CN1249020A - 气动箔带轴承 - Google Patents

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Abstract

一种气动薄带轴承包括:一个安装在基座(10)上的衬板(13),以预定的间距固定在衬板(13)上的支撑件(14),一端固定在支撑件(14)上以彼此搭接的弹性箔带(15),一个与转动转子相连并安放在弹性箔带(15)上的止推盘(11),以及置于弹性箔带(15)和衬板(13)之间在弹性箔带(15)搭接的区域内支撑着弹性箔带(15)的拱形弹簧(17)。

Description

气动箔带轴承
技术领域
本发明涉及轴承，特别是利用气体润滑的气动箔带轴承，该轴承用于诸如涡轮冷冻机、涡轮膨胀机、涡轮压缩机、涡轮增压机、涡轮发电机和涡轮泵等涡轮机械中高速旋转的转子的轴向或径向支撑。
技术背景
气动箔带轴承结构简单，造价低廉。因此，它在小型机械上得到了广泛的应用。在1975年7月8日颁发的Silver等的题为“箔带轴承装置”的美国专利No.3,893,733中，介绍了一种自动增压液动箔带轴承，其中的箔带轴承中带有用来为轴承运动件和轴承静止件之间提供支撑的弹性箔带，和用来支撑和强化箔带的弹性箔带支撑件。
图1中展示了一种传统的气体箔带止推轴承，它公开在1992年8月15日颁发的苏联专利No.1754949上。如图1所示，气体薄带止推轴承包括一个安装在基座10上的衬板1、通过焊接固定在衬板1上的支撑件2以及通过焊接安装在支撑件2上的弹性箔带3，弹性箔带3之间相互搭接，如图所示。这里，弹性箔带3带有一个是其尾部的支撑部分3a，它与支撑件2之间不相互接触，弹性箔带3的一个边沿3b与邻近的箔带3之间相互接触。弹性箔带3的曲率半径，在靠近边沿3b的地方从R1减少到R2。还有，连接转子(未示出)，例如，一个转动轴，的止推盘11放置在弹性箔带3之上。
随着连接转子的止推盘11的转动，气体被吸入到止推盘11和弹性箔带3之间的空间，从而将止推盘11从弹性箔带3上抬起。这里，在转动速度达到正常的悬浮速度之前，止推盘11一直与弹性箔带3保持接触。此时，弹性箔带3被相邻的箔带3的边沿3b压向下方，并产生弹性变形，因而与衬板1的上表面的位置A相接触(图2)。同时，变形后的箔带3的下表面的位置B与相邻的箔带3的支撑部分3a相接触，并形成弹性支撑。
但是，传统的气体箔带止推轴承有许多缺陷。由于支撑着邻接弹性箔带3的支撑部分3b与弹性箔带3是由相同材料制成的一个整体，它不能对受到轴向载荷而产生弹性变形的每个箔带3提供足够的刚性。因此，弹性箔带3产生向下的变形，直至接触到衬板1的上表面，这会在轴承运行的启动期间，导致止推盘11或与之相连的转子的轴向位移增大。
由于在正常的悬浮速度下工作运转时，弹性箔带3与衬板1相接触，这还导致了轴向载荷下的缓冲能力和轴承承载能力的下降。还有，弹性箔带3在朝向边沿3b的方向半径逐渐变小，因此加工过程就变得复杂和困难。
发明的公开
本发明的一个目的在于提供了一种气动箔带轴承，它可以使得最初启动期间止推盘或轴的位移减小，并增大轴承的承载能力，和简化制造过程。
根据本发明的一个实施例，提供的气动箔带轴承包括一个与基座相连的衬板、以预定的间距固定在衬板上的支撑件、一端固定在支撑件上以相互搭接的弹性箔带和与一个转动转子相连并置于弹性箔带上的止推盘，其特点在于包括置于弹性箔带和衬板之间在弹性箔带搭接的区域内支撑着弹性箔带的拱形弹簧。
弹性箔带在整个长度范围内的曲率相同，拱形弹簧包括支撑着弹性箔带并产生弹性变形的工作部分，和位于工作部分的一端或两端的连接部分，连接部分与衬板在轴承工作区以外相连，轴承工作区位于弹性箔带的内环半径和外环半径之间。
另外，拱形弹簧也可以安装在与衬板相连的定位板上的沟槽中，弹性箔带可以防止拱形弹簧从沟槽中掉出。
根据本发明的另一实施例，提供的一种气动箔带轴承包括一个安装在基座内环表面上的衬板、以预定的间距安装在该衬板上的支撑件、一端固定在支撑件上以彼此搭接的弹性箔带、与弹性箔带相接触的转动轴，其特点在于包括置于弹性箔带和衬板之间在弹性箔带搭接的区域内支撑着弹性箔带的拱形弹簧。
根据本发明，弹性箔带装置的刚性是由最初启动期间弹性箔带的刚性和拱形弹簧在正常悬浮运转期间的刚性所决定的。
附图说明
图1和图2是传统的气体箔带止推轴承的剖面图；
图3和图4是根据本发明一个实施例的的一种气动箔带止推轴承的剖面图；
图5是图4中所示的气动箔带止推轴承的俯视图；
图6是与图5类似的一种俯视图，示出支撑件与拱形弹簧相连接的情况；
图7是图4中气动箔带止推轴承的拱形弹簧的连接的另一实例的剖面图；
图8是示出在本发明的正常悬浮速度下气动箔带止推轴承的状态的剖面图；
图9是示出图7中的拱形弹簧的连接的俯视图；
图10是拱形弹簧的另一种实例的俯视图；
图11是沿图10中XI-XI线的剖面图；
图12是示出在气动箔带止推轴承中止推盘的高度H随轴向载荷F变化的曲线图；
图13是根据本发明另一实施例的气动箔带止推轴承的平面剖面图。
本发明的最佳实施例
本发明的气动箔带轴承既可以用于止推轴承，也可以用于径向轴承。
根据本发明的一种气动箔带止推轴承的实施例如图3和图4所示。参照附图，气动止推轴承包括安装在基座10上的衬板13并具有以预定的间距刚性固定在其上的支撑件14，例如通过焊接和胶粘或通过腐蚀或板材变形的方法进行固定，以及一端也通过焊接的方法固定在衬板13的支撑件14上的弹性箔带15。这里，弹性箔带15彼此搭接，每个弹性箔带15的边沿16都搭在相邻的弹性箔带15的上表面上。
最好，如图5和图6所示，弹性箔带15的端部和支撑件14(见图4)之间以及衬板13和支撑件14之间的连接在轴承工作区以外的位置14a和14b进行，轴承工作区位于弹性箔带15的内环半径Ri和外环半径Re之间。同时，支撑件14和弹性箔带15最好焊接在靠近衬板13的外环半径的位置14a和15a处，或者分别在位置14a和14b，以及15a和15b处。弹性箔带15的宽度也可以从固定部分到边沿16逐渐变窄。
根据本发明的特点，用于支撑弹性箔带15的圆弧状的拱形弹簧17置于弹性箔带15和衬板13之间的弹性箔带15的搭接区域。拱形弹簧17的刚性大于弹性箔带15的刚性。
参照图6，拱形弹簧17包括支撑着弹性箔带15并可以产生弹性变形的工作部分17c，和在其两侧的连接部分17a和17b。通过把拱形弹簧的连接部分17a和17b焊接在衬板13上的上述轴承工作区以外的位置以把拱形弹簧焊接在衬板13上。此时，拱形弹簧17最好焊接在靠近衬板13的外环半径的位置17b上，或既在位置17a上，又在位置17b上。
也可以如图7和图9所示的那样，带有一定深度的沟槽的定位板27焊接在衬板13上，拱形弹簧17自由地安放在定位板27的沟槽中。这里，沟槽的空间要足以允许拱形弹簧17产生弹性变形。这种结构确保了拱形弹簧17在衬板13上的自动安装，弹性箔带15可以防止拱形弹簧17从定位板27中掉出。
拱形弹簧17的弧高Ha从衬板13的内环半径到外环半径逐渐增大，而拱形弹簧17的宽度W从衬板13的内环半径到外环半径逐渐减小。
连接在诸如转动轴之类的转子上的止推盘11也放置在弹性箔带15上。
在根据本发明的实施例的气动箔带止推轴承的工作过程中，当转子和止推盘11沿图4所示的箭头方向转动时，止推盘11就把气体吸入“压缩区”，也就是止推盘11和弹性箔带15之间的区域。在压缩区中，气体压力迅速增加，从而使止推盘11从弹性箔带15上分离，如图8所示。
运转过程中，气动箔带止推轴承的载荷特性在图12中得到了详细的描述，图中，止推盘11(见图4)到衬板13之间的高度H的变化，取决于作用在止推盘11上的载荷F。这里的曲线I是本发明的气动箔带止推轴承的曲线，曲线II是图1和图2中所示的传统轴承的曲线。
当一个小于F1的较小的载荷，例如，在轴承最初启动期间所受到的载荷作用在止推盘11上时，止推盘的高度H突然从H0变化到H1，其中H1由以下表达式所确定
H1≈Hmin+Hsp，                         (1)
Hmin＝2δf+δsp.                      (2)
这里，Hsp是拱形弹簧的高度，Hmin是止推盘11和衬板13之间的最小距离，δf是弹性箔带的厚度，δsp是拱形弹簧的厚度。也就是说，止推盘11在C点(见图4)和D点之间的接触区内与弹性箔带15相接触，在最初启动过程中曲线的轮廓是由弹性箔带15的刚性所决定的。同时，由于其刚性很强，拱形弹簧17的变形可以忽略不计。
当止推盘高度H进一步减小时，拱形弹簧17开始产生变形。此后，弹性箔带装置的刚性要由拱形弹簧17的刚性所决定，此刚性突然增大了。在止推盘11的高度H减小到H1以下的情况下，止推盘11所能承受的载荷从F1迅速增大。
在涡轮机械中，通常采用双面止推轴承。这里，为了减小轴向位移，在装配轴承时，可以施加预加轴向载荷，使弹性箔带15产生一定的压缩变形。根据本发明，当H＞H1时，载荷F的一个很小的变化都会引起止推盘高度H的一个较大的变化，因此，与曲线II所代表的传统轴承相比，可以减小预加轴向载荷的大小。具体地说，假如止推盘的初始装配高度是Hp，则对于曲线I(本发明)所需的载荷是F1，而对曲线II(传统轴承)则需要大于F1的载荷F11。因此，要使得止推盘与弹性箔带相分离，曲线II中所要求的载荷要高于曲线I中的载荷，这会引起止推盘的悬浮转速上升。悬浮转速的提高会在弹性箔带15和止推盘11之间产生摩擦损耗，从而降低使用寿命，也就是转子的启-停次数。因此，由于本发明的气动箔带轴承的悬浮转速较低，所以轴承可以用于非高速转动的转子，而寿命也提高了。
还有，由于止推盘11通过接触区的长度上的相对较大的区域与弹性箔带15相接触，接触区位于点C和D之间，且具有相对较小的初始曲率，所以止推盘11加在弹性箔带15上的接触压力减小了。这增加了涡轮机械的使用寿命。
如图12所示，当传统轴承的止推盘高度从He变到H2时，本发明的止推盘高度H从H0变化到H1。因此，在本发明中止推盘的位移减小了。
在H＜H1的情况下，由于拱形弹簧17具有较高的刚性，轴承的承载能力和缓冲能力都得到了改善。在这一区域，拱形弹簧17的形状从弧形变成了图8所示的直线形。这里，拱形弹簧17的端部保持为弧形，而其中部介于弹性箔带的接触点E和F之间的部分则成直线形，而其长度随着载荷的增加而增加。
在正常的悬浮速度下，弹性箔带15在拱形弹簧的支撑下，也大致成平坦状态。根据气体润滑理论可知，润滑层轮廓的楔形入口部分和平坦部分的承载能力最大。因此轴承的承载能力增加了。
一种根据本发明的气动箔带径向轴承的最佳实施例如图10所示，其中与先前附图相对应的零件采用相同的标号。参照附图，多个曲率半径与基座20的内环半径Rc相同的条形衬板23安装在基座20的内环表面内。在衬板23的边沿23a和23b之间有一个小间隙。弹性箔带25和衬板23之间的连接与上面所提到的连接相同。
本实施例的弹性箔带25，在装配状态下的曲率半径为Rr。在把弹性箔带25安装到转动轴21上之前，可以按照以下公式计算装配后的曲率半径Rr。
1/Rr＝1/Rt+1/Rc
这里Rt代表图3中的弹性箔带的曲率半径。
在气动箔带止推轴承中所描述的过程和效果，也可以用于本实施例的径向轴承。
工业用途
如上所述，气动箔带轴承的长处在于，可以减少最大轴向位移量，并改善轴承的承载能力。还有，在整个长度上弹性箔带的曲率半径都相同，因而制造更加简单，并改善了轴承的稳定性。

Claims (14)

1、一种气动薄带轴承，其特征在于，它包括：
一个安装在基座(10)上的衬板(13)；
以预定的间距固定在衬板(13)上的支撑件(14)；
一端固定在支撑件(14)上以彼此搭接的弹性箔带(15)；
一个与转动转子相连并安放在弹性箔带(15)上的止推盘(11)；以及
置于弹性箔带(15)和衬板(13)之间在弹性箔带(15)搭接的区域内支撑着弹性箔带(15)的至少一个拱形弹簧(17)。
2、根据权利要求1所述的气动箔带轴承，其特征在于，在整个长度内弹性箔带(15)具有相同的曲率。
3、根据权利要求1所述的气动箔带轴承，其特征在于，通过把拱形弹簧(17)的边沿焊接在衬板(13)上使拱形弹簧(17)与衬板(13)相连。
4、根据权利要求1所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧(17)包括支撑着弹性箔带(15)并产生弹性变形的工作部分(17c)，和位于该工作部分一端或两端的连接部分(17a，17b)，该连接部分与衬板(13)在轴承工作区以外的位置相连，该轴承工作区位于弹性箔带(15)的内环半径Ri和外环半径Re之间。
5、根据权利要求1所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧(17)自由地放置在与衬板相连的定位板(27)的沟槽中，弹性箔带可防止该拱形弹簧从沟槽中掉出来。
6、根据权利要求1所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧(17)的弧高从衬板(13)的内环半径到外环半径逐渐增大，而拱形弹簧(17)的宽度从衬板(13)的内环半径到外环半径逐渐减小。
7、一种气动箔带轴承，其特征在于，它包括：
一个安装在基座(20)的内环表面上的衬板(23)；
以预定的间距固定在衬板(23)上的支撑件(14)；
一端固定在支撑件(14)上以彼此搭接的弹性箔带(25)；
一个与弹性箔带(25)相连的的转轴；以及
置于弹性箔带(25)和衬板(23)之间在弹性箔带(25)搭接的区域内支撑着弹性箔带(25)的至少一个拱形弹簧(17)。
8、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，衬板(23)是多个曲率与基座(20)的内环半径相吻合的窄条。
9、根据权利要求8所述的气动箔带轴承，其特征在于，在衬板(23)的边沿之间形成一个间隙。
10、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，装配曲率半径Rr可以由以下公式得出：
1/Rr＝1/Rt+1/Rc其中Rt是弹性箔带的曲率半径，而Rc是基座的内环半径
11、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，通过把拱形弹簧(17)的边沿焊接在衬板(23)上使拱形弹簧(17)与衬板(23)相连。
12、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧(17)包括支撑着弹性箔带(25)并产生弹性变形的工作部分，和位于该工作部分一端或两端的连接部分，该连接部分与衬板在轴承工作区以外的位置相连。
13、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧(17)自由地放置在与衬板相连的定位板的沟槽中，弹性箔带可防止该拱形弹簧从沟槽中掉出来。
14、根据权利要求7所述的气动箔带轴承，其特征在于，拱形弹簧的弧高从衬板的内环半径到外环半径逐渐增大，而其宽度从衬板的内环半径到外环半径逐渐减小。
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