CN113107963A - 径向气体轴承、压缩机和空调机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向气体轴承、压缩机和空调机组，其中径向气体轴承包括轴承外壳(20)、顶箔(40)和波箔(50)，波箔(50)设置在轴承外壳(20)和顶箔(40)之间，波箔(50)包括沿轴承外壳(20)的周向布置的第一承压段(51)和第二承压段(52)，第一承压段(51)和第二承压段(52)被构造成至少部分地吸收从顶箔(40)传递来的作用力，第一承压段(51)的抗压能力与第二承压段(52)的抗压能力不同。本发明波箔包括抗压能力不同的第一承压段和第二承压段，通过在周向上设置不同承压段的方式，使得轴承具有不同的承载刚度，提高轴承对不同径向载荷的适应能力，使轴承能够更好地适应压缩机的不同运行工况。

Description

径向气体轴承、压缩机和空调机组

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种径向气体轴承、压缩机和空调机组。

背景技术

轴承是支撑转子做机械旋转的基础零件，目前常用的轴承有滚动轴承、滑动轴承和磁悬浮轴承等。自20世纪60年代起，随着传动机械行业向着高转速、高精度等方向发展，气悬浮轴承逐渐得到发展和应用。

气悬浮轴承分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承利用气体作为其运动的润滑介质，气体由外部供气源供给，通过节流层进入轴承表面的润滑间隙形成气膜，使轴承与轴表面产生气膜压力，用来起到支撑作用。

动压气体轴承是一种自作用压力式柔性轴承，依靠自身形成的一层润滑气膜运行，其原理即为动压原理，形成上述润滑气膜的必要条件有三个：两工作表面间必须有楔形间隙、两工作表面间必须充满带有一定粘度的气体、两工作表面间必须有相对滑动速度，且运动方向必须保证气体从楔形大截面流进，从小截面流出。上述的工作表面为轴承内表面、与轴承内表面形成间隙配合的转子外表面。动压气体轴承工作时，转轴在重力作用下相对轴承发生偏心，进而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。

箔片动压气体轴承是动压气体轴承的一种常见形式，常见的箔片动压气体轴承由轴承壳、顶箔和波箔组成，轴承壳起支撑作用，顶箔与转子配合形成间隙和具有相对运动速度的工作表面，波箔为具有波纹形状的弹性箔片，为轴承提供部分刚度和阻尼。

现有的箔片动压气体轴承，存在以下两个问题：

1、顶箔与对应转子表面之间形成间隙配合，该间隙即为动压气膜的形成空间，为了保证配合间隙，顶箔一般由卷曲状箔片构成，其截面为圆形，顶箔本身具有的刚度十分有限，不能为轴承提供额外刚度；

2、波箔对转子的稳定性起着至关重要的作用，轴承的大部分刚度和阻尼来源于波箔。随着科技的进步，大多数电机采用变频电机，在工作时转子的转速可进行无级调速，随着转速变化，转子系统所需要的承载刚度和阻尼也是变化的，这对轴承提出了更高的要求，要求轴承能够适应上述的变化。而在现有技术方案中，波箔一般采用双层或多层具有波纹形状的弹性箔片来实现双刚度或多刚度的支撑，但双层或多层箔片限制了轴承结构小型化的实现，同时，多层箔片涉及各层箔片之间的耦合作用，设计难度、加工难度和装配难度均大幅提升。

为此，我们很有必要对动压气体轴承进行改进，以提高动压气体轴承的可靠性。

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径向气体轴承、压缩机和空调机组，提高径向气体轴承的适应能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种径向气体轴承，包括：

轴承外壳；

顶箔；和

波箔，设置在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段和第二承压段，第一承压段和第二承压段被构造成至少部分地吸收从顶箔传递来的作用力，第一承压段的抗压能力与第二承压段的抗压能力不同。

在一些实施例中，第一承压段和第二承压段相对于轴承外壳向远离轴承外壳的方向凸起，第一承压段与轴承外壳之间的径向距离和第二承压段与轴承外壳之间的径向距离不同。

在一些实施例中，第一承压段和第二承压段相对于轴承外壳向远离轴承外壳的方向凸起，第一承压段在轴承外壳的周向侧面上的投影长度和第二承压段在轴承外壳的周向侧面上的投影长度不同。

在一些实施例中，第一承压段的远离轴承外壳的一侧和第二承压段的远离轴承外壳的一侧均与顶箔接触。

在一些实施例中，顶箔包括第一支撑段、第二支撑段和第一连接段，第一支撑段与第一承压段的远离轴承外壳的一侧接触，第二支撑段与第二承压段的远离轴承外壳的一侧接触，第一连接段连接在第一支撑段和第二支撑段之间。

在一些实施例中，第一连接段相对于第一支撑段和第二支撑段均倾斜。

在一些实施例中，分别连接在第一支撑段的两端的两个第一连接段关于第一支撑段对称布置。

在一些实施例中，第一承压段与轴承外壳之间的径向距离小于第二承压段与轴承外壳之间的径向距离，第二支撑段的远离轴承外壳的一侧设有固体润滑剂。

在一些实施例中，第一承压段和第二承压段的数量均为多个，第一承压段和第二承压段间隔布置。

在一些实施例中，波箔还包括连接第一承压段和第二承压段的第二连接段，第二连接段与轴承外壳的内壁接触。

为实现上述目的，本发明还提供了一种压缩机，包括上述的径向气体轴承。

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，本发明实施例中的波箔包括抗压能力不同的第一承压段和第二承压段，通过在周向上设置不同承压段的方式，使得轴承具有不同的承载刚度，提高轴承对不同径向载荷的适应能力，使轴承能够更好地适应压缩机的不同运行工况。

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为本发明径向气体轴承一个实施例的工作原理图。

图2为本发明径向气体轴承一个实施例的结构示意图。

图3为本发明径向气体轴承一个实施例的轴向侧视图。

图4为图3中标示部分P的放大图。

图5为本发明径向气体轴承一个实施例中波箔的结构示意图。

图6为本发明径向气体轴承一个实施例中顶箔的结构示意图。

图中：

10、转轴；20、轴承外壳；21、定位槽；30、气膜间隙；40、顶箔；50、波箔；60、定位销；

41、第一支撑段；42、第二支撑段；43、第一连接段；

51、第一承压段；52、第二承压段；53、第二连接段。

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。

如图1所示，径向气体轴承包括轴承外壳20，轴承外壳20设置在轴承所支撑的转轴10的径向外周，轴承外壳20的内壁与转轴10的外壁之间具有气膜间隙30。在压缩机运转时，气体进入气膜间隙30中形成动压气膜，从而使转轴10悬浮起来。

如图2和图3所示，在本发明提供的径向气体轴承的一个实施例中，该径向气体轴承包括轴承外壳20、顶箔40和波箔50，波箔50设置在轴承外壳20和顶箔40之间。顶箔40和波箔50可以分别固定在轴承外壳20上。轴承外壳20的中心设有通孔，波箔50和顶箔40均设置在该通孔的孔壁上，转轴10则位于顶箔40的径向内侧，以对转轴10形成径向支撑。

如图4所示，波箔50包括沿轴承外壳20的周向布置的第一承压段51和第二承压段52，第一承压段51和第二承压段52分别位于轴承外壳20的不同周向位置上，第一承压段51和第二承压段52被构造成至少部分地吸收从顶箔40传递来的作用力，第一承压段51的抗压能力与第二承压段52的抗压能力不同。

在上述实施例中，波箔50包括抗压能力不同的第一承压段51和第二承压段52，通过在周向上设置不同承压段的方式，使得轴承具有不同的承载刚度，提高轴承对不同径向载荷的适应能力，使轴承能够更好地适应压缩机的不同运行工况。

在其他实施例中，波箔50还可以包括三段或更多段抗压能力不同的承压段。

为实现第一承压段51的抗压能力与第二承压段52的抗压能力不同，可以使第一承压段51和第二承压段52相对于轴承外壳20向远离轴承外壳20的方向凸起，第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离和第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离不同。承压段与轴承外壳20之间的径向距离越小，承压段的抗压能力越强。

参考图5，第一承压段51和第二承压段52均呈拱形，第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离为L3，第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离为L1，其中L3<L1，第一承压段51的抗压能力大于第二承压段52的抗压能力。

为实现第一承压段51的抗压能力与第二承压段52的抗压能力不同，也可以使第一承压段51和第二承压段52相对于轴承外壳20向远离轴承外壳20的方向凸起，第一承压段51在轴承外壳20的周向侧面上的投影长度和第二承压段52在轴承外壳20的周向侧面上的投影长度不同。承压段在轴承外壳20的周向侧面上的投影长度越小，承压段的抗压能力越强。

参考图5，第一承压段51和第二承压段52均呈拱形，第一承压段51的跨度为L4，第二承压段52的跨度为L2，其中L4<L2，第一承压段51的抗压能力大于第二承压段52的抗压能力。

实际上，在如图5所示的实施例中，第一承压段51和第二承压段52均呈拱形，第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离小于第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离，同时第一承压段51的跨度小于第二承压段52的跨度，因此第一承压段51的抗压能力大于第二承压段52的抗压能力。

在第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离和第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离不同时，仍需要使第一承压段51的远离轴承外壳20的一侧和第二承压段52的远离轴承外壳20的一侧均与顶箔40接触，这样可以保证顶箔40与各个承压段之间的接触，保证压力的顺利传递，避免由于顶箔40与承压段未接触而造成的不稳定性。

如图4和图6所示，顶箔40包括第一支撑段41、第二支撑段42和第一连接段43，第一支撑段41与第一承压段51的远离轴承外壳20的一侧接触，第二支撑段42与第二承压段52的远离轴承外壳20的一侧接触，第一连接段43连接在第一支撑段41和第二支撑段42之间。

由于第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离和第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离不同，因此第一支撑段41和第二支撑段42之间具有一定的高度差，通过设置第一连接段43，可以实现第一支撑段41和第二支撑段42之间的过渡，多个第一连接段43将多个第一支撑段41和多个第二支撑段42串联连接起来，形成周向连续的顶箔40。

第一连接段43相对于第一支撑段41和第二支撑段42均倾斜。这样设置的好处是，可以使气流在第一支撑段41的靠近转轴10的一侧和第二支撑段42的靠近转轴10的一侧之间实现有序过渡，避免气流在此过渡区域中形成湍流，影响转轴的平稳运转。同时，第一连接段43倾斜设置，形成了气膜收敛段，使得气流在从第一支撑段41的侧面运动到第二支撑段42的侧面时为从大截面流向小截面，这样有利于在顶箔40的全圆周范围内形成动压气膜，将顶箔40的结构刚度与气膜的刚度有效结合，提高轴承的承压能力。

在第一支撑段41的两端分别连接有一第一连接段43，连接在第一支撑段41上游的第一连接段43用于连接第一支撑段41和位于该第一支撑段41上游的第二支撑段42，连接在第一支撑段41下游的第一连接段43用于连接第一支撑段41和位于该第一支撑段41下游的第二支撑段42。分别连接在第一支撑段41的两端的两个第一连接段43对称布置，即两个第一连接段43对称地布置在第一支撑段41的两端。

对于第二支撑段42来说，第二支撑段42的两端也分别连接有一第一连接段43，连接在第二支撑段42上游的第一连接段43用于连接第二支撑段42和位于该第二支撑段42上游的第一支撑段41，连接在第二支撑段42下游的第一连接段43用于连接第二支撑段42和位于该第二支撑段42下游的第一支撑段41。分别连接在第二支撑段42的两端的两个第一连接段43对称布置，即两个第一连接段43对称地布置在第二支撑段42的两端。

如图4所示，位于第一支撑段41上游的第一连接段43和第二支撑段42之间的夹角θ1与位于第一支撑段41下游的第一连接段43和第二支撑段42之间的夹角θ2大小相等。

第一承压段51与轴承外壳20之间的径向距离小于第二承压段52与轴承外壳20之间的径向距离，第二支撑段42的远离轴承外壳20的一侧设有固体润滑剂。在转轴10启、停阶段，由于转速不足等原因，气膜难以形成，顶箔40与转轴10之间接触形成干摩擦，此时主要是第二支撑段42起支撑作用，通过在第二支撑段42的远离轴承外壳20的一侧设置固体润滑剂，可以减轻转轴10和轴承外壳20之间的磨损，提高转轴10和轴承外壳20的使用寿命。

在上述各个实施例中，第一承压段51和第二承压段52的数量均为多个，第一承压段51和第二承压段52间隔布置。这样设置可以保证波箔50在圆周方向上的承压能力比较均匀。

多个第一承压段51和第二承压段52连接形成单层波箔50。

波箔50还包括连接第一承压段51和第二承压段52的第二连接段53，第二连接段53与轴承外壳20的内壁接触。

径向气体轴承包括至少两段沿轴承外壳20的周向布置的波箔50，相邻两段波箔50之间具有间隙。

轴承外壳20的内侧设有定位槽21，轴承还包括定位销60，顶箔40和波箔50的一端插入定位槽21中并通过定位销60进行固定。通过设置定位槽21和定位销60，实现了顶箔40和波箔50的固定。

进一步地，顶箔40的位于下游的一端和波箔50的位于下游的一端插入定位槽21中，顶箔40的位于上游的一端和波箔50的位于上游的一端均为自由端，这样可以使顶箔40和波箔50具有一定的变形自由度，同时可以避免顶箔40和波箔50的抗压能力在转轴10转动时变小。

轴承外壳20的内侧还设有用于安装定位销60的安装孔，安装孔设置在定位槽21的侧面且与定位槽21相通。这样在定位销60插入安装孔后，定位销60的露出安装孔的部分正好进入定位槽21内以对顶箔40和波箔50进行挤压，实现对顶箔40和波箔50的固定。

下面结合附图1～6对本发明径向气体轴承的一个实施例的结构和工作过程进行说明：

如图1所示，该径向气体轴承包括轴承外壳20，轴承外壳20设置在转轴10的外周，轴承外壳20的内壁和转轴10的外壁之间设有气膜间隙30。轴承外壳20和转轴10的截面均为圆形。

如图2和图3所示，顶箔40和波箔50均设置在轴承外壳20的内壁和转轴10的外壁之间，且波箔50位于轴承外壳20和顶箔40之间。

波箔50和顶箔40均为单层箔片。波箔50的数量为3段，3段波箔50沿轴承外壳20的周向布置，相邻两段波箔50之间具有间隙。顶箔40沿周向连续，且首尾之间具有间隙。

顶箔40和波箔50的下游端插入定位槽21中，并通过定位销60进行固定。定位槽21设置在轴承外壳20的内壁，并自内壁面沿径向向外延伸。轴承外壳20的内壁还设有安装孔，安装孔沿轴承外壳20的轴向延伸，安装孔与定位槽21相通，定位销60插入安装孔中并通过露出安装孔的部分对顶箔40和波箔50进行挤压固定。

如图4、图5和图6所示，波箔50包括第一承压段51、第二承压段52和连接在第一承压段51和第二承压段52之间的第二连接段53，第一承压段51和第二承压段52均呈拱形，拱形开口朝向轴承外壳20。第一承压段51的高度L3小于第二承压段52的高度L1，第一承压段51的跨度L4小于第二承压段52的跨度L2。第二连接段53于轴承外壳20的内壁相切接触。

每段波箔50中的第一承压段51和第二承压段52均间隔布置。

顶箔40包括与第一承压段51接触并相切的第一支撑段41和与第二承压段52接触并相切的第二支撑段42以及连接第一支撑段41和第二支撑段42的第一连接段43。连接在第一支撑段41两端的两个第一连接段43关于第一支撑段41的中心对称布置。

第一支撑段41和第二支撑段42均为具有较小弧度的弧形形状，第一连接段43倾斜设置，位于上游的第一连接段43与第二支撑段42之间的夹角θ1和位于下游的第一连接段43与第二支撑段42之间的夹角θ2相等。

工作时，当转轴10的转速较低时，由于第二承压段52的抗压能力较小，比第一承压段51更容易变形，转轴10所需的支撑主要由第二承压段52提供；当转轴10的转速增加时，第二承压段52的变形加剧，此时第一承压段51开始参与提供支撑，进而实现单层箔片双重刚度耦合支撑轴系，以提高径向气体轴承的变载适应能力。

气流流动方向如图4所示，当具有一定粘度的动压气膜从第一支撑段41的侧面流向第二支撑段42的侧面时，在收敛角θ1的作用下，气流从大截面流向小截面，形成动压气膜，最终流向下一第一支撑段41的侧面，进而在顶箔40的全圆周范围内形成动压气膜，将顶箔40的结构刚度和气膜刚度有效结合，为轴承提供额外刚度和阻尼。

在转轴10反转时，则通过收敛角θ2实现气流从大截面流向小截面，形成动压气膜。

基于上述的径向气体轴承，本发明还提出一种压缩机，该压缩机包括上述的径向气体轴承。压缩机还包括转轴10，径向气体轴承设置在转轴10的径向外周，径向气体轴承用以支撑转轴10，径向气体轴承的顶箔40和转轴10之间形成气膜间隙30，在压缩机运转时，气体进入气膜间隙30形成动压气膜，使转轴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。

上述各个实施例中径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)

1.一种径向气体轴承，其特征在于，包括：

轴承外壳(20)；

顶箔(40)；和

波箔(50)，设置在所述轴承外壳(20)和所述顶箔(40)之间，所述波箔(50)包括沿所述轴承外壳(20)的周向布置的第一承压段(51)和第二承压段(52)，所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)被构造成至少部分地吸收从所述顶箔(40)传递来的作用力，所述第一承压段(51)的抗压能力与所述第二承压段(52)的抗压能力不同。

2.根据权利要求1所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)相对于所述轴承外壳(20)向远离所述轴承外壳(20)的方向凸起，所述第一承压段(51)与所述轴承外壳(20)之间的径向距离和所述第二承压段(52)与所述轴承外壳(20)之间的径向距离不同。

3.根据权利要求1或2所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)相对于所述轴承外壳(20)向远离所述轴承外壳(20)的方向凸起，所述第一承压段(51)在所述轴承外壳(20)的周向侧面上的投影长度和所述第二承压段(52)在所述轴承外壳(20)的周向侧面上的投影长度不同。

4.根据权利要求2所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一承压段(51)的远离所述轴承外壳(20)的一侧和所述第二承压段(52)的远离所述轴承外壳(20)的一侧均与所述顶箔(40)接触。

5.根据权利要求2所述的径向气体轴承，其特征在于，所述顶箔(40)包括第一支撑段(41)、第二支撑段(42)和第一连接段(43)，所述第一支撑段(41)与所述第一承压段(51)的远离所述轴承外壳(20)的一侧接触，所述第二支撑段(42)与所述第二承压段(52)的远离所述轴承外壳(20)的一侧接触，所述第一连接段(43)连接在所述第一支撑段(41)和所述第二支撑段(42)之间。

6.根据权利要求5所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一连接段(43)相对于所述第一支撑段(41)和所述第二支撑段(42)均倾斜。

7.根据权利要求6所述的径向气体轴承，其特征在于，分别连接在所述第一支撑段(41)的两端的两个所述第一连接段(43)对称布置。

8.根据权利要求5所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一承压段(51)与所述轴承外壳(20)之间的径向距离小于所述第二承压段(52)与所述轴承外壳(20)之间的径向距离，所述第二支撑段(42)的远离所述轴承外壳(20)的一侧设有固体润滑剂。

9.根据权利要求1所述的径向气体轴承，其特征在于，所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)的数量均为多个，所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)间隔布置。

10.根据权利要求1所述的径向气体轴承，其特征在于，所述波箔(50)还包括连接所述第一承压段(51)和所述第二承压段(52)的第二连接段(53)，所述第二连接段(53)与所述轴承外壳(20)的内壁接触。

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

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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