气体轴承、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、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.经研究发现，在转子启动和停止过程中，由于转速不足，无法快 速通过动压原理形成气膜，此时动压气体轴承的顶箔与转子发生干摩 擦，影响轴承寿命。此外，转子的受力情况并非一成不变，尤其是在 高速透平离心机上，工况随末端实际应用而经常变化，相关技术中的 动压气体轴承难以随工况实现承载力的调整。
8.相关技术中的静压轴承具有承载能力大、工作稳定、寿命长等优 点，但在转子速度较高时，静压轴承由于缺乏阻尼机制而无法有效吸 收和抑制转子振动。
9.有鉴于此，本公开实施例提供一种气体轴承、轴承组件及压缩机， 能够在转子启停阶段快速形成轴承的动压气膜。
10.在本公开的一个方面，提供一种气体轴承，包括：
11.轴承壳体，外周面具有至少一个凹槽，被配置为形成压力腔；
12.至少一个底箔，设置在所述轴承壳体的内周面内侧，且与所述至 少一个凹槽分别对应；
13.至少一个波箔，分别设置在所述至少一个底箔远离所述轴承壳体 的一侧，且与所述至少一个凹槽分别对应；
14.顶箔，设置在所述至少一个波箔远离所述轴承壳体的一侧，
15.其中，所述至少一个凹槽的槽底具有多个通孔，所述多个通孔被 配置为使所述压力腔内的压力气体进入所述轴承壳体与对应的底箔之 间，并作用在所述底箔的表面。
16.在一些实施例中，所述至少一个凹槽包括多个凹槽，沿所述轴承 壳体的周向间隔分布。
17.在一些实施例中，所述多个通孔包括至少两个通孔组，所述至少 两个通孔组沿所述轴承壳体的周向分布，且所述至少两个通孔组被配 置为沿所述气体轴承所支撑的转子的旋转方向压力逐渐增大。
18.在一些实施例中，所述至少两个通孔组的通孔数量被配置为沿所 述气体轴承所支撑的转子的旋转方向增大，和/或所述至少两个通孔组 的每个通孔组中通孔的直径被配置为沿所述气体轴承所支撑的转子的 旋转方向增大。
19.在一些实施例中，所述至少两个通孔组包括沿所述轴承壳体的周 向排布的第一通孔组、第二通孔组和第三通孔组，所述第一通孔组、 所述第二通孔组和所述第三通孔组分别包括的多个通孔的直径相同， 且所述第一通孔组的通孔数量少于所述第二通孔组的通孔数量，所述 第二通孔的通孔数量少于所述第三通孔组的通孔数量。
20.在一些实施例中，所述至少一个凹槽包括至少两个扇环形槽，每 个扇环形槽具有沿所述轴承壳体的周向相对的两个第一槽壁和沿所述 轴承壳体的轴向相对的两个第二槽壁。
21.在一些实施例中，所述至少一个底箔包括：
22.圆弧板，横截面呈圆弧形；
23.至少三个折边板，连接在所述圆弧板的至少三个边缘，且相对于 所述圆弧板沿径向向外延伸，
24.其中，所述轴承壳体的内壁具有至少三个嵌入槽，所述至少三个 折边板分别嵌入在所述至少三个嵌入槽内。
25.在一些实施例中，每个底箔具有沿周向相对设置的两个折边板和 沿轴向设置的一个折边板，分别嵌在所述轴承壳体的内壁的三个嵌入 槽内，以使得所述底箔与所述轴承壳体的内壁形成沿轴向开放的气体 流出端。
26.在一些实施例中，每个底箔具有沿周向相对设置的两个折边板和 沿轴向设置的两个折边板，分别嵌在所述轴承壳体的内壁的四个嵌入 槽内，以使得所述底箔与所述轴承壳体的内壁形成封闭气腔。
27.在一些实施例中，所述顶箔包括：
28.第一顶箔，位于所述至少一个波箔远离所述轴承壳体的一侧，在 径向上对所述至少一个波箔进行支撑；
29.第二顶箔，位于所述第一顶箔远离所述轴承壳体的一侧，在径向 上对所述第一顶箔进行支撑，
30.其中，所述第一顶箔的第一端和所述第二顶箔的第一端均通过固 定销和位于所述轴承壳体内壁的第一销钉孔线槽与所述轴承壳体内壁 连接，所述第一顶箔的第二端与所述第二顶箔的第二端的延伸方向相 反。
31.在本公开的一个方面，提供一种轴承组件，包括：
32.轴承支座，具有空腔和与所述空腔连通的通气孔；
33.前述的气体轴承，位于所述空腔内，
34.其中，所述轴承壳体的至少一个凹槽与所述空腔的腔壁形成压力 腔。
35.在一些实施例中，所述轴承壳体外壁与所述空腔在径向上过盈配 合。
36.在一些实施例中，所述轴承组件还包括：
37.转子振幅检测单元，设置在所述轴承支座上，且沿所述气体轴承 的轴向位于所述气体轴承的一侧，被配置为检测所述气体轴承所支撑 的转子在转动时的振幅，
38.其中，所述通气孔被配置为与外部供气装置连接，且接收的供气 量根据所述振幅进行调整。
39.在一些实施例中，所述转子振幅检测单元包括：
40.至少两个电涡流位移传感器，沿所述气体轴承的周向分布在不同 的角度位置。
41.在一些实施例中，所述转子振幅检测单元包括沿所述气体轴承的 周向相差90度的两个电涡流位移传感器。
42.在本公开的一个方面，提供一种压缩机，包括前述的轴承组件。
43.因此，根据本公开实施例，通过在轴承壳体的内周面与波箔之间 设置底箔，通过轴承壳体上的凹槽和凹槽底部的通孔向底箔施加静压 作用，从而在转子启停阶段利用底箔外侧形成的静压气膜使顶箔与转 子之间快速形成动压气膜，从而减少顶箔与转子之间的磨损。
附图说明
44.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。
45.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开， 其中：
46.图1是根据本公开轴承组件的一些实施例与转子之间的配合结构 示意图；
47.图2是图1在部分剖切后的结构示意图；
48.图3是图1的纵截面的结构示意图；
49.图4是图1在轴向视角下的结构示意图；
50.图5是图3中aa截面的结构示意图；
51.图6是图5中圆圈b所指区域的放大示意图；
52.图7是图6中圆圈c所指区域的放大示意图；
53.图8是根据本公开气体轴承的一些实施例中的轴承壳体的结构示 意图；
54.图9是图8在轴向视角下的结构示意图；
55.图10a是图9中dd截面的结构示意图；
56.图10b是根据本公开气体轴承的一些实施例中的轴承壳体的局 部结构的截面示意图；
57.图11a是根据本公开气体轴承的一些实施例中的底箔在轴向视 角的结构示意图；
58.图11b是图11a的立体结构示意图。
59.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
60.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。
61.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。
62.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。
63.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。
64.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。
65.如图1-图11b所示，本公开实施例提供了一种气体轴承、轴承组 件及压缩机，能够在转子启停阶段快速形成轴承的动压气膜。
66.参考图1-图7，在一些实施例中，本公开提供了一种轴承组件， 包括：轴承支座20和气体轴承30。轴承支座20具有空腔和与所述空 腔连通的通气孔21。气体轴承30位于所述空腔内，能够对位于气体 轴承30内且转动的转子10进行支撑。
67.轴承支座20的通气孔21可与外部供气装置连接，外部供气装置 所提供的高压气体可经由通气孔21到达气体轴承30的外部。外部供 气装置可以为泵等主动供气装置，也可以为轴承组件所应用的设备中 压力更高的气路。
68.参考图6，在一些实施例中，气体轴承30包括：轴承壳体31、 至少一个底箔32、至少一个波箔33和顶箔34。轴承壳体31的外周面 具有至少一个凹槽314，被配置为形成压力腔
316。该压力腔316可由 轴承壳体31的至少一个凹槽314与轴承支座20的空腔的腔壁形成。
69.至少一个底箔32设置在所述轴承壳体31的内周面内侧，且与所 述至少一个凹槽314分别对应。至少一个波箔33分别设置在所述至少 一个底箔32远离所述轴承壳体31的一侧，也与所述至少一个凹槽314 分别对应。顶箔34设置在所述至少一个波箔33远离所述轴承壳体31 的一侧。在转子10转动时，顶箔34可以与转子10之间形成动压气膜。
70.为了使压力腔316内的气体能够到达轴承壳体31和对应的底箔 32之间，可在至少一个凹槽314的槽底分别设置多个通孔313。这些 通孔313能够使所述压力腔316内的压力气体进入所述轴承壳体31 与对应的底箔32之间，并作用在所述底箔32的表面。
71.上述轴承壳体31上的多个通孔的作用相当于小孔静压气体轴承， 外部供气装置供入的高压气体通过节流后，作用在底箔32上，从而在 底箔32外侧形成静压气膜，以便在转子启停阶段利用该静压气膜使顶 箔与转子之间快速形成动压气膜，从而减少顶箔与转子之间的磨损。
72.在轴承组件中，底箔与轴承壳体之间以及底箔与波箔之间可相对 运动，并产生摩擦，通过该摩擦可消耗转子的部分振动，实现气体轴 承的一部分阻尼。
73.在一些实施例中，可以在轴承壳体31上只设置一个凹槽314(例 如环形槽)和对应的一个底箔32。参考图5和图8，在一些实施例中， 轴承壳体31可包括多个凹槽314，例如图5和图8所示的三个凹槽314， 每个凹槽314对应一个底箔32和一个波箔33。
74.多个凹槽314可沿轴承壳体31的周向间隔分布，即每个凹槽314 可位于不同的角度位置。在一些实施例中，每个凹槽的长度相等，且 等角度间隔布置，以便使形成的静压气膜更加均衡。
75.在一些实施例中，轴承壳体31外壁与轴承支座20的空腔在径向 上过盈配合。例如，前述相邻的两个凹槽314之间可形成凸起结构， 该凸起结构可用于与轴承支座20的空腔内壁在径向上过盈配合。在另 一些实施例中，也可通过卡接、粘接、焊接、螺钉连接或螺杆螺栓连 接等方式使轴承壳体31固定在轴承支座20的空腔内。
76.参考图6、图8、图10a和图10b，在一些实施例中，所述多个 通孔313包括至少两个通孔组。每个通孔组可包括至少一个通孔。该 至少两个通孔组沿所述轴承壳体31的周向分布，换句话说，每个通孔 组占据凹槽内一段周向范围。在一些实施例中，至少两个通孔组可被 配置为沿所述气体轴承30所支撑的转子10的旋转方向ω，对底箔施 加的压力逐渐增大。
77.为了使至少两个通孔组实现沿方向ω压力逐渐增大，参考图 10a，在一些实施例中，可使得至少两个通孔组的通孔数量被配置为 沿所述气体轴承30所支撑的转子10的旋转方向ω增大。例如在图10a 和图10b中，所述至少两个通孔组包括沿所述轴承壳体31的周向排 布的第一通孔组313a、第二通孔组313b和第三通孔组313c。所述第 一通孔组313a、所述第二通孔组313b和所述第三通孔组313c分别包 括的多个通孔313的直径相同，且所述第一通孔组313a的通孔数量少 于所述第二通孔组313b的通孔数量，所述第二通孔313的通孔数量少 于所述第三通孔组313c的通孔数量。
78.通过增加通孔数量可提高输入到底箔外侧的气压，而通过在一个 凹槽内的不同周向位置设置不同数量的通孔，可实现底箔与轴承壳体 之间的多个不同压力的压力区。而不同的压力区可形成不同尺寸的楔 形间隙。参考图10b，沿着转子10的旋转方向ω，第一通
孔组313a、 第二通孔组313b和第三通孔组313c分别对应了低压区、中压区和高 压区，通过这几个压力区的气压作用可使得转子10与顶箔34的不同 位置之间所形成的楔形间隙发生变化。
79.低压区可使转子10与顶箔34之间形成楔形间隙x3，中压区可 使转子10与顶箔34之间形成楔形间隙x2，高压区可使转子10与顶 箔34之间形成楔形间隙x1。在这其中，楔形间隙x1小于楔形间隙 x2，楔形间隙x2小于楔形间隙x3。这样就实现了沿转子10的旋转 方向ω，楔形间隙由大变小的效果。这样可以使得气体轴承在转子的 启停阶段或低速阶段更快地形成动压气膜。
80.在另一些实施例中，至少两个通孔组的每个通孔组中通孔313的 直径被配置为沿所述气体轴承30所支撑的转子10的旋转方向ω增大。 通过增大通孔的直径，也可以达到类似于增加通孔数量的效果。换句 话说，假设各个通孔组的通孔数量相同，通孔直径不同的通孔组可实 现底箔与轴承壳体之间的多个不同压力的压力区，而通孔直径较大的 通孔组可实现压力更大的压力区。
81.当然，对于设计人员来说，可根据实际需要对各个通孔组中的通 孔数量和通孔直径进行相应设置来实现不同压力的分区。
82.参考图5和图6，在一些实施例中，至少一个凹槽314包括至少 两个扇环形槽。例如在图5中，轴承壳体31可具有三个扇环形槽。这 里的扇环形指的是轴承壳体31的横截面上凹槽所呈现的形状，其中扇 环的外圈为轴承壳体31的外圈，内圈为凹槽底部。
83.在图8中，每个扇环形槽具有沿所述轴承壳体31的周向相对的 两个第一槽壁314a和沿所述轴承壳体31的轴向相对的两个第二槽壁 314b。这四个槽壁可以与轴承支座20的空腔内壁形成封闭的压力腔 316。
84.参考图8、图11a和图11b，在一些实施例中，至少一个底箔32 包括圆弧板321和至少三个折边板322。圆弧板321的横截面呈圆弧 形，该横截面与气体轴承30的轴线垂直。至少三个折边板322，连接 在所述圆弧板321的至少三个边缘，且相对于所述圆弧板321沿径向 向外延伸。轴承壳体31的内壁具有至少三个嵌入槽315，所述至少三 个折边板322分别嵌入在所述至少三个嵌入槽315内。
85.折边板与嵌入槽的嵌入结构一方面可以实现底箔与轴承壳体之 间限位且可活动的连接，通过作用在圆弧板的气体压力来调整圆弧板 相对于轴承壳体的间距，并利用折边板实现聚气的效果，另一方面折 边板与嵌入槽在相对运动时的摩擦可消耗转子的部分振动，实现气体 轴承的一部分阻尼。
86.在图11a和图11b中，每个底箔32具有沿周向相对设置的两个 折边板322和沿轴向设置的一个折边板322，分别嵌在所述轴承壳体 31的内壁的三个嵌入槽315内，以使得所述底箔32与所述轴承壳体 31的内壁形成沿轴向开放的气体流出端。这样通过三个折边板来防止 气体从这三个方向泄漏，从而在底箔与轴承壳体之间建立起压力，而 该气体流出端可促进高压气体的流动。
87.在另一些实施例中，每个底箔32具有沿周向相对设置的两个折 边板322和沿轴向设置的两个折边板322，分别嵌在所述轴承壳体31 的内壁的四个嵌入槽315内，以使得所述底箔32与所述轴承壳体31 的内壁形成封闭气腔。通过四个折边板与四个嵌入槽的配合，而提高 静压效果，而静压气体可从折边板与嵌入槽的间隙中流出。
88.参考图5和图6，每个波箔33的一端可通过固定销和位于所述轴 承壳体31内壁的第二销钉孔线槽312与所述轴承壳体31内壁连接。 在一些实施例中，所述顶箔34包括第一顶箔341和第二顶箔342。第 一顶箔341位于所述至少一个波箔33远离所述轴承壳体31的一侧， 在径向上对所述至少一个波箔33进行支撑。第二顶箔342位于所述第 一顶箔341远离所述轴承壳体31的一侧，在径向上对所述第一顶箔 341进行支撑。所述第一顶箔341的第一端和所述第二顶箔342的第 一端均通过固定销和位于所述轴承壳体31内壁的第一销钉孔线槽311 与所述轴承壳体31内壁连接，所述第一顶箔341的第二端与所述第二 顶箔342的第二端的延伸方向相反。
89.通过设置延伸方向相反的第一顶箔和第二顶箔，可使得转子旋转 时使两个顶箔之间产生相对运动，进而产生摩擦，该摩擦可以消耗部 分转子的振动，形成气体轴承的一部分阻尼。
90.参考图1-图4，在一些实施例中，轴承组件还包括转子振幅检测 单元。转子振幅检测单元设置在所述轴承支座20上，且沿所述气体轴 承30的轴向位于所述气体轴承30的一侧。转子振幅检测单元能够检 测所述气体轴承30所支撑的转子10在转动时的振幅。而通气孔21 可以与外部供气装置连接，其接收的供气量可根据所述振幅进行调整。
91.在图1-图4中，所述转子振幅检测单元包括至少两个电涡流位移 传感器40。至少两个电涡流位移传感器40沿所述气体轴承30的周向 分布在不同的角度位置。例如将电涡流位移传感器40通过螺纹固定在 轴承支座20上。
92.为了减少传感器的数量，优选使转子振幅检测单元包括沿所述气 体轴承30的周向相差90度的两个电涡流位移传感器40。在转子10 处于静止状态时，两个电涡流位移传感器40可检测到转子10的初始 位置。当转子10转动时，在不同转速和外作用力的作用下，转子的振 幅不同，通过与初始位置对比，测量的转子振幅一方面可实时反映转 子的位置，另一方面可反馈转子的气膜厚度是否合适。合适的气膜厚 度可使得转子振幅小且稳定。
93.在前文中提到通过多个通孔组来实现不同压力区对应的不同楔 形间隙，随着通入底箔外侧的高压气体的压力的增加，可使得上述各 个楔形间隙的变化更加明显，差值增大。而随着通入底箔外侧的高压 气体的压力的减小，可使得上述各个楔形间隙的差值减小。这样就可 以通过控制进入压力腔的高压气体来调整静压压力，从而调整楔形间 隙，以此形成不同厚度的动压气膜，使得轴承能适应工况变化，提供 相应的承载力。
94.例如，在转子高速旋转时，此时转子需要更大的轴承支撑力，通 过减小动压气膜厚度可以提供轴承支撑力，此时减少通入的高压气体 的压力，使得各个压力区对应的楔形间隙(例如楔形间隙x3、x2、 x1)之间的差值变小，同时电涡流位移传感器40实时检测转子的振 幅，通过调整不同压力直至获得稳定且小的转子振幅。
95.上述轴承组件的各实施例可应用于各类具有转子的设备，例如压 缩机。因此，本公开也提供了一种压缩机，包括前述轴承组件的任一 实施例。
96.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。
97.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。