具有轴向可变刚度和粘弹性结构的动压气体径向轴承

摘要

本发明公开了一种具有轴向可变刚度和粘弹性结构的箔片动压气体轴承结构，包括轴承座以及固定在轴承座上的箔片元件，其特征在于，箔片元件的顶层为光滑的金属平箔片，中间层为耐高温的粘弹性箔片，底层为具有泡状突起的金属箔片，泡状突起高度沿轴向逐渐变化；箔片元件的缠绕方向与转子的旋转方向相反。与现有技术相比，本发明轴承结构简单、易于加工装配，粘弹性箔片可以改善泡状突起的应力集中状况，同时能吸收转子-轴承系统运行时的振动和冲击，抑制转子振幅的增大；底层箔片可削弱轴颈倾斜对气膜间隙带来的不利影响，降低轴承表面损伤的可能性，不仅明显提高箔片动压气体轴承的运行可靠性，而且还能提高箔片动压气体轴承的承载力。

说明书

技术领域

本发明涉及高速旋转机械用的、具有轴向可变刚度和粘弹性结构的箔片动压气体轴承结构。 

背景技术

箔片动压气体轴承有着转速高、寿命长、稳定性好等优点，在高速旋转机械(如透平膨胀机、透平压缩机、涡轮增压机等)上有着广泛的应用。目前常用的箔片动压气体轴承结构为波箔型箔片轴承，其制作工艺复杂、加工水平要求高、资金投入巨大，再加上波箔轴承应用的场合为高科技以及军工产品，其研究结果和设计准则鲜有报导。为开发适应于国内加工水平、结构简单、易于制造的箔片动压气体轴承，西安交通大学提出了一种具有径向支撑的动压气体径向轴承结构并进行了相关试验研究，该轴承结构如图1所示，试验结果表明这种箔片动压气体径向轴承结构非常简单、具有较高的稳定性，但是和其他箔片动压气体径向轴承相比，承载力稍显不足。特别是当载荷超过一定限度，底层箔片的泡状突起很容易把顶层箔片顶破，对顶层箔片造成机械损伤，或者底层箔片的泡状突起被顶层箔片压扁，从而严重影响了该动压气体轴承的承载性能。此外，由于轴承-转子系统在装配过程中，不可避免会出现轴颈倾斜，使得径向轴承远离止推盘的部分与转子之间的间隙减小，增加了该部分轴承损伤的可能性，箔片元件破坏的情况以及轴颈倾斜分别如图2、图3所示。。 

发明内容

发明目的:为了开发应用于高速旋转机械、结构简单、运行稳定、承载力较高的箔片动压气体径向轴承，在现有箔片动压气体轴承的基础上，本发明提出了一种具有轴向可变刚度和粘弹性结构的箔片动压气体径向轴承。本发明的技术解决方案：具有轴向可变刚度和粘弹性结构的箔片动压气体径向轴承，包括轴承座、定位销和支承箔片元件，其特征在于，轴承座装有支承箔片，该支承箔片有三层结构：顶层是一层光滑的金属箔片，为轴承提供支承表面；中间是一层能耐高温的粘弹性橡胶片；底层是一层具有泡状突起的金属箔片，为轴承提供结构刚度和结构阻尼。底层箔片的泡状突起的高度在圆周方向上是一致的，而在轴向上并非均匀，其中靠近止推盘的泡状突起高度较低，远离止推盘的泡状突起高度较高。可替代的技术方案：底层箔片也可以是具有波纹状结构的金属箔片（波箔）或者能够为轴承提供结构刚度和结构阻尼的其他形式的金属箔片。本发明的技术效果：与现有技术相比，本新型轴承具有结构简单、易于加工制造等优点。底层箔片对转子的轴向支承力通过粘弹性箔片传递给顶层箔片，能够显著改善泡状突起（或波纹突起）处的应力集中状况，一方面明显提高顶层箔片和底层箔片运行可靠性，另一方面，也能提高箔片动压气体轴承的承载力。此外，粘弹性箔片能够有效吸收转子-轴承系统运行时振动和冲击，抑制转子振幅的增大，从而大大提升高速旋转机械（如微型透平膨胀机、微型透平压缩机等）的运行稳定性。在轴承倾斜的情况下，底层箔片的泡状突起高度在轴向上的变化，可以远离止推盘的支承箔片可以产生更大变形，有利于轴向气膜间隙的大小更加均匀一致，削弱轴颈倾斜对气膜间隙带来的不利影响，减低轴承表面损伤的可能性，从而提升该轴承运行的稳定性和可靠性。 

附图说明

图1-具有径向支承的动压气体轴承:(a)顶层平箔片，(b)底层泡状突起箔片，(c)为整个动压气体轴承的剖视图，(d)泡状突起剖视图 

图2-被破坏的箔片元件;(a)被顶破的顶层平箔片,(b)压坏的底层泡状突起箔片

图3-轴颈倾斜现象(虚线为倾斜后的轴颈位置)

图4-具有粘弹性结构的箔片动压气体径向轴承的箔片元件：(a)底层箔片轴向剖视图(h1<h2<h3)，(b)支承箔片元件组合图

图5-具有粘弹性结构的箔片动压气体径向轴承装配图：(a)径向剖视图，(b)轴向剖视图

其中，1为顶层平箔片，2为粘弹性橡胶片，3为底层泡状突起箔片，4为定位销，5为转子，6为轴承座，7为止推盘，8为径向轴承。

具体实施方式

本发明公开了一种用于高速旋转机械的具有轴向可变刚度和粘弹性结构的箔片动压气体径向轴承，该轴承由轴承座、支承箔片元件和定位销构成。如图4所示，该轴承的箔片元件有三层结构：即顶层具有光滑表面的金属平箔片1，中间是耐高温的粘弹性橡胶箔片2，底层是具有泡状突起结构的金属箔片3，箔片元件为轴承提供结构刚度和结构阻尼。 如图4(b)所示，制作支承箔片元件时，首先把粘弹性橡胶箔片2固定在顶层平箔片1上，然后将顶层平箔片1和底层泡状突起箔片3一同和定位销4通过焊接或胶接等方式固定在元件一端，最后把整个支承箔片元件缠绕成圆圈，通过定位销4固定在轴承座上即可完成该轴承的装配工作，如图5所示。轴承装配需注意两点：(1)要使泡状突起高度较小的箔片部分靠近止推盘(2)支承箔片的缠绕方向与转子旋转方向相反。当高速旋转机械（如高速透平膨胀机、高速透平压缩机）工作时，如图5所示，转子5相对于径向轴承做高速转动，由于气体的粘性和可压缩性，不断有气体进入气膜间隙较小的区域产生动压效应，使得间隙内的气体压力大于环境压力，一方面能为转子-轴承系统提供承载力，另一方面也使箔片元件产生变形以及各箔片元件的相对位移。箔片元件的变形和位移，能够吸收多余的能量，抑制转子振幅的增大，从而能使整个转子-轴承系统保持良好的稳定性。