CN114688161A - 气体轴承及压缩机 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种气体轴承及压缩机。气体轴承包括：轴承壳(10)，具有沿轴向延伸的内腔，所述内腔包括沿轴向设置的至少一个静压安装段(11b)和至少一个动压安装段(11a)；至少一个多孔质材料内轴套(20)，分别设置在所述至少一个静压安装段(11b)内；至少一个弹性材料层(30)，分别设置在所述至少一个动压安装段(11a)内；和至少一个顶箔(40)，分别设置在所述至少一个弹性材料层(30)内侧，其中，所述至少一个多孔质材料内轴套(20)的内径d2小于所述至少一个顶箔(40)的内径d1。本公开实施例能够给更大转速范围的转子提供良好支撑，并能够满足严苛工况的工作需要。

Description

气体轴承及压缩机
技术领域
本公开涉及轴承领域，尤其涉及一种气体轴承及压缩机。
背景技术
气体轴承是气体充当润滑介质，利用气体流体的动压效应或静压效应形成支撑载荷的润滑气膜的一类轴承。在相关技术中，气体轴承根据润滑气膜产生机理的不同可分为动压气体轴承、静压气体轴承以及挤压型气体轴承。气体轴承凭借摩擦损耗小、稳定性好、振动小等一系列优点，常被选作传统油轴承的理想替代，尤其是在高速透平机、精密机床制造及空间技术领域，气体轴承均有着十分广阔的应用前景。
发明内容
经发明人研究发现，相关技术中的动压气体轴承及静压气体轴承均存在一定的局限性。静压气体轴承通过外部供气系统提供一定压力的气体，然后气体经过节流结构传输至轴承和转子之间的间隙，后在转子和轴承之间配合间隙内形成气膜以起到支撑转子的作用。但是当转子速度较高时，静压气体轴承由于缺乏阻尼机制，无法有效吸收和抑制转子的振动，导致轴承稳定性降低，这限制了静压气体轴承在高转速、高线速度工作环境下的使用。
动压气体轴承利用转子与轴承表面之间形成的楔形空间产生楔形效应，伴着转子速度的不断提升，周围气体因气体的粘性而不断被拖入楔形空间，导致楔形空间内气压不断提升。动压气膜在轴承转速达到一定值时才能形成。但是，在转子启动及停止过程中，由于转速不足，动压气体轴承与转子之间不能形成有效的润滑气膜，导致轴承顶箔与转子表面存在严重的干摩擦，使得轴承表面在干摩擦作用下逐渐发生严重磨损，从而影响动压气体轴承的使用寿命，磨损后期甚至会出现箔片与转子产生严重粘着磨损的情况。
另外，对于动压箔片轴承来说，在一些复杂严苛工况下，如在飞机空调压气机及车载无油空压机上，由于飞机加速过程中超大的重力加速度及汽车运行过程中随路况变化带来的瞬间巨大加速度的冲击，使转子同动压箔片轴承之间出现几倍甚至数十倍于转子重力的力，而使得动压箔片轴承波箔发生严重塑性变形，从而使得转子同轴承之间的配合间隙发生改变，这将直接导致气体轴承在运行过程无法形成有效气膜，致使轴承工作失效。
有鉴于此，本公开实施例提供一种气体轴承及压缩机，能够给更大转速范围的转子提供良好支撑，并能够满足严苛工况的工作需要。
在本公开的一个方面，提供一种气体轴承，包括：
轴承壳，具有沿轴向延伸的内腔，所述内腔包括沿轴向设置的至少一个静压安装段和至少一个动压安装段；
至少一个多孔质材料内轴套，分别设置在所述至少一个静压安装段内；
至少一个弹性材料层，分别设置在所述至少一个动压安装段内；和
至少一个顶箔，分别设置在所述至少一个弹性材料层内侧，
其中，所述至少一个多孔质材料内轴套的内径d2小于所述至少一个顶箔的内径d1。
在一些实施例中，所述至少一个弹性材料层的厚度为1.5～2.5mm。
在一些实施例中，所述弹性材料层的材料包括峰值弹性变形量不超过0.5％的改性乙丙橡胶。
在一些实施例中，所述至少一个顶箔包括多个顶箔，所述至少一个弹性材料层包括与所述多个顶箔一一对应的多个弹性材料层，每个顶箔位于对应的弹性材料层内侧，且与对应的弹性材料层内侧表面接触。
在一些实施例中，每个顶箔的自由端搭接在相邻顶箔的内侧表面，搭接位置与所述相邻顶箔的固定端的角度差θ为8°～10°。
在一些实施例中，所述至少一个静压安装段包括至少两个静压安装段，所述至少两个静压安装段中的一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段的一侧，所述至少两个静压安装段中的另一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段的另一侧。
在一些实施例中，所述至少一个多孔质材料内轴套包括至少两个多孔质材料内轴套，分别设置在所述至少两个静压安装段内，所述至少两个静压安装段的结构和尺寸相同，所述至少两个多孔质材料内轴套的结构和尺寸相同。
在一些实施例中，所述至少一个静压安装段包括两个静压安装段，所述至少一个动压安装段包括一个动压安装段，所述一个动压安装段沿轴向位于所述两个静压安装段之间。
在一些实施例中，所述至少一个顶箔的内径d1与所述至少一个多孔质材料内轴套的内径d2的差值为7～10μm。
在一些实施例中，所述轴承壳的外壁具有至少一个第一环形槽和供气进孔，所述轴承壳的每个静压安装段具有供气出孔，所述轴承壳的本体具有连通所述供气进孔和所述供气出孔的供气流道，所述至少一个第一环形槽被配置为固定套设在所述第一环形槽内的环形密封圈。
在一些实施例中，所述多孔质材料内轴套的外周面具有多个气流槽，所述多个气流槽沿轴向间隔布置，在相邻气流槽之间设有通流口，所述供气出孔正对所述多个气流槽中的至少一个。
在一些实施例中，所述多个气流槽的至少一个的深度为0.3～0.5mm。
在一些实施例中，所述通流口的宽度与所述多个气流槽中每个气流槽的宽度均相同。
在一些实施例中，所述供气流道为贯穿所述轴承壳的本体的直线流道，所述供气流道与所述轴承壳的轴线平行，且在所述供气流道的两端均设有封孔螺塞。
在本公开的一个方面，提供一种压缩机，包括前述气体轴承。
因此，根据本公开实施例，将多孔质材料内轴套设置在轴承壳内腔的静压安装段，将弹性材料层和顶箔设置在动压安装段，并使多孔质材料内轴套的内径小于顶箔的内径。一方面使得本公开实施例的气体轴承能够在转子处于较低速度时通过多孔质材料内轴套对应的静压径向轴承段对转子实现可靠的支撑作用，并能够在转子处于较高速度时通过弹性材料层和顶箔对转子提供具有更高的刚度和阻尼的支撑作用，从而使得本公开实施例的气体轴承给更大转速范围的转子提供良好支撑，提高使用寿命和工作稳定性；另一方面，通过弹性材料层与顶箔之间在径向上的挤压力和周向上的摩擦力实现优异的刚度和阻尼，从而有效预防转子在高速运转过程产生的自激振动，同时能够显著抵抗巨大冲击及强重力场的影响，使其可靠性显著提升。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是根据本公开气体轴承的一些实施例的结构示意图；
图2是根据本公开气体轴承的一些实施例在轴向视角的结构示意图；
图3是图2的AA截面示意图；
图4是根据本公开气体轴承的一些实施例的分解结构沿轴向的纵截面示意图；
图5是图2中圆圈B的放大示意图；
图6是根据本公开气体轴承的一些实施例中多孔质材料内轴套的立体结构示意图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
图1是根据本公开气体轴承的一些实施例的结构示意图。图2是根据本公开气体轴承的一些实施例在轴向视角的结构示意图。图3是图2的AA截面示意图。图4是根据本公开气体轴承的一些实施例的分解结构沿轴向的纵截面示意图。图5是图2中圆圈B的放大示意图。
参考图1-图5，在一些实施例中，气体轴承包括：轴承壳10、至少一个多孔质材料内轴套20、至少一个弹性材料层30和至少一个顶箔40。轴承壳10具有沿轴向延伸的内腔，所述内腔包括沿轴向设置的至少一个静压安装段11b和至少一个动压安装段11a。
至少一个多孔质材料内轴套20，分别设置在所述至少一个静压安装段11b内。至少一个弹性材料层30，分别设置在所述至少一个动压安装段11a内。至少一个顶箔40，分别设置在所述至少一个弹性材料层30内侧。
本实施例通过弹性材料层与顶箔之间在径向上的挤压力和周向上的摩擦力实现优异的刚度和阻尼，从而有效预防转子在高速运转过程产生的自激振动，同时能够显著抵抗巨大冲击及强重力场的影响，使其可靠性显著提升。相比于相关技术中采用波箔在巨大冲击或强重力场下可能发生永久塑性形变而失效的风险，本实施例在工作过程中即便受到巨大冲击或在强重力场下工作，仍然只发生弹性形变，从而极大地提高了工作稳定性。
参考图3，所述至少一个多孔质材料内轴套20的内径d2小于所述至少一个顶箔40的内径d1。这种设计可使得多孔质材料内轴套能够在转子的低速阶段对转子实现支撑，以使转子在低速阶段能够平稳起浮，相比于相关技术中的动压径向轴承，可避免动压径向轴承段在转子的低速阶段与转子表面发生严重的干摩擦。并且，还使得弹性材料层和顶箔的配合结构在转子的高速阶段对转子实现具有更高刚度和阻尼的支撑，相比于相关技术中的静压径向轴承，可避免静压径向轴承段在转子的高速阶段存在的稳定性问题。这样可进一步实现转子在工作全速域范围内的悬浮，从而大大延长气体轴承使用寿命及工作稳定可靠性。
换句话说，通过将多孔质材料内轴套30的内径d2设置成小于顶箔40的内径d1，可实现多孔质材料内轴套对应的静压径向轴承段和顶箔对应的动压径向轴承段在转子不同转速下的作用顺序，从而充分地动压径向轴承和静压径向轴承分别在转子的不同转速条件下的性能，更好地弥补相关技术中静压径向轴承和静压径向轴承各自的短板。
在一些实施例中，至少一个静压安装段11b包括至少两个静压安装段11b。所述至少两个静压安装段11b中的一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段11a的一侧，所述至少两个静压安装段11b中的另一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段11a的另一侧。这种布置方式便于弹性材料层、顶箔和多孔质材料内轴套在轴承壳内腔的装配，降低组装难度，且容易保证轴承精度。
需要说明的是，相邻的两个动压箔片组也可被视为沿轴向更长的一个动压箔片组，而相邻的两个多孔质材料内轴套也可被视为沿轴向更长的一个多孔质材料内轴套。这样，上述布置方式可被视作具有静压-动压-静压的组合方式的气体轴承。在另一些实施例中，气体轴承也可采用动压-静压的组合方式，或者动压-静压-动压的组合方式等。本实施例基于一体化的轴承壳的静压-动压-静压的组合方式的气体轴承组装难度更低，结构更紧凑，精度也更容易保证。
参考图3和图4，在一些实施例中，至少一个多孔质材料内轴套30包括至少两个多孔质材料内轴套30，分别设置在所述至少两个静压安装段11b内。所述至少两个静压安装段11b的结构和尺寸相同，所述至少两个多孔质材料内轴套30的结构和尺寸相同。这种结构可使得气体轴承的受力均衡，以获得更好的工作稳定性。
在图3和图4中，所述至少一个静压安装段11b包括两个静压安装段11b，所述至少一个动压安装段11a包括一个动压安装段11a，所述一个动压安装段11a沿轴向位于所述两个静压安装段11b之间。这种气体轴承的结构工作稳定性高，且段数少可简化装配。并且，这种气体轴承段数较少，使得整体轴向宽度相对较小，从而更容易保证装配精度而不容易被磨损。
在上述实施例中，至少一个顶箔40的内径d1与所述至少一个多孔质材料内轴套30的内径d2的差值优选为7～10μm。这个取值范围可使得顶箔对应的动压径向轴承段获得比较合适的气膜厚度，一方面可降低转子与动压径向轴承段的磨损风险，另一方面降低转子高速转动时因动压径向轴承段振动失稳风险。
参考图2和图5，在一些实施例中，至少一个弹性材料层30的厚度为1.5～2.5mm。这个取值范围可以使得动压径向轴承段获得合适的气膜厚度，一方面可提供良好的缓冲效果，降低加工难度，另一方面通过合适的厚度来控制变形量，以满足轴承承载能力的要求。
从图5中可以看到，弹性材料层30可通过粘胶层33固定在轴承壳10的内壁上。而弹性材料层30的材料可包括高分子弹性材料，例如峰值弹性变形量不超过0.5％的改性乙丙橡胶，以便在满足优异弹性的同时兼具硬度及形变量的要求。
在一些实施例中，至少一个顶箔40包括多个顶箔40，所述至少一个弹性材料层30包括与所述多个顶箔40一一对应的多个弹性材料层30。每个顶箔40位于对应的弹性材料层30内侧，且与对应的弹性材料层30内侧表面接触。在图2和图5中，三个顶箔40与三个弹性材料层30形成三段搭接式结构。三个顶箔安装方向相同，顶箔固定端均插入轴承壳内壁上的固定线槽，并使用固定块进行固定。此种固定方式通过箔片顶箔弯曲回张力而产生自预紧，使箔片之间产生预紧效果。
参考图5，在一些实施例中，每个顶箔的自由端搭接在相邻顶箔的内侧表面，搭接位置与所述相邻顶箔的固定端的角度差θ为8°～10°。在图5中，多个弹性材料层30包括第一弹性材料层31和第二弹性材料层32。多个顶箔40包括第一顶箔41和第二顶箔42。
第一弹性材料层31与第二弹性材料层32在周向上相邻，分别对应的第一顶箔41与第二顶箔42也在周向上相邻。第二顶箔42的固定端42b插设在轴承壳内壁的固定线槽内并通过固定块43固定，自由端则沿逆时针周向延伸。第一顶箔41的自由端也沿逆时针周向延伸，并搭接在第二顶箔42的内侧表面。该搭接位置41a相对于第二顶箔42的固定端42b的角度差θ为8°～10°。这个角度差既有利于楔形气膜的形成，也尽量减少或避免顶箔自由端被过度磨损。
参考图3和图4，在一些实施例中，轴承壳10的外壁具有至少一个第一环形槽12和供气进孔13，所述轴承壳10的每个静压安装段11b具有供气出孔15，所述轴承壳10的本体具有连通所述供气进孔13和所述供气出孔15的供气流道14，所述至少一个第一环形槽12被配置为固定套设在所述第一环形槽12内的环形密封圈。这些第一环形槽12可增加气体轴承的阻尼，并可通过环形密封圈起到气密作用。在一些实施例中，轴承壳10的材料包括比较轻质的铝合金材料。
多孔质材料内轴套20位于轴承壳10的静压安装段11b的径向内侧。外部气源可通过供气进孔13将高压气体经由供气流道14和供气出孔15从轴承壳10的外部通入多孔质材料内轴套20的外部，并通过多孔质材料使气膜均匀地作用在多孔质材料内轴套20内侧的转子上。在一些实施例中，多孔质材料包括多孔质石墨。
在图3和图4中，供气流道14为贯穿所述轴承壳10的本体的直线流道，所述供气流道14与所述轴承壳10的轴线平行，且在所述供气流道14的两端均设有封孔螺塞16。这种轴承壳10的气道结构更便于加工形成。
至少一个第一环形槽12包括沿轴向间隔布置的多个第一环形槽12。所述多个第一环形槽12的一部分和另一部分沿轴向分别位于所述供气进孔13的两侧。例如沿气体轴承的轴向位于供气进孔13两侧可各有两个第一环形槽12，在提高气密作用的同时，还使得气体轴承的阻尼在轴向上保持一致。
图6是根据本公开气体轴承的一些实施例中多孔质材料内轴套的立体结构示意图。参考图4和图6，在一些实施例中，多孔质材料内轴套20的外周面具有多个气流槽21，所述多个气流槽21沿轴向间隔布置，在相邻气流槽21之间设有通流口22，所述供气出孔15正对所述多个气流槽21中的至少一个。这些气流槽21可以与轴承壳10之间形成多个气流通道，以便高压气体能够均匀沿多孔质材料内轴套20的内表面均匀排出，从而对转子提供更均匀的支撑作用。
在图6中，所述通流口22的宽度与所述多个气流槽21中每个气流槽21的宽度均相同，以使得高压气体分布更均匀。另外，多个气流槽21的至少一个的深度为0.3～0.5mm。
本公开上述气体轴承的任一实施例可用于各类使用转子的设备，例如压缩机。因此，本公开实施例提供了一种压缩机，包括前述任一种气体轴承。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种气体轴承，其特征在于，包括：
轴承壳(10)，具有沿轴向延伸的内腔，所述内腔包括沿轴向设置的至少一个静压安装段(11b)和至少一个动压安装段(11a)；
至少一个多孔质材料内轴套(20)，分别设置在所述至少一个静压安装段(11b)内；
至少一个弹性材料层(30)，分别设置在所述至少一个动压安装段(11a)内；和
至少一个顶箔(40)，分别设置在所述至少一个弹性材料层(30)内侧，
其中，所述至少一个多孔质材料内轴套(20)的内径d2小于所述至少一个顶箔(40)的内径d1。
2.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个弹性材料层(30)的厚度为1.5～2.5mm。
3.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述弹性材料层(30)的材料包括峰值弹性变形量不超过0.5％的改性乙丙橡胶。
4.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个顶箔(40)包括多个顶箔(40)，所述至少一个弹性材料层(30)包括与所述多个顶箔(40)一一对应的多个弹性材料层(30)，每个顶箔(40)位于对应的弹性材料层(30)内侧，且与对应的弹性材料层(30)内侧表面接触。
5.根据权利要求4所述的气体轴承，其特征在于，每个顶箔(40)的自由端(41a)搭接在相邻顶箔(40)的内侧表面，搭接位置与所述相邻顶箔(40)的固定端(42b)的角度差θ为8°～10°。
6.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个静压安装段(11b)包括至少两个静压安装段(11b)，所述至少两个静压安装段(11b)中的一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段(11a)的一侧，所述至少两个静压安装段(11b)中的另一部分沿轴向位于所述至少一个动压安装段(11a)的另一侧。
7.根据权利要求6所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个多孔质材料内轴套(20)包括至少两个多孔质材料内轴套(20)，分别设置在所述至少两个静压安装段(11b)内，所述至少两个静压安装段(11b)的结构和尺寸相同，所述至少两个多孔质材料内轴套(20)的结构和尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个静压安装段(11b)包括两个静压安装段(11b)，所述至少一个动压安装段(11a)包括一个动压安装段(11a)，所述一个动压安装段(11a)沿轴向位于所述两个静压安装段(11b)之间。
9.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述至少一个顶箔(40)的内径d1与所述至少一个多孔质材料内轴套(20)的内径d2的差值为7～10μm。
10.根据权利要求1所述的气体轴承，其特征在于，所述轴承壳(10)的外壁具有至少一个第一环形槽(12)和供气进孔(13)，所述轴承壳(10)的每个静压安装段(11b)具有供气出孔(15)，所述轴承壳(10)的本体具有连通所述供气进孔(13)和所述供气出孔(15)的供气流道(14)，所述至少一个第一环形槽(12)被配置为固定套设在所述第一环形槽(12)内的环形密封圈。
11.根据权利要求10所述的气体轴承，其特征在于，所述多孔质材料内轴套(20)的外周面具有多个气流槽(21)，所述多个气流槽(21)沿轴向间隔布置，在相邻气流槽(21)之间设有通流口(22)，所述供气出孔(15)正对所述多个气流槽(21)中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的气体轴承，其特征在于，所述多个气流槽(21)的至少一个的深度为0.3～0.5mm。
13.根据权利要求11所述的气体轴承，其特征在于，所述通流口(22)的宽度与所述多个气流槽(21)中每个气流槽(21)的宽度均相同。
14.根据权利要求10所述的气体轴承，其特征在于，所述供气流道(14)为贯穿所述轴承壳(10)的本体的直线流道，所述供气流道(14)与所述轴承壳(10)的轴线平行，且在所述供气流道(14)的两端均设有封孔螺塞(16)。
15.一种压缩机，其特征在于，包括：
权利要求1～14任一所述的气体轴承。
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