CN210003664U - 一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承。现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。本申请提供了一种多级弹性支撑组件，包括依次排列的平箔和弹性筒箔片；所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状，所述弯卷部为多层弯卷。分级承担刚度与载荷。增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

Description

一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承

技术领域

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承。

背景技术

动压式气体轴承是在转轴和轴承两相对运动的表面之间形成楔形间隙，气体因本身粘性而被带动在此楔形间隙中被压缩而产生压力场，从而支承转子的高速旋转。显然动压气体轴承的气膜刚度较静压气体轴承为低，但其动压效果将随转速的增加而明显增大。其突出优点是无需外带压力气源，这对降低装置的复杂性，提高透平机械的经济性及扩大其使用范围是十分有利的。随着科学技术的不断发展，由于传统刚性轴承表面形变有限，柔性表面气体轴承以其稳定性高，面接触摩擦损失小，能随时调整工作间隙等优点受到了广泛应用。应用较多的是弹性箔片动压气体轴承，分为径向轴承和止推轴承两种。其中弹性箔片动压气体止推轴承支承在弹性组件的柔性箔片上的，能较好地适应止推盘的扭曲变形及不对中，使箔片轴承具有稳定性高、耐振动、耐冲击、对转子不同心度不敏感、对热变形、放射性不敏感等优点，同时发生轴承事故时轴承产品的修复性好，因此被广泛应用于航空航天领域的高速轻载旋转机械上。

目前弹性箔片动压气体止推轴承的结构形式主要有螺旋槽型、管支承型、波箔型及平箔型，其中悬臂型及波箔型箔片止推轴承已广泛应用于透平膨胀机、燃气涡轮、涡轮增压器、涡轮制冷机、离心式压缩机、高速离心泵、高速风机等高速旋转机械，取得了良好的经济效益。传统波箔轴承是由构成轴承表面的平箔和具有许多弹性波结构的波箔组成，平箔支承在波箔上，波箔为顶层平箔提供了弹性基础并控制了轴承表面刚度，具有一定的承载力和稳定性，但存在结构设计复杂、制造精度要求及成本高的缺点，同时刚度和阻尼不是轴向、周向和径向任意位置完全可调的。

现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

基于现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击的问题，本申请提供了一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种多级弹性支撑组件，包括依次排列的平箔和弹性筒箔片；

所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状，所述弯卷部为多层弯卷。

可选地，所述弯卷部另一侧与平箔相接触。

可选地，所述弯卷部排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布。

可选地，所述弹性筒箔片与所述平箔层叠方式包括整体加工多层组合或分体加工多层叠合。

可选地，所述弯卷部与所述通孔固定连接。

可选地，所述通孔呈长方形。

可选地，所述平箔上设置有第一连接板，所述第一连接板与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片上设置有第二连接板，所述第二连接板与所述弹性筒表面一端相连接，所述弹性筒表面另一端自由。

本申请还提供一种动压气体径向轴承，包括轴承座和所述多级弹性支撑组件，所述轴承座内侧设置有所述多级弹性支撑组件，所述多级弹性支撑组件通过定位元件与所述轴承座相连接；

所述多级弹性支撑组件包括由内到外依次排列的所述平箔和所述弹性筒箔片。

可选地，所述定位元件与所述第一连接板固定连接；所述定位元件与所述第二连接板固定连接。

可选地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种多级弹性支撑组件及动压气体径向轴承的有益效果在于：

本申请提供的多级弹性支撑组件，通过弹性筒箔片上的弯卷部双侧面接触，相比于鼓泡的点接触与波箔的单侧线接触，面接触降低了转子的启动摩擦力矩，减小了转子和轴承表面的摩擦损伤，在小摩擦力矩下，库伦阻力小便于滑移；在主轴转动过程中，结构阻尼小能量损耗小；阻尼作用可使弯卷部只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性，适应微小尺寸变化与更大范围的承载力。弯卷部由裁剪出的矩形钢板或铜板多层弯卷而成，自由端焊接在底部，相当于拱径不同的弯卷叠放在一起。各层弯卷拱径大的弯卷刚度最小，其余各级刚度依次增大。在较小的轴承载荷下，最顶层弯卷最先变形，当载荷大到一定值时，与下一级弯卷相接触，分级承担刚度与载荷。载荷越大，产生弹性变形的层数越多，轴承的结构刚度越大。传统气体轴承转动累积的摩擦热只能通过轴承座上表面和侧面的通孔散出，而弹性筒箔片上含有相互独立的壳型凸起与弯卷后的通孔，通过改变弯卷部布置方式、位置等改变轴承内气体流通性能，增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

附图说明

图1是本申请的一种多级弹性支撑组件结构示意图；

图2是本申请的一种多级弹性支撑组件结构展开示意图；

图3是本申请的弯卷部第一排布方式示意图；

图4是本申请的弯卷部第二排布方式示意图；

图5是本申请的弯卷部第三排布方式示意图；

图6是本申请的单层弹性筒箔片弯卷部结构示意图；

图7是本申请的多级弹性支撑组件整体加工卷曲叠合；

图8是本申请的多级弹性支撑组件分体加工多层叠合；

图9是本申请的一种动压气体径向轴承结构示意图；

图中：1-平箔、2-弹性筒箔片、3-弹性筒表面、4-通孔、5-弯卷部、6-第一连接板、7-第二连接板，8-轴承座、9-定位元件、10-主轴。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

气体润滑技术起源于19世纪中叶，气体润滑轴承作为无接触、高转速、低功耗、高精密支承技术，广泛应用于离心机、压缩机、风机和泵等旋转机械中，尤其是在超高温、超低温极强辐射等特殊条件下。弹性箔片气体轴承作为气体动压润滑技术的重要分支，在20世纪70年代有了突破性的进步和发展：采用自作用柔性表面以取代传统的刚性表面；同时采用耐高温、耐磨损先进材料制作箔片以及在支承结构中引入内摩擦阻尼等一系列措施，使得弹性箔片气体轴承在提高承载力、扩大转速范围、增加对于高/低温环境的适应性和系统稳定性等方面都取得了显著进步，广泛应用于航空航天和国防军工领域，包括新一代战机、高温燃气轮机、巡航导弹、超低温冷却系统等。

参见图1～8，本申请提供一种多级弹性支撑组件，包括依次排列的平箔1和弹性筒箔片2；

所述弹性筒箔片2包括弹性筒表面3，所述弹性筒表面3上设置有若干通孔4，所述通孔4与弯卷部5一侧相连接，所述弯卷部5呈凸起状，所述弯卷部5为多层弯卷。

多层弯卷改变弹性范围，实现分级承压。

进一步地，所述弯卷部5另一侧与平箔1相接触。

弯卷部5为双侧面接触，小摩擦力矩下便于滑移变形；同时沿形变方向弯卷逐级连接，拱向半径减小刚度依次增大；底层弯卷处理后为具有弯卷长度镂空孔隙的平箔1，承载时绕流强化气体换热，改善润滑特性。

进一步地，所述弯卷部5排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布。

其中弯卷部5与通孔4的相对位置可根据受力情况调换；也可通过改变弯卷部5弯卷数目、大小和分布密度改变支承面积，调节刚度阻尼，提升轴承的承载力。

进一步地，所述弹性筒箔片2与所述平箔1层叠方式包括整体加工多层组合或分体加工多层叠合。

进一步地，所述弯卷部5与所述通孔4固定连接。

进一步地，所述通孔4呈长方形。

进一步地，所述平箔1上设置有第一连接板6，所述第一连接板6与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片2上设置有第二连接板7，所述第二连接板7与所述弹性筒表面3一端相连接，所述弹性筒表面3另一端自由。

第一连接板6与平箔表面的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接；第二连接板7与弹性筒表面3的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接。

也就是说是第一连接板6可以由平箔1弯折形成，也即第一连接板6可以是平箔1的延长段；第二连接板7可以由弹性筒箔片2弯折形成，同理，第二连接板7为弹性筒箔片2的延长段。

参见图9，本申请还提供一种动压气体径向轴承，包括轴承座8和所述多级弹性支撑组件，所述轴承座8内侧设置有所述多级弹性支撑组件，所述多级弹性支撑组件通过定位元件9与所述轴承座8相连接；

所述多级弹性支撑组件包括由内到外依次排列的所述平箔1和所述弹性筒箔片2。

弹性筒箔片2的底层平箔1与轴承座8内侧贴合，弯卷凸起顶端沿周向排布并与顶层平箔1接触，多级弹性支撑组件在轴承座8内具有轴承抬起、径向变形和周向滑移的空间。

进一步地，所述定位元件9与所述第一连接板6固定连接；所述定位元件9与所述第二连接板7固定连接。

多级弹性支撑组件一端通过定位元件9固定在轴承座8上，另一端自由。

进一步地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。或利用轴承座8凸起结构将气体轴承固定在轴承座8上。弹性筒箔片2的延展及滑移方向与主轴10旋转方向相反。

参照图1～2对轴承工作原理进行描述：

1)当轴承承受径向载荷或均匀分布载荷时，顶层平箔1发生拱高变化和周向滑动可将载荷转移到下层弹性筒箔片2上，弯卷部5两端与箔片均为弧形面接触，且多圈分级承压，超出单级承载力范围便会接触到下级弯卷，将力传递下去，相当于多个弯卷沿形变方向依次连接，刚度逐渐增大，载荷作用下周向和径向形变与滑移特性较单层弹性筒箔片2有较大幅度的提高。轴承上依次分布的弯卷部5能将承载力重新分配、均匀转移到轴承座上，同时产生适应性刚度和阻尼使得承担载荷范围更宽，及时消耗轴向的不稳定涡动而达到减振的效果。

2)在转子启、停初期与主轴10高速运转过程中，轴和轴承表面易发生干摩擦，或出现主轴10倾斜使得振幅加大，造成磨损。在安装初期，可根据承载力大小选择弯卷部5并确定箔片预紧力。载荷较大时选择弯卷个数或弯卷层数较多的箔片，并提供较小预紧力，此时轴承弹性形变加大自对中性增强，防止发生刚性碰撞；载荷较小时选择较少个数或层数的弹性筒箔片2并提高预载荷，调整运转中的转动精度与支撑刚度，轴承稳定性增强。

3)当轴承正常工作时，主轴10和顶层平箔1发生相对运动，当相对运动速度达到一定值时，在轴颈与轴承间隙内产生连续的压力和气膜厚度分布，从而形成一层完整的气体润滑膜，起到支承转子的作用。随着转速的增大，气体润滑膜受压后引起顶层平箔1的变形和滑动，结构的多样化使弹性筒箔片2在载荷作用下产生较大范围的弹性形变与滑移，为轴承提供了主要的弹性支承。同时转子与轴承间高速运动产生大量摩擦热，弯卷为绕流元件，空气为润滑剂，起到润滑和散热的作用，提高动压气体径向轴承的整体性能。

改变参数的影响：由弹性筒箔片2和顶层平箔1构成的多级弹性支撑组件在轴承座8内具有轴承抬起、径向变形和周向滑移的空间，具有良好的静、动态特性和稳定性。主要是依靠弹性筒箔片2的结构改变、重组布置以及与平箔1的配合来实现的。

(1)通过改变弯卷部5布置方向与排布方式来调整轴承刚度和阻尼。弯卷部5可按设计要求采取不同密度的壳型凸起。如采取平行分布、交错分布及非均匀分布等均衡承载力，调整刚度及弹性变化量。也可调整弯卷部5的弯卷方向，交错组合多种排布方式，改变弯卷部5支承点位置，从而改善箔片轴承整体刚度与弹性变化量，改善阻尼特性。

(2)通过适当增减弯卷部5的数量、密度及弯卷级数对轴承支承特性进行局部和整体调节。弯卷部5数量越多轴向可承载力越大载荷分布越均匀，但弯卷部5过多时加工复杂，阻尼作用使其易发生轴向变形而不易滑移形变，降低了轴承对主轴10偏心振动的调节。一定范围内弯卷级数增多，可分级承压使承载力均匀传递到轴承座8上。但弯卷级数较多时弹性筒箔片2上间隙增大，箔片自身刚度降低，不利于形成强支撑高速运转轴承的稳定润滑气膜。

加工方法及组合方式：弹性筒箔片2一般采用铜板或钢板，其中弯卷部5即壳型凸起由锉刀冲压或激光切割弯折机将箔片沿矩形长度方向受热弯卷而成，保证各级间弯卷半径不同，切割后含有矩形通孔4的底箔与弯卷部5相连，起固定元件、均衡轴向力和流通散热的作用。为防止启、停时由于气膜还未形成转子与径向轴承间发生干摩擦，出现摩擦损毁，可在平箔片表面加涂层以达到润滑效果。

本申请提供的多级弹性支撑组件，通过弹性筒箔片2上的弯卷部5双侧面接触，相比于鼓泡的点接触与波箔的单侧线接触，面接触降低了转子的启动摩擦力矩，减小了转子和轴承表面的摩擦损伤，在小摩擦力矩下，库伦阻力小便于滑移；在主轴10转动过程中，结构阻尼小能量损耗小；阻尼作用可使弯卷部只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性，适应微小尺寸变化与更大范围的承载力。弯卷部5由裁剪出的矩形钢板或铜板多层弯卷而成，自由端焊接在底部，相当于拱径不同的弯卷叠放在一起。各层弯卷拱径大的弯卷刚度最小，其余各级刚度依次增大。在较小的轴承载荷下，最顶层弯卷最先变形，当载荷大到一定值时，与下一级弯卷相接触，分级承担刚度与载荷。载荷越大，产生弹性变形的层数越多，轴承的结构刚度越大。传统气体轴承转动累积的摩擦热只能通过轴承座上表面和侧面的通孔散出，而弹性筒箔片2上含有相互独立的壳型凸起与弯卷后的通孔，通过改变弯卷部5布置方式、位置等改变轴承内气体流通性能，增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种多级弹性支撑组件，其特征在于：包括依次排列的平箔(1)和弹性筒箔片(2)；

所述弹性筒箔片(2)包括弹性筒表面(3)，所述弹性筒表面(3)上设置有若干通孔(4)，所述通孔(4)与弯卷部(5)一侧相连接，所述弯卷部(5)呈凸起状，所述弯卷部(5)为多层弯卷。

2.如权利要求1所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述弯卷部(5)另一侧与平箔(1)相接触。

3.如权利要求1所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述弯卷部(5)排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布。

4.如权利要求1所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述弹性筒箔片(2)与所述平箔(1)层叠方式包括整体加工多层组合或分体加工多层叠合。

5.如权利要求1～4中任一项所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述弯卷部(5)与所述通孔(4)固定连接。

6.如权利要求5所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述通孔(4)呈长方形。

7.如权利要求6所述的多级弹性支撑组件，其特征在于：所述平箔(1)上设置有第一连接板(6)，所述第一连接板(6)与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片(2)上设置有第二连接板(7)，所述第二连接板(7)与所述弹性筒表面(3)一端相连接，所述弹性筒表面(3)另一端自由。

8.一种动压气体径向轴承，其特征在于：包括轴承座(8)和如权利要求7所述的多级弹性支撑组件，所述轴承座(8)内侧设置有所述多级弹性支撑组件，所述多级弹性支撑组件通过定位元件(9)与所述轴承座(8)相连接；

所述多级弹性支撑组件包括由内到外依次排列的所述平箔(1)和所述弹性筒箔片(2)。

9.如权利要求8所述的动压气体径向轴承，其特征在于：所述定位元件(9)与所述第一连接板(6)固定连接；所述定位元件(9)与所述第二连接板(7)固定连接。

10.如权利要求9所述的动压气体径向轴承，其特征在于：所述固定连接包括销钉定位和焊条焊接。

Images