具有自引导冷却的箔片气体轴承组件制造技术

本发明专利技术提供一种支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件。在一个方面，本发明专利技术涉及一种轴颈轴承组件，其包括箔片组件，使得旋转轴由润滑气体层横向支撑。一旦轴旋转，箔片组件引起轴颈轴承组件的自引导冷却。由此防止由于机械元件的热引起的变形而导致的损坏。在另一方面，本发明专利技术涉及一种通过推力滑块轴向支撑旋转轴的推力轴承组件，其中箔片组件促进自引导冷却。

【技术实现步骤摘要】
具有自引导冷却的箔片气体轴承组件
本专利技术涉及一种用于支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件。在一个方面，本专利技术涉及一种轴颈轴承组件，其包括箔片组件，使得旋转轴由润滑气体层横向支撑。一旦轴旋转，箔片组件导致轴颈轴承组件的自引导冷却。由此防止由于机械元件由热引起的变形导致的损坏。在另一方面，本专利技术涉及一种借助推力滑块轴向支撑旋转轴的推力轴承组件，其中箔片组件促进自引导冷却。
技术介绍
液体或气体轴承用于机械工程中的许多不同的装置中。例如在涡轮机中，轴颈以高速旋转并且构成用于机械元件的载荷。为了支撑高速旋转轴，已经开发了箔片气体轴承。对于旋转轴的横向支撑，轴颈轴承包括外部刚性支撑轴承套筒和内部箔片组件。特别地，箔片气体轴颈轴承包括箔片，其可以被称为接收可旋转轴的顶部箔片。一般来说，在顶部箔片下面，中间箔片组件构成弹性层，其可以缓冲由于轴在轴颈轴承内的横向运动而引起的局部变形。在轴的表面和顶部箔片之间仅保留非常薄的周向间隙。甚至可以选择轴承，使得轴的直径有意地大于轴承，使得轴首先压靠顶部箔片。对于这两种情况，一旦轴旋转，当环境气体被压缩到间隙中时，在轴的表面和顶部箔片之间产生流体动压力。间隙内的气体沿着轴的旋转方向流动，作为润滑剂，并且因此被称为润滑气体。流动的润滑气体的流体动压力构成支撑层，该支撑层将轴的载荷传递到顶部箔片，顶部箔片由内部刚性轴承套筒上的弹性中间箔片支撑。由于润滑气体，可以避免轴的表面和顶部之间的直接摩擦。然而，高转速可导致润滑气体的温度升高和整个轴承组件的加热。箔片气体轴承的热引起的变形可以增加这种影响，并且导致“热失控(thermalrunaway)”情况和机械损坏。因此，在现有技术中已经开发了多种方案以确保箔片气体轴承和/或轴的冷却。在US6286303B1中，公开了具有用于冷却空气的入口的喷头的使用，其将较冷温度的气体输送到轴颈的内表面，从而冷却整个箔片气体轴承和轴组件。在EP0186263A2中，通过中间箔片内的流动引导装置提供用于箔片推力轴承的冷却，以能够向两个相对旋转的表面的界面提供更冷的气体和/或流体。在EP0303189A2中描述了一种箔片气体轴承组件，其中狭槽沿着轴的轴向方向在箔片内延伸，从而提供流体穿过箔片的轴向流动。现有技术的冷却装置和方法主动地将较低温度的气体推向轴承或提供用于沿着轴轴向引导较低温度气体的装置。现有技术的装置和方法需要额外的能量用于推动冷却气体或昂贵和精细的结构。通过箔片气体轴承的简单的构造方法的有效的被动冷却系统在现有技术中没有公开。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服现有技术的缺点，并提供一种用于支撑可旋转轴的箔片气体轴承组件，其在轴的旋转期间提供有效的自引导被动冷却。本专利技术的另一方面是提供一种箔片气体轴承组件，其易于构造并且能够实现对于高速旋转中的轴提供特别好的弹性支撑，同时使由于加热对机械部件的有害影响最小化。该目的通过根据独立权利要求的轴颈轴承组件和推力轴承组件实现。从属权利要求涉及轴颈轴承组件和推力轴承组件的优选实施例。因此，在一个实施例中，本专利技术涉及一种用于支撑可旋转轴的轴颈轴承组件，其包括多个箔片和轴承套筒，所述多个箔片包括成形为接收可旋转轴的至少一个顶部箔片和在顶部箔片外部的至少一个中间箔片，轴承套筒具有包围所述中间箔片的内部凹形表面，其中顶部箔片在所述顶部箔片的部分中具有至少一个开口，使得所述开口相对于所述可旋转轴的表面具有0°至60°的开口角度。轴颈轴承组件构造成支撑可旋转轴。因此，轴颈轴承优选地理解为用作支撑可旋转轴的轴承组件，并因此用作滑动表面。在本文中，可旋转轴优选地具有圆柱形几何形状。对于圆柱形轴，成形为用于接收可旋转轴的顶部箔片，是指跨越与可旋转轴的外径匹配的圆柱形表面的大部分区域的顶部箔片。优选地，在顶部箔片和可旋转轴之间保留薄的间隙。因此，顶部箔片成形为接收轴，但不必接触轴的外表面。此外，顶部箔片可以以这样的方式组装，即其不是在其整个表面上接收轴，而是仅在表面的一部分上。接收轴并因此紧密接近轴的表面的顶部箔片的表面的部分被称为轴承段。至少一个中间箔片位于顶部箔片的外部。中间箔片可以具有不同的形状。然而，优选地，中间箔片被成形为使得由中间箔片跨越的层比由顶部箔片跨越的层具有更大的径向高度。此外，优选地，中间箔片沿着其径向高度弹性地起作用。刚性的轴承套筒位于中间箔片的外侧。优选地，刚性轴承套筒的内表面具有与可旋转轴的外表面相似的形状。因此，对于圆柱形可旋转轴，轴承套筒的内表面是圆柱形的。顶部箔片和中间箔片因此构成了在可旋转轴的外表面和刚性轴承套筒的内表面之间的箔片层。有利地，两个箔片层用于不同的目的。顶部箔片的内表面足够平滑以接纳可旋转轴。在轴的旋转期间产生流体动压力，其导致在轴的表面和顶部箔片之间建立较高压力的气体层。由于粘附作用，该层气体沿着轴的表面一起被拖动。该层被称为润滑气体，其在轴的旋转方向上具有高的切向速度。有利地，由于润滑气体层，轴的表面不直接阻碍顶部箔片层。以这种方式，可以实现特定的摩擦减小的轴承。然而，轴的横向运动通过润滑气体层传递到顶部箔片。有利地，如果沿着其高度弹性地构造，则中间箔片可以缓冲这些运动。因此，两层箔片(至少一个顶部箔片和至少一个中间箔片)的组合具有以下优点：由顶部箔片的轴承段形成的薄的润滑气体层可以减少摩擦，而至少一个中间箔片的较厚的层可以用作刚性轴和轴承套筒之间的机械阻尼元件。此外，中间箔片优选地为轴的横向运动提供弹性和柔性，并且确保润滑气体层的稳定维持。然而，对于高速旋转轴，优选的薄的润滑气体可能潜在的显著变热。令人惊讶的是，通过在顶部箔片和中间箔片之间的开口相对于轴的表面具有0°至60°的开口角度，实现了用于轴承组件的有效的自引导冷却。有利地，开口因此相对于流动的润滑气体的切向速度具有0°至60°的角度。优选地，顶部箔片的包含开口的部分为此倾斜，使得其沿着旋转方向和切向润滑气流的方向上升。如本文所公开的，0°度的开口角度是指在顶部箔片的垂直于润滑气体的切向流向的一部分内的开口。根据本专利技术，不是优选的90°的开口角度是指在平行于可旋转轴的表面并且因此平行于润滑气流的切向速度的部分中的顶部箔片中的开口。有利地，顶部箔片内的至少一个具有0°至60°的开口角度的开口将部分润滑流动气体引导到中间箔片层的空间中，因此处于顶部箔片下方。因此，除了润滑气体流动层之外，还产生位于中间箔片层中的气流并且称其为中间气流层。连续性和质量守恒的物理定律要求如果润滑气体的一部分离开顶部箔片和轴之间的层以加入中间气流，则其必须由新的流入气体代替。因此，由于根据本专利技术的开口，较冷的环境气体连续地流入顶部箔片和轴之间的间隙中加入润滑气流。与现有技术的轴承装置相比，由此实现了有效的自引导冷却。由于在这种情况下润滑气体几乎不进入中间箔片层，因此不能用具有大约90°开口角度的开口实现这种有效的自引导冷却。有利地，由于根据本专利技术的开口的冷却不需要任何额外的装置或能量来迫使较冷的环境空气进入润滑层。相反，利用旋转轴的能量来将冷却气体吸入到润滑气体中。由此可以避免润滑气体的有害加热。特别地，自引导冷却也比例如通过沿现有技术中所述的中间箔片的轴向开口轴向引导冷气体所引发的冷却更有效。在优选实施例中，轴颈轴承组件的特征在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支撑可旋转轴(1)的轴颈轴承组件(5)，其包括多个箔片和轴承套筒(2)，所述多个箔片包括成形为接收可旋转轴(1)的至少一个顶部箔片(3)和在顶部箔片(3)外部的至少一个中间箔片(4)，轴承套筒(2)具有包围所述中间箔片(4)的内部凹形表面，其特征在于：所述顶部箔片(3)在其一部分中具有至少一个开口(7)，使得所述开口(7)相对于所述可旋转轴(1)的表面具有0°至60°的开口角度(24)。

【技术特征摘要】
2015.11.17 EP 15003286.01.一种支撑可旋转轴(1)的轴颈轴承组件(5)，其包括多个箔片和轴承套筒(2)，所述多个箔片包括成形为接收可旋转轴(1)的至少一个顶部箔片(3)和在顶部箔片(3)外部的至少一个中间箔片(4)，轴承套筒(2)具有包围所述中间箔片(4)的内部凹形表面，其特征在于：所述顶部箔片(3)在其一部分中具有至少一个开口(7)，使得所述开口(7)相对于所述可旋转轴(1)的表面具有0°至60°的开口角度(24)。2.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于，所述开口角度(24)在10°至50°之间，优选在20°与40°之间。3.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：所述轴颈轴承组件(5)包括两个或更多个顶部箔片(3)，每个顶部箔片具有顶部箔片尾部和顶部箔片前部，顶部箔片尾部包括与所述可旋转轴(1)的表面形成30°至90°角度的下降坡道(9)，顶部箔片前部包括与所述可旋转轴(1)的表面形成30°至90°角度的上升坡道(8)，其中所述上升坡道(8)包括所述开口(7)。4.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：所述顶部箔片(3)的所述上升坡道(9)包括在沿着可旋转轴(1)的圆柱形轴线的方向对齐的两个或更多个开口(7)。5.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：所述开口(7)具有在10∶1与2∶1之间的长宽比，其中所述开口(7)的长度是所述开口(7)沿所述可旋转轴(1)的圆柱轴线方向的尺寸。6.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：所述顶部箔片(3)由镍基超合金制成，优选地含有选自铬、铁、钴、钼、钨、钽、铝、钛、锆、铌、铼、钇、钒、碳、硼和/或铪中的元素，优选地，所述顶部箔片(3)由合金X-750制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于，所述中间箔片(4)是波纹箔片，并且在所述顶部箔片(3)和所述轴承套筒(2)之间构成弹性层。8.根据前述权利要求所述的轴颈轴承组件(5)，其特征在于：所述波纹箔片包括和/或两个或更多个波纹箔片形成沿着所述轴承套筒(2)的表面周向延伸的至少一个狭缝(12)，其中所述开口(7)与所述狭缝(12)对齐。9.根据前述权利要求中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：侬达武特·布里差武特，米夏埃尔·普林茨勒，海因兹彼得·贝格，
申请(专利权)人：科特布斯森夫滕贝格勃兰登堡工业大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE