CN115126778A - 一种动静压混合式箔片气体轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动静压混合式箔片气体轴承，包括：带有气体流道的箔片轴承、气动控制回路以及温度、压力采集电路；带有气体流道的箔片轴承包括轴承壳、波箔以及顶箔，轴承壳上分布有多个静压气体流道，波箔与顶箔的间隙上分别设有对应的供气孔一和供气孔二连通静压气体流道；气动控制回路包括气源、控制器以及多组气动调节阀，在轴承转动过程中，控制器对温度、压力采集电路实时采集的转子转动过程中轴承与转轴间隙不同位置气膜压力和温度载荷分布数据进行处理和分析，计算得到相应的控制信号，气动调节阀根据控制器的指令，动态调整各静压气体流道及其所对应的供气孔的供气压力和流量，提高了箔片气体轴承的稳定性、耐久性及节能效果。

Description

一种动静压混合式箔片气体轴承
技术领域
本发明属于超精密仪器/空气轴承领域，更具体地说，涉及一种动静压混合式箔片气体轴承。
背景技术
由于振动小、高温环境中稳定性好、摩擦损失小甚至在极高速度下能实现无摩擦的优点，气体轴承广泛应用于航空航天、高速透平、低温技术、空气循环、低温制冷、微型燃气轮机等领域中，具有十分良好的应用前景。气体轴承通常分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承利用外部气源给轴承供气产生承压气膜，以支承外部载荷。静压轴承工作时需要外部复杂的供气系统提供压力，对气源流量和压力要求高，且成本较高，在高速工况下也难以保持稳定的压力。动压轴承利用气体在轴与轴承内表面间的楔形空间产生的压力气膜来支承载荷。轴承在旋转过程中，气体不断进入轴承与轴之间，逐渐形成压力气膜。随着轴承转速提高，气膜压力逐渐升高，当气膜压力与外部载荷相平衡时，轴与轴承完全分离，摩擦力基本消失，此刻的转速称为动压轴承的起飞转速。动压轴承低转速或零转速时，轴与轴承尚未完全分离，存在干摩擦，在高速工况下，摩擦造成的能量损失较大，降低了轴承的使用寿命。此外，当轴承达到起飞转速后，由于超高速的旋转，轴与轴承之间的气膜的转动热量容易造成振动，不利于转子系统的稳定。
箔片气体轴承(简称“箔片轴承”)是动压气体轴承的一种。箔片轴承是通过在轴旋转过程中与顶箔之间的楔形区域产生气体压力膜，和下层具有弹性的波箔共同支承载荷。然而，箔片轴承作为动压气体轴承的一种，也有着上述动压气体轴承普遍存在的技术问题。通过工作原理的分析，可以发现静压气体轴承的一些特性能很好地弥补箔片轴承所存在的缺陷，同时静压轴承的缺陷也能相应地被克服。
因此，亟需一种动静压相结合的新型混合式箔片轴承来解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种动静压混合式箔片气体轴承，其具体技术方案如下：
一种动静压混合式箔片气体轴承，包括：
带有气体流道的箔片轴承，所述带有气体流道的箔片轴承包括轴承壳、波箔以及顶箔，所述顶箔、所述波箔、所述轴承壳由内向外依次设置，并且两两相贴，所述顶箔和所述波箔分别固定在所述轴承壳上；所述轴承壳上按轴向及周向分布有多个静压气体流道，所述波箔与所述顶箔的间隙上分别设有对应的供气孔一和供气孔二连通所述静压气体流道，静压气体通过相应成组的所述静压气体流道、所述供气孔一、所述供气孔二向所述顶箔内的轴承供气；
温度、压力采集电路，所述温度、压力采集电路包括压力传感器、温度传感器，所述顶箔内侧的每一所述供气孔二附近对应各安装有一所述压力传感器和一所述温度传感器；
气动控制回路，所述气动控制回路包括气源、控制器以及多组气动调节阀，进入所述静压气体流道的静压气体由位于外部的所述气源供给，所述气动调节阀设于所述气源与对应的所述静压气体流道之间；在轴承转动过程中，所述控制器对所述压力传感器、所述温度传感器实时采集的转子转动过程中轴承与转轴间隙不同位置气膜压力和温度载荷分布数据进行处理和分析，计算得到相应的控制信号，所述气动调节阀根据所述控制器的指令，动态调整各所述静压气体流道及其所对应的所述供气孔一、所述供气孔二的供气压力和流量。
本发明用于解决动压箔片轴承的承载能力、刚度相对偏低和静压轴承的阻尼小、稳定性差、对气源流量和压力要求高等缺点，提高了箔片气体轴承的稳定性、耐久性及节能效果。
本发明轴承结合了动压箔片轴承和静压轴承的工作特性，在运行过程中，其支承压力表现为外部气源提供的静压压力与自身转动形成的动压压力的总和。当转子转速较低或者为零时，外接气源通过气动控制回路输出高压、高流量气体，轴承在静压效应的主要作用下与转轴分离；随着转子转速的逐渐升高，轴承自身的动压力也逐渐升高，对静压气源的依赖性降低，气动控制回路随之自适应地降低各供气孔压力和流量，减少了对外接气源的消耗，使轴承依靠气体静压和动压效应继续保持悬浮状态；同时此时外部气源提供的小流量气体，可以有效冷却轴承。此外，通过智能调节静压供气压力，可以灵活地升高或降低箔片轴承的刚度和承载能力。
优选的，所述静压气体流道的形式为供气孔、节流小孔、多孔介质材料或者狭缝式。
优选的，所述控制器为微控制器。
优选的，所述气动调节阀采用电气比例阀和减压阀对各所述静压气体流道进行多级压力调节。
优选的，利用该动静压混合式箔片气体轴承进行动静压切换调节的方法包括：低速静压主导、高速动压主导、高速静压散热以及高速静压刚度调节；轴承在运行过程中，其支承压力为：
P总＝P静+P动
式中，P总表示转子总重力和外部载荷，即轴承负载；P静表示气体轴承内静压效应造成的轴承气浮力分量；P动表示轴颈转动时动压效应形成的轴承气浮力分量；
其中，
低速静压主导：当轴颈转速低于起飞转速时，所述气动控制回路通过所述静压气体流道及供气孔向轴承提供高压、高流量的压缩气体，轴承在外部静压的主要作用下被气膜托起，并与转轴分离，呈悬浮状态；
高速动压主导：随着轴颈转速的提高，轴承与轴颈之间形成的动压气膜的压力升高，此时所述气动控制回路逐渐降低各所述静压气体流道及供气孔的供气压力，使得轴承在动压的主要作用下保持悬浮；
高速静压散热：当轴颈转速达到或超过动压起飞转速时，静压降到较低水平；此时，根据所述温度传感器检测的轴承气膜温度分布，所述气动控制回路调节各所述静压气体流道及供气孔的供气量，使气体带走部分热量，起到散热的作用；
高速静压刚度调节：此时，为达到轴承的设计刚度和承载能力指标，根据所述温度传感器和所述压力传感器的信号，所述气动控制回路动态调节各所述静压气体流道及供气孔的供气压力和流量，通过增强或减弱气体的静压效应，调节轴承的刚度和承载能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图和图2附图为本发明提出的动静压混合式箔片气体轴承结构图。
图3附图为本发明提出的周向静压气体流道控制回路。
图4附图为本发明提出的动静压混合式箔片气体轴承运行流程。
其中，图中
1-轴承壳；2-波箔；3-顶箔；4-静压气体流道；5-供气孔一；6-供气孔二；7-压力传感器；8-温度传感器；9-减压阀；10-分离器；11-电气比例阀；12-先导减压阀；13-静压气体流道Ⅰ；14-静压气体流道Ⅱ；15-静压气体流道Ⅲ；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：
如图1-图3所示，本发明一种动静压混合式箔片气体轴承，具体包括带有气体流道的箔片轴承、气动控制回路以及温度、压力采集电路，其中，
带有气体流道的箔片轴承包括轴承壳1、波箔2以及顶箔3，顶箔3、波箔2、轴承壳1由内向外依次设置，并且两两相贴，顶箔3和波箔2分别固定在轴承壳1上；轴承壳1上按轴向及周向分布有多个静压气体流道4，波箔2与顶箔3的间隙上分别设有对应的供气孔一5和供气孔二6连通静压气体流道4，静压气体通过相应成组的静压气体流道4、供气孔一5、供气孔二6向顶箔3内的轴承供气。
进一步的，本发明中静压气体流道4的形式可为供气孔、节流小孔、多孔介质材料或者狭缝式等，结构形式不限，且没有流道数量要求。
在本具体实施例中，静压气体流道4具体采取节流小孔结构，节流小孔按周向将箔片均分为三块，按照轴向也将箔片均分为三块，合计六个节流小孔。
温度、压力采集电路包括压力传感器7、温度传感器8，顶箔3内侧的每一供气孔二6附近对应各安装有一压力传感器7和一温度传感器8；压力传感器7和温度传感器8分布在顶箔3的周向和轴向内侧，用于采集转子转动过程中轴承与转轴间隙不同位置气膜的压力和温度载荷分布，作为动静压切换控制的输入数据。
气动控制回路包括气源、控制器以及多组气动调节阀，进入静压气体流道4的静压气体由位于外部的气源供给，气动调节阀设于气源与对应的静压气体流道4之间；在轴承转动过程中，控制器对压力传感器7、温度传感器8实时采集的转子转动过程中轴承与转轴间隙不同位置气膜压力和温度载荷分布数据进行处理和分析，计算得到相应的控制信号，气动调节阀根据控制器的指令，动态调整各静压气体流道4及其所对应的供气孔一5、供气孔二6的供气压力和流量。
进一步的，气动控制回路中的控制器采用常用的微控制器，无特殊要求。气源采用空气或者其他气体。
如图3所示，压力传感器7、温度传感器8以及气动调节阀分别与控制器电连接，气动调节阀安装在气源的输出管路上，管路再连接相对应的静压气体流道Ⅰ13、静压气体流道Ⅱ14、静压气体流道Ⅲ15。
气动调节阀采用电气比例阀11和减压阀9对各静压气体流道4进行多级压力调节，但也不局限于此方式。
在进一步的具体实施例中，气动调节阀由减压阀9、分离器10、电气比例阀11、先导减压阀12组成，这四个结构如图3所示的方式连接在一起，构成压力调节回路，实现多级压力控制，其中，
减压阀9：安装在气源供给设备与气动回路控制回路之间，起到开关和稳压的作用。
分离器10：微雾分离器能把压缩气体中的油雾过滤分离干净；
电气比例阀11：根据控制信号的大小调节阀芯的截面面积，从而控制先导式减压阀12的阀门开度，实现压力的多级、连续调节；
先导减压阀12：被电气比例阀11直接控制，通过改变阀门开度大小，调节外部气源的供气量和供气压力。
如图4所示，利用本发明动静压混合式箔片气体轴承进行动静压切换调节的方法包括：低速静压主导、高速动压主导、高速静压散热以及高速静压刚度调节；轴承在运行过程中，其支承压力为：
P总＝P静+P动
式中，P总表示转子总重力和外部载荷，即轴承负载；P静表示气体轴承内静压效应造成的轴承气浮力分量；P动表示轴颈转动时动压效应形成的轴承气浮力分量；
其中，
低速静压主导：当轴颈转速低于起飞转速时，气动控制回路通过静压气体流道及供气孔向轴承提供高压、高流量的压缩气体，轴承在外部静压的主要作用下被气膜托起，并与转轴分离，呈悬浮状态；
高速动压主导：随着轴颈转速的提高，轴承与轴颈之间形成的动压气膜的压力升高，此时气动控制回路逐渐降低各静压气体流道及供气孔的供气压力，使得轴承在动压的主要作用下保持悬浮；
高速静压散热：当轴颈转速达到或超过动压起飞转速时，静压降到较低水平；此时，根据温度传感器检测的轴承气膜温度分布，气动控制回路调节各静压气体流道及供气孔的供气量，使气体带走部分热量，起到散热的作用；
高速静压刚度调节：此时，为达到轴承的设计刚度和承载能力指标，根据温度传感器和压力传感器的信号，气动控制回路动态调节各静压气体流道4及供气孔的供气压力和流量，通过增强或减弱气体的静压效应，调节轴承的刚度和承载能力。
本发明中公开的方法可应用于气体轴承转子系统中。
本发明在箔片轴承的基础上，结合静压轴承的特性，在箔片轴承的轴向和周向增加静压气体流道以连接外部气源，通过气动控制回路，智能调节供气压力和流量，依靠气体静压和动压效应共同支撑负载。在低转速或零转速时，外接气源通过气动控制系统输出高压、高流量气体，利用静压效应使得轴承在低转速下也能保持悬浮状态。随着转速的升高，轴承的动压力升高，对静压气源的依赖性降低，因此气动控制系统将自适应地降低静压供气系统的输出压力和流量，减少了对外接气源的消耗，且提供的小流量气体，可以有效冷却轴承，提高了箔片气体轴承的稳定性、耐久性以及节能性。此外，本发明通过智能调节静压供气压力，可以灵活地升高或降低箔片轴承的刚度和承载能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种动静压混合式箔片气体轴承，其特征在于，包括：
带有气体流道的箔片轴承，所述带有气体流道的箔片轴承包括轴承壳、波箔以及顶箔，所述顶箔、所述波箔、所述轴承壳由内向外依次设置，并且两两相贴，所述顶箔和所述波箔分别固定在所述轴承壳上；所述轴承壳上按轴向及周向分布有多个静压气体流道，所述波箔与所述顶箔的间隙上分别设有对应的供气孔一和供气孔二连通所述静压气体流道，静压气体通过相应成组的所述静压气体流道、所述供气孔一、所述供气孔二向所述顶箔内的轴承供气；
温度、压力采集电路，所述温度、压力采集电路包括压力传感器、温度传感器，所述顶箔内侧的每一所述供气孔二附近对应各安装有一所述压力传感器和一所述温度传感器；
气动控制回路，所述气动控制回路包括气源、控制器以及多组气动调节阀，进入所述静压气体流道的静压气体由位于外部的所述气源供给，所述气动调节阀设于所述气源与对应的所述静压气体流道之间；在轴承转动过程中，所述控制器对所述压力传感器、所述温度传感器实时采集的转子转动过程中轴承与转轴间隙不同位置气膜压力和温度载荷分布数据进行处理和分析，计算得到相应的控制信号，所述气动调节阀根据所述控制器的指令，动态调整各所述静压气体流道及其所对应的所述供气孔一、所述供气孔二的供气压力和流量。
2.根据权利要求1所述的一种动静压混合式箔片气体轴承，其特征在于，所述静压气体流道的形式为供气孔、节流小孔、多孔介质材料或者狭缝式。
3.根据权利要求1所述的一种动静压混合式箔片气体轴承，其特征在于，所述控制器为微控制器。
4.根据权利要求1所述的一种动静压混合式箔片气体轴承，其特征在于，所述气动调节阀采用电气比例阀和减压阀对各所述静压气体流道进行多级压力调节。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种动静压混合式箔片气体轴承，其特征在于，利用该动静压混合式箔片气体轴承进行动静压切换调节的方法包括：低速静压主导、高速动压主导、高速静压散热以及高速静压刚度调节；轴承在运行过程中，其支承压力为：
P总＝P静+P动
式中，P总表示转子总重力和外部载荷，即轴承负载；P静表示气体轴承内静压效应造成的轴承气浮力分量；P动表示轴颈转动时动压效应形成的轴承气浮力分量；
其中，
低速静压主导：当轴颈转速低于起飞转速时，所述气动控制回路通过所述静压气体流道及供气孔向轴承提供高压、高流量的压缩气体，轴承在外部静压的主要作用下被气膜托起，并与转轴分离，呈悬浮状态；
高速动压主导：随着轴颈转速的提高，轴承与轴颈之间形成的动压气膜的压力升高，此时所述气动控制回路逐渐降低各所述静压气体流道及供气孔的供气压力，使得轴承在动压的主要作用下保持悬浮；
高速静压散热：当轴颈转速达到或超过动压起飞转速时，静压降到较低水平；此时，根据所述温度传感器检测的轴承气膜温度分布，所述气动控制回路调节各所述静压气体流道及供气孔的供气量，使气体带走部分热量，起到散热的作用；
高速静压刚度调节：此时，为达到轴承的设计刚度和承载能力指标，根据所述温度传感器和所述压力传感器的信号，所述气动控制回路动态调节各所述静压气体流道及供气孔的供气压力和流量，通过增强或减弱气体的静压效应，调节轴承的刚度和承载能力。
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