CN114738310B - 一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于套接凸台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，止推空气轴承的波箔分别套设在轴承座或扩压器的套接凸台上，省去现有技术的底板、螺钉，无需焊接，避免了波箔因焊接引起的变形。

Description

一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机

技术领域

本发明涉及非变容的离心空压机，具体是一种基于套接凸台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。

现有技术，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或通过焊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，焊点会疲劳开焊，影响气体压缩机整个系统的稳定性。而且波箔因焊接容易造成变形、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套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，所采取的技术方案是：

一种基于套接凸台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、呈扇面状的本体凸台，每个本体凸台上、靠近其同一侧直边分别向上延伸形成M个第一套接凸台；N≥3，M≥2；

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向上延伸形成M个第二套接凸台；

2×N个波箔单体，每个波箔单体一侧向外延伸形成M段延伸带，每个延伸带自由端与一个拉环连为一体，拉环适于套接在第一套接凸台或第二套接凸台上；

2个顶箔分别与2×N×M个第一套接凸台和第二套接凸台的顶端点焊固接在一起；每个顶箔包括N个顶箔单体。

进一步地，本体凸台与第一安装槽侧壁之间、相邻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，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；顶箔单体的固定段分别与第一套接凸台或第二套接凸台的顶端点焊固接在一起。

进一步地，相邻两个顶箔单体之间通过波形系带连为一体形成环形；顶箔单体的同侧边缘分别与第一套接凸台或第二套接凸台的顶端点焊固接在一起。

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，第一套接凸台和/或第二套接凸台与拉环的内圆面间隙或过渡配合。

进一步地，第一套接凸台和/或第二套接凸台的高度等于或大于拉环的厚度。

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.波箔套设在套接凸台上，无需焊接，避免了波箔因焊接引起的变形。

3.波箔套设在套接凸台上，套接凸台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.波箔套设在套接凸台上，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.套接凸台可通过机加工一次装夹，容易控制尺寸和公差，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是本发明采用分体式顶箔时顶箔单体的结构示意图。

图8是本发明采用整体式顶箔时顶箔的结构示意图。

图9是本发明采用分体式顶箔时一级轴承座与波箔单体、第一套接凸台和顶箔单体装配后的结构示意图。

图10是本发明采用整体式顶箔时一级轴承座与波箔单体、第一套接凸台和顶箔单体装配后的结构示意图。

图11是本发明采用分体式顶箔时一级扩压器与波箔单体、第二套接凸台和顶箔单体装配后的结构示意图。

图12是本发明采用整体式顶箔时一级扩压器与波箔单体、第二套接凸台和顶箔单体装配后的结构示意图。

图中标号：波箔单体-1；延伸带-11；拉环-12；顶箔-3；顶箔单体-31；波形系带-32；内系带-321；外系带-322；固定段-311；抵接段-312；转折段-313；一级轴承座-100；第一主轴孔-101；第一环形导气槽-103；第一安装槽-104；第一导气孔-105；本体凸台-106；轴承座导气通道-107；第一套接凸台-108；一级扩压器-200；第二主轴孔-201；冷却气回流腔-202；第二环形导气槽-203；第二安装槽-204；第二导气孔-205；扩压器导气通道-207；第二套接凸台-208；壳体-300；定子-400；主轴-500；二级轴承座-600；二级扩压器-700；一级蜗轮-800；二级蜗轮-900；一级蜗壳-1000；二级蜗壳-1100；止推盘-1200。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种基于套接凸台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；

如图2-3所示，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、呈扇面状的本体凸台106，每个本体凸台106上、靠近其同一侧直边分别向上延伸形成2个第一套接凸台108；

如图4-5所示，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的同侧分别向上延伸形成2个第二套接凸台208；

如图2所示，本体凸台106与第一安装槽104侧壁之间、相邻本体凸台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。

如图4-5所示，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。

如图6所示，2×6个波箔单体1，每个波箔单体1一侧向外延伸形成2段延伸带11，每个延伸带11自由端与一个拉环12连为一体，每个波箔单体1的2个拉环12套接在1个本体凸台106上的2个第一套接凸台108或1个扩压器导气通道207旁边的2个第二套接凸台208上。

如图7所示，2个顶箔3，采用分体式，每个顶箔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；2×6个顶箔单体31的固定段311分别与2×6×2个第一套接凸台108和第二套接凸台208的顶端点焊固接在一起。

在另一优选实施例中，如图8所示，顶箔3采用整体式，每个顶箔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；顶箔单体31的同侧边缘分别与第一套接凸台108或第二套接凸台208的顶端点焊固接在一起。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，第一套接凸台108和/或第二套接凸台208与拉环12的内圆面间隙配合。

在另一优选实施例中，第一套接凸台108和/或第二套接凸台208与拉环12的内圆面过渡配合。

在另一优选实施例中，第一套接凸台108和/或第二套接凸台208的高度等于拉环12的厚度。

在另一优选实施例中，第一套接凸台108和/或第二套接凸台208的高度略大于拉环12的厚度。

为了方便地说明波箔单体1、第一套接凸台108、第二套接凸台208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，分别通过图9-12说明。

图9示出的是一级轴承座100侧的空气轴承，顶箔采用分体式，在图中隐藏了右半部分的3个顶箔单体31，其中下方的2个第一套接凸台108上隐藏了套接的波箔单体1。图中顶箔单体31上的小黑点为激光焊接的焊点。

图10示出的是一级轴承座100侧的空气轴承，顶箔采用整体式，图中环形的顶箔3被半剖，下方的2个第一套接凸台108上隐藏了套接的波箔单体1。图中顶箔3上的小黑点为激光焊接的焊点。

图11示出的是一级扩压器200侧的空气轴承，顶箔采用分体式，图中隐藏了右半部分的3个顶箔单体31，其中下方的2个第二套接凸台208上隐藏了套接的波箔单体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，顶箔采用整体式，在图中将顶箔3右侧进行了半剖，下方的2个第二套接凸台208上隐藏了套接的波箔单体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的下表面局部与第二套接凸台208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，故而整个顶箔的环形波的6个波峰基本位于同一平面上，环形波的6个波谷也分别基本位于同一平面上，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，这对空气止推轴承就都会对止推盘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 (9)

1.一种基于套接凸台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、呈扇面状的本体凸台（106），每个本体凸台（106）上、靠近其同一侧直边分别向上延伸形成M个第一套接凸台（108）；N≥3，M≥2；

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）的同侧分别向上延伸形成M个第二套接凸台（208）；

2×N个波箔单体（1），每个波箔单体（1）一侧向外延伸形成M段延伸带（11），每个延伸带（11）自由端与一个拉环（12）连为一体，拉环（12）适于套接在第一套接凸台（108）或第二套接凸台（208）上；

一级轴承座侧安装的顶箔分别与N×M个第一套接凸台的顶端点焊固接在一起，一级扩压器侧安装的顶箔分别与N×M个第二套接凸台的顶端点焊固接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：本体凸台（106）与第一安装槽（104）侧壁之间、相邻本体凸台（106）之间形成轴承座导气通道（107）。

3.根据权利要求1所述的一种基于套接凸台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所述的一种基于套接凸台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所述的一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：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；顶箔单体（31）的固定段（311）分别与第一套接凸台（108）或第二套接凸台（208）的顶端点焊固接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：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；顶箔单体（31）的同侧边缘分别与第一套接凸台（108）或第二套接凸台（208）的顶端点焊固接在一起。

7.根据权利要求6所述的一种基于套接凸台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、5或6所述的一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：第一套接凸台（108）和/或第二套接凸台（208）与拉环（12）的内圆面间隙或过渡配合。

9.根据权利要求1、5或6所述的一种基于套接凸台式空气轴承的高速离心空压机，其特征在于：第一套接凸台（108）和/或第二套接凸台（208）的高度等于或大于拉环（12）的厚度。

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