箔片式动压止推气体轴承的发展熊联友侯予王瑾刘井龙(西安交通大学低温工程研究所陈纯正
71X(抖9)
{摘要:本文简要回顾了箱片式动压止推气体轴承的发展历史详细介绍了箔片式动压止推气体轴承的主要类型及研究状况关键词:动压气体轴承箔片轴承止推轴承
l
TheDveloPmeltofAerodynamicFoilThurstBearingXIOngUangyouHouYuWangJinUuJignlongChenChunzheng(Isnt彻teofC叮卿icnE峪暇irgn兀aniJaotognUinve玲iyt)Ah由旧d:仆edved呷m即tofifol如翅t悦画ngi,ibrvenervi娜曰饭s七uc恤tyepadninv悦石脚i朋por『essofcBF(C溯叩hantioFlB即`ng)aerid即送州
刃inde面1
5
为甲肋成:歇廿一侧油呜G留B圈的此F加】D图
对嗯lh门眺D,d
飞
箔片轴承最早是在1928年出现的由于箔片轴承具有稳定性高耐振动耐冲击对转子不同心度不敏感对环境无污染等优点因此自从箔片轴承问世以来箔片轴承得到了不断发展尤其是箔片径向轴承国外学者开发了许多不同结构型式的箔片径向轴承如悬臂型波箔型平箔型等但箔片止推轴承的出现却相对较晚直到本世纪70年代才开发出几种箔片止推轴承主要有螺旋槽型(C胡vel叭沁)管支承型(TObularSu二耳旧rt)悬臂型(Cantilever肠伴)波箔型(uBmPyT洋)及平箔型(lPate一oFil1勿叩)其中悬臂型及波箔型箔片止推轴承已广泛应用于透平膨胀机燃气涡轮涡轮增压器涡轮制冷机离心式压缩机高速离心泵高速风机等高速旋转机械取得了良好的经济效益1箔片止推气体轴承的类型(l)螺旋槽型(c阴veyT详)[’3〕(2)管支承型(叭山ularSup
即
rt
图2所示管支承型箔片止推气体轴承是由美国的sGary
于
1980年发明并获得专利该止推轴承由若干扇形箔片和管状弹性支承元件组成弹性支承元件是由若干弹性金属小管平行放人一个网状支架而形成箔片组件一
固定且有一预气楔角以产生动压效应阻尼的大小可通过在一些或全部的管支承元件的管内充填阻尼材料而改变刚度的大小可图2管支承型箔片
止推气体轴承
如图1所示螺旋槽型箔片止推气体轴承是由美国的LUcht于1978年发明并获得专利这种轴承包括一个约01一02~厚刻有螺旋槽的柔性箔片它支承在一个蛛网状弹性组件上(isnder-spirgn)螺旋槽槽深约为轴承间隙的3倍这种轴承的气膜间隙近似于刚性螺旋槽止推气体轴承的间隙分布但由于它又是支承图1螺旋槽型箔片在弹性组件上的柔性箔片因而止推气体轴承能较好地适应止推盘的扭曲变形及不对中Uhct将一个外径为此99~内径为必巧8~的螺旋槽型箔片止推气体轴承用来替换原来的静压止推气体轴承在轴向载荷130N的情况下成功地将转子一轴承系的失稳转速从27(X旧r/而n提高到5仪众)r/而on2仪X)年第3期通过改变管支承元件的尺寸及结构形式来调节(3)悬臂型(Cantilveerl兮ep)〔,7」悬臂型箔片轴承是由美国的Ga吮tt公司发明并获得专利悬臂型止推箔片轴承如图3(a)所示各箔片设计成扇形顺序排列在一个圆环状平板上其下
部对准着一个弹性支承元件箔片自由端被翘离底板与推力盘之间构成一个斜楔悬臂型止推箔片轴承最初应用在a犯in盯27的空
调系统上1972年美国空军为将这种止推箔片轴承应用在燃气透平上进行了可行性研究随后于1973年开始进行试验研究在7AD轻型攻击机的涡轮喷气发动机上考察了悬臂型止推箔片轴承的稳定性能该箔片轴承在72X(X)r/而n的工作转速下连续运行了
sh并进行了135次启停试验为了进一步解决悬臂
止推箔片轴承的实用问题美国空军又在轴承的承载性能材料选择及镀层方面开展了系统的研究到
目
前为止悬臂型止推箔片轴承已广泛应用于B
oe
i嘟575麦道cD一105等飞机的航空透平及燃气透平
上图3(b)是另一种类型的悬臂型止推箔片轴承该箔片轴承由许多箔片元件相互搭接构成箔片元件
7蘸赢赢纂杨鑫蕊痴
(a)(b)
图3悬臂型箔片止推气体轴承(4)波箔型(Bu呷yTpe)[8”〕波箔型箔片止推气体轴承最早是在70年代末发展起来的如图4所示其结构与径向波箔轴承类似由平箔和波箔组成平箔设计成扇形支承在波箔上箔片组件一端固定另一端自由固定端比自由端稍低以形成预气楔角1980年Gray改进了弹性元图6波箔止推气体轴承(多级波箔)1984年eHhsalnt还开发了另一种多级支承的波箔止推轴承如图7所示该轴承由一层波箔和多层平箔构成各层平箔沿周向方向的长度不同波箔的节距波高沿止推轴承周向方向不同这样的结构使得箔片止推轴承各部分的结构刚度不同从而可以优化轴承的结构刚度同时波箔和除最顶层外的各级平箔沿周向方向被分隔成条状这样就能更好的适应
转子的不对中及止推盘的扭曲变形为进一步提高轴承的性能Heshmat又开发了多级平箔一多级波箔结
构的波箔止推轴承如图8所示该轴承综合了前面
几种结构的优点使得其承载能力有了较大提高eHsfunat设计的一个外径为句37~内径为
妇
81
~
的多级平箔一多级波箔箔片止推轴承在8〕XX)r/而n的转速下其承载能力超过了
巧
8
6k
pa
赢曝
图4波箔型箔片止
推气体轴承
件结构采用双层波箔结构1984年GLAgm
认
a也
提出了类似的结构如图5所示弹性元件由两层波
箔和一层平箔组成平箔将两层波箔分隔这样的弹性元件相当于两个串联的弹簧因此在相同的结构刚度下双层结构箔片元件的厚度可以比单层结构的大这解决了以往为了减小箔片轴承结构刚度而不得
不采用较薄的箔片所带来的弹性箔片屈服极限低的问题同时便于进一步降低箔片轴承结构刚度更好地适应转子的不对中效应
自气骊醚尸
咫狸曦彝汾班
夕
脚哪哪.口....口口甲口
崛巍蘸赢涵
00荞启少图7波箔止推气体轴承图8波箔止推气体轴承(多级平箔)(多级平箔一波箔)(5)平箔型(lPate一ioFlType)[”]
197年西安交通大学开发了一种新型结构的平
箔式箔片止推气体轴承如图9所示该轴承的轴承
座由若干轴瓦组成箔片元件固定在轴瓦上箔片元件由两层粘接有若干细铜丝的扇形箔片组成;铜丝按
照一定方式排列两层箔片在末端粘接在一起我们设计的一个外径为必19~内径为此~的平箔箔片止推轴承在1《XX)r/而n的转速下获得的最高承载力已达
科IN
图5双层波箱箔片止推气体轴承1981年Hesllamt开发了多级支承的波箔止推轴
承进一步提高了箔片止推轴承的综合性能如图
6
所示该轴承由一层平箔和两层或多层波箔构成平箔的一端焊接在定位块上另一端为自由端;波箔在
靠近定位块的一端自由另一端同平箔的自由端焊接
在一起各级波箔相互叠放在一起它们的波高不同因而刚度也不同靠近平箔的波箔的刚度最小其余各级波箔的刚度依次增大在较小的轴承载荷
下最顶层的波箔最先变形当载荷大到一定值时它和下一级波箔接触此时这两级波箔相当于两个并联的弹簧因而其结构刚度增大以适应增大的轴承载荷载荷越大参与并联的波箔弹性元件越多轴承的结构刚度也越大
8
L公之二三入仁二l
罕井荞攀年琴李马
魂砚夕电砂
,
图9平箔箔片止推气体轴承2箔片止推气体轴承的理论研究概况〔
’415〕
同箔片径向轴承相比对箔片止推轴承的理论研究较少研究范围也大多局限在分析箔片止推轴承的静态性能上
1983年HeHs
l
lnul等在止推箔片轴承结
构刚度
均匀分布的假设下导出了轴承气膜间隙厚度与轴承结构刚度分布及压力分布的关系与eRynolds方程进
行祸合求解利用差分法求得了止推箔片轴承的静特性并用准静态假设法求得了止推箔片轴承的轴向刚
度
《润
滑与密封》