静压气体推力轴承、压缩机及空调设备

技术领域

本公开涉及轴承技术领域，尤其涉及一种静压气体推力轴承、压缩机及空调设备。

背景技术

离心式压缩机是一种利用高速叶轮旋转产生离心力来进行气体压缩的空调用压缩机，目前常用的有定频、变频、磁悬浮、气悬浮离心式压缩机，其中气悬浮离心式压缩机以其结构简单、无油、无摩擦、成本低等优点，成为未来离心式压缩机发展的趋势。

离心式压缩机是一种压缩冷媒的设备，其主要包括气动系统、传动系统等，并且由于末端负载的不同，其传动系统中的转子两端所受力的大小并不相同，并且随时变化，因此其转子不可避免的往前或者往后窜动，此时就需要在转子系统内布置有气体推力轴承，用来平衡转子向前或者向后的力，因此气体推力轴承对于压缩机的运行稳定性至关重要。

目前压缩机在使用过程中发现，在压缩机处于不同工况时，推力轴承的承载力难以适应转子在变化载荷下的需求。

发明内容

本公开提出一种静压气体推力轴承、压缩机及空调设备，能够使推力轴承自适应地调整其承载能力。

本公开的实施例一方面提出一种静压气体推力轴承，包括：

轴承基座，包括环形座体；

多孔质层，设置于环形座体沿轴向的第一端；

第一箔片，设置于环形座体沿轴向的第二端，且第一箔片与轴承基座之间具有空腔；和

第二箔片，具有弹性，设在空腔内，且通过第一箔片压于环形座体。

在一些实施例中，第二箔片包括：多个弯曲部和多个连接部，各弯曲部和各连接部沿环形座体的周向交替间隔设置，弯曲部沿环形座体的径向延伸，弯曲部沿轴向朝向连接部的一侧整体向外凸出，且各弯曲部的凸出方向一致。

在一些实施例中，在第一箔片不受外力的状态下，第一箔片与环形座体的第二端之间具有第一间隙。

在一些实施例中，还包括第一紧固件，第一箔片包括主体部和多个安装部，各安装部沿环形座体的周向间隔连接在主体部的外周，安装部通过第一紧固件固定于环形座体。

在一些实施例中，环形座体朝向第一箔片的端面上设有第一凹槽，第一箔片朝向轴承基座的端面上第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽形成空腔。

在一些实施例中，轴承基座还包括环形凸棱，沿轴向连接在环形座体的第二端，第一箔片的中心设有第一通孔，第二箔片的中心设有第二通孔，环形凸棱穿过第二通孔和第一通孔，且第一通孔和第二通孔的内径与环形凸棱的外径相适配。

在一些实施例中，环形凸棱沿轴向的外端面上设有第一引气孔，被配置为将气体引导至多孔质层内。

在一些实施例中，环形座体的第一端面设有环形的第三凹槽，多孔质层与第三凹槽的底面沿轴向间隔设置，以使间隔区域形成气腔，气腔与第一引气孔连通。

在一些实施例中，第三凹槽的底面设有支撑部，第三凹槽的内环侧壁上沿周向设有台阶，多孔质层抵靠在支撑部和台阶上。

在一些实施例中，支撑部包括沿周向均匀分布且间隔设置的至少两个圆弧段，第一引气孔沿轴向延伸至与气腔连通，第一引气孔与气腔连通的一端在周向上位于相邻两个圆弧段之间。

在一些实施例中，多孔质层沿轴向高于环形座体的第一端面，多孔质层与环形座体之间通过填充胶连接。

在一些实施例中，环形座体上设有多个第一安装孔，被配置为通过第二紧固件将静压气体推力轴承固定在轴承支座上，各第一安装孔沿周向间隔设置，且沿径向位于第一箔片的外侧。

本公开的实施例另一方面提出一种压缩机，包括：

上述实施例的静压气体推力轴承；以及

转子，包括转轴和推力盘，转轴穿过环形座体的第一中心孔，推力盘与转轴连接，多孔质层与推力盘之间具有用于形成气膜的第二间隙。

在一些实施例中，还包括轴承支座，环形座体与轴承支座固定，轴承基座还包括沿轴向连接在环形座体的第二端的环形凸棱，环形凸棱沿轴向的外端面上设有第一引气孔，轴承支座朝向环形座体的一端设有与环形凸棱配合的第四凹槽，轴承支座内设有第二引气孔，第二引气孔与第一引气孔连通。

本公开的实施例再一方面提出一种空调设备，包括上述实施例的压缩机。

本公开实施例的静压气体推力轴承，通过在推力轴承的止推面的背面增加弹性的第二箔片，由于第二箔片具有一定的变形能力，当推力轴承受到的载荷发生变化时，第二箔片能够通过调整自身的变形量，来调整推力轴承与止推盘之间的气膜间隙，进而自适应地调整轴承承载力的大小。而且，由于第二箔片的弹性作用，还能够为推力轴承提供额外的阻尼，从而减小转系系统工作时产生的振动，进而提高整个转子系统运行的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1为本公开静压气体推力轴承的一些实施例的剖视图；

图2为图1所示静压气体推力轴承的左视图；

图3为图1中的A处放大图；

图4为本公开静压气体推力轴承中轴承基座的一些实施例的剖视图；

图5为图4所示轴承基座的右视图；

图6为图4所示轴承基座的左视图；

图7为本公开静压气体推力轴承中第一箔片的一些实施例的主视图；

图8为图7所示第一箔片的侧视图；

图9为图8中的B处放大图；

图10为本公开静压气体推力轴承中第二箔片的一些实施例的主视图；

图11为图10所示第二箔片的侧视图；

图12为图11中的C处放大图；

图13为本公开静压气体推力轴承中多孔质层的一些实施例的主视图；

图14为图13所示多孔质层的侧视图。

附图标记说明

1、轴承基座；2、第一箔片；3、第二箔片；4、多孔质层；5、气腔；

11、环形座体；111、第一中心孔；112、第一安装孔；113、销孔；121、第二中心孔；122、第一引气孔；114、第三安装孔；12、环形凸棱；13、第一凹槽；14、第三凹槽；141、支撑部；142、台阶；15、空腔；

21、主体部；22、安装部；221、第二安装孔；23、第一通孔；24、第二凹槽；

31、弯曲部；32、连接部；33、第二通孔。

具体实施方式

以下详细说明本公开。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本公开中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。

气悬浮压缩机采用气体推力轴承来平衡转子系统受到的轴向力，目前气体轴承主要分为动压气体轴承与静压气体轴承。

其中，动压气体轴承是一种自作用式柔性轴承，依靠旋转过程中轴承与转子之间形成的一层润滑气膜运行，其原理即为动压原理。静压气体轴承是一种通过小间隙范围内产生的压力气膜来支撑转子系统的，其中气体通过轴承表面的小孔(激光微孔，多孔质孔)进入间隙处，由于一般间隙(0.02mm-0.05mm)较小，气体进入间隙后被挤压导致压力升高，从而起到支撑转子的作用，并且由于转子在运行的过程中，气膜一直存在，因此转子从始至终都仅仅与气膜发生接触，由于气体摩擦系数小，因此静压气体轴承是一种基本无摩擦，损耗小的轴承。

静压气体轴承以其采用的不同的节流方式被分成单小孔节流型、多小孔节流型、微沟槽节流型、微孔节流型、多孔质材料节流型静压气体轴承，其中多孔质静压气体轴承是利用新型多孔质材料作为轴承表面，多孔质材料上分布着成千上万的小孔，其压力分布均匀，并且能够得到一致性良好的润滑气膜，起到良好的转子支撑作用。

多孔质静压气体轴承兼具动压与静压效应，由于转子运行时，其轴线通常不与轴承的中心线重合，而是存在一定的偏转，因此在运行过程中，推力盘与推力轴承之间会产生楔形区域，气体被带入到楔形区域内形成气膜，当不提供外部气源时，在转子启停阶段不可避免的会与轴承摩擦，此时多孔质层的表面会受到严重破坏，该状态下静压气体轴承主要发挥动压效应。当给轴承提供外部气源时，轴承供气气体通过气孔进入到多孔质中去并最终渗透进轴承与推力盘之间的间隙处，从而支撑载荷，此时轴承主要发挥静压效应。当压缩机的转子系统正常运行的状态下，轴承兼具动压与静压效应，因此其具有更好的承载能力。

多孔质静压轴承的直接刚度系数Kxx和Kyy随转速升高而增大，直接阻尼系数Cxx和Cyy随转速升高而减小，因为在转速较高时，动压效应对轴承动态特性的影响远大于静压效应，转速越高，气膜的楔形效应及动压效应就越强，轴承的承载能力就越大，在这种情况下再去改变已经形成的气膜厚度分布就越困难，因而轴承就表现出较大的刚度，此外，在高速工况下，轴承间隙中的气体被压缩的程度更高，从而被挤出轴承转子系统，气体减小使气膜运动粘度降低，从而导致轴承的阻尼系数减小，阻尼减小，导致轴承在运行过程中的振动无法抵消，因此轴承的运行稳定性会受到很大的影响。

对于推力轴承，在同一供气气压压力下，同一渗透率的止推多孔质静压轴承的承载力随着气膜厚度的增加而减小，并且离心机工况多变，其产生的轴向力大小持续变化，因此适时调节推力轴承的承载力大小对于更好的平衡转子系统的轴向力具有重要意义，而通过调节推力轴承与推力盘之间的间隙即可以很好的调节轴承的承载力。

基于此，如图1至14所示，本公开提供了一种静压气体推力轴承，在一些实施例中，包括：轴承基座1、多孔质层4、第一箔片2和第二箔片3。

其中，如图4所示，轴承基座1包括环形座体11，环形座体11具有沿轴向设置的第一中心孔111。多孔质层4设置于环形座体11沿轴向的第一端，即图1中的右端，例如采用多孔石墨块。第一箔片2设置于环形座体11沿轴向的第二端，即图1中的左端，且如图3所示，第一箔片2与轴承基座1的外壁之间具有空腔15。第二箔片3具有弹性，设在空腔15内，且通过第一箔片2压于环形座体11。第一箔片2和第二箔片3都采用金属材料。

该实施例在推力轴承的止推面的背面增加弹性的第二箔片3，由于第二箔片3具有一定的变形能力，当推力轴承受到的载荷发生变化时，轴承当前的承载能力已经不能与轴向载荷平衡，转子会沿轴向窜动，轴向载荷施加的作用力与气膜的反作用力会使第二箔片3发生变形，即第二箔片能够通过调整自身的变形量，来调整推力轴承与止推盘之间的气膜间隙，进而自适应地调整轴承承载力的大小。

而且，由于第二箔片3的弹性作用，还能够为推力轴承提供额外的阻尼，从而吸收转子的振动能量从而减小转子在轴向上的振动，进而提高整个转子系统运行的稳定性。

另外，由于第二箔片3的弹性作用，当转子在转动过程中发生倾斜时，其弹性可以使转子回位并重新运转平稳从而提高整个转子系统的运行稳定性。

如图10至12所示，第二箔片3包括：多个弯曲部31和多个连接部32，各弯曲部31和各连接部32沿环形座体11的周向交替间隔设置，弯曲部31沿环形座体11的径向延伸，弯曲部31沿径向的各处宽度一致。弯曲部31沿轴向朝向连接部32的一侧整体向外凸出，且各弯曲部31的凸出方向一致。由此，各弯曲部31和各连接部32沿周向形成波浪形的结构。

例如，弯曲部31为C形、三角形、方形结构或梯形结构等，连接部312为与环形座体11的端面贴合的平板。

该实施例通过将第二箔片3设计为波纹结构，从而具有良好的弹性变形能力，由于弯曲部31沿轴向凸出，因此能够在轴承受到的轴向力发生变化时，迫使第二箔片3通过自身变形，使轴承具备了一定的自适应能力，由此可使轴承的止推面与推力盘之间的间隙可调，而对于多孔质静压气体轴承，其承载力与气膜厚度成比例关系，因此其承载力可调。而且，其也能够给轴承提供额外的高阻尼。另外，第二箔片3远离弯曲部31的一侧为平面，可使第二箔片3的平面与环形座体11接触，弯曲部31的顶部与第一箔片2接触，以提高第二箔片3的安装稳定性，且在第一箔片2受到轴向力时更容易使第二箔片3发生变形。可选地，相邻弯曲部31也可朝向相反的方向凸出。

如图3所示，在第一箔片2不受外力的状态下，第一箔片2与环形座体11的第二端之间并非完全贴合，具有第一间隙L，例如0.01mm-0.03mm，该间隙可在装配过程中通过塞尺检测。设置第一间隙L的主要目的是使第一箔片2在受到轴承支座的挤压时，能够沿轴向移动从而压缩第二箔片3，发挥第二箔片3的弹性变形能力。第一间隙L不宜太大，防止移动距离过大而导致气膜无法生成。

如图2所示，本公开的静压气体推力轴承还包括第一紧固件，第一箔片2包括主体部21和多个安装部22，各安装部22沿环形座体11的周向间隔连接在主体部21的外周，安装部22通过第一紧固件固定于环形座体11。

具体地，各安装部22均匀地分布地主体部21的外周，如图2所示，安装部22上设有第二安装孔221，如图5所示，环形座体11上设有第三安装孔114，第一紧固件穿过第二安装孔221和第三安装孔114将第一箔片2与环形座体11连接，第一紧固件仅仅需要预紧，不需彻底拧紧。

在一些实施例中，环形座体11朝向第一箔片2的端面上设有第一凹槽13，第一箔片2朝向轴承基座1的端面上第二凹槽24，第一凹槽13和第二凹槽24形成空腔15。第一箔片2位于第一凹槽13外围的平面与环形座体11之间具有第一间隙L。

通过设置第一凹槽13和第二凹槽24形成空腔15，能够对第二箔片3进行径向和轴向限位，使第二箔片3能够稳定地进行变形。而且，通过设计空腔15的轴向尺寸，能够将第二箔片3可靠地压在环形座体11上。

在一些实施例中，如图1所示，轴承基座1还包括环形凸棱12，沿轴向同轴连接在环形座体11的第二端，环形凸棱12具有第二中心孔121。

第一箔片2的中心设有第一通孔23，第二箔片3的中心设有第二通孔33，环形凸棱12穿过第二通孔33和第一通孔23，且第一通孔23和第二通孔33的内径与环形凸棱12的外径相适配。

该实施例通过设置环形凸棱12，能够对第一箔片2和第二箔片3进行定位，以防发生窜动，从而使得第二箔片3能够稳定地沿轴向发生弹性变形。而且，能够防止第二箔片3由于其它方向的变形导致轴承无法与轴承支座贴紧导致气体泄漏。

如图2所示，环形凸棱12沿轴向的外端面上设有第一引气孔122，被配置为将外部的气体引导至多孔质层4内，以在多孔质层4与推力盘之间形成气膜。

在一些实施例中，如图1和图4所示，环形座体11的第一端面设有环形的第三凹槽14，多孔质层4与第三凹槽14的底面沿轴向间隔设置，以使间隔区域形成气腔5，气腔5与第一引气孔122连通。外部引入的气体通过第一引气孔122进入到气腔5内，再从多孔质层4的各小孔进入到止推面与推力盘之间形成的间隙中以形成气膜。

通过设置气腔5，能够使气体在进入多孔质层4内时，先在气腔5内聚集，以使气体更加稳定充足地进入到多孔质层4，以提高形成气膜的稳定性。

如图1和图4所示，第三凹槽14的底面设有支撑部141，第三凹槽14的内环侧壁上沿周向设有台阶142，多孔质层4抵靠在支撑部141和台阶142上，以使多孔质层4与第三凹槽14底面间隔设置。通过支撑部141和台阶142共同支撑多孔质层4，能够防止多孔质层4在受到压力较大发生断裂。

如图6所示，支撑部141包括沿周向均匀分布且间隔设置的至少两个圆弧段，例如设置四个圆弧段，各圆弧段可位于第三凹槽14沿径向的中间位置。第一引气孔122沿轴向延伸至与气腔5连通，第一引气孔122与气腔5连通的一端在周向上位于相邻两个圆弧段之间。

此种支撑部141能够在多孔质层4的整个周向上都进行均匀稳定的支撑，将第一引气孔122与气腔5连通的一端设在相邻两个圆弧段之间，能够使气体通过第一引气孔122进入后，同时快速地进入到气腔5被圆弧段分隔开的内外腔，可使气体在多孔质层4径向各处的进入量分布均匀，从而提高气膜的稳定性。如图4和图5所示，由于环形凸棱12的外径小于圆弧段的内径尺寸，因此，第一引气孔122位于圆弧段沿径向的内侧，但是气体进入后可通过相邻圆弧段之间的间隙快速地进入到圆弧段的外侧。

如图1所示，多孔质层4远离气腔5的端面沿轴向高于环形座体11的第一端面，多孔质层4与环形座体11之间通过填充胶连接。通过设置高度差，容易填充胶，能够对多孔质层4可靠地固定。

在一些实施例中，环形座体11上设有多个第一安装孔112，被配置为通过第二紧固件将静压气体推力轴承固定在轴承支座上，各第一安装孔112沿周向间隔设置，且沿径向位于第一箔片2的外侧。各第一安装孔112所在的分度圆直径可大于各第三安装孔114所在的分度圆直径。第二紧固件仅需要预紧，无需彻底拧紧，以使推力轴承具有轴向移动余量，以调整用于形成气膜的第二间隙的大小。

为了提高定位精度，在环形座体11上还设有销孔113，以通过销钉对环形座体11和轴承支座的连接进行定位。

在转子工作过程中，由于转子受到轴向力会沿轴向窜动，从而使第二间隙内的气膜压力改变，由此会使轴承移动，以通过调整气膜间隙改变轴承的承载能力。在轴承移动的过程中，第一箔片2会远离或贴近轴承支座，从而压缩或释放第二箔片3，但是第二箔片3最终不会离开轴承支座。

本公开上述实施例的静压气体推力轴承，由于第二箔片3具有弹性变形能力，使其气膜间隙可调，因此其承载能力可以随不同的工况变化而变化，例如名义制冷、IPLV75％、IPLV50％、IPLV％25等，具有较好的适应性，还能提高转子系统运行的稳定性，由此在转速较高的工况下，也能提升转子系统工作的稳定性和自适应性。而且，第二箔片3能够给轴承提供额外的高阻尼，在高转速状态下，能够很好的弥补静压止推轴承在高转速状态下低阻尼的缺点，减小轴承工作过程中产生的振动。

其次，本公开提供了一种压缩机，例如，压缩机可以是离心式压缩机。在一些实施例中，包括：上述实施例的静压气体推力轴承以及转子，转子包括转轴和推力盘，转轴穿过环形座体11的第一中心孔111和环形凸棱12的第二中心孔121，推力盘与转轴连接，多孔质层4的止推面与推力盘之间具有用于形成气膜的第二间隙。

该实施例的压缩机在处于不同工况时，转子受到的轴向力会发生较大变化，由于推力轴承的第二箔片3具有一定的变形能力，能够通过调整自身的变形量，来调整推力轴承与止推盘之间的气膜间隙，进而自适应地调整轴承承载力的大小，因此在压缩机的各工况下均能够使推力轴承具备稳定的止推力，提高自适应性。而且，由于第二箔片3的弹性作用，还能够为推力轴承提供额外的阻尼，从而减小转系系统工作时产生的振动，进而提高压缩机运行的稳定性。

在一些实施例中，压缩机还包括轴承支座，用于固定推力轴承，环形座体11通过第二紧固件与轴承支座的端面固定，轴承基座1还包括沿轴向连接在环形座体11的第二端的环形凸棱12，环形凸棱12沿轴向的外端面上设有第一引气孔122，轴承支座朝向环形座体11的一端设有与环形凸棱12配合的第四凹槽，轴承支座内设有第二引气孔，第二引气孔与第一引气孔122连通。

该实施例通过将环形凸棱12与第四凹槽配合，不仅能够实现轴承的定位，还能通过轴承支座内部的第二引气孔将气体供应至第一引气孔122，解决了由于轴承与轴承支座之间由于距离微小变化导致供气密封困难的情况。

再次，本公开提供了一种空调设备，包括上述实施例的压缩机。

以上对本公开所提供的一种静压气体推力轴承、压缩机及空调设备进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。