CN116201814A - 一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承 - Google Patents

一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承 Download PDF

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魏克湘
赵雪源
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Abstract

本发明公开了一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，包括孔质推力轴瓦、箔片、球形铰链、球铰固定桩、推力轴承座、径向轴承套、油膜阻尼器组件、多孔质径向轴瓦和轴端挡圈等。本发明采用径向推力一体式结构，结构紧凑，能有效减小机器整体尺寸；同时，能有效应对推力盘的静动态位置偏差和热变形、有效抑制转子的横向振动；具有作为兆瓦级能源动力装备支承部件的应用前景。

Description

一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承
技术领域
本发明涉及空气轴承技术领域，特别涉及一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承。
背景技术
当前，工业界对高速无油的能源动力设备的功率密度和功率量级提出了新的需求和挑战。
第一个需求是针对设备功率密度的提升，在确保功率的同时减小设备体积，要求支承部件结构更加紧凑。随着设备体积的减小，对支承部件的结构和刚度阻尼要求增大，以便在有限的空间内提供更大的刚度和阻尼。这可能需要使用更复杂的结构，以达到减小体积的同时保持足够的支承刚度和阻尼。
第二个需求是针对设备功率输出的提升，要求设备功率量级从千瓦级增大至兆瓦级。一种解决方案是在转子上添加更多的做功零件（如叶轮、涡轮等）；这将使得转子的轴向负载增大，对轴承的轴向承载能力要求增大。因为气体的可压缩性造成推力盘边缘的动态轴向位移大，结合设备在装配过程造成的推力盘静态位置公差，所以推力盘和支承供气瓦块极有可能出现干摩擦，造成碰摩、烧瓦和系统失效等严重后果；在较大的轴向载荷作用下，由于热变形造成供气瓦块和推力盘之间的间隙变小，易出现偏磨、和碰撞等严重后果。在兆瓦级的能源动力设备中，推力轴承需要设计柔性结构以应对推力盘的静动态位置偏差和热变形。同时，转子重量、长度和柔性增大，会引发更大的横向振动，对轴承-转子系统稳定性造成剧烈影响；如何提高气体轴承的承载能力并抑制转子的横向振动成为棘手的问题，亟需对支承部件进行针对性设计。
多孔质气体轴承由于供气面积大、气压分布均匀，同其他节流形式的气体静压轴承相比具有更高的承载能力、更大的刚度特性以及更好的阻尼特性。然而，传统的多孔质气体轴承无法有效应对转子的横向振动以及推力盘的静动态位置偏差和热变形，亟需针对性做出结构改进和设计。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种承载能力大、径向阻尼性能好的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，包括多孔质推力轴瓦、箔片、球形铰链、连接螺栓、球铰固定桩、推力轴承座、径向轴承套、油膜阻尼器组件、多孔质径向轴瓦、轴端挡圈和挡圈螺栓；其特征在于：所述推力轴承座一侧周向设置若干球铰固定桩，每个球铰固定桩与推力轴承座之间均嵌有一个球形铰链，球铰固定桩通过连接螺栓与推力轴承座相连以装配球形铰链；所述箔片通过箔片折边安装在推力轴承座箔片插槽与球铰固定箔片桩插槽装配后形成的环形插槽上；推力轴承座一侧中间呈环形分布有与球形铰链数量相同的多孔质推力轴瓦，每块多孔质推力轴瓦固定在对应的球形铰链上；所述径向轴承套一端与推力轴承座另一侧固定连接，径向轴承套另一端通过挡圈螺栓与轴端挡圈固定连接；所述径向轴承套内套设若干多孔质径向轴瓦，径向轴承套周向设有若干个油膜阻尼器组件。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述多孔质推力轴瓦包括多孔质推力瓦块、球铰固定螺栓、推力轴瓦，推力轴瓦通过球铰固定螺栓固定在球形铰链上，孔质推力瓦块胶黏在推力轴瓦上。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述推力轴瓦表面加工有第一均压槽，推力轴瓦中间加工有第一螺纹孔，推力轴瓦底部加工有与球形铰链顶部铰链卡榫适配的固定槽，球铰固定螺栓通过第一螺纹孔将推力轴瓦固定在球形铰链的铰链螺纹孔上；多孔质推力瓦块的四个侧边端面均密封，其中一个侧边上开有第一供气孔；多孔质推力瓦块整体为台阶结构，其底层外沿与推力轴瓦完全贴合。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，箔片通过箔片折边安装在推力轴承座箔片插槽与球铰固定桩箔片插槽装配后形成的环形插槽上；箔片其刚度设计为沿箔片中心向四周递减，进而获得对应轴瓦偏摆的支撑刚度。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述径向轴承套为一体式结构，通过线切割、铣削和钻孔加工出若干呈环形分布的连接槽瓦、中心铰链、阻尼器固定插槽以及径向轴承套螺纹孔；其中连接槽瓦位于径向轴承套内壁上，中心铰链位于径向轴承套径向正中间且与连接槽瓦相连；中心铰链和连接槽瓦是通过先线切割加工出铰链形状和连接槽瓦外圈，再通过铣削完成中心铰链和连接槽瓦的加工；阻尼器固定插槽通过铣削加工在中心铰链靠近径向轴承套外缘的两侧。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述连接球铰固定桩和推力轴承座的连接螺栓包括长螺栓和短螺栓，球铰固定桩通过短螺栓固定在推力轴承座上；球铰固定桩和推力轴承座通过长螺栓与径向轴承套对应的径向轴承套螺纹孔相连完成整体装配形成一体式结构。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述油膜阻尼器组件包括柱塞杆、螺母、油膜阻尼器和连接片，所述油膜阻尼器与柱塞杆通过油膜阻尼器螺纹孔螺纹连接，柱塞杆与连接片通过螺母固定，柱塞杆以及螺母将油膜阻尼器和连接片相连形成整体；油膜阻尼器组件插入径向轴承套的固定插槽以及连接槽瓦外缘一同安装在中心铰链两侧；油膜阻尼器组件由长螺栓连接推力轴承座、挡圈螺栓连接轴端挡圈实现轴向固定。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，所述油膜阻尼器先通过铣削加工出隔膜外缘，再通过线切割完成阻尼器运动铰链铰链形状的加工，最后通过钻铣加工出隔膜-铰链通槽完成运动铰链与隔膜内缘的分离，实现阻尼器运动铰链的整体加工；通过油膜阻尼器端盖和端盖螺栓实现油膜阻尼器的密封；通过供油孔实现油料加注。
上述自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，多孔质径向轴瓦包括多孔质径向瓦块和径向轴瓦，其中径向轴瓦上加工有第二均压槽和第二供气孔；多孔质径向瓦块的四个侧边端面均密封，多孔质径向瓦块整体为台阶结构，多孔质径向瓦块底层外沿与径向轴瓦完全贴合；多孔质径向轴瓦通过胶黏安装在连接槽瓦内缘；油膜阻尼器组件分布在中心铰链两侧，通过连接槽瓦实现与多孔质径向轴瓦的并联。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用径向推力一体式结构，结构紧凑，能有效减小机器整体尺寸。
2、本发明轴承推力部分采用多孔质推力轴瓦-箔片-球形铰链结构，其中多孔质推力轴瓦固定在球形铰链上使得轴瓦可以自适应气膜力作用改变偏转状态，进而适应推力盘的运转状态；箔片刚度设计为沿箔片中心向四周递减，进而获得对应多孔质瓦块偏摆的支撑刚度，提高承载能力的同时能进一步增大阻尼。本发明多孔质推力轴瓦-箔片-球形铰链结构能提供较高的承载能力和静态刚度及良好的稳定性，能有效应对推力盘的动态不对中、外翘曲，瓦块和推力盘的热变形等问题。
3、本发明轴承径向部分采用多孔质径向轴瓦-油膜阻尼器结构。中心铰链使得轴瓦可以自适应气膜力作用改变偏转状态，进而适应转子的运转状态，降低高速转子-轴承碰摩的风险，同时适应楔形效应的作用，提高应对涡动失稳现象的能力，提高轴承的动态稳定性。油膜阻尼器分布在中心铰链两侧，与多孔质径向轴瓦并联大大提高了轴承阻尼，能有效抑制转子的横向振动。
附图说明
图1为本发明的爆炸图。
图2为本发明的整体结构示意图。
图3为图2的后视图。
图4为本发明推力部分的装配图。
图5为本发明球形铰链-推力盘结构装配图。
图6为本发明一体式轴承与转子的总装配图。
图7为本发明多孔质推力轴瓦的结构示意图。
图8为本发明箔片的结构示意图，箭头表示刚度递减。
图9为本发明径向轴承套的结构示意图。
图10为本发明油膜阻尼器组件的整体示意图。
图11为本发明油膜阻尼器组件结构剖视图。
图12为本发明多孔质径向轴瓦的结构示意图。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图12所示，一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，包括多孔质推力轴瓦1、箔片2、球形铰链3、连接螺栓4、球铰固定桩5、推力轴承座6、径向轴承套7、油膜阻尼器组件8、多孔质径向轴瓦9、轴端挡圈10和挡圈螺栓11。多孔质推力轴瓦1、箔片2、球形铰链3、连接螺栓4、球铰固定桩5、推力轴承座6构成气体轴承的推力部分A，径向轴承套7、油膜阻尼器组件8、多孔质径向轴瓦9、轴端挡圈10和挡圈螺栓11构成气体轴承的径向部分B。
如图5所示，推力部分A可单独布置在推力盘T一侧，一体式多孔质气体轴承可布置在推力盘T另一侧，其中径向部分B主要是支承转子Z，提供支承刚性、承受径向载荷、减振吸振、抑制转子Z的横向振动，保证转子Z稳定性和运转精度的作用；推力部分A主要是承受转子Z轴向载荷和“限位”作用。这种布置方式可更好地应对推力盘T的动态不对中、外翘曲等问题。
所述推力轴承座6一侧周向设置若干球铰固定桩5，每个球铰固定桩5与推力轴承座6之间均嵌有一个球形铰链3，球铰固定桩5通过连接螺栓4与推力轴承座6相连以装配球形铰链3；所述箔片2通过箔片折边2.1安装在推力轴承座箔片插槽6.4与球铰固定箔片桩插槽5.2装配后形成的环形插槽上；推力轴承座6一侧中间呈环形分布有与球形铰链3数量相同的多孔质推力轴瓦1，每块多孔质推力轴瓦1固定在对应的球形铰链3上；所述径向轴承套7一端与推力轴承座6另一侧固定连接，径向轴承套7另一端通过挡圈螺栓11与轴端挡圈10固定连接；所述径向轴承套7内套设若干多孔质径向轴瓦9，径向轴承套7周向设有若干个油膜阻尼器组件8。
所述多孔质推力轴瓦1包括多孔质推力瓦块1.1、球铰固定螺栓1.2、推力轴瓦1.3，推力轴瓦1.3通过球铰固定螺栓1.2固定在球形铰链3上，孔质推力瓦块胶黏在推力轴瓦1.3上。
所述推力轴瓦1.3表面加工有第一均压槽1.31，推力轴瓦1.3中间加工有第一螺纹孔1.32，推力轴瓦1.3底部加工有与球形铰链3顶部铰链卡榫3.2适配的固定槽1.34，球铰固定螺栓1.2通过第一螺纹孔1.32将推力轴瓦1.3固定在球形铰链3的铰链螺纹孔3.3上，使得轴瓦可以自适应气膜力作用改变偏转状态，进而适应推力盘的运转状态，能有效应对推力盘的动态不对中、外翘曲，瓦块和推力盘的热变形等问题；为了防止气体从多孔质推力瓦块1.1的侧边流出，多孔质推力瓦块1.1的四个侧边端面均密封，其中一个侧边上开有第一供气孔1.33；多孔质推力瓦块1.1整体为台阶结构，其底层外沿与推力轴瓦1.3完全贴合。压缩气体先后通过第一供气孔1.33、第一均压槽1.31、多孔质推力瓦块1.1形成一致性良好的润滑气膜；提高了供气面积和气压分布均匀性，进而增强轴承的承载能力。
所述箔片2其刚度设计为沿箔片2中心向四周递减，进而获得对应轴瓦偏摆的支撑刚度，提高承载能力的同时能进一步增大阻尼。
所述径向轴承套7为一体式结构。通过线切割、铣削和钻孔加工出若干呈环形分布的连接槽瓦7.1、中心铰链7.2、阻尼器固定插槽7.3以及径向轴承套螺纹孔8.4。其中连接槽瓦7.1位于径向轴承套7内壁上，中心铰链7.2位于径向轴承套径向正中间且与连接槽瓦7.1相连；中心铰链7.2和连接槽瓦7.1是通过先线切割加工出铰链形状和连接槽瓦外圈，再通过铣削完成中心铰链和连接槽瓦的加工；阻尼器固定插槽7.3通过铣削加工在中心铰链7.2靠近径向轴承套7外缘的两侧。所述径向轴承套7也可通过3D打印完成制造。
所述连接球铰固定桩5和推力轴承座6的连接螺栓4包括长螺栓4.1和短螺栓4.2，球铰固定桩5通过短螺栓4.2固定在推力轴承座6上；球铰固定桩5和推力轴承座6通过长螺栓4.1与径向轴承套7对应的径向轴承套螺纹孔7.4相连完成整体装配形成一体式结构。
所述油膜阻尼器组件8包括柱塞杆8.3、螺母8.1、油膜阻尼器8.4和连接片8.2，所述油膜阻尼器8.4与柱塞杆8.3通过油膜阻尼器螺纹孔8.41螺纹连接，柱塞杆8.3与连接片8.2通过螺母8.1固定，柱塞杆8.3以及螺母8.1将油膜阻尼器8.4和连接片8.2相连形成整体；油膜阻尼器组件8插入径向轴承套7的固定插槽7.3以及连接槽瓦7.1外缘一同安装在中心铰链7.2两侧；油膜阻尼器组件8由长螺栓4.1连接推力轴承座6、挡圈螺栓11连接轴端挡圈10实现轴向固定。其中，油膜阻尼器8.4可以先通过铣削加工出隔膜8.42外缘，再通过线切割完成阻尼器运动铰链8.44铰链形状的加工，最后通过钻铣加工出隔膜-铰链通槽8.441完成运动铰链与隔膜8.42内缘的分离，实现阻尼器运动铰链8.44的整体加工。通过油膜阻尼器端盖8.45和端盖螺栓8.46实现油膜阻尼器的密封；通过供油孔8.43实现油料加注。油膜阻尼器8.4也可通过3D打印完成制造。隔膜8.42即是运动单元也用于实现油料密封；该种油膜阻尼器结构密封性能更好。当多孔质径向轴瓦9发生运动时通过连接槽瓦7.1将运动传递给连接片8.2，再由连接片8.2传递到柱塞杆8.3上的柱塞隔板8.31上，再由柱塞板隔板8.31将力传递到阻尼器运动铰链8.44以及润滑油上。
多孔质径向轴瓦9包括多孔质径向瓦块9.1和径向轴瓦9.2，其中径向轴瓦9.2上加工有第二均压槽9.3和第二供气孔9.4；为了防止气体从多孔质径向瓦块9.1的侧边流出，多孔质径向瓦块9.1的四个侧边端面均密封，多孔质径向瓦块9.1整体为台阶结构，多孔质径向瓦块9.1底层外沿与径向轴瓦9.2完全贴合。压缩气体先后通过第二供气孔9.4、第二均压槽9.3、多孔质径向瓦块9.1形成一致性良好的润滑气膜；提高了供气面积和气压分布均匀性，进而增强轴承的承载能力。多孔质径向轴瓦9通过胶黏安装在连接槽瓦7.1内缘。中心铰链7.2使得多孔质径向轴瓦9可以自适应气膜力作用改变偏转状态，进而适应转子的运转状态，降低高速转子-轴承碰摩的风险，同时适应楔形效应的作用，提高应对涡动失稳现象的能力，进而提高轴承的动态稳定性。油膜阻尼器组件8分布在中心铰链7.2两侧，通过连接槽瓦7.1实现与多孔质径向轴瓦9的并联，大大提高了轴承阻尼，能有效抑制转子的横向振动。
本发明的装配过程为：将球形铰链3的球形关节3.1放置在推力轴承座6对应的推力盘半球形插槽6.3上；所述球铰固定桩5安放在推力轴承座6上的固定桩插槽6.1里，并通过固定桩半球形插槽5.3将球形铰链3的球形关节3.1装配在推力轴承座6上；通过连接螺栓4连接固定桩螺纹孔5.1以及推力盘螺纹孔6.2将球铰固定桩5固定在推力轴承座6上；所述箔片2通过箔片折边2.1安装在推力轴承座箔片插槽6.4与球铰固定桩箔片插槽5.2装配后形成的环形插槽上；推力轴瓦1.3通过底部与球形铰链3顶部铰链卡榫3.2适配的固定槽1.34相连；并由球铰固定螺栓1.2通过第一螺纹孔1.32将推力轴瓦1.3固定在球形铰链3的铰链螺纹孔3.3上；最后将孔质推力瓦块1.1胶黏到推力轴瓦1.3上完成推力部分A的装配。油膜阻尼器组件8是由柱塞杆8.3以及螺母8.1将油膜阻尼器8.4和连接片8.2相连形成的整体，并通过径向轴承套7加工的固定插槽7.3以及连接槽瓦7.1外缘一同安装在中心铰链7.2两侧；多孔质径向轴瓦9通过胶黏安装在连接槽瓦7.1内缘；通过挡圈螺栓11将轴端挡圈10与径向轴承套7相连共同组成轴承的径向部分B。进一步的，连接球铰固定桩5和推力轴承座6的连接螺栓4有长短之分，长螺栓4.1将球铰固定桩5、推力轴承座6与径向轴承套7对应的径向轴承套螺纹孔7.4相连完成整体装配形成一体式结构，短螺栓4.2则仅是将球铰固定桩5固定在推力轴承座6上。

Claims (9)

1.一种自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，包括多孔质推力轴瓦、箔片、球形铰链、连接螺栓、球铰固定桩、推力轴承座、径向轴承套、油膜阻尼器组件、多孔质径向轴瓦、轴端挡圈和挡圈螺栓；其特征在于：所述推力轴承座一侧周向设置若干球铰固定桩，每个球铰固定桩与推力轴承座之间均嵌有一个球形铰链，球铰固定桩通过连接螺栓与推力轴承座相连以装配球形铰链；所述箔片通过箔片折边安装在推力轴承座箔片插槽与球铰固定箔片桩插槽装配后形成的环形插槽上；推力轴承座一侧中间呈环形分布有与球形铰链数量相同的多孔质推力轴瓦，每块多孔质推力轴瓦固定在对应的球形铰链上；所述径向轴承套一端与推力轴承座另一侧固定连接，径向轴承套另一端通过挡圈螺栓与轴端挡圈固定连接；所述径向轴承套内套设若干多孔质径向轴瓦，径向轴承套周向设有若干个油膜阻尼器组件。
2.根据权利要求1所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述多孔质推力轴瓦包括多孔质推力瓦块、球铰固定螺栓、推力轴瓦，推力轴瓦通过球铰固定螺栓固定在球形铰链上，孔质推力瓦块胶黏在推力轴瓦上。
3.根据权利要求2所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述推力轴瓦表面加工有第一均压槽，推力轴瓦中间加工有第一螺纹孔，推力轴瓦底部加工有与球形铰链顶部铰链卡榫适配的固定槽，球铰固定螺栓通过第一螺纹孔将推力轴瓦固定在球形铰链的铰链螺纹孔上；多孔质推力瓦块的四个侧边端面均密封，其中一个侧边上开有第一供气孔；多孔质推力瓦块整体为台阶结构，其底层外沿与推力轴瓦完全贴合。
4.根据权利要求1所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述箔片其刚度设计为沿箔片中心向四周递减，进而获得对应轴瓦偏摆的支撑刚度。
5.根据权利要求1所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述径向轴承套为一体式结构，通过线切割、铣削和钻孔加工出若干呈环形分布的连接槽瓦、中心铰链、阻尼器固定插槽以及径向轴承套螺纹孔；其中连接槽瓦位于径向轴承套内壁上，中心铰链位于径向轴承套径向正中间且与连接槽瓦相连；中心铰链和连接槽瓦是通过先线切割加工出铰链形状和连接槽瓦外圈，再通过铣削完成中心铰链和连接槽瓦的加工；阻尼器固定插槽通过铣削加工在中心铰链靠近径向轴承套外缘的两侧。
6.根据权利要求5所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述连接球铰固定桩和推力轴承座的连接螺栓包括长螺栓和短螺栓，球铰固定桩通过短螺栓固定在推力轴承座上；球铰固定桩和推力轴承座通过长螺栓与径向轴承套对应的径向轴承套螺纹孔相连完成整体装配形成一体式结构。
7.根据权利要求6所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述油膜阻尼器组件包括柱塞杆、螺母、油膜阻尼器和连接片，所述油膜阻尼器与柱塞杆通过油膜阻尼器螺纹孔螺纹连接，柱塞杆与连接片通过螺母固定，柱塞杆以及螺母将油膜阻尼器和连接片相连形成整体；油膜阻尼器组件插入径向轴承套的固定插槽以及连接槽瓦外缘一同安装在中心铰链两侧；油膜阻尼器组件由长螺栓连接推力轴承座、挡圈螺栓连接轴端挡圈实现轴向固定。
8.根据权利要求7所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：所述油膜阻尼器先通过铣削加工出隔膜外缘，再通过线切割完成阻尼器运动铰链铰链形状的加工，最后通过钻铣加工出隔膜-铰链通槽完成运动铰链与隔膜内缘的分离，实现阻尼器运动铰链的整体加工；通过油膜阻尼器端盖和端盖螺栓实现油膜阻尼器的密封；通过供油孔实现油料加注。
9.根据权利要求7所述的自适应高阻尼径向推力一体式多孔质气体轴承，其特征在于：多孔质径向轴瓦包括多孔质径向瓦块和径向轴瓦，其中径向轴瓦上加工有第二均压槽和第二供气孔；多孔质径向瓦块的四个侧边端面均密封，多孔质径向瓦块整体为台阶结构，多孔质径向瓦块底层外沿与径向轴瓦完全贴合；多孔质径向轴瓦通过胶黏安装在连接槽瓦内缘；油膜阻尼器组件分布在中心铰链两侧，通过连接槽瓦实现与多孔质径向轴瓦的并联。
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