气体轴承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及压缩机。


背景技术：

2.气体轴承是气体充当润滑介质，利用气体流体的动压效应或静压效应形成支撑载荷的润滑气膜的一类轴承。在相关技术中，气体轴承根据润滑气膜产生机理的不同可分为动压气体轴承、静压气体轴承以及挤压型气体轴承。气体轴承凭借摩擦损耗小、稳定性好、振动小等一系列优点，常被选作传统油轴承的理想替代，尤其是在高速透平机、精密机床制造及空间技术领域，气体轴承均有着十分广阔的应用前景。


技术实现要素：

3.经发明人研究发现，相关技术中的动压气体轴承及静压气体轴承均存在一定的局限性。动压气体轴承利用转子与轴承表面之间形成的楔形空间产生楔形效应，伴着转子速度的不断提升，周围气体因气体的粘性而不断被拖入楔形空间，导致楔形空间内气压不断提升。动压气膜在轴承转速达到一定值时才能形成。但是，在转子启动及停止过程中，由于转速不足，动压气体轴承与转子之间不能形成有效的润滑气膜，导致轴承顶箔与转子表面存在严重的干摩擦，使得轴承表面在干摩擦作用下逐渐发生严重磨损，从而影响动压气体轴承的使用寿命，磨损后期甚至会出现箔片与转子产生严重粘着磨损的情况。
4.静压气体轴承通过外部供气系统提供一定压力的气体，然后气体经过节流结构传输至轴承和转子之间的间隙，后在转子和轴承之间配合间隙内形成气膜以起到支撑转子的作用。但是当转子速度较高时，静压气体轴承由于缺乏阻尼机制，无法有效吸收和抑制转子的振动，导致轴承稳定性降低，这限制了静压气体轴承在高转速、高线速度工作环境下的使用。
5.有鉴于此，本公开实施例提供一种气体轴承及压缩机，能够给更大转速范围的转子提供良好支撑，提高使用寿命和工作稳定性。
6.在本公开的一个方面，提供一种气体轴承，包括：沿轴向设置的至少一个动压径向轴承段和至少一个静压径向轴承段，所述至少一个动压径向轴承段和所述至少一个静压径向轴承段连接成一体，所述至少一个动压径向轴承段的内径d1大于所述至少一个静压径向轴承段的内径d2。
7.在一些实施例中，所述至少一个动压径向轴承段包括至少两个动压径向轴承段，所述至少两个动压径向轴承段中的一部分沿轴向位于所述至少一个静压径向轴承段的一侧，所述至少两个动压径向轴承段中的另一部分沿轴向位于所述至少一个静压径向轴承段的另一侧。
8.在一些实施例中，所述至少两个动压径向轴承段位于所述至少一个静压径向轴承段两侧的两个部分与所述至少一个静压径向轴承段分别通过独立的连接件连接。
9.在一些实施例中，所述至少两个动压径向轴承段的结构和尺寸相同。
10.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，所述至少一个静压径向轴承段包括一个静压径向轴承段，所述两个动压径向轴承段分别通过两组螺钉与所述一个静压径向轴承段固定连接，每组螺钉包括至少两个螺钉。
11.在一些实施例中，所述至少一个动压径向轴承段的内径d1与所述至少一个静压径向轴承段的内径d2的差值为5～8μm。
12.在一些实施例中，所述动压径向轴承段包括：
13.第一轴承套；
14.多个支撑波箔，与所述第一轴承套内壁连接，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；
15.第一顶箔，与所述第一轴承套内壁连接，所述第一顶箔位于所述支撑波箔邻近所述第一轴承套的轴线一侧，并在径向上对所述支撑波箔进行支撑；
16.第二顶箔，与所述第一轴承套内壁连接，所述第二顶箔位于所述第一顶箔邻近所述第一轴承套的轴线一侧，并在径向上对所述第一顶箔进行支撑，
17.其中，所述动压径向轴承段的内径d1为所述第二顶箔的内径。
18.在一些实施例中，所述第一轴承套的内壁具有对应于所述多个支撑波箔的多组线槽，对应于每组线槽的支撑波箔的第一端固定在该组线槽中，所述第一顶箔的第一端固定在所述多组线槽中的一组线槽中，所述第二顶箔的第一端固定在所述多组线槽中的一组线槽中，对应于每组线槽的支撑波箔的第二端相对于第一端的延伸方向与所述第一顶箔的第二端相对于第一端的延伸方向相反，对应每组线槽的支撑波箔的第二端相对于第一端的延伸方向与所述第二顶箔的第二端相对于第一端的延伸方向相同。
19.在一些实施例中，每组线槽包括非销钉孔线槽，对应于每组线槽的支撑波箔的第一端在所述非销钉孔线槽内插接固定，所述多组线槽中的至少一组线槽包括销钉孔线槽，所述第一顶箔的第一端和所述第二顶箔的第一端均在所述销钉孔线槽插接并通过销钉固定。
20.在一些实施例中，所述第一顶箔的第一端和所述第二顶箔的第一端均插接在同一销钉孔线槽内。
21.在一些实施例中，所述支撑波箔的多个弧形波纹的至少一个弧形波纹的高度h1为0.4～0.6mm，和/或，所述支撑波箔的多个弧形波纹的至少一个弧形波纹的直径d3为4～5mm，和/或，所述支撑波箔的多个波纹中每两个相邻弧形波纹相对于所述第一轴承套的轴线的角度差α为3
°
～5
°
。
22.在一些实施例中，所述静压径向轴承段包括：
23.第二轴承套，外壁具有至少一个第一环形槽和供气通孔，所述至少一个第一环形槽被配置为固定套设在所述第一环形槽内的环形密封圈；
24.多孔质材料内轴套，位于所述第二轴承套径向内侧，
25.其中，所述静压径向轴承段的内径d2为所述多孔质材料内轴套的内径。
26.在一些实施例中，所述多孔质材料内轴套的外周面具有多个气流槽，所述多个气流槽沿轴向间隔布置，在相邻气流槽之间设有通流口，所述供气通孔正对所述多个气流槽中的至少一个。
27.在一些实施例中，所述多个气流槽的至少一个的深度h2为0.3～0.5mm。
28.在一些实施例中，所述通流口的宽度与所述多个气流槽中每个气流槽的宽度均相同。
29.在一些实施例中，所述至少一个第一环形槽包括沿轴向间隔布置的多个第一环形槽，所述多个第一环形槽的一部分和另一部分沿轴向分别位于所述供气通孔的两侧。
30.在一些实施例中，所述第二轴承套的外壁还具有至少一个第二环形槽，所述供气通孔与所述至少一个第二环形槽连通。
31.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。
32.因此，根据本公开实施例，将至少一个动压径向轴承段和至少一个静压径向轴承段通过连接件连接成一体，并使动压径向轴承段的内径大于静压径向轴承段的内径，这使得本公开实施例的气体轴承能够在转子处于较低速度时通过静压轴承段对转子实现可靠的支撑作用，并能够在转子处于较高速度时通过动压轴承段对转子提供具有更高的刚度和阻尼的支撑作用，从而使得本公开实施例的气体轴承给更大转速范围的转子提供良好支撑，提高使用寿命和工作稳定性。
附图说明
33.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。
34.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
35.图1是根据本公开气体轴承的一些实施例的结构示意图；
36.图2是根据本公开气体轴承的一些实施例的立体结构示意图；
37.图3是根据本公开气体轴承的一些实施例中动压轴承段在轴向视角的结构示意图；
38.图4是图3中圆圈a的放大示意图；
39.图5是根据本公开气体轴承的一些实施例中静压轴承段沿轴向的纵截面示意图；
40.图6是根据本公开气体轴承的一些实施例中静压轴承段的立体结构示意图。
41.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
42.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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.图1是根据本公开气体轴承的一些实施例的结构示意图。参考图1，在一些实施例中，气体轴承包括：沿轴向设置的至少一个动压径向轴承段20和至少一个静压径向轴承段10。所述至少一个动压径向轴承段20和所述至少一个静压径向轴承段10连接成一体。通过将动压径向轴承段20和静压径向轴承段10连接成一体，以利用动压径向轴承和静压径向轴承分别在转子的不同转速条件下的性能，弥补相关技术中静压径向轴承和静压径向轴承各自的短板。这里的轴向指的是平行于气体轴承的轴线s的方向。
48.参考图1，至少一个动压径向轴承段20的内径d1大于所述至少一个静压径向轴承段10的内径d2。通过将动压径向轴承段20的内径d1设置成大于静压径向轴承段10的内径d2，可使得静压径向轴承段能够在转子的低速阶段对转子实现支撑，以使转子在低速阶段能够平稳起浮，相比于相关技术中的动压径向轴承，可避免动压径向轴承段在转子的低速阶段与转子表面发生严重的干摩擦。并且，还使得动压径向轴承段能够在转子的高速阶段对转子实现具有更高刚度和阻尼的支撑，相比于相关技术中的静压径向轴承，可避免静压径向轴承段在转子的高速阶段存在的稳定性问题。这样可进一步实现转子在工作全速域范围内的悬浮，从而大大延长气体轴承使用寿命及工作稳定可靠性。
49.换句话说，通过将动压径向轴承段20的内径d1设置成大于静压径向轴承段10的内径d2，可实现静压径向轴承段和动压径向轴承段在转子不同转速下的作用顺序，从而充分地动压径向轴承和静压径向轴承分别在转子的不同转速条件下的性能，更好地弥补相关技术中静压径向轴承和静压径向轴承各自的短板。
50.在一些实施例中，所述至少一个动压径向轴承段20包括至少两个动压径向轴承段20。所述至少两个动压径向轴承段20中的一部分沿轴向位于所述至少一个静压径向轴承段10的一侧，所述至少两个动压径向轴承段20中的另一部分沿轴向位于所述至少一个静压径向轴承段10的另一侧。这种布置方式对处于高速转动的转子来说具有更好的扰动抑制作用，稳定性更好。
51.需要说明的是，相邻的两个动压径向轴承段也可被视为沿轴向更长的一个动压径向轴承段，而相邻的两个静压径向轴承段也可被视为沿轴向更长的一个静压径向轴承段。这样，上述布置方式可被视作具有动压-静压-动压的组合方式的气体轴承。在另一些实施例中，气体轴承也可采用动压-静压的组合方式，或者静压-动压-静压的组合方式等。采用动压-静压-动压的组合方式的气体轴承在转子高速工况下具有更好的稳定性。
52.在图1中，至少两个动压径向轴承段20位于所述至少一个静压径向轴承段10两侧的两个部分与所述至少一个静压径向轴承段10分别通过独立的连接件30连接。这种连接方式方便位于两个动压轴承段20之间的静压径向轴承段的内圈装配，降低组装难度，而且容易保证轴承精度。当气体轴承的某个轴承段磨损或损坏时，更换更加方便。
53.在另一些实施例中，至少两个动压径向轴承段20位于所述至少一个静压径向轴承段10两侧的两个部分与所述至少一个静压径向轴承段10还可以通过连接件整体连接，例如通过贯穿各段轴承段的长螺栓等连接。在又一些实施例中，可使得至少一个动压径向轴承段20和至少一个静压径向轴承段10的至少部分部件一体制成，例如使动压径向轴承段20的轴承套和静压径向轴承段10的轴承套一体制成，从而使结构更加紧凑。
54.参考图1，在一些实施例中，至少两个动压径向轴承段20的结构和尺寸相同。这种结构可使得气体轴承的受力均衡，以获得更好的工作稳定性。
55.在图1中，至少两个动压径向轴承段20包括两个动压径向轴承段20。所述至少一个静压径向轴承段10包括一个静压径向轴承段10。两个动压径向轴承段20分别通过两组螺钉与所述一个静压径向轴承段10固定连接。每组螺钉包括至少两个螺钉。在一些实施例中，每组螺钉包括三个螺钉，且三个螺钉沿周向间隔相等夹角分布。对于静压径向轴承段10位于两个动压径向轴承段20之间的气体轴承来说，可在静压径向轴承段10的轴承套的轴向两端设置螺纹孔，而在两个动压径向轴承段20的轴承套上设置轴向整体贯穿的台阶孔25，以便螺钉穿过台阶孔25与螺纹孔螺纹连接。这种气体轴承的结构工作稳定性高，且段数少可简化装配。并且，这种气体轴承段数较少，使得整体轴向宽度相对较小，从而更容易保证装配精度而不容易被磨损。
56.在上述实施例中，至少一个动压径向轴承段20的内径d1与所述至少一个静压径向轴承段10的内径d2的差值优选为5～8μm。这个取值范围可使得动压径向轴承段20获得比较合适的气膜厚度，一方面可降低转子与动压径向轴承段的磨损风险，另一方面降低转子高速转动时因动压径向轴承段振动失稳风险。
57.图2是根据本公开气体轴承的一些实施例的立体结构示意图。图3是根据本公开气体轴承的一些实施例中动压轴承段在轴向视角的结构示意图。图4是图3中圆圈a的放大示意图。参考图2-图4，在一些实施例中，动压径向轴承段20包括：第一轴承套21、多个支撑波箔22、第一顶箔23和第二顶箔24。多个支撑波箔22与所述第一轴承套21内壁连接，每个支撑波箔22整体呈圆弧形，且沿所述支撑波箔22的延伸方向具有多个弧形波纹。在一些实施例中，多个支撑波箔22包括三段长度基本相同的圆弧形的支撑波箔22。
58.参考图4，在一些实施例中，所述支撑波箔22的多个弧形波纹的至少一个弧形波纹的高度h1为0.4～0.6mm。在一些实施例中，所述支撑波箔22的多个弧形波纹的至少一个弧形波纹的直径d3为4～5mm。在一些实施例中，所述支撑波箔22的多个波纹中每两个相邻弧形波纹相对于所述第一轴承套21的轴线的角度差α为3
°
～5
°
。
59.第一顶箔23与所述第一轴承套21内壁连接。所述第一顶箔23位于所述支撑波箔22邻近所述第一轴承套21的轴线一侧，并在径向上对所述支撑波箔22进行支撑。第二顶箔24与所述第一轴承套21内壁连接。所述第二顶箔24位于所述第一顶箔23邻近所述第一轴承套21的轴线一侧，并在径向上对所述第一顶箔23进行支撑。在本实施例中，所述动压径向轴承段20的内径d1为所述第二顶箔24的内径。
60.在本实施例中，动压径向轴承段20通过上述单波箔双顶箔的组合结构，可在转子处于高速工况下获得更好的刚度和阻尼，以预防转子发生自激振动，从而有效地提高转子在高速工况下的工作稳定性。
61.在图2-图4中，第一轴承套21的内壁具有对应于所述多个支撑波箔22的多组线槽，对应于每组线槽的支撑波箔22的第一端固定在该组线槽中。所述第一顶箔23的第一端固定在所述多组线槽中的一组线槽中，所述第二顶箔24的第一端固定在所述多组线槽中的一组线槽中。支撑波箔22、第一顶箔23和第二顶箔24可分别通过销钉孔线槽或非销钉孔线槽与第一轴承套21的内部实现连接。
62.对应于每组线槽的支撑波箔22的第二端相对于第一端的延伸方向与所述第一顶箔23的第二端相对于第一端的延伸方向相反。对应每组线槽的支撑波箔22的第二端相对于第一端的延伸方向与所述第二顶箔24的第二端相对于第一端的延伸方向相同。例如在图4中，支撑波箔22的延伸方向为顺时针方向，第一顶箔23的延伸方向为逆时针方向，第二顶箔24的延伸方向为顺时针方向。
63.参考图4，在一些实施例中，每组线槽包括非销钉孔线槽211，对应于每组线槽的支撑波箔22的第一端在所述非销钉孔线槽211内插接固定。所述多组线槽中的至少一组线槽包括销钉孔线槽212，所述第一顶箔23的第一端和所述第二顶箔24的第一端均在所述销钉孔线槽212插接并通过销钉固定。这种固定方式通过第一顶箔23和第二顶箔24的弯曲张力产生自预紧作用，并使得第一顶箔23与支撑波箔22之间产生预紧效果。
64.在图3和图4中，第一顶箔23的第一端和所述第二顶箔24的第一端均插接在同一销钉孔线槽212内。这样可使得第一顶箔23和第二顶箔24可共同围成封闭环形，以便对各个支撑波箔22形成了可靠的支撑。
65.图5是根据本公开气体轴承的一些实施例中静压径向轴承段沿轴向的纵截面示意图。图6是根据本公开气体轴承的一些实施例中静压径向轴承段的立体结构示意图。参考图2、图5和图6，在一些实施例中，静压径向轴承段10包括：第二轴承套11和多孔质材料内轴套12。第二轴承套11的外壁具有至少一个第一环形槽112和供气通孔111。所述至少一个第一环形槽112被配置为固定套设在所述第一环形槽112内的环形密封圈。这些第一环形槽112可增加静压径向轴承段的阻尼，并可通过环形密封圈起到气密作用。在一些实施例中，第二轴承套11的材料包括比较轻质的铝合金材料。
66.多孔质材料内轴套12位于所述第二轴承套11径向内侧。外部气源可通过供气通孔111将高压气体从第二轴承套11的外部通入多孔质材料内轴套12的外部，并通过多孔质材料使气膜均匀地作用在多孔质材料内轴套12内侧的转子上。在本实施例中，所述静压径向轴承段10的内径d2为所述多孔质材料内轴套12的内径。在一些实施例中，多孔质材料包括多孔质石墨。
67.在图5中，至少一个第一环形槽112包括沿轴向间隔布置的多个第一环形槽112。所述多个第一环形槽112的一部分和另一部分沿轴向分别位于所述供气通孔111的两侧。例如沿气体轴承的轴向位于供气通孔两侧可各有两个第一环形槽112，在提高气密作用的同时，还使得气体轴承的阻尼在轴向上保持一致。
68.另外，参考图5，在一些实施例中，第二轴承套11的外壁还具有至少一个第二环形槽113，所述供气通孔111与所述至少一个第二环形槽113连通。通过第二环形槽113可使得
外部输入的高压气体能够在周向上循环。
69.例如设置多个第二环形槽113，各个第二环形槽113可相互连通，以便使得外部收输入的高压气体均匀地流动到各个第二环形槽113的不同位置。在一些实施例中，供气通孔111可有多个，并分布在第二环形槽113的不同周向位置的槽底，从而使进入第二轴承套11内部的高压气体分布更均匀，以形成更加均匀的静压气膜。
70.参考图6，在一些实施例中，多孔质材料内轴套12的外周面具有多个气流槽121，所述多个气流槽121沿轴向间隔布置，在相邻气流槽121之间设有通流口122，所述供气通孔111正对所述多个气流槽121中的至少一个。这些气流槽121可以与第二轴承套11之间形成多个气流通道，以便高压气体能够均匀沿多孔质材料内轴套12的内表面均匀排出，从而对转子提供更均匀的支撑作用。
71.在图6中，通流口122的宽度可与所述多个气流槽121中每个气流槽121的宽度均相同，以使得高压气体分布更均匀。参考图5，在一些实施例中，多个气流槽121的至少一个的深度h2为0.3～0.5mm。
72.本公开上述气体轴承的任一实施例可用于各类使用转子的设备，例如压缩机。因此，本公开实施例提供了一种压缩机，包括前述任一种气体轴承。
73.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。
74.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。