气体轴承

1.本发明属于轴承技术领域，更具体地说，是涉及一种气体轴承。


背景技术：

2.气体轴承可分为静压气体轴承与动压气体轴承两大类。相较于静压气体轴承，动压气体轴承不需要额外提供高压气体，且具有结构简单，体积小等优点，因此动压气体轴承在微型燃气轮机、微型涡喷发动机等领域得到广泛运用。
3.动压气体轴承与转子之间存在楔形间隙或其他特殊形式的间隙，当转子旋转时，该间隙中产生气体动压力，以实现对转子的承载。但是由于承载机理的限制，楔形气隙产生的动压力有限，使得动压气体轴承的承载力相比于静压气体轴承较小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种气体轴承，以解决现有技术中存在的动压气体轴承由于承载机理的限制导致承载能力小的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种气体轴承，包括轴承套、支承箔片及顶箔，所述支承箔片具有弹性并支承于所述顶箔与所述轴承套之间；所述顶箔的内表面可与转子形成楔形间隙，所述顶箔上开设有输送路径，所述输送路径用于接入外部高压气体或高压液体，并用于将外部高压气体或高压液体输入至所述楔形间隙中。
6.可选地，所述顶箔的厚度范围为1mm-4mm。
7.可选地，所述输送路径包括：
8.多个节流孔，各所述节流孔分别沿所述顶箔的周向及轴向分布，所述节流孔自所述顶箔的内周壁径向延伸；
9.多个通道，分别与各所述节流孔连通并延伸至所述顶箔外部。
10.可选地，在所述顶箔的轴向上，各所述节流孔以所述顶箔的轴向中截面为对称面对称分布。
11.可选地，所述顶箔沿轴向上包括至少一圈节流孔；
12.其中，位于同一圈上的各所述节流孔沿所述顶箔周向等间隔分布；
13.或者，位于同一圈上的各所述节流孔沿所述顶箔周向不等间隔分布。
14.可选地，所述节流孔的内径范围为0.1mm～1.5mm。
15.可选地，所述通道沿所述顶箔轴向延伸，并分别与位于同一轴向位置的各所述节流孔连通。
16.可选地，各所述通道均沿所述顶箔径向延伸，每一个所述节流孔对应连接一个所述通道。
17.可选地，所述顶箔与所述轴承套之间设有一层所述支承箔片；
18.或者，所述顶箔与所述轴承套之间设有多层所述支承箔片。
19.可选地，所述支承箔片包括多个沿周向等间隔分布的波纹段，以及多个分别连接
于每相邻两个所述波纹段之间的连接段，且其中一个所述连接段沿周向断开设置；
20.各所述波纹段的波峰与所述顶箔抵接，各所述连接段与所述轴承套抵接。
21.本发明提供的气体轴承的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的气体轴承通过在顶箔上开设输送路径，且可通过输送路径向顶箔与转子之间的楔形间隙中通入外部高压气体或高压液体，如此，可通过外部高压气体或高压液体来辅助顶箔共同支承转子，从而使得该气体轴承对转子的承载能力大幅度提升。同时，相比于静压气体轴承，该气体轴承保留了支承箔片的弹性支承结构和接触约束，受到扰动时，支承箔片的变形情况发生变化，支承箔片与轴承套之间的各接触处发生相对滑动，滑动摩擦能够吸收一部分振动能量，起到减振的效果，从而具有良好的动态特性和抗冲击能力。也即是本技术的气体轴承结合了动压气体轴承和静压气体轴承的优点，可获得较高的承载能力、良好的抗冲击能力和稳定性，进而提高了该气体轴承的使用寿命。此外，高压气体的通入使得转子运行之前就与顶箔之间建立了气体润滑膜，因此避免了启动过程中的干摩擦阶段，也就没有了启动转速的特征，同时气体润滑膜使得转子在承受动态载荷时与顶箔接触的几率降低，有效降低了顶箔以及气体轴承的失效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的气体轴承的结构示意图；
24.图2为图1中气体轴承的轴向示意图；
25.图3为图2中气体轴承的剖视示意图；
26.图4为图3中a局部的局部放大图；
27.图5为图1中顶箔的结构示意图；
28.图6为图1中支承箔片的结构示意图；
29.图7为本发明另一个实施例提供的气体轴承的结构示意图；
30.图8为图7中b局部的局部放大图。
31.其中，图中各附图标记：
32.100-转子；10-轴承套；20-支承箔片；30-顶箔；11-安装槽；21-波纹段；22-连接段；23-第一固定块；24-第一固定端；25-第一自由端；31-输送路径；32-箔体；33-第二固定块；34-第二固定端；35-第二自由端；311-节流孔；312-通道；p-楔形间隙；m-轴向中截面。
具体实施方式
33.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可
以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
35.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的气体轴承进行说明。
38.该气体轴承包括轴承套10、支承箔片20及顶箔30。轴承套10和顶箔30均呈圆筒状结构，支承箔片20具有弹性并支承于顶箔30与轴承套10之间，顶箔30与支承箔片20均为沿周向上的非封闭型结构。顶箔30内表面可与转子100形成楔形间隙p，支承箔片20起弹性支承作用，使得该气体轴承具有较好的抗冲击性。此外，支承箔片20与顶箔30之间以及支承箔片20与轴承套10之间的相对运动可产生库伦摩擦力，在气体轴承受到扰动时，各接触处的库伦摩擦会吸收一部分振动能量，以减轻振动。
39.请参阅图1，顶箔30上开设有输送路径31，输送路径31用于接入外部高压气体，并用于将外部高压气体输入至楔形间隙p中。实际工作时，首先将输送路径31与外部高压气体连通，并将转子100一端插设于顶箔30中，然后打开外部高压气体，外部高压气体经过输送路径31输送至楔形间隙p中并在楔形间隙p中形成气体润滑膜。启动转子100，当转子100承受载荷时，转子100相对于顶箔30产生偏心，此时气体润滑膜沿周向上的厚度发生变化，因此不同部位的气体流速和气体压力不同，转子100表面所受的气体润滑膜压力的合力将抵抗载荷引起的转子100偏心，进而实现对转子100的承载作用。可以理解地，在本发明的其他实施例中，根据实际情况及具体要求，上述输送路径31也可以用于输入高压液体，通过高压液体作为转子100与顶箔30之间的润滑与支承介质，此处不做唯一限定。
40.本发明提供的气体轴承通过在顶箔30上开设输送路径31，且可通过输送路径31向顶箔30与转子100之间的楔形间隙p中通入外部高压气体或高压液体，如此，可通过外部高压气体或高压液体来辅助顶箔30共同支承转子100，从而使得该气体轴承对转子100的承载能力大幅度提升。同时，相比于静压气体轴承，该气体轴承保留了支承箔片20的弹性支承结构和接触约束，受到扰动时，支承箔片20的变形情况发生变化，支承箔片20与轴承套10之间的各接触处发生相对滑动，滑动摩擦能够吸收一部分振动能量，起到减振的效果，从而具有良好的动态特性和抗冲击能力。也即是本技术的气体轴承结合了动压气体轴承和静压气体轴承的优点，可获得较高的承载能力、良好的抗冲击能力和稳定性，进而提高了该气体轴承的使用寿命。此外，高压气体的通入使得转子100运行之前就与顶箔30之间建立了气体润滑膜，因此避免了启动过程中的干摩擦阶段，也就没有了启动转速的特征，同时气体润滑膜使得转子100在承受动态载荷时与顶箔30接触的几率降低，有效降低了顶箔30以及气体轴承的失效率。
41.具体的，由于需要开设输送路径31，顶箔30的厚度需要比普通箔片的厚度大。但是，如果顶箔30厚度过大，则会影响顶箔30与支承箔片20之间的支承配合能力。因此本技术
将顶箔30的厚度范围设置为1mm-4mm，也即是，当顶箔30厚度在1mm-4mm范围内，顶箔30不仅可以满足开设输送路径31的条件，同时也能够与支承箔片20很好配合以承载转子100。
42.在本实施例中，顶箔30的厚度为2mm。可以理解地，在本发明的其他实施例中，根据输送路径31的实际开设情况，上述顶箔30的厚度也可以是1mm、1.5mm、3mm、3.5mm及4mm等，只要在1mm-4mm范围内均可，此处不做唯一限定。
43.具体的，请参阅图2、图4及图5，在本实施例中，输送路径31包括多个节流孔311及多个通道312。各节流孔311分别沿顶箔30的周向及轴向分布，节流孔311自顶箔30的内周壁径向延伸，且节流孔311没有贯穿顶箔30。在本实施例中，对于顶箔30而言，与转子100正对的一侧为内侧，与支承箔片20正对的一侧为外侧，此处的“内周壁”是指顶箔30沿周向上的内侧壁。各通道312分别与各节流孔311连通并延伸至顶箔30外部，也即是各通道312用于将各节流孔311连通至顶箔30外部。实际工作时，外部高压气体从各通道312输入，并分别进入各节流孔311中，通过各节流孔311的节流作用后，分别进入顶箔30与转子100之间的楔形间隙p中。本实施例通过各节流孔311及各通道312的设置，不仅能够将外部高压气体或高压液体通入楔形间隙p中，同时节流孔311具有节流作用，从而可以控制通入楔形间隙p的高压气体的流量，进而达到调控气体润滑膜对转子100的承载能力的目的。
44.通道312的数量与节流孔311的数量可以相同，也可以不同；当通道312的数量与节流孔311的数量相同时，每一个节流孔311可通过一个通道312连通至顶箔30外部；当通道312的数量小于节流孔311的数量时，则一个通道312可将多个节流孔311连通至顶箔30外部。
45.具体的，在本实施例中，请参阅图3，在顶箔30的轴向上，各节流孔311以顶箔30的轴向中截面m为对称面对称分布。此处的“轴向中截面m”是指顶箔30沿轴向上位于中间的截面，也即是各节流孔311在图3中左右对称设置，如此，使得气体润滑膜对转子100的承载能力从中间向两端方向均匀分布。当然，在本发明的其他实施例中，各节流孔311也可不以顶箔30的轴向中截面m为对称面对称分布，此处不做唯一限定。
46.请参阅图3及图5，顶箔30沿轴向上包括四圈节流孔311，这四圈节流孔311沿顶箔30轴向上等间隔分布，且以顶箔30的轴向中截面m为对称面对称分布。可以理解地，在本发明的其他实施例中，上述顶箔30沿轴向上可以包括一圈、两圈、三圈或四圈以上节流孔311，或者各圈节流孔311沿顶箔30轴向上也可不等间隔分布，或者各节流孔311在顶箔30上并没有呈一圈圈的设置，而且呈螺旋方式分布，此处不做唯一限定。
47.请参阅图3，位于同一圈上的各节流孔311沿顶箔30周向等间隔分布，如此，圆周上多个位置开设节流孔311使得气体润滑膜压力更加均匀，更容易平衡，避免了供气压力较大时转子100会与顶箔30上部接触，因此供气压力值范围选择性更广，另一方面使得该气体轴承承受动态载荷时上部也具有一定的承载能力，使得气体轴承的动态性能有所提升。可以理解地，在本发明的其他实施例中，根据实际情况及具体要求，上述位于同一圈上的各节流孔311沿顶箔30周向也可不等间隔分布，此处不做唯一限定。
48.具体的，在本实施例中，同一圈上的节流孔311的数量为5个。可以理解地，在本发明的其他实施例中，根据顶箔30的实际直径及对高压气体的实际需求，同一圈上的节流孔311的数量也可以是1个、4个、8个、16个及24个等，只要在1-24范围内均可，此处不做唯一限定。
49.节流孔311是通过其内径及轴向长度来实现对气体或液体流量的限定，在本实施例中，节流孔311的内径为0.2mm，节流孔311的轴向长度为0.5mm，从而实现本技术的气体轴承对气体流量的控制。可以理解地，在本发明的其他实施例中，根据实际情况及具体要求，上述节流孔311的内径也可为0.1mm、0.7mm及1.5mm，只要节流孔311的内径在0.1mm～1.5mm范围内均可，且节流孔311的轴向长度也可以根据实际情况进行限定，此处不做唯一限定。
50.请参阅图1、图3及图4，在本实施例中，通道312的数量小于节流孔311的数量，顶箔30上分布有5个通道312，各通道312沿顶箔30周向分布，通道312的数量与每一圈节流孔311的数量相同，且通道312沿顶箔30轴向延伸。每一个通道312分别与位于同一轴向位置的各节流孔311连通，并将这些节流孔311一同连通至外部，也即是位于同一轴向位置上的各节流孔311共用一个通道312，并通过同一个通道312连通至外部。实际工作时，只需要将这5个通道312分别连通至外部高压气体，然后通过这5个通道312分别输送高压气体至各节流孔311中。可以理解地，在本发明的气体实施例中，通道312的数量根据每一圈节流孔311的数量来定，此外，在顶箔30轴向尺寸较大的情况下，还可以将通道312的数量翻倍，具体的，以顶箔30的轴向中截面m为对称面，位于轴向中截面m一侧且位于同一轴向位置上的各节流孔311通过一个通道312连接至顶箔30外部，而位于轴向中截面m另一侧且位于同一轴向位置上的各节流孔311通过另一个通道312连接至顶箔30外部，如此，可防止由于通道312长度过长而导致输送受到阻碍的情况发生。
51.请参阅图1及图4，通道312沿轴向贯穿顶箔30轴向上的一端，具体是哪一端可以根据实际安装需求来定。通道312的内径大于节流孔311的内径，由于通道312主要起到输送的功能，因此通道312的内径如果过小容易阻碍气体输送，因此，通道312的内径设置的相对大一些。
52.在本发明的另一个实施例中，请参阅图7及图8，通道312沿顶箔30径向延伸，每一个通道312对应连接一个节流孔311，也即是每一节流孔311都对应配备一个通道312。通道312的延伸方向与节流孔311的方向相同，通道312自节流孔311延伸至顶箔30的外周壁上，通道312的内径大于节流孔311的内径，也即是通道312与节流孔311呈阶梯设置。此处“顶箔30的外周壁”是指顶箔30沿周向上的外侧壁。本实施例通过每一节流孔311都对应配备一个通道312，如此，可对每一个节流孔311进行独立控制是否通气，或者通气多少，其可调节性更大。
53.请参阅图1及图2，在本实施例中，顶箔30与轴承套10之间设有一个支承箔片20，通过支承箔片20来支承顶箔30，从而实现对转子100的承载作用。可以理解地，在本发明的其他实施例中，上述顶箔30与轴承套10之间还可以设置多层支承箔片20，各支承箔片20沿径向叠层设置，如此，使得各支承箔片20之间的接触点增多了，从而提高了阻尼性，进而提高了该气体轴承对转子100的承载能力。
54.请参阅图2及图6，支承箔片20包括多个波纹段21及多个连接段22，各波纹段21沿周向等间隔分布，各连接段22连接于相邻两波纹段21之间，各连接段22近似于呈平面状。其中一个波纹段21沿周向断开设置，即整个支承箔片20沿周向为非封闭型结构，如此，使得支承箔片20沿周向上可弹性伸缩。安装时，将各波纹段21的波峰与顶箔30相抵接，并使得各连接段22与轴承套10相抵接。当转子100承受载荷时，各波纹段21将因顶箔30的挤压而产生变形，而当转子100承受动态载荷或受到干扰时，各波纹段21的反复形变造成各接触点的相对
滑动，从而产生库伦摩擦。
55.请参阅图2及图6，各波纹段21沿轴向延伸，各连接段22沿轴向延伸，各波纹段21、各连接段22、轴承套10及顶箔30的轴向宽度均相等。
56.请参阅图6，支承箔片20沿周向具有第一固定端24及第一自由端25，第一固定端24固定于轴承套10上，第一自由端25悬空设置。第一自由端25设于一波纹段21的末端，第一固定端24设于一连接段22上，且该连接段22的周向长度小于其他连接段22的周向长度。第一固定端24上设有第一固定块23，第一固定块23自第一固定端24向轴承套10方向弯折延伸。
57.顶箔30包括箔体32及第二固定块33，箔体32呈圆筒状并沿周向为非封闭型结构，箔体32沿周向上具有第二固定端34及第二自由端35，第二固定块33自第二固定端34向轴承套10方向延伸。轴承套10的内侧壁上开设有安装槽11，安装槽11的开口朝向顶箔30，且安装槽11沿轴向贯穿轴承套10，第一固定块23插设于安装槽11中，第二固定块33穿过第一自由端25与第一固定块23之间的间隙并插入安装槽11中，第一固定块23与第二固定块33在安装槽11卡紧，从而实现支承箔片20与顶箔30的安装。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。