CN203847561U - 用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，包括轴承体，轴承体上设有进气孔，轴承体的外端面与内壁之间设有倒角，倒角上设有引流孔，引流孔通向轴承体外。本实用新型通过引流孔和排气孔合理排出从通气孔流入的气体，同时合理设计通气孔的方向，合理控制气体的流向，避免气体发生黏性环流导致高速运转的主轴失稳，提高主轴的稳定性。

Description

用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承

技术领域

本实用新型涉及气体轴承技术领域，尤其是一种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承。

背景技术

目前，气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承，即在轴和轴承之间形成气膜，使运动面和静止面避免发生直接接触。由于气体轴承采用实际流程工质气体润滑，不会对工质造成污染，因而在载人航天器以及大型应用卫星做热平衡、热真空试验的氦制冷系统中得到了重要的应用。随着科学技术的进步和应用需要，现在气体润滑轴承以上百种具体的应用形式出现，从仪表到机械工具从压缩机，膨胀机到计算机存储系统的浮动磁头都有气体轴承的存在。气体轴承与常规使用的油润滑滑动轴承相比，其工作原理是基本相同的。气体轴承所采用的方法就是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，从而使物体浮起。根据气体轴承产生这种压力的原理，气体轴承大致分为三种形式，分别称为：挤压膜式、静压式以及动压式。

在低温透平膨胀机中，由于进口介质温度低、 膨胀比大，尤其是在小流量时，工作轮直径较小，膨胀机比焓降大。为了达到较高的绝热效率，势必造成膨胀机转子转速较高。在这种情况下，传统的滚珠轴承和油润滑轴承由于本身的缺陷均难以满足设备要求，而气体轴承具有无污染、摩擦损失低、适应温度范围广、运转平稳、使用时间长等诸多优点，能大大提高透平膨胀机的经济性、运转可靠性及结构工艺性，因此它在低温透平膨胀机上得到了越来越广泛的应用。为了保证透平膨胀机能够达到较高的效率，就需要其转子在高转速下运转，因此气体轴承能否在高速下保证具有足够的稳定性，始终是研制中的关键。在低温透平膨胀机上应用气体轴承，具有系统简单、安全可靠、使用温度范围宽广、能长期运转等特点。迄今为止，在空气液化、分离装置透平膨胀机上应用气体轴承已有近40年的历史。纵观目前国内外空分装置的发展，不难看出，无论是高压、中压、低压的大型或小型空分装置，均有应用气体轴承透平膨胀机的实例。由于小型空分装置透平膨胀机的进口压力高、流量小、转速高，采用气体轴承的优越性更为显著，因而在小型空分装置上使用气体轴承较为普遍。国外在静压气体轴承的设计制造上已开发出成熟的系列产品，我国在自行设计制造的空分装置气体轴承透平膨胀机中，目前也多采用静压气体轴承。在70 年代，国内学者就已对刚性支承的小孔供气的静压气体轴承进行了研究，随后又对双气膜径向气体轴承、以及各种形式的浅腔节流径向及止推气体轴承、浮环静压气体径向轴承等进行了大量的理论及实验研究，并应用于各种中小型空分装置用透平膨胀机中。 

随着宇航、核物理和低温超导技术的飞跃发展，对氦制冷或液化设备的要求越来越迫切，特别对氦制冷液化设备的运转可靠性提出了更高的要求——要求启动时间短，能长期稳定运转。目前我国在使用的这些设备约80%以上依靠进口，而国内生产的部分还存在着不同程度不稳定的问题。目前国家也正在进行国产化和进一步开发高稳定性的氦制冷液化设备的措施。开发高稳定性的氦制冷液化设备的关键是要研发新的高稳定性的气体轴承氦气体轴承透平膨胀机的问题。而研发高稳定性的气体轴承氦气体轴承透平膨胀机的问题实质上是解决高速一般指10万/分钟以上气体轴承的稳定性的问题。国内目前有几家单位，如中国科学院理化所，西安交大等有个别产品开发出来，如箔片轴承，但在稳定性方面还是没有大的突破。而美国、日本、德国、法国和英国等一直走在透平膨胀机研制的前列，国外已有研究机构研制出新型轴承使透平膨胀机转速可达700000r／min以上，但价格高昂，且对国内进行技术封锁。因此气体轴承能否在高速下保证具有足够的稳定性，始终是研制中的关键。关于这一点，国内外学者的共识是：气体轴承是膨胀机能否稳定运行的关键，其稳定性是核心问题，研制气体轴承低温透平膨胀机实质上是研制在高速下不发生涡动的能保证转子稳定运转的气体轴承。

气体轴承主要是从外界通入气体在轴承与轴之间形成气膜提供径向和轴向支撑，并起到润滑作用，而气体轴承的进气孔有多个或多排，进气孔之间通入气体所产生的气流相互冲击，影响轴转动的稳定性。特别是通气孔进入的气体流动至气体轴承外端方向时，外端方向上的止推盘阻挡气体流动，使气体又回流并与通气孔流入的气体发生冲击，产生不稳定的气流，使气体轴承的稳定性大大降低。

实用新型内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，解决氦透平膨胀机低温下高速运转过程中的稳定性问题。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，包括轴承体，轴承体上设有进气孔，轴承体的外端面与内壁之间设有倒角，倒角上设有引流孔，引流孔通向轴承体外。轴承体上的倒角与主轴、止推盘之间形成一环形腔，通气孔进入的气体流动至轴承中部空腔，端面气体由引流孔经排气孔排出，稳定了气流压力，使轴承的上端面与止推盘形成的气膜更稳定，有助于提高气体轴承的稳定性。

为了进一步完善：轴承体上设有贯穿内端面的排气孔，引流孔连通排气孔。引流孔和排气孔连通作为轴承上端面与止推盘间气体的排气通道。

进一步完善：引流孔均匀分布在倒角上。这样多个引流孔保证了轴承端面的轴向支撑稳定，避免气体回流，均匀分布的引流孔可保证排出的气体稳定。

进一步完善：进气孔设有两排并分布在轴承体的内外段上，轴承体的内壁上开有环形内腔，环形内腔连通排气孔，环形内腔设于两排进气孔之间。这样设置在中间的环形内腔可引导内外两排进气孔进入的气体排出，避免气流形成黏性环流。

进一步完善：进气孔包括外部分的进气接口和内部分的节流口，进气接口内设有倾斜的倾斜接口，倾斜接口连通有径向节流孔，径向节流孔外端贯穿轴承体的外端面。径向节流孔通入气体至轴承体外端面与止推盘之间，提供轴向支撑，而与径向节流孔连通的倾斜接口与进气接口连通，这样只需接一个进气管即可，而倾斜接口采用倾斜设置，这样便于加工。

进一步完善：进气孔沿着轴承体内壁的切线方向设置。气体进入轴承间隙的方向与转子的旋转方向相反，由于在较大轴承间隙中产生的与转子转向相反的附加周向流动，可以部分抵消轴旋转带动气膜的黏性环流，提供了附加阻尼，轴承的稳定性得以改善。进一步完善：轴承体外侧两端加工两个环槽并装设两个O形橡胶圈，使装在氦透平膨胀机机体上的轴承体处于弹性支承状态，弹性支承的转子失稳转速比刚性支承的失稳转速大。与普通的刚性支承双排径向小孔供气轴承相比，氦透平膨胀机的失稳转速得到了显著提高。

本实用新型有益的效果是：本实用新型通过引流孔和排气孔合理排出从通气孔流入的气体，同时合理设计通气孔的方向，合理控制气体的流向，避免气体发生黏性环流导致高速运转的主轴失稳，提高主轴的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的俯视图；

图2为图1中A-A方向上的剖视图；

图3为图2中B-B方向上的剖视图；

图4为本实用新型的安装示意图。

附图标记说明：轴承体1，进气孔2，进气接口2-1，节流口2-2，倒角3，引流孔4，排气孔5，环形内腔6，倾斜接口7，径向节流孔8，弹性O型圈安装槽9。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

参照附图：这种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，包括轴承体1，轴承体1上设有进气孔2，轴承体1的外端面与内壁之间设有倒角3，倒角3上设有引流孔4，引流孔4通向轴承体1外。轴承体1上设有贯穿内端面的排气孔5，引流孔4连通排气孔5。引流孔4至少有两个并均匀分布在倒角3上。

进气孔2设有两排并分布在轴承体1的内外段上，轴承体1的内壁上开有环形内腔6，环形内腔6连通排气孔5，环形内腔6设于两排进气孔2之间。进气孔2包括外部分的进气接口2-1和内部分的节流口2-2，进气接口2-1内设有倾斜的倾斜接口7，倾斜接口7连通有轴向节流孔8，轴向节流孔8外端贯穿轴承体1的外端面。进气孔2沿着轴承体1内壁的切线方向设置。轴承体1外壁上开有弹性O型圈安装槽9。

本实用新型的气体轴承属于静压气体轴承，密封气由轴承体1外部气源供压密封，氦密封气分流后从上下轴承体1的切向进气孔均匀流入，轴承体1中间有一环形内腔6，用于抵消主轴旋转带动气膜的黏性环流，改善轴承的稳定性，密封气经热端气体轴承轴向节流孔8与主轴的止推面形成气体密封，密封气在冷端气体轴承的下端面与止推气体轴承的上端面形成气体密封。这样主轴与轴承在圆柱面与止推面都形成了气体密封，为在端面和主轴表面形成稳定的气膜，在上部的气体轴承上设置了引流孔4和排气孔5，稳定气流压力，使密封气进入轴承外部的气腔，然后经节流后流出轴承体1外部，进入密封气源，循环使用。

同理下部的气体轴承设置的轴向孔起到了对中部气腔的密封气体导流到外部气腔的作用，起到了稳定密封面的气体压力作用从而提高了主轴运转的平稳性。冷端的气体止推轴承通过上面的小孔与冷端气体轴承下端面形成气体密封，承受轴向力。通过计算得出小孔直径和气膜半径间隙改变对静压气体轴承承载能力和气体消耗量的影响，计算结果表明，在一定范围内小孔直径变小可以使径向静压气体轴承承载能力增大，但小孔直径过小时，在供气条件下，节流小孔会发严重堵塞而导致承载能力急剧下降。

在轴承的具体结构上，采用轴承体与轴承衬嵌套的复合结构。轴承体采不锈钢3Cr13制成，使其能与轴承座有良好的配合。轴承衬采用铜基石墨材料J105材料与主轴的材料3Cr13相配时有良好的抗磨性能。实验中发现即使轴承偶然与主轴有所接触，主轴依然能平稳运转。

虽然本实用新型已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (7)

1.一种用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，包括轴承体（1），轴承体（1）上设有进气孔（2），其特征是：所述轴承体（1）的外端面与内壁之间设有倒角（3），倒角（3）上设有引流孔（4），引流孔（4）通向轴承体（1）外。

2.根据权利要求1所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述所述轴承体（1）上设有贯穿内端面的排气孔（5），所述引流孔（4）连通排气孔（5）。

3.根据权利要求1或2所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述引流孔（4）至少有两个并均匀分布在倒角（3）上。

4.根据权利要求1所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述进气孔（2）设有两排并分布在轴承体（1）的内外段上，所述轴承体（1）的内壁上开有环形内腔（6），环形内腔（6）连通排气孔（5），所述环形内腔（6）设于两排进气孔（2）之间。

5.根据权利要求1所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述进气孔（2）包括外部分的进气接口（2-1）和内部分的节流口（2-2），所述进气接口（2-1）内设有倾斜的倾斜接口（7），倾斜接口（7）连通有径向节流孔（8），径向节流孔（8）外端贯穿轴承体（1）的外端面。

6.根据权利要求1所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述进气孔（2）沿着轴承体（1）内壁的切线方向设置。

7.根据权利要求1所述的用于立式氦透平膨胀机上的静压气体轴承，其特征是：所述轴承体（1）外壁上开有弹性O型圈安装槽（9）。