CN114502850A - 弹性箔片推力轴承 - Google Patents

Abstract

一种弹性箔片推力轴承组件，包括：流体板，包括一个环形配合环和多个从所述流体板配合环径向向内布置的流体箔片元件；传力板，包括一个环形配合环和多个从所述传力板配合环径向向内布置的传力元件；以及弹簧板，包括一个环形配合环和多个从所述弹簧板配合环径向向内布置的挠曲元件，其中：所述流体板、传力板和弹簧板可堆叠，以使每个流体箔片元件由相应的一对重叠的传力元件和挠曲元件轴向支撑。

Description

弹性箔片推力轴承

技术领域

本发明所公开的主题通常涉及弹性箔片推力轴承。

背景技术

微型燃气轮机可用于分布式能源，并可采用压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机，从而将燃料转化为当地的电力来源。然而，其高工作温度使传统轴承(如油基液体静压轴承)不再实用，其高转速为使用空气轴承提供了机会。由于去除了滑油系统，因此简化了设计并减少了维护要求。

径向轴承支撑径向载荷，而推力轴承则支撑轴向载荷。弹性流体箔片推力轴承通常采用：推力板；由推力板轴向支撑的弹性弹簧箔片构件；以及流体板，所述流体板包括由弹簧箔片构件轴向支撑的流体箔片元件，并用于通过其余各板轴向支撑旋转的推力盘。

旋转的推力盘起转后，在不旋转的流体板与旋转的推力盘之间形成一层薄薄的流体，该流体对推力盘进行轴向支撑，从而形成一个低摩擦的液体动压空气轴承；此外，流体的传递有利于传热。

推力盘通常是平的，而流体箔片元件通常沿圆周方向呈斜坡状和阶梯状，这种沿圆周方向的表面倾斜导致了流体膜的产生，并给推力盘带来了轴向提升效应。这样，旋转的推力盘所施加的轴向载荷可以通过流体膜、流体板、弹性弹簧箔片构件传递到推力板，推力板提供一个大小相等、方向相反的轴向反作用力，以匹配施加在轴承上的轴向载荷。这种力传递链中流体膜的存在为显著减少由于表面之间的相对旋转而可能发生的摩擦损耗提供了可能。

因此，弹性流体箔片推力轴承可用于微型燃气轮机，以克服其他传统形式的轴承在高转速和高工作温度条件下的相关不实用性。

现有流体箔片推力轴承设计通常采用一系列独立的板材，有时采用非平面构造来提供弹性弹簧效果。此类现有的设计不仅导致制造过于复杂，而且由于产生了过多的摩擦力，特别是在每分钟转数较低的情况下，性能也很差。

因此，需要提供一种流体箔片推力轴承，以解决现有设计中的一个或多个上述缺陷。

附图说明

下面通过示例的方式参照附图对所公开的设置进行描述，其中：

图1描述了弹性推力轴承示例的透视图，所述弹性推力轴承包括弹性推力轴承组件和推力板；

图2描述了流体板的示例，所述流体板包括流体箔片元件；

图3描述了传力板的示例，所述传力板包括径向向内延伸的传力元件；

图4描述了弹簧板的示例，所述弹簧板包括径向向内延伸的挠曲元件；

图5描述了推力板的示例，所述推力板包括一个轴向凹面；

图6a描述了弹性推力轴承的示例，图6b描述了同一弹性推力轴承的示例，但提供了通过各板的视图；

图7a和7b描述了弹性推力轴承的不同视图，示出了流体箔片板中的切口区域，以暴露出下层各板；

图8a和8b描述了弹性箔片推力轴承组件底面的示例，所述组件分别在延伸和折叠位置具有固定耳片；以及

图9a和9b描述了一个放大图，示出了推力板的支撑件与弹簧板的挠曲元件之间相互作用的示例。

具体实施方式

图1描述了弹性箔片推力轴承的示例，所述弹性箔片推力轴承包括弹性箔片推力轴承组件100和推力板200；

弹性箔片推力轴承组件100包括流体板110、传力板120和弹簧板130。

如图1所示，传力板120和弹簧板130至少大体上是平面的。流体箔片板110可以包括非平面构造，而传力板120和弹簧板130可以是平面的。在所示的示例中，传力板120和弹簧板130具有固定的截面形状。提供弹性箔片推力轴承的平面的、轴向均匀的各板极大地简化了制造。特别地，所述各板可以利用金属板切割而成。

在所示的示例中，弹性箔片推力轴承组件100的各板设置成共用一个穿过其中心的公共轴。在图1的示例中，该公共轴通过板中心垂直延伸。所述推力板200设置成共用所述公共轴。

流体箔片元件114可以均匀地分布在环形配合环112的圆周上。流体箔片元件114可以径向相对地成对形成，如图2所示。这种对称分布，特别是与相应分布的传力元件124和挠曲元件134相结合时，有利于形成均匀的周向载荷分布，有助于防止任何可能增加损耗和磨损的局部应力集中。

图2描述了一种适用于接收旋转的推力盘的流体板110。流体板110包括环形配合环112和从所述流体板配合环112径向向内布置的流体箔片元件114。流体箔片元件114设置成在圆周方向上提供轴向波动。这种周向的波动会在相邻推力盘旋转时产生一层流体膜，该流体膜用于对旋转的推力盘进行轴向支撑。

在启动和正常运行过程中，旋转的推力盘对流体板顶部施加的轴向力不是恒定的。通过以耦合到流体板底面的下层弹簧机构的形式提供顺应性(即弹性)，将这种载荷变化容纳到推力轴承中。

流体板110可以包括设置在其径向外缘上、用于接收耳片的缺口118。或者，流体板110可以包括耳片(未示出)，这些耳片将由设置在一个或多个下层板的径向外缘上的相应缺口接收。这种缺口和耳片设置有利于推力轴承组件100的一个或多个板之间的固定。

图3描述了传力板120，所述传力板120包括环形配合环122和从所述环形配合环122径向向内布置的传力元件124。所述传力元件124可以从所述环形配合环122径向向内延伸。

如下面的详细说明，每个传力元件124可以包括通孔126。如本示例所示，每个传力元件124可以包括一个形成开放式通孔126a和/或封闭式通孔126b的网格。

如图所示，传力板120可以包括设置在其径向外缘上、用于接收耳片的缺口128。

图4描述了弹簧板130，所述弹簧板130包括环形配合环132和从所述环形配合环132径向向内布置的挠曲元件134。所述挠曲元件134可以从所述环形配合环132径向向内延伸。

推力轴承组件100的传力板120和弹簧板130有利于将流体板110的流体箔片元件114产生的轴向载荷轴向传递。特别是，每个周向间隔设置的流体箔片元件114可以由相应的一对轴向重叠的传力元件124和挠曲元件134支撑。如图7a所示，重叠的几对传力元件和挠曲元件可以包括周向和/或径向偏移部分，即传力元件的周向和/或径向偏移部分与挠曲元件的周向和/或径向偏移部分相偏移或不重叠。

在图7a的特定示例中，传力元件124包括相互连接的周向和径向部分，相应的挠曲元件134包括相互连接的径向部分。传力元件124的径向部分相对于挠曲元件134的径向部分沿周向偏移，传力元件124的周向部分设置成与挠曲元件134的径向部分接触。这种重叠接触有利于在周向间隔设置的区域中通过组件100的传力板120和弹簧板130进行轴向力传递，从而支撑流体板110中周向间隔设置的流体箔片元件114所施加的轴向载荷。应认识到，传力元件124和挠曲元件134之间可能存在其他形式的重叠接触。

传力元件124和挠曲元件134可以沿周向分开，从而有利于在堆叠时在推力轴承内提供周向间隔设置的轴向支撑通道。

如下面的详细说明，每个挠曲元件134可以包括径向延伸部分135。这些径向延伸部分可以设置成与设置在传力元件124中的轴向通孔126重叠，而轴向通孔126可以设置成覆盖径向延伸部分135。这有利于挠曲元件的弹性挠曲。

每个挠曲元件134和/或每个传力元件124可以包括一个形成开放式和/或封闭式通孔126、136的网格。在所示的示例中，虽然挠曲元件124中只存在封闭式通孔，但应认识到，可以设置更多的开放式通孔，如关于传力板120传力元件124的示例所示。

弹簧板130可以包括设置在其径向外缘上、用于接收上层或下层板的耳片的缺口138。

在所示的示例中，所述弹簧板130包括耳片138。耳片138设置成包裹在上层传力板120和流体板110的缺口内，安全地将推力轴承组件100的各板固定在一起。

或者，流体板110可以包括设置成包裹在传力板和弹簧板的缺口内的耳片。

图5描述了推力板200，所述推力板200包括环形配合面242和从所述环形配合面242径向向内布置的凹面244。凹面244从环形配合面242沿轴向凹陷。在所示的示例中，所述环形配合面242沿轴向延伸超出所述凹面244。因此，推力板140的厚度在径向上是不均匀的，包括环形配合面242的径向外侧部分的厚度大于包括凹面244的径向内侧部分的厚度。

这与设有大体上平坦的推力板140的现有技术设置截然不同。

提供了轴向凹面244，因此为上层挠曲元件134向推力板140延伸并在轴向超出环形配合面242提供了机会。

挠曲元件134的这种轴向挠曲的促进作用使弹簧板具有顺应性。这样，可以把挠曲元件134看作是径向向内延伸的悬臂。

每个流体箔片元件114可以由下层的几对重叠的传力元件124和挠曲元件134轴向支撑。因此，旋转的推力盘(未示出)通过流体膜施加的载荷可以通过流体箔片元件114，经过相应的传力元件124，传递到相应的挠曲元件134；这可以使挠曲元件134沿轴向向推力板140弹性挠曲，并进入由推力板中设置的凹面形成的凹陷空间。

在所示的示例中，所述推力板140包括从所述环形配合面242径向向内布置的支撑件246。所述支撑件可以具有与所述环形配合面相同的高度，即所述支撑件可以在大体上位于由所述环形配合面242确定的平面内的某一轴向位置处终止。

所述支撑件246可以包括用于与所述上层挠曲元件134接触的凸面。提供这种凸面有利于挠曲元件134围绕每个支撑件的一侧或两侧弯曲。

凹面244和/或支撑件246的深度用于限制挠曲元件134沿轴向的挠曲。在这种情况下，挠曲元件134设置成在每个支撑件246的一侧或两侧挠曲。例如，如果将支撑件246设置在挠曲元件134径向内端的径向外侧，则挠曲元件既可以在支撑件246的径向外侧也可以在支撑件246的径向内侧弯曲；如果将支撑件246大体上布置在挠曲元件134的径向内端，则挠曲元件134可以在支撑件246的径向外侧弯曲。轴向凹面244可以用于在挠曲元件134发生足够大的挠曲后通过与挠曲元件134接触来限制挠曲元件134的挠曲。

在所示的示例中，支撑件246是环形的且同心的。但是，支撑件246也可以采用其他形式。例如，支撑件246可以在每个挠曲元件134下方沿环形方向延伸，也可以选择在支撑件之间存在环形间断。或者支撑件246采用其他形状，如杆状。提供环形支撑件简化了制造。

可以具有设置在每个挠曲元件124下方的支撑件246。

可以将一个或多个支撑件246设置成布置在每个挠曲元件134径向内缘的径向外侧。所述一个或多个支撑件246可以从弹簧板130的配合面132径向向内布置，也可以从弹簧板130的径向内缘径向向外布置。

如图7a所示，传力元件124可以包括相互连接的周向和径向部分。相应的下层挠曲元件134可以包括设置成在传力元件124的径向部分之间延伸的径向部分。所述传力元件124的周向部分可以设置成与所述挠曲元件134的径向部分接触。支撑件246可以包括设置成在传力元件124的周向部分之间延伸并与挠曲元件134的径向部分接触的周向部分。这样，通过重叠和周向/径向接触来实现力的传递。

传力元件124上的向下轴向载荷可以通过传力元件124的周向部分传递给挠曲元件134，传力元件124与挠曲元件134的径向部分接触，而挠曲元件134又与支撑件134的周向部分接触并设置成沿轴向挠曲进入推力板200的轴向凹陷区244。

请注意图9a和9b，图中示出了放大的径向截面，该截面示出了包括弹性箔片推力轴承组件100和推力板200的弹性箔片推力轴承的分层结构。

在高度增加的方向，即如图9a和9b所示的Z方向，示出了凹面244、支撑件246、挠曲元件134、传力元件124和流体箔片元件114。

在本示例中，由旋转的推力盘通过流体箔片元件114上方形成的流体膜施加的载荷，从流体箔片元件114，经过相应的传力元件124，传递到相应的挠曲元件134，使其一个或多个部分挠曲到支撑件246上并进入轴向通孔126，这样的轴向挠曲如图9a到图9b的过渡所示。

图6a和6b分别示出了一个弹性箔片推力轴承300并提供了通过该轴承各板的视图。

同样地，图7a和7b也示出了一个弹性箔片推力轴承300，但这次具有一个切口部分310，展现出了凹面244、支撑件246、挠曲元件134、传力元件124和流体箔片元件114。

在弹性箔片推力轴承300的该示例中，切口部分310表明了弹性箔片推力轴承组件100与推力板200之间的相对相互作用。

从图6a、6b、7a和7b中可以看出，流体板110、传力板120和弹簧板130可以垂直堆叠，以使流体箔片元件114、传力元件124和挠曲元件134彼此沿周向对齐，形成轴向重叠关系。

因此，组件100的各板可以堆叠，以使每个流体箔片元件114由一对相应的、轴向重叠的传力元件124和挠曲元件134轴向支撑。

在图1所示的示例中，流体板110覆盖在传力板120上，传力板120覆盖在弹簧板130上。如果将所述组件100和推力板200组合，则所述弹簧板覆盖在所述推力板200上。

在图1的示例中，预期的堆叠顺序为：将弹簧板130定位在推力板200上，将传力板120定位在弹簧板130上，最后将流体板110定位在传力板120上。在堆叠期间或之后，可以对各板进行定向，以使流体箔片元件114由相应的各对重叠的传力元件124和挠曲元件134轴向支撑。

各板是可定向的，以使每个流体箔片单元114覆盖在相应的传力元件124上，并使传力元件124覆盖在相应的挠曲元件134上。这样，从每个流体箔片元件114传递过来的力就可以通过相应的传力元件124传递到相应的挠曲元件134。施加到挠曲元件134的力可以使挠曲元件134相对于弹簧板配合环132发生轴向位移。位移的方向为轴向远离流体板110。

而在一些现有技术实现过程中，设有波纹箔片，以有利于产生顺应性，这在使用中具有引起塑性形变的倾向；根据本发明所述的示例，本发明所公开的传力机构提高了防止此类塑性形变的可能性。

在本发明所公开的示例中，设有用于直接定位到推力板200上的弹性箔片推力轴承组件100，该组件具有最小数量的板，因此与使用更大数量的板的情况相比，降低了制造复杂性和性能变化。

请特别注意传力元件124与相应的挠曲元件134之间的相互作用。

特别是，如这些图所示，传力元件124和/或挠曲元件134可以包括轴向通孔126、136。这些轴向通孔可以是开放式和/或封闭式轴向通孔。传力元件124和/或挠曲元件134可以包括由轴向通孔组成的网格。例如，每个传力元件124可以包括一个确定轴向通孔126的网格。

所述挠曲元件134(或其至少几部分)可以设置成可在所述传力元件124的轴向通孔126内延伸。

参考图9a和9b，传力元件124中设置的轴向通孔126有利于使挠曲元件134发生轴向位移进入传力元件124中形成的通孔126。

每个传力元件124可以包括一个传力元件网格，每个相应的挠曲元件134可以包括一个重叠且偏移的挠曲元件网格。通过使传力元件和挠曲元件网格以这种方式重叠和偏移，有利于传力元件与挠曲元件网格之间在轴向发生相对位移，从而实现载荷的弹性传递并使柔性箔片推力轴承具有顺应性。

应认识到，虽然本发明提供的示例示出了特定的传力元件124和挠曲元件134几何结构，但总体原理适用于各种各样的几何结构。

推力板200的支撑件246可以设置成与传力板120的轴向通孔126和/或弹簧板130的轴向通孔136轴向重叠，如图7a和7b中特别示出的。

挠曲元件134的径向部分可以设置成与传力板120的轴向通孔125轴向重叠，如图7a和7b所示。

这样，推力板200的支撑件246和/或挠曲元件134的各部分以及传力元件124的各部分可以轴向相互啮合，从而形成可供挠曲元件134的各部分延伸进入的间隙。这种延伸有利于各板之间的相对运动，从而具有了弹性。

在图7a和7b所示的示例中，传力元件124包括由周向延伸部分相互连接的径向延伸部分。传力元件124与下层挠曲元件134重叠。挠曲元件134包括设置成在相应传力元件124的上层径向延伸部分之间延伸的径向延伸部分。传力元件124的周向延伸部分与相应挠曲元件134的下层径向延伸部分接触。下层推力板200的环形支撑件246在传力元件124的周向部分之间延伸。这种形式的相互连接有利于形成优秀的弹性特征，这些特征对于单个应用具有高度可配置性。

图8a和8b示出了弹簧板130在延伸和折叠方向上的耳片138。因此，这些板可以堆叠在一起，然后将耳片138折叠到其余各板上，以固定其位置。

传力板120的厚度可以大于弹簧板130的厚度，也可以选择大于流体板110的厚度，如图9a和9b所示。已确定，提供一个比弹簧板更厚的传力板防止了与传力板变形相关的性能恶化。厚度增加的传力板有助于将待传递的力均匀地分布到流体板的更大工作区域上。

流体板的厚度可以在0.076至0.127mm之间。传力板120的厚度可以在0.1至0.25mm之间或在0.127至0.25mm之间。弹簧板130的厚度可以在0.076至0.127mm之间。

本发明公开的每个示例(包括要求保护的示例)可以设置在包括根据任一示例所述的弹性箔片推力轴承的燃气轮机系统(例如微型燃气轮机系统)中。在燃气轮机系统中采用这种弹性箔片推力轴承，由于改善了摩擦损耗和热量的管理，并简化了制造，因此改善了燃气轮机系统的性能特征。

应认识到，本发明公开的示例不是限制性的，可以进行大量的修改和替换。

Claims (15)

1.一种弹性箔片推力轴承组件，包括：

流体板，包括一个环形配合环和多个从所述流体板配合环径向向内布置的流体箔片元件；

传力板，包括一个环形配合环和多个从所述传力板配合环径向向内布置的传力元件；以及

弹簧板，包括一个环形配合环和多个从所述弹簧板配合环径向向内布置的挠曲元件，其中：

所述流体板、传力板和弹簧板可堆叠，以使每个流体箔片元件由相应的一对重叠的传力元件和挠曲元件轴向支撑。

2.根据权利要求1所述的弹性箔片推力轴承组件，其中：

所述传力元件包括轴向通孔。

3.根据权利要求2所述的弹性箔片推力轴承组件，其中：

所述挠曲元件包括设置成与相应传力元件的轴向通孔重叠的部分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的弹性箔片推力轴承组件，其中：

所述挠曲元件包括径向延伸部分；以及

所述传力元件包括设置成在相应挠曲元件的径向延伸部分之间延伸的径向延伸部分。

5.根据权利要求4所述的弹性箔片推力轴承组件，其中：

所述传力元件包括设置成与挠曲元件的径向延伸部分接触的周向延伸部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的弹性箔片推力轴承组件，其中：

所述传力板大体上是平面的；且/或

所述弹簧板大体上是平面的。

7.一种弹性箔片推力轴承推力板，包括：环形配合面；以及

从环形配合面径向向内布置的凹面。

8.根据权利要求7所述的推力板，包括：

一个或多个从凹面沿轴向延伸的支撑件。

9.根据权利要求8所述的推力板，其中：

每个支撑件沿环形方向延伸。

10.根据权利要求8或9所述的推力板，其中：

每个支撑件包括一个凸面。

11.根据权利要求8至10任一项所述的推力板，其中：

每个支撑件从所述凹面沿轴向延伸至大体上位于由所述环形配合面确定的平面内的某一位置。

12.一种弹性箔片推力轴承，包括：

根据权利要求1至6任一项所述的弹性箔片推力轴承组件；以及

根据权利要求7至11任一项所述的推力板。

13.一种将推力盘可旋转地支撑在推力板上的方法，包括：

设置一个推力板，所述推力板包括一个轴向凹面；

在所述推力板上堆叠一个弹簧板，所述弹簧板包括径向向内延伸的挠曲元件；

在所述弹簧板上堆叠一个传力板，所述传力板包括设置成与所述挠曲元件重叠的径向向内延伸的传力元件；

在所述传力板上堆叠一个流体板，所述流体板包括设置成与所述传力元件重叠的流体箔片元件，其中：

从所述推力盘传递过来的轴向力通过每个流体箔片元件，经过相应的下层传力元件，传递到相应的下层挠曲元件；该挠曲元件沿轴向向推力板的凹面挠曲。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述推力板包括一个或多个从所述轴向凹面沿轴向延伸并设置成与所述挠曲元件接触的支撑件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述一个或多个支撑件沿环形方向延伸。

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