CN113090655A - 轴向气体轴承、压缩机和空调机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向气体轴承、压缩机和空调机组，其中轴向气体轴承包括轴承外壳(21)、波箔(22)和顶箔(23)，波箔(22)和顶箔(23)均设置在轴承外壳(21)的同一轴向端面的侧面，且波箔(22)位于轴承外壳(21)和顶箔(23)之间，波箔(22)包括沿轴承外壳(21)的周向布置的第一承压区域(221)和第二承压区域(222)，第一承压区域(221)和第二承压区域(222)被构造成至少部分地吸收从顶箔(23)传递来的作用力，且第一承压区域(221)和第二承压区域(222)的抗压能力不同。本发明的轴向气体轴承具有不同的承载刚度，能够适应转子的不同转速，可靠性高。

Description

轴向气体轴承、压缩机和空调机组

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种轴向气体轴承、压缩机和空调机组。

背景技术

轴承是旋转机械中必不可少的基础零部件，常见的轴承有滚动轴承、滑动轴承和磁悬浮轴承等。随着科技的发展，人们对轴承在无油化和高精度等方面提出更高的要求，新型气浮轴承应运而生。

气浮轴承根据润滑气膜生成机理的不同分为静压气体轴承和动压气体轴承，波箔型动压气体止推轴承是动压气体轴承的一种，主要由轴承外壳、波箔片和顶层箔片等组成，为转子系统提供轴向刚度和阻尼。与润滑油式止推轴承类似，波箔型动压气体止推轴承的顶层箔片可以充当止推轴承的瓦块作用。顶箔下的波箔片具有特殊波纹结构，起到弹性支承作用，是止推轴承刚度和阻尼的主要来源。

波箔片与顶层箔片一端固定在轴承座上，另一端自由，并且顶层箔片的前端与轴承壳体之间存在一个收敛夹角，而顶层箔片的后端与轴承壳体平行，当转子高速旋转时，在上述收敛夹角的作用下，形成动压气膜，对转子进行支撑。

波箔型动压气体止推轴承的工作关键是形成动压气膜，而转子的转速是变化的，有时无法形成动压气膜，出现轴承与转子发生干摩擦的问题，大大影响轴承的寿命。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种轴向气体轴承、压缩机和空调机组，提高轴向气体轴承的适应能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种轴向气体轴承，包括：

轴承外壳；

波箔和顶箔，均设置在轴承外壳的同一轴向端面的侧面，且波箔位于轴承外壳和顶箔之间，波箔包括沿轴承外壳的周向布置的第一承压区域和第二承压区域，第一承压区域和第二承压区域被构造成至少部分地吸收从顶箔传递来的作用力，且第一承压区域和第二承压区域的抗压能力不同。

在一些实施例中，顶箔包括第三承压区域和第四承压区域，第三承压区域位于第一承压区域的侧面且与第一承压区域接触，第四承压区域位于第二承压区域的侧面且与第二承压区域接触。

在一些实施例中，第一承压区域包括位于上游的第一上游端，第三承压区域包括位于上游的第三上游端，第一上游端和第三上游端沿自下游向上游的方向逐渐贴近轴承外壳，第二承压区域包括位于上游的第二上游端，第四承压区域包括位于上游的第四上游端，第二上游端和第四上游端沿自下游向上游的方向逐渐贴近轴承外壳，第一上游端和第三上游端的长度与第二上游端和第四上游端的长度不同；和/或，第三上游端相对于轴承外壳的倾斜角度与第四上游端相对于轴承外壳的倾斜角度不同。

在一些实施例中，第一承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第一承压段，第二承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第二承压段，第一承压段与轴承外壳之间的轴向距离和第二承压段与轴承外壳之间的轴向距离不同。

在一些实施例中，第一承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第一承压段，第二承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第二承压段，第一承压段在轴承外壳的周向内侧面上的投影长度和第二承压段在轴承外壳的周向内侧面上的投影长度不同。

在一些实施例中，第一承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第一承压段，第一承压段沿偏离轴承外壳中心的方向延伸；和/或，第二承压区域包括多个朝向顶箔拱起的第二承压段，第二承压段沿偏离轴承外壳中心的方向延伸。

在一些实施例中，第一承压区域和/或第二承压区域呈扇形。

在一些实施例中，第一承压区域和第二承压区域的数量均为多个，第一承压区域和第二承压区域间隔布置。

在一些实施例中，第一承压区域和第二承压区域的数量相等。

在一些实施例中，第一承压区域和第二承压区域的数量均为偶数。

为实现上述目的，本发明还提供了一种压缩机，包括上述的轴向气体轴承。

为实现上述目的，本发明还提供了一种空调机组，包括上述的压缩机。

基于上述技术方案，本发明实施例中波箔包括沿轴承外壳的周向布置的两个抗压能力不同的承压区域，通过这种方式，可以使轴承具有不同的承载刚度，提高轴承对转子不同转速的适应能力，提高轴承的可靠性，避免轴承与转子之间的干摩擦，有利于提高轴承的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明轴向气体轴承一个实施例的主视图。

图2为本发明轴向气体轴承一个实施例的部分剖视图。

图3为本发明轴向气体轴承一个实施例中波箔的结构示意图。

图4为本发明轴向气体轴承一个实施例中波箔的另一角度示意图。

图5为本发明轴向气体轴承一个实施例中顶箔的结构示意图。

图6为本发明轴向气体轴承一个实施例中顶箔的另一角度示意图。

图7为图1中A-A方向的截面图。

图8为图7的部分结构放大图。

图9为图1中B-B方向的截面图。

图10为图8的部分结构放大图。

图中：

10、转子；11、转轴；12、推力盘；

20、轴承；21、轴承外壳；22、波箔；23、顶箔；

221、第一承压区域；222、第二承压区域；2211、第一上游端；2221、第二上游端；

231、第三承压区域；232、第四承压区域；

30、第一间隙；40、第二间隙；50、第一楔形区域；60、第二楔形区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“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保护范围的限制。

针对现有技术中的轴承结构所存在的对转子转速适应能力较差的问题，发明人进行了仔细的分析。发明人发现，现有的轴承结构出现上述问题的原因主要在于其采用单一的波箔和顶箔结构，一旦轴承装配好后，其收敛夹角唯一，所形成的动压气膜强度适应性有限。而在实际工作时，转子系统的工作状态是变化的，大体可分为启动、运行、停机等。对于启动过程，此时动压气膜未形成，因此会出现转子与轴承发生干摩擦；对于运行过程，此时动压气膜已形成，但对于机器而言，其运行转速不是一成不变的，转子系统所需要的承载刚度一般随着转速变化而增加，尤其是采用变频电机，并且需要经常变转速运行时，此时单一波箔和顶箔结构的轴承将难以适应。停机过程表现为转速逐渐降低，属于变转速情况，情况类似于运行过程，故也存在轴承刚度与转速的匹配过渡问题。

基于以上分析，发明人对轴承进行了结构改进。

参考图1～4所示，在本发明提供的轴向气体轴承的一个实施例中，该轴向气体轴承包括轴承外壳21、顶箔23和波箔22，顶箔23和波箔22均设置在轴承外壳21的同一轴向端面的侧面，且波箔22位于轴承外壳21和顶箔23之间，波箔22包括沿轴承外壳21的周向布置的第一承压区域221和第二承压区域222，第一承压区域221和第二承压区域222被构造成至少部分地吸收从顶箔23传递来的作用力，且第一承压区域221和第二承压区域222的抗压能力不同。

在上述实施例中，波箔22包括沿轴承外壳21的周向布置的两个抗压能力不同的承压区域，通过这种方式，可以使轴承具有不同的承载刚度，提高轴承对转子不同转速的适应能力，提高轴承的可靠性，避免轴承与转子之间的干摩擦，有利于提高轴承的使用寿命。

波箔22还可以包括更多个抗压能力不同的承压区域，以进一步提高轴承对转子的复杂运行工况的适应能力。

如图5和图6所示，顶箔23包括与波箔22的第一承压区域221和第二承压区域222分别对应的两个承压区域，这样方便对波箔22的各个承压区域进行分别固定，也便于波箔22的各个承压区域对与其对应的顶箔23上的承压区域进行有效支撑。

如图7～10所示，顶箔23包括第三承压区域231和第四承压区域232，第三承压区域231位于第一承压区域221的侧面且与第一承压区域221接触，第四承压区域232位于第二承压区域222的侧面且与第二承压区域222接触。

第一承压区域221和第二承压区域222之间以及第三承压区域231和第四承压区域232均具有间隙，以便形成气体进口。

抗压能力可以理解为吸收压力的能力、抵抗变形的能力或自身刚度，为便于实现第一承压区域221和第二承压区域222的抗压能力不同，可以采用多种方式，下面介绍三种可行的方式。

第一种方式：

第一承压区域221包括多个朝向顶箔23拱起的第一承压段，第二承压区域222包括多个朝向顶箔23拱起的第二承压段，第一承压段与轴承外壳21之间的轴向距离和第二承压段与轴承外壳21之间的轴向距离不同。

第一承压段和第二承压段的截面形状可以为拱形，此时第一承压段或第二承压段与轴承外壳21之间的轴向距离为拱形的最高点与轴承外壳21之间的轴向距离。第一承压段和第二承压段的截面形状也可以为方形，即拱起的顶面为平面，此时第一承压段或第二承压段与轴承外壳21之间的轴向距离为方形的顶部与轴承外壳21之间的轴向距离，不受测量位置的影响。

当然，第一承压段和第二承压段的截面形状也可以为三角形或梯形等。

第二种方式：

第一承压区域221包括多个朝向顶箔23拱起的第一承压段，第二承压区域222包括多个朝向顶箔23拱起的第二承压段，第一承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度和第二承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度不同。

比如，在第一承压段和第二承压段的截面形状为拱形时，第一承压段或第二承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度即为拱形的跨距。

第三种方式：

第一承压段与轴承外壳21之间的轴向距离和第二承压段与轴承外壳21之间的轴向距离不同，且第一承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度和第二承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度不同。第一承压段或第二承压段与轴承外壳21之间的轴向距离越大，其刚度越小；第一承压段或第二承压段在轴承外壳21的周向内侧面上的投影长度越大，其刚度越小。

如图3和图4所示，第一承压段沿偏离轴承外壳21中心的方向延伸；和/或，第二承压段沿偏离轴承外壳21中心的方向延伸。这样设置有利于使轴承的承载更加均匀。

多个第一承压段平行且等间隔布置，多个第二承压段也可以平行且等间隔布置。

第一承压区域221和/或第二承压区域222呈扇形。这样便于进行分配和布置。

第一承压区域221和第二承压区域222的数量均为多个，第一承压区域221和第二承压区域222间隔布置。这样有利于实现均匀承载。

第一承压区域221和第二承压区域222的数量相等。这样可以实现均匀布置。

第一承压区域221和第二承压区域222的数量相等且均为偶数。这样可以使第一承压区域221和第二承压区域222成对角均匀布置，使轴承的承载比较均匀。

下面结合附图1～10对本发明轴向气体轴承一个实施例的结构和工作过程进行说明：

如图1和图2所示，轴向气体轴承20用于支撑转子10，转子10包括转轴11和推力盘12，推力盘12设置在转轴11的外周并沿转轴11的径向延伸。轴承20设置在推力盘12的一侧轴向端面的侧面，或者在推力盘12的两侧轴向端面的侧面分别设置一套轴承20。

轴承20包括轴承外壳21、波箔22和顶箔23。轴承外壳21、波箔22和顶箔23的中心均设有通孔，转轴11穿过轴承外壳21、波箔22和顶箔23的中心通孔。

如图3和图4所示，波箔22包括沿周向布置的第一承压区域221和第二承压区域222，第一承压区域221和第二承压区域222的数量均为4个，第一承压区域221和第二承压区域222间隔布置。第一承压区域221和第二承压区域222均为扇形，在旋转方向上第一承压区域221位于第二承压区域222的上游或下游。

如图5和图6所示，顶箔23包括沿周向布置的第三承压区域231和第四承压区域232，第三承压区域231和第四承压区域232的数量均为4个，第三承压区域231和第四承压区域232间隔布置。第三承压区域231和第四承压区域232均为扇形，在旋转方向上第三承压区域231位于第四承压区域232的上游或下游。

从图5和图6可以看出，第三承压区域231和第四承压区域232的上游端设有斜面，以使第三承压区域231和第四承压区域232的上游端逐渐贴近轴承外壳21并与轴承外壳21连接。第三承压区域231和第四承压区域232的中间部分和下游端均与轴承外壳21保持平行。

如图7和8所示，第一承压区域221与第三承压区域231接触，第三承压区域231与推力盘12之间形成第一间隙30，第一间隙30沿轴向的距离为L1，第一承压区域221包括多个截面成拱形的第一承压段，第一承压段的高度为L2，第一承压段的跨距为L3。第一承压区域221的第一上游端2211的拱形高度逐渐降低以使第一承压区域221逐渐贴近轴承外壳21，第一上游端2211和第三承压区域231的上游端的斜面一起靠近轴承外壳21并固定在轴承外壳21上。第一上游端2211和第三承压区域231的上游端的斜面在轴承外壳21上的投影长度为L4，第三承压区域231的上游端的斜面与推力盘12之间形成第一楔形区域50，第三承压区域231的上游端的斜面与推力盘12之间的夹角为θ1。

如图9和10所示，第二承压区域222与第四承压区域232接触，第四承压区域232与推力盘12之间形成第二间隙40，第二间隙40沿轴向的距离为L5，L5<L1；第二承压区域222包括多个截面成拱形的第二承压段，第二承压段的高度为L6，L6>L2；第二承压段的跨距为L7，L7>L3。第二承压区域222的第二上游端2221的拱形高度逐渐降低以使第二承压区域222逐渐贴近轴承外壳21，第二上游端2221和第四承压区域232的上游端的斜面一起靠近轴承外壳21并固定在轴承外壳21上。第二上游端2221和第四承压区域232的上游端的斜面在轴承外壳21上的投影长度为L8，L8<L4；第四承压区域232的上游端的斜面与推力盘12之间形成第二楔形区域60，第四承压区域232的上游端的斜面与推力盘12之间的夹角为θ2，θ2>θ1。

θ1＜θ2，L4<L8，第二楔形区域60通过增加倾斜角、减小收敛长度的措施，实现大斜平面结构，进而提高收敛速度，提高动压效应，实现启动过程快速形成动压气膜；第一楔形区域50通过减小倾斜角、增加收敛长度的措施，实现小斜平面结构，从而降低收敛速度，降低变转速过程中动压气膜的波动，减少轴系振动。

工作时，转子10在电磁场作用下做高速旋转运动，当达到设计转速时，在第一楔形区域50和第二楔形区域60的作用下，第一间隙30和第二间隙40中形成动压气膜，支撑转子10运转。当转子10的转速较低时，所需刚度小，由于L1<L5，此时优先第二间隙40起作用，主要由第二承压区域222提供支撑；当转子10的转速较高时，所需刚度增加，此时第二承压区域222所能提供的支撑力不足，波形进一步发生变形，L6减小，当L6减小至L2后，第一间隙30开始起作用，第一承压区域221和第二承压区域222一起提供支撑。

通过对本发明轴向气体轴承的多个实施例的说明，可以看到本发明轴向气体轴承实施例利用双波箔、双顶箔圆周交替分布结构，采用不同刚度设计，能够适应不同转速对轴承刚度的需求，提高轴承承载力和承载适应能力。

基于上述的轴向气体轴承，本发明还提出一种压缩机，该压缩机包括上述的轴向气体轴承。压缩机还包括转子10，轴向气体轴承用以支撑转子10，轴向气体轴承的顶箔23和转子10的推力盘12之间形成气膜间隙，在压缩机运转时，气体进入气膜间隙形成动压气膜，使转子10悬浮起来。

基于上述的压缩机，本发明还提出一种空调机组，该空调机组包括上述的压缩机。

上述各个实施例中轴向气体轴承所具有的积极技术效果同样适用于压缩机和空调机组，这里不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，这些修改和等同替换均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (12)

1.一种轴向气体轴承，其特征在于，包括：

轴承外壳(21)；

波箔(22)和顶箔(23)，均设置在所述轴承外壳(21)的同一轴向端面的侧面，且所述波箔(22)位于所述轴承外壳(21)和所述顶箔(23)之间，所述波箔(22)包括沿所述轴承外壳(21)的周向布置的第一承压区域(221)和第二承压区域(222)，所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)被构造成至少部分地吸收从所述顶箔(23)传递来的作用力，且所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)的抗压能力不同。

2.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述顶箔(23)包括第三承压区域(231)和第四承压区域(232)，所述第三承压区域(231)位于所述第一承压区域(221)的侧面且与所述第一承压区域(221)接触，所述第四承压区域(232)位于所述第二承压区域(222)的侧面且与所述第二承压区域(222)接触。

3.根据权利要求2所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)包括位于上游的第一上游端(2211)，所述第三承压区域(231)包括位于上游的第三上游端，所述第一上游端(2211)和所述第三上游端沿自下游向上游的方向逐渐贴近所述轴承外壳(21)，所述第二承压区域(222)包括位于上游的第二上游端(2221)，所述第四承压区域(241)包括位于上游的第四上游端，所述第二上游端(2221)和所述第四上游端沿自下游向上游的方向逐渐贴近所述轴承外壳(21)，所述第一上游端(2211)和所述第三上游端的长度与所述第二上游端(2221)和所述第四上游端的长度不同；和/或，所述第三上游端相对于所述轴承外壳(21)的倾斜角度与所述第四上游端相对于所述轴承外壳(21)的倾斜角度不同。

4.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第一承压段，所述第二承压区域(222)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第二承压段，所述第一承压段与所述轴承外壳(21)之间的轴向距离和所述第二承压段与所述轴承外壳(21)之间的轴向距离不同。

5.根据权利要求1或4所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第一承压段，所述第二承压区域(222)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第二承压段，所述第一承压段在所述轴承外壳(21)的周向内侧面上的投影长度和所述第二承压段在所述轴承外壳(21)的周向内侧面上的投影长度不同。

6.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第一承压段，所述第一承压段沿偏离所述轴承外壳(21)中心的方向延伸；和/或，所述第二承压区域(222)包括多个朝向所述顶箔(23)拱起的第二承压段，所述第二承压段沿偏离所述轴承外壳(21)中心的方向延伸。

7.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)和/或所述第二承压区域(222)呈扇形。

8.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)的数量均为多个，所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)间隔布置。

9.根据权利要求1所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)的数量相等。

10.根据权利要求8或9所述的轴向气体轴承，其特征在于，所述第一承压区域(221)和所述第二承压区域(222)的数量均为偶数。

11.一种压缩机，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的轴向气体轴承。

12.一种空调机组，其特征在于，包括如权利要求11所述的压缩机。

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