一种箔片气体轴承装置的制作方法

本实用新型涉及一种借助气体支撑转子或轴的装置，例如：空气悬挂，特别是用于无油轴承结构。特别是，本实用新型是一种用于在高径向力和/或高转速下支撑转子的装置。最后但十分重要的一点是，本实用新型还涉及轴向箔片气体轴承的使用。特别是本实用新型所涉及到要求的前序部分的装置和方法。

背景技术：

为了支撑转子或轴，特别是在径向方向和/或在高转速下，已经证明上述的箔片气体轴承或箔片轴承是有利的。例如：当对应的转子转速较高时且泵送时，使用箔片气体轴承。通过箔片气体轴承，可以实现相对较小的摩擦损失和/或相对较长的寿命。特别是对于沿径向方向的轴承结构，可以补偿位置公差。通过箔片气体轴承，可以收集径向方向上(横向于转子的旋转轴线)的负载波动，以便箔片气体轴承可以充当阻尼功能。

传统的箔片气体轴承由具有大致平坦的表面的箔片层组成。特别是相对于转子(顶部箔片或所述的顶部箔片)静态布置的表面限定气隙并且是弹性可变形的，特别是在气隙中根据转速产生压力。由于压力条件和转子在径向方向上发生运动导致顶部箔片变形。这样可以在径向方向上以位置公差的方式支撑转子或轴。特别是，转子和相邻顶箔之间的轴承间隙内的压力场导致顶箔的变形。顶部箔片的阻尼方式也决定了整个轴承的特性。顶部箔片安装在另一个箔片(凸起箔片或所述的凸起箔片)上，箔片支撑在支撑件(例如轴承衬套)上。因此，箔片气体轴承的特性，特别是径向负载能力，通过箔片(顶箔和凸块箔片)的设计以及转子与箔片的相互作用能够预先确定。因此，在设计和优化箔片气体轴承时，能够尽可能准确的影响和优化箔片对转子的作用以及构成的压力比具有重大意义。

专利说明书ep2375089b1描述了一种具有片状箔片的动态箔片气体轴承，该箔片具有夹持表面和连接表面。

基于现有技术，特别是考虑到径向轴承结构的要求，存在改进箔片轴承技术和特征的可能性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于转子(或轴)的气体轴承或空气轴承的装置，特别是在径向方向上或在高转速的情况下利用该装置通过高承载性能支撑转子。目的是至少在径向方向上在无油的情况下有效地支撑高速转子，使得转子能够承受相对较高的径向力，特别是在摩擦或热量开发方面以及在稳定性方面具有良好的副作用。

该目的通过根据本实用新型的箔片气体储存装置来实现。除非有明确禁止，否则下面描述的示例特征可以彼此组合。

提供一种箔片气体轴承装置，可以借助于气体支撑转子，通过转子侧顶部箔片装置径向支撑轴承套管内的转子，以及用于将径向方向上轴承套管内的顶部箔片装置支撑在轴承座中的凸块箔片装置。凸块箔片装置优选地配置用于响应于施加到支承面或由转子产生的压力而使顶部箔片装置变形。

根据本实用新型，箔片气体轴承装置包括多个凹口，这些凹口向轴向x方向倾斜并且向切线方向α倾斜，这些凹口至少布置在轴承的一个轴向截面中并且在转子和顶部箔片形成的轴承结构的径向间隙之间形成一个压力，尤其是在非结构化的轴向部分中。特别是在高速和高负载情况下，其能够提供牢固，稳定的轴承结构。

特别是，根据本实用新型的布置，已经表明凹口可以增加轴承中的压力。这样，转子即使当速度相对较低时也能提升，并且即使当速度相对较低时也不会接触地到顶箔，从而也可以减少摩擦，特别是在启动-停止应用中。这对轴承的寿命也会产生积极影响。根据本实用新型进行的布置，在径向箔片轴承启动性能方面还具有一定的优点。

与先前已证明的技术不同，特别是与上述箔片轴承相比，在确保具有较高的系统安全性的前提下，根据本实用新型可以通过简化的装置和扩展箔片气体轴的承使用范围来实现这一目标。同时，在这种情况下，还可以实现较高的径向负载能力。此外，轴承的摩擦损失可以最小化。特别是，技术特征“凹口”和“非结构化轴向的，特别是呈中心布置的轴向部分”的组合能够改善轴承特性。特别是，为此可以安装具有螺旋槽结构凹口的径向箔片轴承。

通常来说，传统的径向箔片气体轴承具有两个箔片部件：所述的顶部箔片和所述的凸块箔片，其中顶部箔片位于可弯曲的阻尼凸块箔片上，并且其中顶部箔片与转子一起在径向方向上限定或界定两侧的气膜。因此，可弯曲凸块箔片可以导致顶部箔片的(弹性)变形并且预定义阻尼的方式，特别是当在高旋转速度下施压或加压(气膜的压力场)时。这也允许相对大的位置公差(相对较高的轴偏转而且没有机械接触的风险)。这在校准误差，制造公差或热效应(热膨胀)方面也具有优势。

技术上的难题是箔片轴承对空气动力不稳定性的反应相对敏感。顶部箔片和转子之间的摩擦力引起的阻尼效应仅能提供借鉴经验，而不能够提供足够有效的措施，以便能够更好的控制这种空气动力的不稳定性。因此需要进一步优化。

基于此，本实用新型基于通过在顶部箔片装置的上侧和/或转子上设置凹口来产生高稳定性和良好的阻尼和承载性能的方案，特别是设置凹槽形式的凹口，其在转子和顶部箔装置之间发生相对旋转运动时，将气体沿轴向方向泵送到内部。

凹口已经可以单独在静态布置(作为静态凹槽)时发挥作用，其仅基根据转子相对于顶部箔片装置的旋转。然而，凹槽也可以在动态布置时发挥作用，即，当它们与转子一起旋转时。凹口设置时要注意：将气体输送到轴承的气隙中(特别是可以称为：泵送)，特别是通过该效果，增加气隙中气膜的压力，至少是一个预定义的轴向位置。

凹口或凹槽至少部分以有力的方式呈螺旋状布置。凹口可以形成或布置为向内(轴向向内)的泵送凹槽。特别是，凹口可以从相应的外边缘的正外侧开始。特别是，凹口可以沿轴向方向向内延伸或设置到中心的轴向位置。例如，凹口延伸到轴承表面的总轴向范围的一半前面(几乎是轴承间隙或轴承的轴向长度的一半)。

凹口，特别是凹口以有利的方式在轴向的110°至175°外角方向布置凹槽，特别是切线方向上大于115°或大于120°或大于125°的轴向外角(在轴向外边缘处)布置。凹口，特别是凹口以有利的方式在轴向的110°至155°外角方向(特别是在与非结构化轴向部分相邻的轴向位置处)布置凹槽，特别是切线方向上大于120°或大于130°或大于135°的轴向外角(在轴向外边缘处)布置。这在任何情况下都能提供高效率，特别是最佳的泵送作用。

同时，凹口的一个/轴向外边缘处的相对于切线方向的外角β可以小于凹槽的内轴向位置或内端处的内角γ，特别是轴向方向。特别是，这可以在切线方向上的适当对准气膜(流动路径的规格)，特别是在非结构化轴向部分中。

凹口，特别是凹槽可以从内侧靠外侧的方向上布置或安装，至少在切线方向上的部分和/或在轴向方向上的部分。凹口，特别是凹槽可以朝相反的方向上布置或安装，至少在切线方向上的部分和/或在径向方向上的部分。

根据本实用新型的配置，例如，可以很容易的优化顶部箔片装置或转子上的凹口的几何形状并适应特定应用或所需的压力比例或相对速度或气体密度，特别是用于最大化负载能力和/或提高效率(减少效果损失)。例如，可以设置多个轴向区段，特别是具有相对大的气隙轴向延伸。这样可以优化热平衡。其他表达：特别是，可以以更简单的方式确保散热。此外，本实用新型的凹口可以以相对简单的方式制造，特别是以简单的，成本合适的制造步骤。

本实用新型的凹口，特别是以螺旋槽的形式，在气体轴承的静态布置的，可弯曲的气体轴承支撑表面和/或在转子的表面上的动态旋转布置中(特别是整体地设置在转子的材料中)，特别是至少与一个非结构化轴向部分组合，能够明显改善承载能力和运行特性。与本实用新型不同的是，在迄今为止的现有技术中使用了不同的布局，即在顶部箔片的顶部安装有一个基本平坦的平面，或任何表面的结构都不能确保轴承特性得到令人满意的改进。

箔片气体轴承装置可以特别设计用于接收径向对齐的力。在这种情况下，箔片气体轴承装置也可以称为箔片气体径向轴承装置。

根据一个设计实施例，顶部箔片装置在其上侧由凹口构成，其中凹口结合到顶部箔片装置的顶部箔片中，这与凹口的静态布置相对应。这也使得在不考虑转子结构的情况下，能够确保本实用新型的优点。

根据一个设计实施例，顶部箔片装置在其上侧由凹口构成，其中凹口结合到顶部箔片装置的顶部箔片中，这与凹口的动态的、旋转的布置相对应。这可以通过转子确保本实用新型的优点或者另外有助于实现该效果。

根据一个设计实施例，凹口限定了轴向向内的流动路径，该预定的流动路径终止于非结构化的轴向部分，其中在没有预定结构的情况下可以形成气膜。一方面，可以选择性地影响泵送动作；另一方面，仍然可以根据轴承的操作状态自由地形成气垫，特别是在摩擦力最小的情况下。这也可以对负载能力产生有利影响。

根据一个设计实施例，在转子旋转时布置凹口，用于沿至少一个轴向方向输送气体，特别是沿两个相反的轴向方向。在相反方向上输送，特别是朝至少一个非结构化轴向部分输送，具有良好的效果。能够特别有效地实施本实用新型中规定的措施。

在下文中，将更详细地描述凹口的有利(特别是几何)设计实施例。

根据设计实施例，轴向外侧的凹口沿轴向向内延伸，直到形成箔片气体轴承装置的非结构化轴向部分并在那里终止。

根据设计实施例，轴向外侧的凹口沿轴向向内延伸，直到形成箔片气体轴承装置的非结构化轴向部分并在一定的轴向距离处结束。事实证明这种布置特别有效。根据设计实施例设置凹口，在箔片气体轴承装置的非结构化轴向部分中形成压力。可以优选地在大范围内配置凹口。

根据设计实施例，凹口布置在两个轴向区段中并且沿相反方向对齐，特别是每个都具有螺旋形状，特别是相对于轴向方向至少具有大小近似相同的角度。已经表明，凹口的相反方向也可以提供关于粘性泵送作用的有益效果，用于增加顶箔和转子之间的间隙中的压力。这对轴承在径向方向上的稳定性也有积极影响。

根据设计实施例，凹口布置在两个轴向区段中并且在它们之间的非结构化轴向部分中的每个区段中都有开口。根据设计实施例，凹口布置在两个轴向区段中，所述两个轴向区段在轴向上具有至少近似相同的长度，并且凹口在非结构化轴向部分中开口，该轴向部分轴向至少与单个结构化部分一样长。这也提供了良好的空气动力特性或者可以促进良好的平滑性和高负载能力。

根据设计实施例，凹口形成两个结构化的轴向部分，其限定在其间的非结构化轴向部分，其中两个轴向部分和布置在其间的非结构化轴向部分设置在转子和/或顶部箔片装置的整个轴向长度上或甚至可以超出。即使轴向空间很小，这也可以提供特别有效的、具有可承载能力的轴承。

对于单个径向轴承位置，轴向部分也可以突出超过顶部箔片装置。对于非常短的转子，特别是轴向长度与直径的比率小，一个径向支承点可能已经足够。对于其总轴向长度显著大于其直径的转子，径向轴承的轴向范围小于总长度，通常提供两个或多个径向支承点。

根据设计实施例，凹口从顶部箔片装置和/或转子的外边缘出发并且沿轴向向内延伸。这也有利于泵送动作。

根据设计实施例，在转子旋转时布置凹口，用于沿轴向向内输送(或泵送)气体。这也有利于产生相对较高的气体压力或气流。

根据设计实施例，凹口设计为凹槽或切口。由此可以以相对简单的方式制造凹口。凹槽或凹口也可以在几何形状，形状和深度上单独设计。

根据设计实施例，凹口具有恒定的深度，至少大于凹槽长度的一半，特别是直到凹口的轴向内端或前方。这是相应凹口内的主要的恒定流动条件。

根据设计实施例，凹口具有连续的出口区域，该出口区域在相应的内端处的深度连续减小。这也特别有利于气流从凹槽流入两个平坦表面之间的间隙。这可能有利于形成稳定的气膜。

在下文中，将更详细地描述有利于凹口校准的设计实施例。

根据设计实施例，至少部分凹口在轴向方向上延伸。这使得沿轴向向内进行有效泵送。

根据设计实施例，至少部分凹口呈弯曲状延伸。根据设计实施例，至少部分凹口呈螺旋状延伸。这在摩擦，动量守恒和均匀地形成压力条件方面也具有一定优势。

根据设计实施例，相应的凹口至少部分地沿直线延伸而没有曲率(曲率半径为零)，特别是沿轴向向外。这也有利于气体的供给，特别是根据转速或转子的设计实施例或顶部箔片装置与转子之间的距离。

根据设计实施例，凹口的轴向外边缘处的外角大于125°或大于130°，特别是相对于切线方向。根据设计实施例，内边缘处或在轴向凹口内端的内角大于130°或大于135°，特别是相对于切线方向。这在稳定性和负载能力以及平滑性方面也具有良好的效果。

在下文中，将更详细地描述有利于凹口布置的设计实施例。

根据设计实施例，凹口从顶部箔片装置或转子的外边缘至少延伸到可用轴向轴承表面的1/3处。这也使得可以基于流体现象产生稳定效果，特别是根据各个轴向截面中的变化的横截面轮廓。凹口的轴向长度也可以根据转子的结构来选择。

根据设计实施例，凹口从相应的外边缘至少延伸至顶部箔片装置或转子的轴向长度的1/3。这能够有效地泵送气体，同时在轴向更内侧形成气膜。根据顶箔装置和转子之间的相互作用，可能需要或多或少的更宽的气膜(特别是在无凹口相互作用的情况下)。为此，尺寸和位置的非结构化轴向部分可以适应特定的应用情况。

根据设计实施例，凹口从相应的外边缘至多延伸至顶部箔片装置或转子的轴向长度的2/5处。这在轴向内部留下空间，形成与凹口无关的气膜，特别是气膜应尽可能小的湍流或应尽可能少地被凹口扰乱。

根据设计实施例，轴向区段的凹口从轴向外边缘全部延伸到非结构化的轴向部分相同的轴向位置。这对轴向内部的气体输送产生非常特定的影响，由此可以促进对气体分布的影响，特别是根据非结构化轴向中心布置的轴向部分的结构或尺寸。尤其是，摩擦力可以最小化。

根据设计实施例，箔片气体轴承装置构造成仅通过气体，特别是通过空气，用于无油径向支撑转子。这样可以进一步简化或优化轴承结构。此外，还可以开发广泛的应用领域。

根据设计实施例，顶箔装置是可弯曲的。顶箔装置可以由可弯曲材料制成。然后，轴承特性也可以通过材料特性和/或凸块箔片装置的布置方式来确定。以这种方式，借助于顶部箔片装置也可以实现阻尼功能，特别是取决于通过凸块箔片装置支撑顶部箔片装置的方式。

根据设计实施例，顶部箔片装置的凹口相对于转子呈静态地布置。然后，相对的旋转运动仅由转子的旋转方式决定。最后但非常重要的一点是：可以提供简单、坚固、低维护的轴承布置。

上述目的通过一个通过气体支撑转子的箔片气体轴承装置来实现，其通过一个在轴承套管内转子侧顶箔片装置沿径向安装在轴承座支撑的凸块箔片方向，所述箔片气体轴承装置包括多个凹口，这些凹口向轴向x方向倾斜并且向切线方向α倾斜，这些凹口至少布置在轴承的一个轴向截面中并且在转子和顶部箔片形成的轴承结构的径向间隙之间形成一个压力，尤其是在非结构化的轴向部分中。其中，所述顶部箔片装置由凹口或其中的转子是由凹口的上侧进行结构化设计。其中沿轴向向内限定凹口上侧结构化的流路，其预定的流动路径位于所述非结构化轴向部分，其中在由内两侧的凹口轴向外侧沿轴向延伸到所述非结构化轴向部分和在其轴向距离的另一端的端部。所述凹口被完全设计成凹槽或者切口，并被布置在至少两个轴向段中和相反的方向中，其中，至少部分所述凹口通过空气呈螺旋状延伸，并且其中，所述箔片气体轴承结构被配置为仅通过气体无油径向支撑转子的装置，特别是借助于空气或气态制冷剂。这使得该结构具有上述的多个优点。

上述目的还可以通过使用箔片气体轴承装置，特别是先前描述的箔片气体轴承装置来实现。该箔片气体轴承装置仅通过气体在无油的情况下径向支撑转子，其中箔片气体轴承装置的顶部轴承装置相对于转子以及转子的旋转方向在布置时要注意：在顶部箔装置的上侧和/或在转子的上侧上布置或安装的凹口倾斜于轴向x并且倾斜于切线方向α并且至少布置在轴承的一个轴向部分中并且在其中形成压力。在转子和顶部箔片装置之间形成轴承的径向间隙，特别是也在非结构化的轴向部分中形成，特别是箔片气体轴承装置在热泵或带有热泵的装置中的使用。这使得该结构具有上述的多个优点。

上述目的还可以通过箔片气体轴承装置，特别是前面描述的箔片气体轴承装置来实现，该箔片气体轴承装置通过在相应的上侧上构造顶部箔片装置和/或转子，通过多个倾斜于轴向x并且倾斜于切线方向α延伸的凹口来制造。它们布置在轴承的至少一个轴向部分中，使得箔片气体轴承装置在转子和顶部箔片装置之间形成的轴承的径向间隙中形成压力，特别是也在非结构化的轴向部分中形成压力。这使得该结构具有上述的多个优点。

上述目的还可以通过一种用于提供箔片气体轴承装置的方法来实现，该箔片气体轴承装置，特别是先前描述的箔片气体轴承装置，通过气体支撑转子，其步骤如下：

位于轴承座上的在轴承衬套中支撑的凸块箔片装置，用于在径向方向上支撑顶部箔装置；

将顶部箔片装置布置并固定在凸块箔片装置上以径向支撑转子；其中顶部箔片装置的布置使得多个倾斜于轴向x并且倾斜于切线方向α延伸的箔片气体轴承装置的凹口至少一个在轴向部分中，所述凹口设置在顶部箔片装置的顶部和/或转子上，在转子和顶部箔片装置轴承之间形成的径向间隙中形成压力，特别是在非结构化轴向部分中。这使得该结构具有上述的多个优点。

这种方法还包括通过设置凹口来构造顶部箔片装置(或顶部箔片)和/或转子的顶部。这样，箔片气体轴承装置的特性可以更具体地用于应用案例中。特别地，径向箔片气体轴承装置可以设置有螺旋槽形式的凹口，特别是两侧沿相反方向延伸的螺旋槽。

附图说明

在下面的附图中，将更详细地介绍本实用新型，未在各个附图中明确描述的附图标记可参考其他附图。如图所示：

图1和图2在根据两个设计实施例之一的箔片气体轴承装置在轴承衬套中布置和径向安装的轴向对齐的转子(轴)的示意图中的前面侧向透视图。

附图标记清单

1轴承套管

10箔片气体轴承装置

12转子

12a顶部

12.3第一外边缘

13间隙，尤其是空气间隙

14顶部箔片装置(groovedtopfoil)

14a顶部(径向向内的内侧)

14b下方(径向向外的外侧)

14.2顶部-箔片

14.3第二外边缘

15凸块-箔片装置

16轴承座

17单个凹口，特别是凹槽

17.1轴向凹口的内(轴)端

17.3轴向部分(带或不带凹口)

17.4一个轴向部分，带有凹口的结构

17.5一个轴向部分，带有凹口的结构

17.6非结构化的轴向部分

g气体，特别是周围气体或气态制冷剂

x0凹口的外端边缘(轴向外边缘)

x1，x2，x4凹口内端的内部轴向位置或凹口的轴向长度

x3凹扣的绝对轴向延伸(轴向轴承部分)

α转子的旋转方向，或切线方向或旋转角度

β凹口的外角，特别是相对于切线方向

γ凹口的内角，特别是相对于切线方向

x转子或轴的轴向或旋转轴

r径向。

具体实施方式

在图1中，示出了箔片气体轴承装置10，其中转子12(此处：轴)沿径向方向r安装。在转子12和顶部箔片装置14之间形成间隙或气隙13，其填充有气体g，特别是周围气体或周围空气。顶部箔片装置14支撑在凸块箔片装置15(所述的凸块箔片或可弯曲箔片)上，并且因此也可以提供阻尼功能，并且凸块箔片装置15被支撑在轴承衬套1中的轴承座16上。

转子12相对于顶部箔片装置14旋转。转子的旋转方向α或参照切线方向或相应的旋转角度由虚线箭头表示。轴向由箭头x(x方向逆时针方向)表示，径向方向由箭头r表示。

在气隙13中根据环境压力，相对转速和轴承载荷设定压力条件。根据本实用新型的装置，可以对这些压力条件产生影响，下面进行更详细地说明。

在图1中所示为首个设计实施例。在转子12的顶部12a上设置凹口17，特别是凹槽的形式，其中凹口17结合在转子的材料中。凹口17布置在两个轴向部分17.4和17.5中并且沿相反方向延伸，使得凹口的内端17.1在非结构化轴向部分17.6中开口，特别是用于将气体/空气泵送到该非结构化轴向部分17.6中，即用于调节压力条件，特别是在相对于整个轴向部分17.3轴向同心的中心区域中，该轴向部分17.3设置用于径向支撑转子。各个轴向部分的长度比由附图标记x1，x2，x3和x4，x0表示，每个标记对应凹口的轴向外边缘(起始点)。该轴向外边缘也可以是转子或顶箔装置的第一外边缘12.3和第二外边缘14.3。

例如，x1和x4至少近似相等。例如，非结构化部分17.6至少近似与x1和/或x4一样大。特别地，仅具有单个轴承x3(凹口的绝对轴向范围)至少近似与转子的绝对长度一样大。例如，凹口的外端边缘(轴向外边缘)x0与转子的轴向起点或末端重合。在这种情况下，x3也可以大于顶部箔片装置的轴向范围。对于细长转子和多个轴承，x3长度明显小于绝对转子。

已经证明，相应的结构化径向轴承的总轴向长度通常可以选择为略大于顶部箔片装置的绝对长度，特别是对于凹口(凹槽)布置在转子上的情况。结构化区域传输到固定套管的左端和右端。

在图1中，凹口的外角β或内角γ也分别表示对应的切线方向。根据一种变型，角度至少近似相等(例如在135°的范围内)。根据另一变型，内角更大，即，凹口以与切线方向成锐角的方式进一步向内延伸。

在图2中所示为其他设计实施例。凹口17集成在顶部箔片装置14中，即在顶部14a上的顶部箔片14.2中。径向朝外的底部14b可以保持非结构化。

顶部箔片装置14通过其上侧14a限定径向轴承的位置(根据支承平面或圆柱形轴承套表面)。

在两个设计实施例中(图1和图2)，可以通过产生沿轴向向外到轴向向内的泵送作用来设定有利的轴承特性，其具有压力积聚的效果，特别是在非结构化轴向部分17.6中至少近似轴向地布置时。一方面，这提供了高稳定性，另一方面，提供了非常好的，(位置)耐受的轴承特性。

顶部箔片装置14和/或转子因此具有多个单独的凹口17，特别是每个凹口的结构为凹槽，其中凹口至少在一个轴向部分17.4,17.5上延伸，根据要求，该轴向区段明显小于转子或轴向部分17.3的绝对轴向长度。

对于这种结构化的顶部箔片14.2或结构化的顶部箔片装置14，可以考虑以下口语名称：groovedtopfoil.

在所示的变型中，凹口至少部分呈螺旋状延伸并且完全沿着整个圆周设置，无论是在转子上还是在转子中，亦或是在顶部箔片装置的表面中。

通过凹口17，可以轴向向内泵送气体或空气，即沿着由凹口限定的流动路径(由图1中的虚线表示)，特别是设定在转子12和顶部箔片装置14之间形成的气膜的特性，特别是为了能够通过转子相对于静态布置的顶部箔片装置的相对旋转来控制流动和压力条件。