一种箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承

技术领域

本发明属于空气轴承技术领域，具体涉及一种箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承。

背景技术

近年来，随着动力装备、涡轮机械和分布式能源等相关领域对可在极端工作条件下运行的高速旋转设备的需求增加，对高能量密度、高效率的轴承技术有了更高的要求。由于气体轴承使用低粘度的气体作为润滑剂，可以极大程度地提升旋转机械的转速、能量密度和效率，在高转速涡轮、空压机、制冷压缩机和微燃机系统中具有广泛的应用。

气体静压轴承由外部供气系统为轴承提供高压气体，高压气体由外部供应经均压槽在轴承和转子间隙内形成高压气膜，从而支承和润滑旋转转子。为了确保高承载能力、高刚度和高能量密度，需要尽量减少转子和轴承之间的间隙，保证润滑气膜的高压力和均匀性。其中，多孔质气体静压轴承利用多孔质材料自身的孔隙特性，可以获得一致性良好的润滑气膜。由于供气面积大和气压分布均匀，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，由于在高载荷和高转速等极端运行工况下难以保证轴承间隙，且气体的可压缩性和非线性使得在极高DN值（转速和轴径的乘积）工况下易出现涡动失稳现象，使转子的动态稳定性下降，存在高速转子-轴承碰摩的风险。上述工况和潜在的风险制约了气体静压轴承在高转速下的应用。

可倾瓦气体动压轴承由多块可以绕其枢轴转动的轴瓦与轴承套组成，轴瓦与轴承套之间由柔性支撑连接，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，然而由于可倾瓦气体动压轴承自身阻尼性能弱，在特定工况下润滑气膜的非线性刚度会引发轴瓦共振。

箔片气体动压轴承在轴承套内加装箔片结构 作为支承耗能元件，由于箔片的弹性变形、各箔片之间位移产生的库伦摩擦能有效吸收耗散转子的振动能量。具有较高的承载能力和稳定性，近年来在小型高转速旋转设备上得到了广泛应用。

但是箔片气体动压轴承在起停阶段、转子转速较低和气体动压效应较弱时，存在转子与顶箔的接触，会产生摩擦磨损；同时，在极高转速下，轴承的承载能力和阻尼特性取决于弹性箔片结构，其支承的转子重量有限，制约了设备的功率量级。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，应对涡动失稳现象的能力高,轴承的动态稳定性好的箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承。

本发明采用的技术方案是：一种箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承，包括轴承套、多个多孔质轴瓦和箔片结构;轴承套包括轴承内壁和多个可倾瓦，可倾瓦的瓦背中部分别通过一柔性铰链与轴承内壁连接成一体，可倾瓦沿着圆周方向等间隙布置；每个可倾瓦内壁上设有一个多孔质轴瓦；轴承套上对应于每个柔性铰链设有一个进气孔，进气孔穿过柔性铰链连通相对应的可倾瓦内壁，相邻的两可倾瓦、柔性铰链及轴承内壁围成的腔隙内设有箔片结构。

进一步的，轴承套包括3、4或5个可倾瓦；可倾瓦内壁上设有多个均压槽及连通槽，多个均压槽通过连通槽连通；所述的进气孔的内口开设在连通槽内。

进一步的，所述的轴承内壁上每个柔性铰链的两侧分别设有一个插槽，箔片结构的两端插装在插槽内。

进一步的，多孔质轴瓦采用多孔质石墨制成；多孔质轴瓦的弧度与可倾瓦的弧度相同，多孔质轴瓦通过胶水粘接紧贴在可倾瓦内壁上。

进一步的，所述均压槽的截面形状是圆形、矩形、菱形或半圆形。

进一步的，箔片结构的两端设有折边，折边插装在插槽内；箔片结构由内向外依次包括粘弹性顶箔Ⅰ、粘弹性顶箔Ⅱ、多悬臂型箔片和粘弹性顶箔Ⅲ；粘弹性顶箔Ⅰ、粘弹性顶箔Ⅱ、粘弹性顶箔Ⅲ及多悬臂型箔片为弧形；粘弹性顶箔Ⅰ和粘弹性顶箔Ⅱ以相反的方向固定；粘弹性顶箔Ⅲ与多悬臂型箔片沿插槽同向布置；多悬臂型箔片设有多个支撑部，支撑部为燕尾形状，支撑部自插槽到可倾瓦外沿逐渐变小。

进一步的，粘弹性顶箔Ⅰ、粘弹性顶箔Ⅱ、粘弹性顶箔Ⅲ的材料热处理之后的为SUS301，其表面均镀层了粘弹性材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1）本发明结构简单，其可倾瓦上设有均压槽，轴瓦采用多孔质轴瓦，外部供气系统为轴承提供高压气体，高压气体由外部供应经均压槽、多孔质轴瓦在轴承和转子间隙内形成高压气膜，从而支承和润滑旋转转子，提高了支承的转子重量，提升了设备的功率量级。本发明利用多孔材料自身的孔隙特性，得到一致性良好的润滑气膜，由于供气面积大和气压分布均匀，增强大了轴承的承载能力。

2）本发明采用可倾瓦作为多孔质轴瓦的固定结构，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，同时在诸如极高DN值（转速和轴径的乘积）工况下，轴承间隙会主动改变，适应楔形效应的作用，提高了应对涡动失稳现象的能力,提高轴承的动态稳定性。

3）本发明的箔片结构包括粘弹性顶箔Ⅰ、粘弹性顶箔Ⅱ、粘弹性顶箔Ⅲ及多悬臂型箔片四层，多层结构并联支撑可倾瓦，有效提升轴承刚度，增大轴承的承载能力；由于箔片结构的弹性变形会造成各层之间的相对位移，依靠相邻层之间产生的库伦摩擦能有效吸收耗散转子的振动能量，可以显著提高轴承的阻尼特性，有效防止可倾瓦共振，进而提高轴承-转子系统的稳定性。

4）本发明的多悬臂型箔片的支撑部设计为燕尾形状，其周向燕尾的大小自插槽到可倾瓦外沿逐渐变小，进而获得对应变化的支撑刚度，以更好地适应可倾瓦的偏转，有益于轴承-转子系统的稳定。本发明在延续可倾瓦气体轴承优势的情况下，增大了轴承阻尼的同时不限制可倾瓦的摆动，提高了轴承-转子系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明轴承套结构示意图。

图3为本发明整体结构剖视图。

图4为本发明多孔质轴瓦的结构示意图。

图5为本发明箔片结构组成及其主要形状参数示意图。

图6为本发明箔片结构中多悬臂型箔片及其主要形状参数示意图。

图7为五瓣式箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承结构示意图。

图8为三瓣式箔片-可倾瓦多孔质气体径向轴承结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1-图6所示，本发明包括轴承套1、四个多孔质轴瓦2（不限于四个，至少三个。如图7、8所示，可以三个，也可以五个）和箔片结构3;轴承套1包括轴承内壁9和多个可倾瓦5，可倾瓦5的瓦背中部分别通过一柔性铰链4与轴承内壁9连接成一体，可倾瓦5沿着圆周方向等间隙布置。可倾瓦5以柔性铰链4为摆动支点，使得多孔质轴瓦2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，同时在诸如极高DN值（转速和轴径的乘积）工况下，轴承间隙会主动改变，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。

每个可倾瓦内壁8上设有一个多孔质轴瓦2。多孔质轴瓦2采用多孔质石墨制成；多孔质轴瓦2的弧度与可倾瓦5的弧度相同，多孔质轴瓦2通过胶水粘接紧贴在可倾瓦内壁8上。多孔质轴瓦2利用多孔材料自身的孔隙特性，得到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，进而增强了轴承的承载能力。轴承套1上对应于每个柔性铰链4设有一个进气孔6，进气孔6穿过柔性铰链4连通相对应的可倾瓦内壁8，相邻的两可倾瓦5、柔性铰链4及轴承内壁9围成的腔隙内设有箔片结构3。

可倾瓦内壁8上设有多个均压槽7及连通槽，多个均压槽7通过连通槽连通；所述的进气孔6的内口开设在连通槽内。均压槽7及连通槽都为矩形，均压槽7还可以采用圆形、菱形或半圆形。进气孔6沿连通槽均分到5条沿可倾瓦5周向等距分布的矩形均压槽7上，从而确保平稳供气。高压气体再经过多孔质轴瓦2在轴承和转子间隙内形成高压气膜，从而支承和润滑旋转转子，提高了支承的转子重量，提升了设备的功率量级。

所述的轴承内壁9上每个柔性铰链4的两侧分别设有一个插槽10，箔片结构3的两端插装在插槽10内；箔片结构3由内向外依次包括粘弹性顶箔Ⅰ11、粘弹性顶箔Ⅱ12、多悬臂型箔片13和粘弹性顶箔Ⅲ14；粘弹性顶箔Ⅰ11、粘弹性顶箔Ⅱ12、粘弹性顶箔Ⅲ14的材料为热处理后的SUS301，其表面均镀层了粘弹性材料(丙烯酸聚合物)，由于粘弹性箔片在变形过程中会耗散能量，因此粘弹性箔片会进一步增加该轴承的阻尼。本发明可以通过改变粘弹性顶箔Ⅰ11、粘弹性顶箔Ⅱ12和粘弹性顶箔Ⅲ14的厚度进行间隙调整和径向预紧。

粘弹性顶箔Ⅰ11设置在粘弹性顶箔Ⅱ12与可倾瓦5之间并和粘弹性顶箔Ⅱ12以相反的方向固定；在轴承运行时，粘弹性顶箔Ⅰ11和粘弹性顶箔Ⅱ12沿彼此向相反的方向运动，从而产生较大的摩擦，进一步增大轴承阻尼。粘弹性顶箔Ⅲ14设置在多悬臂型箔片13与轴承内壁9之间，并与多悬臂型箔片13沿插槽10同向布置。多悬臂型箔片13设有多个支撑部，支撑部为燕尾形状，支撑部自插槽10到可倾瓦3外沿逐渐变小。

如图6所示，多悬臂型箔片13先由线切割加工出箔片燕尾槽镂空结构，再通过弯折形成多悬臂型结构。在轴承运行时，多悬臂型箔片13的燕尾槽与粘弹性顶箔Ⅲ14接触并产生库伦摩擦，能进一步增大阻尼。此外，多悬臂型箔片13的支撑部被设计为燕尾形状，其周向燕尾的大小自插槽10到可倾瓦5外沿逐渐变小，进而获得对应变化的支撑刚度，以更好地适应可倾瓦5的偏转。

本发明的箔片结构5包括粘弹性顶箔Ⅰ、粘弹性顶箔Ⅱ、粘弹性顶箔Ⅲ及多悬臂型箔片四层，多层并联支撑可倾瓦，有效提升轴承刚度，增大轴承的承载能力。由于箔片结构5的弹性变形会造成各层之间的相对位移，依靠相邻层之间产生的库伦摩擦能有效吸收耗散转子的振动能量，可以显著提高轴承的阻尼特性，有效防止可倾瓦共振，进而提高轴承-转子系统的稳定性。多悬臂型箔片的支撑部分被设计为燕尾形状，其周向燕尾的大小自插槽到可倾瓦外沿逐渐变小，进而获得对应变化的支撑刚度，以更好地适应可倾瓦的偏转，有益于轴承-转子系统的稳定。本发明在延续可倾瓦气体轴承优势的情况下，增大了轴承阻尼的同时不限制可倾瓦的摆动，提高了轴承-转子系统的稳定性。采用这种复合结构可提高旋转精度，并确保轴承承载能力和刚度，并能极大的提高轴承-转子系统的稳定性。此外该轴承还能通过添加传感器实时监控转子位置，通过主动调控供气量，降低转子通过临界转速的振动。本发明的装配方式可以是转轴重力方向正对一可倾瓦5中心，也可以是转轴重力方向正对两可倾瓦之间的间隙。