CN114215850A - 一种基于涡轮发动机的气体混合轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于涡轮发动机的气体混合轴承，该轴承包括主轴及中部形成椭圆柱状空间的椭圆轴瓦。椭圆轴瓦的圆周面上设有多个狭缝同喷嘴组合，这些狭缝与气泵通过气道连通。椭圆轴瓦内的椭圆柱型空间中同轴心设有主轴，主轴的圆周面上设有多个凹槽，凹槽的位置与喷嘴位置对应。椭圆轴瓦内的空间与圆柱型的主轴形成楔形空间，与主轴上开设的楔形结构的凹槽所产生的动压气膜进行叠加，形成双重动压气膜效应，提升了轴承内部动压气膜的刚度，使轴承具有更大的承载能力，空气轴承因此在高、低速时都能工作，减少了轴承启停时的摩擦损耗，轴瓦地曲率半径增大也使轴颈在轴瓦内的绝对偏心距增大，轴承的稳定性增加。

Description

一种基于涡轮发动机的气体混合轴承
技术领域
本发明属于气体轴承领域，具体为一种基于涡轮发动机的气体混合轴承。
背景技术
高速、精密、低摩擦三大特点，是气体轴承得以立与世界轴承之林、并不断向前发展的基础，而承载小、刚度低、可靠性差，又影响了它的广泛应用，是美中不足之处。
现有的空气动压轴承的自激涡动不稳定性和低负载能力限制了其实用性。动压轴承中最常见的一种不稳定是所谓的半速涡动，即转子中心绕以s轴承几何中心的圆柱状轨道的晃动频率，约为转子速度的一半，由于气膜以大约半转子转速的速度转动，故承载间隙消失，动静件相接触使轴承工作破坏。与液体润滑剂不同，气体润滑剂在通过轴承时会改变其密度，这种可压缩效应说明了当空气轴承的几何形状，所以气膜的形状对空气轴承稳定性有着很大的影响。而适用于涡轮发动机中，这样的情况对于发动机的影响很大，维修以及保养的成本相应提升，进而也会影响到整个发动机的稳定性。
发明内容
本发明提供一种基于涡轮发动机的气体混合轴承，解决了现有涡轮发动机容易因内部轴承损坏而影响工作稳定性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种气体混合轴承，包括止推板、膨胀轮和压缩轮，轴承的一侧安装有止推板和压缩轮，另一侧安装有膨胀轮，其特征在于：还包括轴承座，轴承座的截面为椭圆形，轴承座中沿轴向开设有气道，轴承座上方还设有椭圆轴瓦，椭圆轴瓦的中部为椭圆柱状的空间；椭圆轴瓦的圆周面中部开设有气流释放室，气流释放室的两侧椭圆轴瓦的圆周面上开设有不少于一个狭缝同喷嘴组合结构，狭缝通过设在椭圆轴瓦外侧的气道与外部的气泵连接；主轴设在椭圆轴瓦内的中心，膨胀轮、止推板和压缩轮安装在主轴上，主轴的圆周面上开有凹槽。
椭圆轴瓦与圆柱形主轴的搭配使得轴承侧边间隙加大，即侧边间隙是顶部间隙的2倍。椭圆轴承轴瓦曲率半径增大，这使轴颈在轴瓦内的绝对偏心距增大，轴承的稳定性增加；而且椭圆轴瓦可以形成两个楔形空间，更大程度增加了空气动压轴承的动压效应。中心构成椭圆柱型的轴瓦，在主轴放入后产生的气膜对于轴承的承载能力有明显的提升；此时将气泵的气体依次通过气道、狭缝及喷嘴向轴承内输入，由于椭圆柱结构相较于圆柱结构存在特有的的离心率，主轴与椭圆轴瓦之间的楔形空间产生的动压效应更加明显，并且与主轴上的凹槽一起作用形成双重动压效应，进一步提升了轴瓦与主轴之间的气膜刚度，提高了轴承稳定性。因为该轴承是动静压结合，静压空气轴承需要泵入高压气体，这个设计中有两个气道泵入空气，所以在中间设置有气流释放室，将加压空气从轴承中排出，气流释放室位于轴承的中心。
椭圆轴瓦由不止一个结构相同的轴瓦分瓣组成，轴瓦之间采用螺柱连接；椭圆轴瓦下部采用紧固螺钉与轴承座连接。
喷嘴同狭缝组合为同轴心设置的喷嘴和狭缝，多个喷嘴同狭缝组合均匀分布在椭圆轴瓦表面。
椭圆轴瓦分为两瓣、三瓣或者四瓣。优选的，椭圆轴瓦分为上、下结构的两瓣，两个整体结构相同的椭圆轴瓦之间通过螺柱连接，下半椭圆轴瓦固定在轴承座上。这样的两部分既降低了制作难度，又可以保证转子以及轴承整体的稳定性。
狭缝同喷嘴组合为阶梯状，位于椭圆轴瓦外侧的喷嘴直径小于位于椭圆轴瓦内侧的狭缝直径，且喷嘴深度小于狭缝深度。外部的气体进入轴瓦与主轴之间，使得轴承不受扩散效应的影响，提高轴承的承载能力。
主轴的圆周面上开设的凹槽的数量不少于一个，凹槽为楔形结构；不少于一个凹槽组成两行彼此平行的凹槽组，两行凹槽组位于主轴的两端，每行凹槽组的中心线与主轴的轴线垂直。
凹槽组中心线与喷嘴中心线处于同一平面内。单个凹槽相对于每行凹槽组的中心线倾斜设置，凹槽在凹槽组中心线的左、右两侧呈镜像对称分布。
凹槽有规律地排列成组，便于制作人员建模制造；凹槽组的中心线与主轴轴线垂直，能够更好地与主轴旋转的方向相适应，以及凹槽本身的楔形结构，多种因素综合使得轴承内部的气膜强度增加，提升轴承稳定性。从狭缝及喷嘴进入轴承的气体能够更快速、更充分地与带有楔形结构凹槽的主轴接触，提高了生成气膜的效率。
每个凹槽的横向长度小于主轴的轴向长度的四分之一。凹槽没有占据主轴圆周面的所有空间，使得轴瓦与主轴之间的气膜可以分为不同的层次，提高了气体流动性；同时保留部分完整的主轴也一定程度上保证了主轴的结构强度，不易因为表面开槽范围过大导致直径减小、容易断裂。
进一步地，设在轴承外部的气泵连接有控制系统，所述控制系统包括安装在椭圆轴瓦内部的转速传感器、振动传感器、压力传感器以及与其连接并设在外部的控制单元。控制单元与转速传感器、振动传感器、压力传感器连接。当轴承启动和停车时，控制系统使气泵工作，有效避免空气轴承因启停时轴与轴套发生摩擦而受损的问题。当轴承本体或转子的运行载荷小于或等于预定载荷时，气泵开始工作并向空气轴承泵入气体。同时该空气轴承在低速时也可以工作，改善了动压空气轴承只能在高速工作的缺点。
该气体混合轴承用于涡轮发动机，可以明显提升发动机的性能，使得发动机稳定运行，维修和保养次数减少。
该轴承启动时，控制系统控制气泵向轴承内泵入加压气体，使得轴承在启动时可以减少轴与轴承直接的摩擦；当轴承达到形成动压空气轴承所需的高转速时，控制系统开始停止气泵工作，此时轴承相当于动压空气轴承。同时智能控制系统不断接收转速、及振动传感器的信号，当轴承本体或转子的运行载荷小于或等于预定载荷、轴颈发生振动、工作转速较低时，气泵开始工作并通过气道向空气轴承泵入气体。在所述转子的转速大于或等于所述预定速度，并且所述轴承本体或所述转子的运行载荷小于或等于所述预定载荷时，气泵停止供入气体，以使所述轴承作为气体动压轴承工作。当轴承结束工作时，气泵再度介入工作，避免空气轴承停车时因碰撞而产生摩擦损耗。
与现有技术相比，本发明的实质性特点在于：
采用组成中部为椭圆柱状的轴瓦，在轴瓦的圆周面上开设多个狭缝同喷嘴组合，并在轴承上开设气道将外界的控制系统、气泵与狭缝同喷嘴连接，将气体通入轴瓦内部。主轴设置在轴瓦内的中心，主轴的圆周面上对应喷嘴分布的位置开设有楔形的凹槽。椭圆轴瓦与主轴形成的楔形空间以及主轴上凹槽本身的楔形空间所产生的动压气膜进行叠加，形成了双重动压气膜效应，提升了轴承内部动压气膜的刚度，使轴承具有更大的承载能力。同时利用控制系统对于气泵的控制实现动静压混合，使得空气轴承在低速时也可稳定工作，同时解决了空气轴承启停时因碰撞发生摩擦的问题，提高了轴承稳定性，进而提高了涡轮发动机的稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明气体混合轴承的椭圆轴瓦与主轴部分的结构示意图。
图2为本发明气体混合轴承的整体结构示意图。
图中标号：1.主轴、2.气膜、3.椭圆轴瓦上半、4.椭圆轴瓦下半、5.压缩轮、6.止推板、7.气泵、8.控制系统、9.气道、10.凹槽、11.膨胀轮、12.气流释放室、13.轴承座、14.喷嘴、15.狭缝。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种基于涡轮发动机的气体混合轴承，如图所示，包括主轴1、椭圆轴瓦上半3与椭圆轴瓦下半4。主轴1的两端分别开设有一行由多个楔形结构的凹槽10组成的凹槽组，两行凹槽组互相平行且每个凹槽组的中心线与主轴1的轴线互相垂直。
具体看单个凹槽10，如图2所述，包括轮廓相同、大小不同的多个规格，按照从小到大的顺序依次在主轴1外表面上排列。凹槽10沿Y线，即凹槽组中心线成镜像对称分布，且单个凹槽10相较于凹槽中心线倾斜设置，每个凹槽10的横向长度小于主轴1的轴向长度的四分之一。
主轴1外围为椭圆轴瓦，如图1所示，该椭圆轴瓦分为外形结构相同的上半椭圆轴瓦3和下半椭圆轴瓦4，两部分通过螺柱固定。椭圆轴瓦的圆周面中部开设有气流释放室12，气流释放室12两侧的椭圆轴瓦圆周面上还开设有多个呈阶梯状的喷嘴同狭缝组合，包括同轴心设置的喷嘴14和狭缝15，靠近椭圆轴瓦内侧的喷嘴14直径较大，深度较浅；靠近椭圆轴瓦外侧的狭缝15直径较小，深度较深。椭圆轴瓦上均匀分布多个喷嘴同狭缝组合。喷嘴14的中心线与主轴1上凹槽组的中心线对应。此外，椭圆轴瓦分布有进气孔以及节流器。主轴1与椭圆轴瓦之间形成了一圈椭圆形的气膜2。由于椭圆结构相较于圆存在离心率，此时，主轴1与轴瓦之间的楔形空间产生的动压效应更明显，与主轴1上的楔形结构的凹槽10一起作用形成双重动压效应，提高轴承稳定性。
椭圆轴瓦安装在与其外形结构相适应的、截面同为椭圆的轴承座13上，用紧固螺钉固定，轴承座13固定在涡轮发动机的壳体上。轴承座13上还开设有与主轴1的轴线平行的气道9，气道9与椭圆轴瓦上的多个狭缝15连接，气道9的另一端连接设置在轴承外部的气泵7，气泵7与控制系统8连接。控制系统8通过不断接收安装在轴承中压力、转速及振动传感器的信号，来不断调整气泵7的供气压力及供气时间，以保证轴承可以稳定工作。
本发明改善了动压空气轴承无法在低速使用的缺点，加入静压轴承，减少在启停时产生的摩擦损耗。当气泵7需要介入工作时，气泵7向气道9提供加压气体，并通过进气孔和节流器进入轴承间隙，形成具有支承外载荷能力和一定刚度的润滑气膜。当空气轴承达到动压空气轴承转速条件时，气泵7停止工作，以降低轴承的功率损耗，此时空气轴承仅以动压效应工作。这样以来，轴承的稳定性得到了明显提升，进而涡轮发动机因轴承检修的次数和时间减少，提高了涡轮发动机的运作效率及稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种气体混合轴承，包括止推板、膨胀轮和压缩轮，轴承的一侧安装有止推板和压缩轮，另一侧安装有膨胀轮，其特征在于：还包括轴承座，轴承座的截面为椭圆形，轴承座中沿轴向开设有气道，轴承座上方还设有椭圆轴瓦，椭圆轴瓦的中部为椭圆柱状的空间；椭圆轴瓦的圆周面中部开设有气流释放室，气流释放室的两侧椭圆轴瓦的圆周面上开设有不少于一个喷嘴同狭缝组合，所述狭缝通过气道与外部的气泵连接；
主轴设在椭圆轴瓦内的中心，膨胀轮、止推板和压缩轮安装在主轴上，主轴的圆周面上开有凹槽。
2.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：所述椭圆轴瓦由不止一个结构相同的轴瓦分瓣组成，轴瓦之间采用螺柱连接；所述椭圆轴瓦下部采用紧固螺钉与轴承座连接。
3.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：喷嘴同狭缝组合为同轴心设置的喷嘴和狭缝，多个喷嘴同狭缝组合均匀分布在椭圆轴瓦表面。
4.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：所述椭圆轴瓦分为两瓣、三瓣或者四瓣。
5.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：所述狭缝同喷嘴组合为阶梯状，位于椭圆轴瓦外侧的喷嘴直径小于位于椭圆轴瓦内侧的狭缝直径，且喷嘴深度小于狭缝深度。
6.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：所述主轴的圆周面上开设的凹槽的数量不少于一个，凹槽为楔形结构；不少于一个凹槽组成两行彼此平行的凹槽组，两行凹槽组位于主轴的两端，每行凹槽组的中心线与主轴的轴线垂直。
7.根据权利要求6所述的气体混合轴承，其特征在于：所述凹槽组中心线与喷嘴中心线处于同一平面内；单个所述凹槽相对于每行凹槽组的中心线倾斜设置，凹槽在凹槽组中心线的左、右两侧呈镜像对称分布。
8.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：每个所述凹槽的横向长度小于主轴的轴向长度的四分之一。
9.根据权利要求1所述的气体混合轴承，其特征在于：设在轴承外部的气泵连接有控制系统，所述控制系统包括安装在椭圆轴瓦内的转速传感器、振动传感器、压力传感器以及与其连接并设在外部的控制单元。
10.基于权利要求1~9所述的气体混合轴承，用于涡轮发动机。
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