气体轴承组件及压缩机的制作方法

1.本公开涉及轴承领域，尤其涉及一种气体轴承组件及压缩机。


背景技术：

2.气体润滑技术在19世纪中叶被初次提出，并在20世纪中期迅速发展。这种技术的出现打破了液体润滑技术统治性的地位，使得润滑技术产生了质的飞跃。而气体轴承就是基于这项新润滑技术产生的新型轴承，有着摩擦损耗小、稳定性好、振动小、无油润滑等一系列优点，在高速透平、机床制造和空间技术等领域有着广阔的应用前景。
3.气体轴承是指把气体作为润滑剂，并利用气体的吸附性、传输性(扩散性、粘性和热传导性)和可压缩性等特点，在摩擦时基于流体动压效应、静压效应和挤压效应的作用，形成一层气膜使之支承载荷、减少摩擦。
4.根据润滑气膜生成机理的不同，气体轴承可分为动压气体轴承、静压气体轴承和挤压型气体轴承。箔片动压气体径向轴承是目前可查研究文献最多的一种气体轴承，其典型结构一般由轴承壳、顶箔、波箔组成。波箔为具有特殊波形的弹性箔片，工作时，通过波形的弹性变化产生支撑力，为轴承提供主要刚度和部分阻尼；顶箔为长筒形的箔片，在径向上，顶箔一面均匀地搭接在波箔片的每个波纹顶端，通过与波箔的接触产生的摩擦力，为轴承提供另一部分阻尼；顶箔的另一面与转子间隙配合，形成动压效应所需的气膜空间。
5.转轴在重力作用下相对轴承发生偏心，与轴承内表面形成楔形间隙。当转轴在做高速旋转运动时，不断将具有一定粘度的气体带入楔形间隙，而气体的不断进入使得气膜产生一定的压力。当气膜力足以平衡转轴载荷时，轴与轴承完全分离，上述气膜产生的过程称为动压效应。
6.静压气体轴承是指通过外部供气系统提供具有一定压力的气体，然后气体经过轴承节流器输送到轴承和转子的间隙，从而在间隙处形成气膜以支承外载荷。轴承间隙的气膜压力可以通过轴承节流器和供气系统进行调节。按照节流器的不同，常见的有小孔静压气体轴承和多孔质静压气体轴承。


技术实现要素：

7.发明人经研究发现，相关技术中的气体轴承的轴承刚度远低于油轴承，所以使用气体轴承的转子-轴承系统经常跨临界运行。当转子转速在模态(如一阶模态和二阶模态)附近时，转子容易发生共振。当转子振幅过大，以至于大于轴承间隙时，将导致轴承与转子发生碰撞。
8.有鉴于此，本公开实施例提供一种气体轴承组件及压缩机，能够尽量避免气体轴承在工作时与转子发生碰撞。
9.在本公开的一个方面，提供一种气体轴承组件，包括：
10.第一转子，包括位于所述第一转子内部的储气腔和位于所述储气腔径向外侧的节流结构，所述储气腔被配置为通过所述节流结构向所述节流结构外侧输送静压气体；
11.轴承壳体，套设在所述第一转子的外周面上，且具有沿轴向设置的至少一个静压径向轴承段和至少一个动压径向轴承段，
12.其中，所述节流结构与所述至少一个静压径向轴承段在轴向上的长度范围至少部分重合，所述节流结构的静压配合面与所述至少一个静压径向轴承段的间距小于所述第一转子与所述至少一个动压径向轴承段的间距。
13.在一些实施例中，所述第一转子还包括：
14.进气腔，位于所述第一转子沿轴向的一端，并在所述第一转子内部与所述储气腔连通；
15.装配部，位于所述第一转子沿轴向的另一端，被配置为固定连接与所述第一转子同轴的第二转子。
16.在一些实施例中，所述第一转子还包括：
17.多个轴流风叶，沿周向位于所述进气腔的内壁，被配置为在所述第一转子转动时，将所述第一转子外部的气流吸入所述进气腔。
18.在一些实施例中，所述进气腔与所述储气腔之间具有隔离壁，在所述隔离壁上设有进气孔。
19.在一些实施例中，所述进气孔位于所述隔离壁的中心，所述第一转子的轴线穿过所述进气孔。
20.在一些实施例中，所述隔离壁邻近所述进气腔一侧的表面呈锥形，且向所述进气孔内凹。
21.在一些实施例中，所述进气腔和所述储气腔均包括圆柱形中空部分。
22.在一些实施例中，所述装配部包括：
23.装配腔，位于所述第一转子内部，且与所述储气腔连通，被配置为容纳所述第二转子的端部，并与所述第二转子的端部过盈配合。
24.在一些实施例中，所述节流结构包括第一环形壳体，所述第一环形壳体具有多个静压微孔，所述多个静压微孔分别贯穿所述第一环形壳体的实体部分，以连通所述储气腔与所述静压配合面的外侧，所述至少一个静压径向轴承段包括第二环形壳体，所述节流结构的静压配合面与所述至少一个静压径向轴承段的间距为所述第一环形壳体的外壁与所述第二环形壳体的内壁的间距。
25.在一些实施例中，所述多个静压微孔沿所述第一环形壳体的周向和轴向阵列排布。
26.在一些实施例中，所述节流结构包括多孔质材料环，或者所述节流结构包括环形壳体和沿周向间隔布置在所述环形壳体上的多个多孔质材料块。
27.在一些实施例中，所述至少一个动压径向轴承段包括两个动压径向轴承段，沿轴向位于至少一个静压径向轴承段的两侧。
28.在一些实施例中，每个动压径向轴承段包括：
29.第三环形壳体，沿轴向与所述第二环形壳体连接；
30.至少一个支撑波箔，与所述第三环形壳体的内壁连接，每个支撑波箔整体呈圆弧形，且沿所述支撑波箔的延伸方向具有多个弧形波纹；
31.顶箔，与所述第三环形壳体的内壁连接，且位于所述波箔远离所述第三环形壳体
的一侧，被配置为在径向上支撑所述支撑波箔，
32.其中，所述第一转子与所述至少一个动压径向轴承段的间距为所述第一转子的外周面与所述顶箔的内周面的间距。
33.在一些实施例中，所述第一环形壳体的外圆直径大于所述第一转子的其他部分的外圆直径。
34.在一些实施例中，所述气体轴承组件还包括：
35.第二转子，与所述第一转子同轴，且与所述第一转子的装配部固定连接。
36.在本公开的一个方面，提供一种压缩机，包括：前述的气体轴承组件。
37.因此，根据本公开实施例，在转子内设置储气腔，使储气腔通过节流结构向轴承壳体的静压径向轴承段输送静压气体，并使节流结构与静压径向轴承段的间距小于转子与动压径向轴承段的间距。这样，本公开实施例的气体轴承组件中的动压径向轴承段能够在转子达到设计转速时，与转子形成动压气膜来支撑转子旋转，而经由储气腔和节流结构排出的静压气体能够流向动压径向轴承段的间隙，称为形成动压气膜的气源；当转子转速处于临界模态附近时，转子振幅因共振而增加，当接近静压径向轴承段的间隙时，静压气膜能够参与对转子的支撑，而提供额外的支撑力，并抑制转子的振动，从而能够尽量避免气体轴承在工作时与转子发生碰撞。
附图说明
38.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
39.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
40.图1是根据本公开气体轴承组件的一些实施例的安装结构的局部剖开的示意图；
41.图2是图1的安装结构的纵截面示意图；
42.图3是图2中a视角的结构示意图；
43.图4是图2中b视角的结构示意图；
44.图5是图3中圆圈i所指部分的局部放大示意图；
45.图6是根据本公开气体轴承组件的一些实施例中第一转子与第二转子的安装结构示意图；
46.图7是图6的安装结构的纵截面示意图；
47.图8是根据本公开气体轴承组件的一些实施例中轴承壳体的结构示意图；
48.图9是图8的纵截面示意图。
49.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
50.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施
例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
51.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
52.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
53.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
54.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
55.参考图1-图9，在一些实施例中，本公开提供了一种气体轴承组件。该气体轴承组件包括：第一转子10和轴承壳体20。第一转子10包括位于所述第一转子10内部的储气腔11和位于所述储气腔11径向外侧的节流结构12，所述储气腔11被配置为通过所述节流结构12向所述节流结构12外侧输送静压气体。
56.轴承壳体20套设在所述第一转子10的外周面上，且具有沿轴向设置的至少一个静压径向轴承段21和至少一个动压径向轴承段22。所述节流结构12与所述至少一个静压径向轴承段21在轴向上的长度范围至少部分重合。在图1和图2中，节流结构12的轴向长度范围与静压径向轴承段21的轴向长度范围基本完全重合。在另一些实施例中，两者的轴向长度范围可以相互错开一部分，并保持部分重合，或者两者之一的轴向长度范围包含另一个的轴向长度范围。
57.储气腔11中的气体来自第一转子10的外部，在经过节流结构12进入轴承壳体20与节流结构12的间隙之后，可以流入动压径向轴承段22，以便给动压间隙提供形成动压气膜的气源。
58.节流结构12的静压配合面与所述至少一个静压径向轴承段21的间距θ1小于所述第一转子10与所述至少一个动压径向轴承段22的间距θ2。这样，本实施例的气体轴承组件中的动压径向轴承段能够在转子达到设计转速时，与转子形成动压气膜来支撑转子旋转，而经由储气腔和节流结构排出的静压气体能够流向动压径向轴承段的间隙，称为形成动压气膜的气源。当转子转速处于临界模态(例如一阶模态或二阶模态)附近时，转子振幅因共振而增加，当接近静压径向轴承段的间隙时，静压气膜能够参与对转子的支撑而提供额外的支撑力，并抑制转子的振动。
59.参考图1、图2、图6和图7，在一些实施例中，第一转子10还包括：进气腔13和装配部15。进气腔13位于所述第一转子10沿轴向的一端，并在所述第一转子10内部与所述储气腔
11连通。进入进气腔13的气体可来自转子外部或转子内部的气体驱动装置进行驱动。例如，在第一转子10的端部设置向进气腔13充入高压气体的进气管，或者在第一转子10的端部设置能够抽吸外部气体的结构，例如风叶。
60.装配部15位于所述第一转子10沿轴向的另一端，被配置为固定连接与所述第一转子10同轴的第二转子30。图1和图2仅示意了一部分长度的第二转子30。第二转子30可以作为气体轴承组件的一部分，也可以独立于气体轴承组件设置。装配部15与第二转子30之间可通过各种连接方式进行固定，例如通过热套方式形成的过盈配合、粘接、螺纹连接、焊接等。
61.由于储气腔位于第一转子内部，设置装配部有利于第一转子的储气腔和节流结构的加工。换句话说，在装配部连接第二转子之前，先在装配部一侧对储气腔和节流结构进行加工。在另一些实施例中，通过其他方式来形成储气腔和节流结构，也可以省去第二转子和第一转子上的装配部。
62.参考图2-图7，在一些实施例中，第一转子10还包括多个轴流风叶14。多个轴流风叶14沿周向位于所述进气腔13的内壁，被配置为在所述第一转子10转动时，将所述第一转子10外部的气流吸入所述进气腔13。
63.在工作时，第一转子10和第二转子30可在驱动作用(例如电磁场作用)下沿图3和图4分别通过箭头示出的旋转方向高速转动，而轴流风叶14随第一转子10同步转动，将第一转子10左侧的气体源源不断地吸入进气腔13，再进入到储气腔11，使得储气腔11内的气体压力升高。储气腔11内的气体再经过节流结构12到达节流结构12外侧的静压配合面，以形成静压气体支撑作用。
64.相比于相关技术中从轴承壳体的外侧供气的方式，本实施例实现的这种供气方式大大简化了静压供气系统的结构，省去供气泵、供气管、相应管接头等部件。
65.参考图1、图2和图7，在一些实施例中，进气腔13与所述储气腔11之间具有隔离壁131，在所述隔离壁131上设有进气孔132。轴流叶片14可以从进气腔13的进口延伸到隔离壁131或邻近隔离壁131的位置。在一些实施例中，进气孔132位于所述隔离壁131的中心，所述第一转子10的轴线穿过所述进气孔132。这样有利于气流进入时避免偏心进入的气流所带来额外的离心力。
66.在图2和图7中，隔离壁131邻近所述进气腔13一侧的表面呈锥形，且向所述进气孔132内凹。这样隔离壁可实现气体的导流作用，引导气体在进气腔内从轴流风叶过渡到进气孔，提高流场均匀性，避免在高转速时产生噪音。
67.参考图1和图6，进气腔13和储气腔11均包括圆柱形中空部分，这样有利于更均匀地吸气和通过节流结构12向外排气。在另一些实施例中，进气腔13和储气腔11也可以包括其他形状的中空部分，例如棱柱体、锥体等。
68.参考图7，在一些实施例中，装配部15包括装配腔151。装配腔151位于所述第一转子10内部，并与所述储气腔11连通，被配置为容纳所述第二转子30的端部，并与所述第二转子30的端部过盈配合。该装配腔151可包括圆柱形中空部分，以方便加工。在另一些实施例中，也可以包括棱柱形中空部分，以便更好地传递扭矩。该装配腔151可先于储气腔11形成，这样加工工具可经过装配腔151来加工出储气腔11。在另一些实施例中，可通过一体成型的方式将装配腔和储气腔一起形成。
69.参考图6和图7，在一些实施例中，所述节流结构12包括第一环形壳体122，所述第一环形壳体122具有多个静压微孔121，所述多个静压微孔121分别贯穿所述第一环形壳体122的实体部分，以连通所述储气腔11与所述静压配合面的外侧。参考图2和图8，所述至少一个静压径向轴承段21包括第二环形壳体211。所述节流结构12的静压配合面与所述至少一个静压径向轴承段21的间距θ1为所述第一环形壳体122的外壁与所述第二环形壳体211的内壁的间距θ1。
70.在图6和图7中，所述多个静压微孔121沿所述第一环形壳体122的周向和轴向阵列排布。阵列中各行间距可相同，各列间距也可相同。静压微孔121的尺寸和数量可根据静压需要进行选择。静压微孔121的形状优选为圆形截面，也可以为椭圆截面或多边形截面。在尺寸方面，圆形截面的静压微孔121的孔径为10～50微米，例如20微米。
71.在另一些实施例中，也可以采用其他形式的节流结构12，例如节流结构12包括多孔质材料环。多孔质材料环可以为多孔质石墨材料形成的环体。或者，所述节流结构12包括环形壳体和沿周向间隔布置在所述环形壳体上的多个多孔质材料块。多孔质材料块可以为多孔质石墨材料形成的块体。
72.无论采用何种形式的节流结构，只要起节流作用的孔道或孔隙的孔径之和远小于进气孔的直径即可，这样能有效使得储气腔内的气体压力升高。而高压气体通过节流结构的节流作用后到达静压配合面，能够对转子起到静压气体支撑的作用。
73.到达静压配合面的气体除了支撑转子之外，还有部分沿轴向流道动压径向轴承段与转子之间，从而动压支撑的气源。而且这样也能够对动压径向轴承段的杂质进行清理，避免杂质累积，降低杂质累积对动压径向轴承段的磨损。
74.参考图1-图5以及图8-图9，在一些实施例中，至少一个动压径向轴承段22包括两个动压径向轴承段22，沿轴向位于至少一个静压径向轴承段21的两侧。这样有利于气体轴承组件在轴向上的各段对转子的承载平衡，减少转子在运行时发生倾斜的风险。在另一些实施例中，可只在静压径向轴承段的一侧设置动压径向轴承段，以减小轴承尺寸。
75.参考图3-图5，在一些实施例中，每个动压径向轴承段22包括：第三环形壳体221、至少一个支撑波箔222和顶箔223。第三环形壳体221沿轴向与所述第二环形壳体211连接。至少一个支撑波箔222与所述第三环形壳体221的内壁连接。在图3和图4中，动压径向轴承段22包括三个支撑波箔222。每个支撑波箔222整体呈圆弧形，且沿所述支撑波箔222的延伸方向具有多个弧形波纹。顶箔223与所述第三环形壳体221的内壁连接，且位于所述波箔远离所述第三环形壳体221的一侧，被配置为在径向上支撑所述支撑波箔222。第一转子10与所述至少一个动压径向轴承段22的间距θ2为所述第一转子10的外周面与所述顶箔223的内周面的间距θ2。
76.在第三壳体221的内壁可设置至少一个安装缝224，顶箔223和波箔222的一端可通过固定销225固定在安装缝224内。在相关技术中，动压波箔气体轴承所支撑的转子需要沿着从支撑波箔的自由端到固定端的方向转动，以便使支撑波箔处于“绷紧”状态，否则将导致轴承失效。而本实施例则允许转子反转，这是因为转子反转时，静压径向轴承段与转子形成的静压气膜能够对转子进行支撑，从而实现对转子的保护作用。
77.参考图5-图7，在一些实施例中，第一环形壳体122的外圆直径大于所述第一转子10的其他部分的外圆直径。即在第一环形壳体122的位置形成台阶16。从图5，能够看到间距
θ1形成在第一转子的更大直径的外周与轴承外壳之间，而间距θ2形成在第一转子的较小直径的外周与顶箔之间。这样的第一转子的结构有利于形成θ1《θ2的效果。
78.在上述实施例中，轴承壳体可通过铸造或机加工等方式制成，而支撑波箔和顶箔在轴承壳体上装配。第一转子可通过铸造或机加工等方式制成。对于采用多孔质材料环或多孔质材料块的实施例来说，可在将多孔质材料环或多孔质材料块装配到第一转子上。
79.上述气体轴承组件的各实施例可应用于各类需要支撑转子的设备或设施中，例如压缩机。因此，本公开实施例还提供了一种压缩机，包括前述的气体轴承组件的任一实施例。
80.参考图1-图9，当转子正常运转到一定转速时，动压径向轴承段可通过顶箔与转子表面形成的动压气膜对转子进行支撑。该动压气膜的强度与转速正相关，在高速情况下，动压径向轴承段提供主要的承载力。但当转子的转速运行在临界模态附近时，转子振幅由于共振而不可避免地增加。当振幅接近静压径向轴承段的间距θ1时，节流结构表面形成的静压气膜参与对转子的支撑并提供额外的承载力，并抑制转子的振动。当转子运行在高速(速度大于15000rpm)阶段，转子所需的轴承承载力更大，再加上有时因为运行环境带来的气流冲击导致所需承载力突增，此时动压径向轴承段的承载力不足，动压气膜厚度减小，此时静压气膜同样会参与并提供额外的承载力支撑转子。
81.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
82.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。