接触，这时两波峰均为轴承提供支承刚度和阻尼，以保证轴承在重载下变形效果轻微，提高气体动压轴承的承载适应性。
根据本申请的实施例，压缩机包括气体动压轴承，该气体动压轴承为上述的气体动压轴承。
根据本申请的实施例，发动机包括上述的气体动压轴承或上述的压缩机。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种气体动压轴承，其特征在于，包括轴承座(1)、波箔(2)和顶箔(3)，所述顶箔(3)安装在所述轴承座(1)的内周侧，并与所述轴承座(1)的内周壁之间形成环形空间，所述波箔(2)安装在所述环形空间内，所述波箔(2)的结构在所述轴承座(1)的周向呈周期性变化，在一个周期内，所述波箔(2)包括平段(4)和支承段(5)，所述平段(4)与所述轴承座(1)相配合，所述支承段(5)的顶部与所述顶箔(3)相配合，所述支承段(5)的顶部包括第一波峰(6)、波谷(8)和第二波峰(7)，所述波谷(8)位于所述第一波峰(6)和所述第二波峰(7)之间，并向着所述轴承座(1)凹陷。
2.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述波谷(8)与所述顶箔(3)之间形成楔形区域。
3.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述第一波峰(6)和所述第二波峰(7)与所述波谷(8)之间的高度差为所述支承段(5)的拱高的0.1～0.25倍。
4.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述支承段(5)的弦长为拱高的2.5～4倍。
5.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述支承段(5)的拱高为0.4mm～0.7mm。
6.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述第一波峰(6)和所述第二波峰(7)的结构相同，高度相同。
7.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述第一波峰(6)和所述第二波峰(7)的高度不同，其中之一的高度比另外一个的高度高出0.02mm～0.05mm。
8.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述波箔(2)还包括第一固定端(9)，所述波箔(2)通过第一固定端(9)固定安装在所述轴承座(1)上。
9.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，所述顶箔(3)包括第二固定端(10)和承载区域(11)，所述第二固定端(10)固定连接在所述轴承座(1)上，所述承载区域(11)与所述波箔(2)相配合。
10.一种压缩机，包括气体动压轴承，其特征在于，所述气体动压轴承为权利要求1至9中任一项所述的气体动压轴承。
11.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的气体动压轴承或权利要求10所述的压缩机。
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