CN114718897B - 一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，壳体两端外侧分别安装一级扩压器和二级扩压器，主轴两端穿出一级扩压器和二级扩压器后分别安装一级蜗轮和二级蜗轮，一级蜗轮和二级蜗轮外安装一级蜗壳和二级蜗壳，一级蜗壳和二级蜗壳通过连接管相连，主轴上固接止推盘，止推盘位于一级轴承座和一级扩压器之间，止推盘与一级轴承座之间、止推盘与一级扩压器之间分别安装止推空气轴承；与现有技术不同的是，止推空气轴承的顶箔和波箔分别固定在镶嵌于轴承座或扩压器的镶块上，省去现有技术的底板，波箔套设在镶块上，无需焊接，避免了波箔因焊接引起的变形。
Description
技术领域
本发明涉及空气轴承，具体是一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机。
背景技术
高压、大流量的空气供应对提高现有氢燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，离心式空压机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一。
现已技术，无论是公开号CN112879318A公开的一种高速离心压缩机，还是公开号CN108286567A公开的一种具有厚顶层箔片结构的止推箔片动压空气轴承，它们的空气轴承都采用传统的方式，都包含有底板，并且波箔、顶箔都直接或间接与底板进行连接，而通常底板都是通过螺钉固接在扩压器或轴承座上，不仅占据了有限的空间，而且在长期动载荷的作用下，螺钉会出现松动、断裂，影响气体压缩机整个系统的稳定性。而且支承波箔因焊接容易造成变形，造成波箔翘起，最终导致顶波不平整，运行时气膜不均匀。
发明内容
为克服现有技术的缺陷或缺陷之一，本发明公开一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，所采取的技术方案是：
一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，包括壳体、定子和主轴，壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的一级轴承座和二级轴承座，壳体两端外侧分别安装一级扩压器和二级扩压器，主轴两端穿出一级扩压器和二级扩压器后分别安装一级蜗轮和二级蜗轮，一级蜗轮和二级蜗轮外安装一级蜗壳和二级蜗壳，一级蜗壳和二级蜗壳通过连接管相连，主轴上固接止推盘，止推盘位于一级轴承座和一级扩压器之间，止推盘与一级轴承座之间、止推盘与一级扩压器之间分别安装止推空气轴承；其特征在于：
与止推盘相对的一级轴承座的盘面上开设第一安装槽，第一安装槽的轴心线与一级轴承座的轴心线共线，第一安装槽的底壁向上延伸形成N个形状相同的、呈扇面状的轴承座本体凸台，每个轴承座本体凸台上、靠近其一侧直边开设扇面状的轴承座镶嵌槽，轴承座镶嵌槽槽底中部开设轴承座螺钉通孔；N≥3；
与止推盘相对的一级扩压器的盘面上开设第二安装槽，第二安装槽的轴心线与一级扩压器的轴心线共线，第二安装槽的底壁上圆周阵列N个扩压器导气通道，在第二安装槽的底壁上、对应每个扩压器导气通道的同侧分别开设一个扇面状的扩压器镶嵌槽，扩压器镶嵌槽槽底中部开设扩压器螺钉通孔；
2×N个镶块，每个镶块的顶面向上延伸形成与轴承座镶嵌槽和扩压器镶嵌槽形状相似的镶块凸起，镶块凸起的高度大于等于波箔单体的厚度；镶块中部沿竖向开设螺孔；2×N个镶块分别置入N个轴承座镶嵌槽和扩压器镶嵌槽中；
2×N个螺钉，分别从一级轴承座背面的轴承座螺钉通孔和一级扩压器背面的扩压器螺钉通孔穿入后与镶块中部开设的螺孔螺接；
2×N个波箔单体，每个波箔单体一侧向外同曲率延伸形成非波段，非波段上开设1个与镶块凸起形状相似的波箔通孔，通过波箔通孔，2×N个波箔单体分别套设在2×N个镶块的镶块凸起上；
每个镶块的顶端和或镶块凸起顶端通过点焊固接顶箔。
进一步地，轴承座本体凸台与第一安装槽侧壁之间、相邻轴承座本体凸台之间形成轴承座导气通道。
进一步地，一级轴承座中心开设第一主轴孔，与止推盘相对的一级轴承座的盘面上、靠近其边缘开设轴承座第一环形导气槽，第一环形导气槽与第一安装槽相间，N个开口于一级轴承座周向圆面的第一导气孔贯通第一环形导气槽和第一安装槽。
进一步地，一级扩压器中心开设第二主轴孔，与止推盘相对的一级扩压器的盘面上开设与第二安装槽同心的冷却气回流腔，扩压器导气通道与冷却气回流腔相通；靠近第二安装槽的侧壁开设与第二安装槽同心的第二环形导气槽，扩压器导气通道的内端与第二环形导气槽不相通；N个开口于一级扩压器周向圆面的第二导气孔贯通第二环形导气槽和冷却气回流腔。
进一步地，顶箔包括N个顶箔单体，每个顶箔单体包括固定段、比固定段高的抵接段、将固定段与抵接段连为一体的转折段，固定段的下表面与抵接段的下表面之间的距离小于波箔单体的波高；N个顶箔单体的固定段分别与N个镶块的顶端和/或镶块凸起的顶端通过激光点焊固接在一起。
进一步地，顶箔包括N个顶箔单体，相邻两个顶箔单体之间通过波形系带连为一体形成环形；N个顶箔单体的同侧边缘与N个镶块的顶端和/或镶块凸起的顶端通过激光点焊固接在一起。
进一步地，波形系带包括靠近内环的内系带和靠近外环的外系带。
进一步地，2×N个镶块分别与N个轴承座镶嵌槽和扩压器镶嵌槽过渡配合或间隙配合，并通过耐高温胶粘合。
进一步地，2×N个镶块分别与N个轴承座镶嵌槽和扩压器镶嵌槽过盈配合，省去2×N个螺钉，镶块上也无需开设螺孔，一级轴承座无需开设轴承座螺钉通孔，一级扩压器上无需开设扩压器螺钉通孔。
进一步地，镶块的高度大于轴承座镶嵌槽和扩压器镶嵌槽的深度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1.省去现有技术的底板、节省了零件和加工成本。
2.波箔套设在镶块上，无需焊接，避免了波箔因焊接引起的变形。
3.波箔套设在镶块上，镶块对波箔进行径向和轴向限位，无需焊接固定，避免脱焊掉落的可能性，运行更可靠，但不限制波箔自由端的伸展与回缩，提供相应的弹性和阻尼。
4.波箔套设在镶块上，提高了轴承装配的表面平整度，提高了受力和磨擦的均匀性，减少磨损、提高寿命。
5.省去现有技术的底板，节省了空间，有利于气体压缩机的小型化、轻量化。
6.轴承的顶箔和波箔分别固定在镶嵌于轴承座或扩压器的镶块上，加工精度和公差的一致性更容易保证，整机性能的稳定性得到保证，整机的轴向尺寸更加紧凑，节省了整机在设备上的安装空间，且可以单独更换受损的单体，降低了成本，避免浪费。结构简单，便于安装。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明一级轴承座的结构示意图。
图3是本发明一级轴承座另一视角的结构示意图。
图4是本发明一级扩压器的结构示意图。
图5是本发明一级扩压器另一视角的结构示意图。
图6是本发明波箔单体的结构示意图。
图7是本发明镶块的结构示意图。
图8是本发明采用分体式顶箔时顶箔单体的结构示意图。
图9是本发明采用整体式顶箔时顶箔的结构示意图。
图10是本发明采用分体式顶箔时一级轴承座与波箔单体、镶块和顶箔单体装配后的结构示意图。
图11是本发明采用整体式顶箔时一级轴承座与波箔单体、镶块和顶箔单体装配后的结构示意图。
图12是本发明采用分体式顶箔时一级扩压器与波箔单体、镶块和顶箔单体装配后的结构示意图。
图13是本发明采用整体式顶箔时一级扩压器与波箔单体、镶块和顶箔单体装配后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图所示的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，壳体300、定子400和主轴500，壳体300两端内侧分别安装用于支撑主轴500的一级轴承座100和二级轴承座600，壳体300两端外侧分别安装一级扩压器200和二级扩压器700，主轴500两端穿出一级扩压器200和二级扩压器700后分别安装一级蜗轮800和二级蜗轮900，一级蜗轮800和二级蜗轮900外安装一级蜗壳1000和二级蜗壳1100，一级蜗壳1000和二级蜗壳1100通过连接管相连，主轴500上固接止推盘1200，止推盘1200位于一级轴承座100和一级扩压器200之间，止推盘1200与一级轴承座100之间、止推盘1200与一级扩压器200之间分别安装止推空气轴承；
与止推盘1200相对的一级轴承座100的盘面上开设第一安装槽104，第一安装槽104的轴心线与一级轴承座100的轴心线共线，第一安装槽104的底壁向上延伸形成6个形状相同的、呈扇面状的轴承座本体凸台106，每个轴承座本体凸台106上、靠近其一侧直边开设扇面状的轴承座镶嵌槽108，轴承座镶嵌槽108槽底中部开设轴承座螺钉通孔109；
与止推盘1200相对的一级扩压器200的盘面上开设第二安装槽204，第二安装槽204的轴心线与一级扩压器200的轴心线共线，第二安装槽204的底壁上圆周阵列6个扩压器导气通道207，在第二安装槽204的底壁上、对应每个扩压器导气通道207的同侧分别开设一个扇面状的扩压器镶嵌槽208，扩压器镶嵌槽208槽底中部开设扩压器螺钉通孔209；
12个镶块2，每个镶块2的顶面向上延伸形成与轴承座镶嵌槽108和扩压器镶嵌槽208形状相似的镶块凸起22，镶块凸起22的高度大于等于波箔单体1的厚度；镶块2中部沿竖向开设螺孔21；12个镶块2分别置入6个轴承座镶嵌槽108和扩压器镶嵌槽208中；
12个螺钉，分别从一级轴承座100背面的轴承座螺钉通孔109和一级扩压器200背面的扩压器螺钉通孔209穿入后与镶块2中部开设的螺孔21螺接；
12个波箔单体1，每个波箔单体1一侧向外同曲率延伸形成非波段11，非波段11上开设1个与镶块凸起22形状相似的波箔通孔12，通过波箔通孔12，12个波箔单体1分别套设在12个镶块2的镶块凸起22上；
每个镶块2的顶端和或镶块凸起22顶端通过点焊固接顶箔3。
轴承座本体凸台106与第一安装槽104侧壁之间、相邻轴承座本体凸台106之间形成轴承座导气通道107。
一级轴承座100中心开设第一主轴孔101，与止推盘1200相对的一级轴承座100的盘面上、靠近其边缘开设轴承座第一环形导气槽103，第一环形导气槽103与第一安装槽104相间，6个开口于一级轴承座100周向圆面的第一导气孔105贯通第一环形导气槽103和第一安装槽104。
一级扩压器200中心开设第二主轴孔201，与止推盘1200相对的一级扩压器200的盘面上开设与第二安装槽204同心的冷却气回流腔202，扩压器导气通道207与冷却气回流腔202相通；靠近第二安装槽204的侧壁开设与第二安装槽204同心的第二环形导气槽203，扩压器导气通道207的内端与第二环形导气槽203不相通；6个开口于一级扩压器200周向圆面的第二导气孔205贯通第二环形导气槽203和冷却气回流腔202。
顶箔3包括6个顶箔单体31，每个顶箔单体31包括固定段311、比固定段311高的抵接段312、将固定段311与抵接段312连为一体的转折段313，固定段311的下表面与抵接段312的下表面之间的距离小于波箔单体1的波高；6个顶箔单体31的固定段311分别与6个镶块2的顶端和/或镶块凸起22的顶端通过激光点焊固接在一起。
在另一优选实施例中，顶箔3包括6个顶箔单体31，相邻两个顶箔单体31之间通过波形系带32连为一体形成环形；6个顶箔单体31的同侧边缘与6个镶块2的顶端和/或镶块凸起22的顶端通过激光点焊固接在一起。波形系带32包括靠近内环的内系带321和靠近外环的外系带322。波形系带32起到柔性连接相邻顶箔单体31的作用。
在另一优选实施例中，12个镶块2分别与6个轴承座镶嵌槽108和扩压器镶嵌槽208过渡配合或间隙配合，并通过耐高温胶粘合。
在另一优选实施例中，12个镶块2分别与6个轴承座镶嵌槽108和扩压器镶嵌槽208过盈配合，省去2×6个螺钉，镶块2上也无需开设螺孔21，一级轴承座100无需开设轴承座螺钉通孔109，一级扩压器200上无需开设扩压器螺钉通孔209。
在另一优选实施例中，镶块2的高度大于轴承座镶嵌槽108和扩压器镶嵌槽208的深度。镶块2的材质选用不锈钢、碳钢或高温合金等任何适焊的材料，区别于一级轴承座100和一级扩压器200常用的铝材，比铝材更方便焊接，焊接强度也更高。
本实施例的一级轴承座100和一级扩压器200能够一体机加工完成平面和铣槽，能保证与之适配的每个镶块定位面的公差精度。
为了方便地说明波箔单体1、镶块2和顶箔单体31与一级轴承座100和一级扩压器200的结构关系，分别进行图示说明。
图10示出的是一级轴承座100侧的空气轴承，顶箔采用单体形式。图中右下方位置的轴承座镶嵌槽102内未装配镶块2，也没有螺钉，也未套设波箔单体1，也未焊接顶箔单体31；右方位置的轴承座镶嵌槽102内装配了镶块2，镶块2上套设了波箔单体1，但未焊接顶箔单体31；其它位置的镶块2上均完整地装配了波箔单体1、镶块2和顶箔单体31。图中的小黑点为激光焊接的焊点。
图11示出的是一级轴承座100侧的空气轴承，顶箔采用整体形式。图中环形的顶箔3被半剖，下方位置的轴承座镶嵌槽102内未装配镶块2，显示出了一部分相邻配镶块2上套设的波箔单体1，右方的1个轴承座镶嵌槽102内装配了镶块2，显示出波箔单体1；右上方的1个轴承座镶嵌槽102内既有镶块2，显示出了部分波箔单体1。图中顶箔3上的小黑点为激光焊接的焊点。
图12示出的是一级扩压器200侧的空气轴承，顶箔采用单体形式。隐藏了位于上的那个顶箔单体31。图中的小黑点为激光焊接的焊点。
图13示出的是一级扩压器200侧的空气轴承，顶箔采用整体形式。将顶箔3右侧进行了半剖，右下方位置的镶嵌槽102内未装配镶块2，也就未套设波箔单体1；右上方的1个镶嵌槽102内虽然装配了镶块2，但未套设波箔单体1；上方的1个镶嵌槽102内既有镶块2，也套设了波箔单体1。图中顶箔3上的小黑点为激光焊接的焊点。
在采用分体式顶箔时，6个顶箔单体31被焊接固定后，每个顶箔单体31的转折段313和抵接段312就会向上翘起，每个顶箔单体31呈现一端低、一端高的斜坡状。在采用整体式顶箔时，焊接后，环形的顶箔3的下表面局部与镶块2的顶面抵接，波形系带32便自然弯曲变形，使得整个环形的顶箔3呈现高低相间的环形波状。由于波形系带32对相邻顶箔单体31具有牵扯作用，故而整个顶箔的顶面会更加平整，提高了受力和磨擦的均匀性，减少磨损、提高寿命。
本实施例的空气轴承是一种空气止推轴承，主轴500带动止推盘1200旋转时，带动周围的空气同时旋转流动，旋转流动的空气流经高低相间的环状顶箔3时，在边界层吸附效应的作用下，形成楔形气膜，这对的空气止推轴承之间就都会对止推盘1200产生要将彼此分离的推力，这样止推盘1200带动主轴500轴向就处于一个相对静止的悬浮状态。
主轴500旋转的速度越快，产生的推力相应越大，相应地进入每个波箔单体1下表面的波形槽中空气的压力也越大，每个波箔单体1会抵压每个顶箔单体31不至于被压塌，这是一个动态平衡的过程，在此过程中，波箔单体1小幅度地伸缩变形，波高会有小幅度的变化，以适应轴旋转速度的变化。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。本发明未详述之处，均为本技术领域的现有技术或的公知常识。
Claims (10)
1.一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，包括壳体（300）、定子（400）和主轴（500），壳体（300）两端内侧分别安装用于支撑主轴（500）的一级轴承座（100）和二级轴承座（600），壳体（300）两端外侧分别安装一级扩压器（200）和二级扩压器（700），主轴（500）两端穿出一级扩压器（200）和二级扩压器（700）后分别安装一级蜗轮（800）和二级蜗轮（900），一级蜗轮（800）和二级蜗轮（900）外安装一级蜗壳（1000）和二级蜗壳（1100），一级蜗壳（1000）和二级蜗壳（1100）通过连接管相连，主轴（500）上固接止推盘（1200），止推盘（1200）位于一级轴承座（100）和一级扩压器（200）之间，止推盘（1200）与一级轴承座（100）之间、止推盘（1200）与一级扩压器（200）之间分别安装止推空气轴承；其特征在于：
与止推盘（1200）相对的一级轴承座（100）的盘面上开设第一安装槽（104），第一安装槽（104）的轴心线与一级轴承座（100）的轴心线共线，第一安装槽（104）的底壁向上延伸形成N个形状相同的、呈扇面状的轴承座本体凸台（106），每个轴承座本体凸台（106）上、靠近其一侧直边开设扇面状的轴承座镶嵌槽（108），轴承座镶嵌槽（108）槽底中部开设轴承座螺钉通孔（109）；N≥3；
与止推盘（1200）相对的一级扩压器（200）的盘面上开设第二安装槽（204），第二安装槽（204）的轴心线与一级扩压器（200）的轴心线共线，第二安装槽（204）的底壁上圆周阵列N个扩压器导气通道（207），在第二安装槽（204）的底壁上、对应每个扩压器导气通道（207）的同侧分别开设一个扇面状的扩压器镶嵌槽（208），扩压器镶嵌槽（208）槽底中部开设扩压器螺钉通孔（209）；
2×N个镶块（2），每个镶块（2）的顶面向上延伸形成与轴承座镶嵌槽（108）和扩压器镶嵌槽（208）形状相似的镶块凸起（22），镶块凸起（22）的高度大于等于波箔单体（1）的厚度；镶块（2）中部沿竖向开设螺孔（21）；2×N个镶块（2）分别置入N个轴承座镶嵌槽（108）和扩压器镶嵌槽（208）中；
2×N个螺钉，分别从一级轴承座（100）背面的轴承座螺钉通孔（109）和一级扩压器（200）背面的扩压器螺钉通孔（209）穿入后与镶块（2）中部开设的螺孔（21）螺接；
2×N个波箔单体（1），每个波箔单体（1）一侧向外同曲率延伸形成非波段（11），非波段（11）上开设1个与镶块凸起（22）形状相似的波箔通孔（12），通过波箔通孔（12），2×N个波箔单体（1）分别套设在2×N个镶块（2）的镶块凸起（22）上；
每个镶块（2）的顶端和或镶块凸起（22）顶端通过点焊固接顶箔（3）。
2.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：轴承座本体凸台（106）与第一安装槽（104）侧壁之间、相邻轴承座本体凸台（106）之间形成轴承座导气通道（107）。
3.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：一级轴承座（100）中心开设第一主轴孔（101），与止推盘（1200）相对的一级轴承座（100）的盘面上、靠近其边缘开设轴承座第一环形导气槽（103），第一环形导气槽（103）与第一安装槽（104）相间，N个开口于一级轴承座（100）周向圆面的第一导气孔（105）贯通第一环形导气槽（103）和第一安装槽（104）。
4.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：一级扩压器（200）中心开设第二主轴孔（201），与止推盘（1200）相对的一级扩压器（200）的盘面上开设与第二安装槽（204）同心的冷却气回流腔（202），扩压器导气通道（207）与冷却气回流腔（202）相通；靠近第二安装槽（204）的侧壁开设与第二安装槽（204）同心的第二环形导气槽（203），扩压器导气通道（207）的内端与第二环形导气槽（203）不相通；N个开口于一级扩压器（200）周向圆面的第二导气孔（205）贯通第二环形导气槽（203）和冷却气回流腔（202）。
5.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：顶箔（3）包括N个顶箔单体（31），每个顶箔单体（31）包括固定段（311）、比固定段（311）高的抵接段（312）、将固定段（311）与抵接段（312）连为一体的转折段（313），固定段（311）的下表面与抵接段（312）的下表面之间的距离小于波箔单体（1）的波高；N个顶箔单体（31）的固定段（311）分别与N个镶块（2）的顶端和/或镶块凸起（22）的顶端通过激光点焊固接在一起。
6.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：顶箔（3）包括N个顶箔单体（31），相邻两个顶箔单体（31）之间通过波形系带（32）连为一体形成环形；N个顶箔单体（31）的同侧边缘与N个镶块（2）的顶端和/或镶块凸起（22）的顶端通过激光点焊固接在一起。
7.根据权利要求6所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：波形系带（32）包括靠近内环的内系带（321）和靠近外环的外系带（322）。
8.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：2×N个镶块（2）分别与N个轴承座镶嵌槽（108）和扩压器镶嵌槽（208）过渡配合或间隙配合，并通过耐高温胶粘合。
9.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：2×N个镶块（2）分别与N个轴承座镶嵌槽（108）和扩压器镶嵌槽（208）过盈配合，省去2×N个螺钉，镶块（2）上也无需开设螺孔（21），一级轴承座（100）无需开设轴承座螺钉通孔（109），一级扩压器（200）上无需开设扩压器螺钉通孔（209）。
10.根据权利要求1所述的一种基于镶块式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：镶块（2）的高度大于轴承座镶嵌槽（108）和扩压器镶嵌槽（208）的深度。
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Denomination of invention: A high-speed centrifugal air compressor based on embedded block air bearings Granted publication date: 20230314 Pledgee: Qingdao Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Yantai Branch Pledgor: YANTAI DONGDE INDUSTRIAL Co.,Ltd. Registration number: Y2024980007136 |