彈性支承箔片動壓徑向軸承的製作方法

2023-07-02 23:18:56

專利名稱：彈性支承箔片動壓徑向軸承的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種動壓徑向軸承，特別涉及一種高速透平機械用動壓氣體箔片徑向軸承。
隨著科學技術的不斷發展，人們對旋轉機械的要求越來越高，對其提出的工作條件越來越苛刻，如高轉速、耐高溫、耐振動、耐衝擊、耐塵埃、耐溼熱，並能長期可靠地工作。傳統的滾動軸承、油軸承、靜壓氣體軸承和剛性表面動壓氣體軸承在這類機械中越來越顯得能力不足。而彈性箔片軸承(CompliantFoil Bearing-簡稱CFB)應用於透平膨脹機、燃氣渦輪、渦輪增壓器、渦輪制冷機、離心式壓縮機、高速離心泵、高速鼓風機等高速旋轉機械後，取得了良好的效果。因為CFB的巨大優點，故對這種軸承的研究越來越受到重視。Garrett型和Hydresit型是目前應用最為成功的箔片軸承形式，但由於它們主要應用在航空航天及國防領域，因此對它們的機理研究結果和設計準則鮮見報導，且其製作工藝複雜，開發投入巨大，工藝水平要求高。鑑於此，各工業發達國家都在開發自己有特色的箔片軸承。近年來，日本大阪產業大學的林和宏(K.Hayashi)教授提出了平箔徑向動壓氣體軸承，與其它形式的CFB相比，該形式結構簡單，工藝性較好，具有很好的開發前景。平箔徑向動壓氣體軸承是由軸承體與箔片元件構成，其中箔片元件是一片鈹青銅片，厚約0.05mm～0.075mm，與轉子接觸的面上塗有二硫化鉬，背面固定著一些直徑約為0.2mm的銅絲，末端固定一根直徑約為6.0mm的定位銷。箔片元件製成以後，將其捲曲成雙層結構並沿著軸承定位銷孔插入，便組裝成一個替換性極好的平箔徑向動壓氣體軸承。箔片元件銅絲絲間距的確定原則是要求第一層箔片背面的銅絲和第二層箔片背面的銅絲相互交錯，同時儘量保證第一層銅絲在第二層銅絲的跨距中央。1993年西安交大確定了平箔徑向動壓氣體軸承透平膨脹機的研究方向，進行了初步研究，表明該形式的箔片徑向軸承具有良好的性能和廣闊的開發前景，但由於其結構形式的限制，造成其表面剛度的缺陷，存在抗衝擊性較差和工藝不能滿足工業生產的缺點。本實用新型的目的在於提出一種彈性支承箔片動壓徑向軸承，克服了現有動壓徑向軸承結構複雜、製造精度要求及成本高的缺點，和平箔徑向動壓氣體軸承表面剛度及阻尼不均勻、啟停性能差的缺陷，顯著提高了透平膨脹機運轉的可靠性及經濟性，具有結構簡單、穩定性高、啟停性好的優點，並與現有的徑向軸承能方便地互換。


圖1是本實用新型的結構原理圖。
圖2是本實用新型的軸承體正視圖(a)與剖面圖(b)。
圖3是本實用新型的箔片元件正視圖(a)與俯視圖(b)。
圖4彈性支承的不同結構圖。
參照
圖1、圖2、圖3，本實用新型包括一可與轉子(1)相配合的軸承體(3)，軸承體(3)與轉子(1)之間配置金屬箔片(2)，金屬箔片(2)末端用定位銷(4)固定在軸承體(3)的定位孔中，金屬箔片(2)背面配置一彈性支承(5)。
參照圖4，彈性支承(5)有以下結構形式(a)是實心型、(b)是整體中空型、(c)是分隔中空型、(d)是橫向槽型、(e)是縱向槽型、(f)是H槽型、(g)是橫向槽型小塊型、(h)是縱向槽型小塊型、(i)是工字槽型。
下面參照附圖對本實用新型的結構和工作原理作詳細說明。
本實用新型由軸承體與箔片元件構成，軸承體的結構與尺寸由工作環境確定。箔片元件採用金屬箔片，其背面固定彈性材料，末端固定一根定位銷。箔片元件製成以後，將其捲曲逆轉子旋轉方向沿著軸承定位銷孔插入，便組裝成一個替換性極好的彈性支承箔片動壓徑向軸承。箔片軸承的名義半徑間隙由軸承體內孔徑、轉子直徑、彈性材料厚度及箔片厚度決定，即軸承的名義半徑間隙C由式(1)確定。C＝(D-d)/2-(t+t0) (1)式中D軸承體內孔徑；d轉子直徑；
t0彈性材料厚度；t箔片厚度箔片元件可採用自潤滑性能較好的鈹青銅片，形狀為矩形，其寬度應略小於軸承寬度，長度L約為箔片纏繞轉子一周，由式(2)確定。L＝π(D-2(t0+t+C))+LX(2)式中LX樞軸段箔片長度；箔片厚度為0.03mm～0.15mm，為提高其表面質量及潤滑性能，與轉子接觸的面上可進行表面處理，形成由Ni-P-PTFE-S等組成的複合鍍層或塗有MoS2等複合潤滑材料。
彈性支承可採用彈性及阻尼較好的橡膠材料，其具體組份根據軸承工作環境和對其的性能要求而定。材料厚度約為0.15mm～1.00mm。彈性支承典型形狀可為矩形或矩形中間局部挖空，以適應不同要求。其尺寸應略小於箔片，以免受壓後被擠出。
由於本實用新型結構的特點，軸承的自對中性強，同時彈性支承材料良好的阻尼特性抑制了轉子的振動，使其振幅較小，並限制了渦動振幅的增加，轉子渦動發生較晚且在較大轉速範圍內能工作在渦動狀態下而無毀滅性破壞。由於箔片元件為柔性表面且表面剛度均勻，因此即使轉子與軸承表面發生摩擦也是面接觸，大大降低了轉子及軸承表面的損傷。最佳實施例對本實用新型的應用進行了試驗研究，在轉子軸徑φ25.0mm，質量891g的工業透平膨脹機上達到了13.9×104rpm超速31％的的良好試驗效果。通過對多種組合結構參數的軸承-轉子系統穩定性能的分析，得出了最佳試驗結構參數的範圍，為今後在高速透平機械上開發新型結構彈性支承箔片動壓氣體徑向軸承提供了設計依據。還對新型結構彈性支承箔片動壓氣體徑向軸承的啟停性能進行了試驗研究，對使用MoS2塗擦的箔片接觸面進行了材料表面性能分析。試驗表明，該軸承是一種具有優良穩定性與啟停性的動壓氣體軸承。
本實用新型是在一臺150Nm3(O2)/Hr制氧機用中壓低溫透平膨脹機(PLK-8.33×2/20-5)上進行的，膨脹機設計參數如表所示。膨脹機工作輪為反動式葉輪，採用風機制動，雙止推盤對置。該膨脹機原採用小孔節流切向供氣靜壓氣體軸承，工作轉速為106,400rpm。經改造後，該膨脹機運行在常溫進氣工況下，徑向軸承由新型結構彈性支承箔片動壓氣體徑向軸承構成，止推軸承採用高剛度多排環形孔靜壓氣體止推軸承。箔片元件中的金屬箔片採用83×24.5×0.05～0.075mm的熱軋鈹青銅箔片，彈性材料採用74×22×0.4～0.6mm的耐高溫橡膠片。徑向軸承體內徑25.0mm，軸承寬度25.0mm，長徑比為1∶1，軸承半徑間隙0～110μm。
表1 透平膨脹機主要設計參數
權利要求1.彈性支承箔片動壓徑向軸承由軸承體與箔片元件構成，箔片元件採用金屬箔片，末端固定一根定位銷，本實用新型的特徵是，金屬箔片背面固定彈性材料。
2.根據權利要求1所述的彈性支承箔片動壓徑向軸承，其特徵在於，金屬箔片為經表面處理的鈹青銅片。
3.根據權利要求1所述的彈性支承箔片動壓徑向軸承，其特徵在於，彈性基礎材料採用彈性及阻尼較好的橡膠材料。
專利摘要一種高速透平機械用的彈性支承箔片動壓徑向軸承,由軸承體與箔片元件構成。箔片元件採用背面固定彈性材料的金屬箔片。此種軸承克服了現有動壓徑向軸承結構複雜、製造精度要求及成本高、表面剛度及阻尼不均勻、啟停性能差的缺陷,顯著提高了高速透平機械運轉的可靠性及經濟性,且具有結構簡單、穩定性高、啟停性好的優點,並與現有的靜壓徑向軸承能方便地互換。
文檔編號F16C32/00GK2363119SQ9823329
公開日2000年2月9日 申請日期1998年12月29日 優先權日1998年12月29日
發明者陳純正, 侯予, 熊聯友 申請人:西安交通大學