用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段及其设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段，包括圆柱形收缩段(1)，圆柱形收缩段(1)内设有上下开口中心对称的曲面，所述曲面为曲线HA绕圆柱形收缩段(1)的中心轴旋转360°围成，所述曲线HA由三段两两相切的第一圆弧HG、第二圆弧GN、第三圆弧NA组成。本发明专利技术有效地降低了采用高阶连续曲线设计时收缩段的加工难度和制造成本。这种将三段相切圆弧轴对称收缩段与内环向射流稳压腔装配在一起后形成的气流稳定装置，向高压圆盘气体轴承供气时，可以使供气管道输送来的不够均匀的气流，变为均匀性极好的轴承过渡段入口气流，进入轴承后使圆盘气体轴承中气膜内部流场平稳和均匀。

Axisymmetric contraction section and its design method for high pressure disc gas bearing steady flow device

The present invention discloses an axisymmetrical shrinkage section for a high-pressure disc gas bearing flow stabilizing device, which comprises a cylindrical shrinkage section (1) and a cylindrical shrinkage section (1) with a central symmetrical surface with upper and lower openings. The curved surface is formed by the curve HA rotating 360 degrees around the central axis of the cylindrical shrinkage section (1), and the curve HA is composed of three sections and two phases. The first circular arc HG, second circular arc GN and third circular arc NA are cut. The invention effectively reduces the processing difficulty and manufacturing cost of the shrinkage section when adopting the high-order continuous curve design. This kind of air flow stabilizing device, which assembles three tangential circular arc axisymmetrical contraction sections with an inner ring jet pressure stabilizing chamber, can supply gas to a high-pressure disc gas bearing so that the incomplete uniform air flow from the gas supply pipeline can be changed into the inlet air flow of the bearing transition section with excellent uniformity, and the disc gas can be produced after entering the bearing. The flow field inside the film is stable and uniform.

【技术实现步骤摘要】
用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段及其设计方法
本专利技术涉及高供气压力下静压气体轴承输入气流的稳定装置，具体地说涉及用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段及其设计方法。
技术介绍
专利号为201610049454.7的专利技术专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”，通过对轴承结构的流线型设计，实现了轴承间隙的超音速出流，消除供气压力的限制。但是供气管道输送给轴承的高压空气，速度均匀性与轴承过渡段入口截面所要求的速度均匀性差异较大，因此需要一个气流稳定装置来提高气流的均匀性，这种装置称为稳压腔。公开号为CN106678179的专利技术专利申请“一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔”，借鉴平面撞击流的工作原理，构造出内环向撞击射流，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。在内环向撞击射流处于稳定分离流状态时，过中心轴线的任意截面上，流场参数完全一样，稳压腔内的流场是理想的二维柱对称流动，可以与高压圆盘止推气体轴承流道内的二维柱对称流动进行匹配。但由于上述内环向射流稳压腔采用等直径圆筒与等直径轴承过渡段直连的结构形式，从稳压腔到轴承过渡段，流动面积发生突然变化，使得过渡段入口截面上轴线外侧的流速明显大于中心区域的流速,速度均匀性尚不够理想。为了进一步提高过渡段入口截面上的速度均匀性,需要实现稳压腔的等直径内腔与轴承过渡段入口实现平滑过渡，即要在内腔和轴承过渡段入口之间增设收缩段。目前已有的收缩段曲线包括维氏曲线、三次方曲线和五次方曲线，这些曲线都是高阶的连续曲线。轴承过渡段的直径很小，约为10mm,从机械加工工艺可知，小口径高阶连续曲线的内表面加工十分困难，制造成本很高。由此可见，现有的曲线收缩段，不适合用于连接内环向射流稳压腔的等直径内腔和轴承过渡段入口；目前的气流稳定装置，尚不能很好地满足向高压圆盘气体轴承提供足够稳定、均匀气流的条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用三段相切圆弧形成的轴对称收缩段及其设计方法，有效地降低了采用高阶连续曲线设计时收缩段的加工难度和制造成本。这种将三段相切圆弧轴对称收缩段与内环向射流稳压腔装配在一起后形成的气流稳定装置，向高压圆盘气体轴承供气时，可以使供气管道输送来的不够均匀的气流，变为均匀性极好的轴承过渡段入口气流，进入轴承后使圆盘气体轴承中气膜内部流场平稳和均匀。可与现有专利采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承(专利号为2016100494547)配套使用。本专利技术的工作原理为：用三段半径不同但彼此相切的圆弧形成的内曲线，实现从大直径的内环向射流稳压腔内壁，光滑地过渡到小直径的轴承过渡段供气孔内壁。改变三段圆弧在轴线上的投影长度比例，三段相切圆弧形成的曲线的形状也随之发生变化，可以通过调整投影长度比例，来获得某种具体尺寸稳流装置的所需理想流场。本专利技术用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段，包括圆柱形收缩段1，圆柱形收缩段1内设有上下开口中心对称的曲面，所述曲面为曲线HA绕圆柱形收缩段1的中心轴旋转360°围成，所述曲线HA由三段两两相切的第一圆弧HG、第二圆弧GN、第三圆弧NA组成。所述第一圆弧HG与内环向射流稳压腔内圆柱壁面相切，半径R1等于内环向射流稳压腔内圆柱的半径，圆心E点位于圆柱形收缩段的大端端面2的圆心；所述第三圆弧NA与过渡段供气孔18的内壁面相切，半径为R3，圆心K点位于圆柱形收缩段的小端端面4上；所述第二圆弧GN的半径为R2，圆心F点位于GE的延长线上；第二圆弧GN与第一圆弧HG相切于端点G，第二圆弧GN与第三圆弧NA相切于端点N；第二圆弧GN的半径R2与第三圆弧NA的半径R3满足下列方程：(1)(2)式中，rK表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标；rF表示F点的径向坐标；zK表示K点的轴向坐标；zN表示N点的轴向坐标；zF表示F点的轴向坐标。本专利技术还提出了一种高压圆盘气体轴承稳流装置，包括平行设置的上工作圆盘11和下工作圆盘12，上工作圆盘11和下工作圆盘12之间构成气体润滑膜，上工作圆盘11中心设置有过渡段供气孔18，用于引入气流；上工作圆盘11还与上游的上轴对称收缩段10、上稳压腔腔体5依次相连接；过渡段供气孔18下游设有曲面造型的双对称收缩段，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速或超音速气流；下工作圆盘12上设置有与上工作圆盘11上下对称的过渡段供气孔、下轴对称收缩段13和下稳压腔腔体16；工作圆盘（11、12）的过渡段供气孔与轴对称收缩段（10、13）小端端面4的内腔平滑过渡连接，轴对称收缩段（10、13）大端端面2的内腔与稳压腔腔体（5、16）的内腔平滑过渡连接。所述上稳压腔腔体5外部同轴设置有环形管道8，上稳压腔腔体5内壁沿周向开设有环槽，环槽用于将环形管道8中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体5上下对称的环形管道和环槽。上稳压腔腔体5内部还沿周向均布有圆形通孔，圆形通孔一端与环槽相连通，圆形通孔另一端通过快换接头6与高压管7相连通继而高压管7通过快换接头6与环形管道8相连通；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体5上下对称的圆形通孔、快换接头和高压管。所述环槽、圆形通孔、快换接头6、高压管7、环形管道8的中心线均位于同一水平面。所述环形管道8外部还设置有直通式管接头14。支撑架（9、15）用于将环形管道8分别固定在上稳压腔腔体5、下稳压腔腔体16上。本专利技术用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段的设计方法，包括如下步骤：1、已知内环向射流稳压腔内腔直径为D；在长径比范围L/D=0.5～1中，选择收缩段长径比，进而确定收缩段的长度L；2、先给定三段圆弧在轴线上的投影长度比例a:b:c，求出三段圆弧各自在轴线上的投影的长度DJ、JP、PM；3、令第一圆弧半径R1等于内环向射流稳压腔内腔直径D的一半；以收缩段大端端面的圆心E为圆心，使得第一圆弧与稳压腔内壁面相切于H点；以E为圆心作半径为R１的圆弧，过J点作平行于大端端面的直线，与该圆弧相交于G点，得到第一圆弧HG；4、已知过渡段供气孔的直径为d，第三圆弧的圆心K位于收缩段小端的端面上，K点的坐标为(-R3-d/2,0)，使得第三圆弧与过渡段供气孔内壁面相切于A点；5、第二圆弧与第一圆弧相切于G点，设第二圆弧的圆心在F点，则G点、F点与E点必在同一条直线上；第二圆弧与第三圆弧相切于N点，则K点、N点与F点也必在同一条直线上；过P点作平行于小端端面的直线，N点在此直线上，故N点的z向坐标等于PM的长度；6、根据K点到N点的距离等于R3、K点到F点的距离等于R2+R3，可以列出关于未知量R2、R3的两个方程：(1)(2)式中，rK表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标；rF表示F点的径向坐标；zK表示K点的轴向坐标；zN表示N点的轴向坐标；zF表示F点的轴向坐标；7、将式(1)代入式(2)，得到一个关于R2的一元方程，采用二分法编程求出未知数R2，进而求出R3；这样就可以确定对应某种投影长度比例a:b:c时的三段相切圆弧曲线的具体形状；8、改变三段圆弧的投影长度比例为a:b:c，其中a、b、c的取值范围均为[1,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段，其特征在于：包括圆柱形收缩段(1)，圆柱形收缩段(1)内设有上下开口中心对称的曲面，所述曲面为曲线HA绕圆柱形收缩段(1)的中心轴旋转360°围成，所述曲线HA由三段两两相切的第一圆弧HG、第二圆弧GN、第三圆弧NA组成。

【技术特征摘要】
1.一种用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段，其特征在于：包括圆柱形收缩段(1)，圆柱形收缩段(1)内设有上下开口中心对称的曲面，所述曲面为曲线HA绕圆柱形收缩段(1)的中心轴旋转360°围成，所述曲线HA由三段两两相切的第一圆弧HG、第二圆弧GN、第三圆弧NA组成。2.如权利要求1所述的轴对称收缩段，其特征在于：所述第一圆弧HG与内环向射流稳压腔内圆柱壁面相切，半径R1等于内环向射流稳压腔内圆柱的半径，圆心E点位于圆柱形收缩段的大端端面(2)的圆心；所述第三圆弧NA与过渡段供气孔(18)的内壁面相切，半径为R3，圆心K点位于圆柱形收缩段的小端端面(4)上；所述第二圆弧GN的半径为R2，圆心F点位于GE的延长线上；第二圆弧GN与第一圆弧HG相切于端点G，第二圆弧GN与第三圆弧NA相切于端点N；第二圆弧GN的半径R2与第三圆弧NA的半径R3满足下列方程：(1)(2)式中，rK表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标；rF表示F点的径向坐标；zK表示K点的轴向坐标；zN表示N点的轴向坐标；zF表示F点的轴向坐标。3.一种高压圆盘气体轴承稳流装置，其特征在于：包括平行设置的上工作圆盘(11)和下工作圆盘(12)，上工作圆盘(11)和下工作圆盘(12)之间构成气体润滑膜，上工作圆盘(11)中心设置有过渡段供气孔(18)，用于引入气流；上工作圆盘(11)还与上游的上轴对称收缩段(10)、上稳压腔腔体(5)依次相连接；过渡段供气孔(18)下游设有曲面造型的双对称收缩段，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速或超音速气流；下工作圆盘(12)上设置有与上工作圆盘(11)上下对称的过渡段供气孔、下轴对称收缩段(13)和下稳压腔腔体(16)；工作圆盘(11、12)的过渡段供气孔与轴对称收缩段(10、13)小端端面(4)的内腔平滑过渡连接，轴对称收缩段(10、13)大端端面(2)的内腔与稳压腔腔体(5、16)的内腔平滑过渡连接。4.如权利要求3所述的高压圆盘气体轴承稳流装置，其特征在于：所述上稳压腔腔体(5)外部同轴设置有环形管道(8)，上稳压腔腔体(5)内壁沿周向开设有环槽，环槽用于将环形管道(8)中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体(16)上设置有与上稳压腔腔体(5)上下对称的环形管道和环槽。5.如权利要求4所述的高压圆盘气体轴承稳流装置，其特征在于：上稳压腔腔体(5)内部还沿周向均布有圆形通孔，圆形通孔一端与环槽相连通，圆形通孔另一端通过快换接头(6)与高压管(7)相连通继而高压管(7)通过快换接头(6)与环形管道(8)相连通；所述下稳压腔腔体(16)上设置有与上稳压腔腔体(5)上下对称的圆形通孔、快换接头和高压管。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：郭良斌，张雄威，王鹏，余振东，高亮杰，刘剑，
申请(专利权)人：武汉科技大学，中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42