使用整体式丝线网阻尼器的自适应混合气体轴颈轴承 【技术领域】
本发明大致地涉及一种轴承，且尤其地，涉及一种使用整体式丝线网阻尼器(integral wire mesh dampers)的自适应气体轴承(compliantgas bearing)。
背景技术
高速设备，例如航空引擎涡轮机械，以及航改应用，例如蒸汽涡轮、燃气涡轮和压缩机等，在达到设计运行速度之前必须穿越过若干个固有频率(natural frequencies)或临界速率。当系统在其固有频率或临界速率下运行时，系统/转子振动振幅变大。这些来源于转子不平衡的振动可能是破坏性的或者甚至是灾难性的(如果其得不到充分的抑制的话)。具有足够的阻尼特性的轴承会限制或减弱同步振动，以容许设备安全地通过临界速率。此外，良好的轴承阻尼通过抑制转子固有频率的次同步激励而有助于高速下的转子动态稳定性。
流体膜或油膜轴颈轴承已自长久以来被用于抑制(dampen)由涡轮机械所产生的振动。航空燃气涡轮引擎和工业离心式压缩机中的转子通常使用基于油(oil-based)的挤压膜阻尼轴承(其由鼠笼对中弹簧所支撑)以控制振动振幅。在流体膜轴承中，薄的流体膜在旋转的轴颈面和固定的轴承面之间形成缓冲，并抑制了来自转子的振动。在挤压膜阻尼轴承中，液体形式的流体(通常是油)的薄膜被两个不旋转的柱面所挤压。一个面是固定的，而另一个面由对中弹簧结构所定位并随转子的运动作轨道式运动。轨道式转子运动所造成的流体膜的挤压通过轴承支撑而抑制了转子振动。
最简单的挤压膜阻尼轴承设计不包括对中弹簧。滚动元件轴承的外环或流体膜轴承情况下的外轴瓦被容许在轴承外直径和壳体内直径之间的余隙空间中进行压挤和浮动。这种设计配置中机械对中弹簧的缺失意味着在起动时阻尼器轴颈将降至最低点(bottomed out)。随着速度增加和轴开始旋转，阻尼器的轴颈(轴瓦外表面)将升起。挤压膜阻尼器中的油膜并不像传统的流体膜轴承那样产生直接刚度(directstiffness)。然而，阻尼器的确显现了有直接刚度特征的性状(directstiffness-like behavior)。这种直接刚度归因于交叉耦合的阻尼系数，其呈现出有刚度特征的(弹簧)特性。
非居中阻尼器是最为非线性的挤压膜阻尼器设计中的一种。这种非线性性状归因于两种基本机制。这两种非线性机制的第一种归因于交叉耦合的阻尼系数所产生的非线性特性。而这种类型的阻尼器所体现的非线性性状的第二根源来自于阻尼器轴颈降至最低点的直接后果。
在挤压膜阻尼器中提供对中弹簧的最简单的方法是通过弹性体O形环的使用。这种设计的优势源于其简单性、易于制造、以及将阻尼器并入到小的封套中的能力。这种设计的某些缺点归因于利用弹性体可获得的刚度的有限范围。在弹性材料中，由于材料差异以及温度和时间对其属性的影响等原因，要以良好的肯定度来预测刚度是较为困难的。此外，O形环设计容易受到蠕变的影响，导致阻尼器触底，其如上所述，可能导致双线性的弹簧性状。
最普遍地被使用的挤压膜阻尼器设计，尤其航空引擎中最普遍地被使用的挤压膜阻尼器设计，是鼠笼支撑式阻尼器。这种设计所不可避免的独特特点在于所需要地相对较大的轴向空间(与阻尼器长度相比)。这是这种阻尼器设计的主要缺陷的其中一种。形成用于阻尼器的对中弹簧的鼠笼常常需要相当于阻尼器本身的三倍到四倍那么多的轴向空间。
在余隙空间中将轴颈对中和装配鼠笼弹簧都需要专门的工具和技巧。鼠笼弹簧还使阻尼器端部密封设计和装配变复杂。使弹簧组件偏置(offset)以补偿由于轴的重量而引起的重力载荷也是非常困难的。在阻尼器轴颈和壳体之间保持平行性则是增加该设计的不确定性和复杂性的另一因素。
另一基于油的挤压膜阻尼器设计包括整体式阻尼器对中弹簧。在这种设计中，悬臂式支撑肋条连同它们在两端处所支承的区段(sector)，形成对中弹簧元件。在区段和外环之间小的间隙形成了挤压膜阻尼器余隙空间。与鼠笼弹簧设计不同，整体式阻尼器对中弹簧设计并不占用任何超出轴承所占用的现存长度的额外的轴向空间。完整组件可包含任意数量的区段，这依赖于针对具体应用的阻尼、所需的刚度以及负荷。金属丝电火花机床(EDM)提供了一种优良的方法，通过这种方法可以非常高的精度和可重复性获得所需的间隙而同时保持阻尼器轴颈和壳体之间的精良的平行性。
尽管这些挤压膜轴承结构提供了这些优势，但是，油润滑的轴承导致了较高的成本和维护工作量以及与油的泄漏、过滤和导管相关的可靠性问题。油润滑轴承的这些缺陷以及其它缺陷已促使工业界设法研制自适应空气箔片轴承(air foil bearing)。然而，当前的空气箔片工艺主要局限于小型轻量转子和机器，即飞机上的空气循环机(ACM)。因而，虽然将空气轴承引入到飞机中的好处是很好理解的，但是必须克服极大的技术挑战，以研制合乎实际的设计。这些挑战包括研制带有显著地高于当前空气箔片轴承技术的负荷能力和阻尼的气体轴承。
【发明内容】
简单地说，一种自适应混合气体轴颈轴承包括多个自适应混合轴承衬垫；内圈(其与该多个轴承衬垫相邻)，外圈，以及径向且同心地置于该内圈和外圈之间的阻尼器桥，该阻尼器桥具有这样的轴向长度，该轴向长度小于该多个轴承衬垫和外圈的轴向长度，从而在阻尼器桥的每一侧形成阻尼器腔；以及，位于阻尼器腔(其在阻尼器桥各侧处)中的整体式丝线网阻尼器。
在本发明的另一方面，一种自适应混合气体轴颈轴承包括多个自适应混合轴承衬垫，至少一个轴承衬垫包括流体静力凹部和用于提供加压气体流的毛细管节流器；以及与该多个轴承衬垫相邻的内圈，外圈和径向且同心地置于内圈和外圈之间的阻尼器桥，阻尼器桥具有比该多个轴承衬垫和外圈的轴向长度更小的轴向长度，从而在阻尼器桥的每一侧均形成阻尼器腔。
在本发明的又一方面，一种自适应混合气体轴颈轴承包括多个自适应混合轴承衬垫，至少一个轴承衬垫包括流体静力凹部和用于提供加压气体流的毛细管节流器；与该多个轴承衬垫相邻的内圈，外圈，以及径向地且同心地置于该内圈和外圈之间的阻尼器桥，该阻尼器桥具有比该多个轴承衬垫及外圈的轴向长度更小的轴向长度，从而在阻尼器桥的每一侧形成阻尼器腔；位于在阻尼器桥每一侧处的阻尼器腔中的整体式丝线网阻尼器；以及多个位于该内圈和外圈之间的整体式对中弹簧。
【附图说明】
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些特征、方面和优势以及其它特征、方面和优势，附图中相似的参考标号表示遍及附图的相似的部件，其中：
图1是根据本发明一个实施例的自适应混合气体轴颈轴承组件的局部截面透视图。
图2是图1的自适应混合气体轴颈轴承体(bearing housing)的端视图。
图3是沿着图2的剖面线3-3剖切的自适应混合气体轴颈轴承体的截面图。
图4是图2自适应混合气体轴颈轴承体的轴承体中跨区段(midspan sector)的放大的截面图。
图5是图4的轴承体中跨部分的流体静力凹部和毛细管节流器的放大的截面图。
部件列表
10自适应混合气体轴颈轴承；
12轴承衬垫；
14衬垫表面；
16转子或轴；
18箭头；
20轴向凹槽；
22流体静力凹部；
24深度；
26宽度；
28毛细管节流器；
30
32内圈；
34外圈；
35间隙；
36阻尼器桥；
38轴向长度(阻尼器桥)；
40轴向长度(轴承衬垫)；
42阻尼器腔；
44宽度(阻尼器腔)；
46整体式对中弹簧；
48整体式对中弹簧；
50区段；
52角度；
54水平轴线；
56角度；
58竖直轴线；
60间隙；
62整体式丝线网阻尼器(IWMD)；
64端板；
66端板；
68阻尼器压缩面；
70阻尼器压缩面；
【具体实施方式】
参照附图，其中相同的参考标号代表遍及各个视图的相同元件，图1-5显示了根据本发明一个实施例的自适应混合气体轴颈轴承，总体以参考标号10所示。轴承10包括多个自适应混合轴承衬垫12。各轴承衬垫12包括靠近旋转的转子或轴16的衬垫表面14，该转子或轴16通常在箭头18的方向上旋转。在一个实施例中，轴承衬垫12包括倾斜衬垫(tilt pads)，其具有偏置的整体式弹簧(图2)。各轴承衬垫12还包括轴向凹槽20，其用于减小轴承衬垫12的重量。各轴承衬垫12的衬垫表面14还包括流体静力凹部22，其具有深度24和宽度26(图5)。举例而言，流体静力凹部22可具有这样的深度，该深度为轴承面14和转子面之间的气体膜的厚度的2倍至10倍。在所示的实施例中，流体静力凹部22的面积对轴承面14的面积的比值为大约0.027。通常，同轴承面面积相比，流体静力凹部22的面积越小，轴承稳定裕度(stability margin)越高。
在一个实施例中，流体静力凹部22居中地定位在各个轴承衬垫12上，并因此关于轴16对称地定位。在另一实施例中，流体静力凹部22偏离中心地位于轴承衬垫12上。然而，即使凹部22以偏离中心的方式位于轴承衬垫12上，这些流体静力凹部22关于轴16对称地定位仍然是可能的。各个流体静力凹部22与毛细管节流器28成流体连通，用于将加压气体流，例如空气流等等，提供给轴承衬垫12。各个毛细管节流器28联接至加压气体源30(图1)，例如压缩机旁流(bypass)等等。在一个实施例中，毛细管节流器28相对于流体静力凹部22不对称地定位。在另一实施例中，毛细管节流器28相对于流体静力凹部22对称地定位。加压气体提供了流体静力举升力(liftingforce)，以使得轴16在起动期间不会降至最低点。换句话说，加压气体提供了举升力，从而将轴16抬离轴承衬垫12一一即使轴16不旋转。在一个实施例中，气体具有位于大约30psig至大约200psig范围内的压力。
在另一实施例中，轴承10不具有流体静力凹部22，而只具有至轴承衬垫12的表面14的毛细管节流器28。在这种状态下，毛细管节流器28同样可关于轴线54，58而居中，或者可朝向轴承衬垫12的前缘(leading edge)而偏置，这使得该定位相对于轴线54，58不对称。
在所示的实施例中，轴承10具有四个关于轴16对称地定位的轴承衬垫12，其中，各个轴承衬垫12包括单独的流体静力凹部22(带有毛细管节流器28)。然而，应该懂得，本发明并不受凹部、毛细管节流器和轴承衬垫的数量的限制，而是，可以以任何所需数量的轴承衬垫、凹部和限流器来实行本发明。
参看图3和图4，轴承10包括相邻于轴承衬垫12的内圈32，外圈34，以及径向且同心地置于内圈与外圈32，34之间的阻尼器桥36。间隙35以通常地与该多个轴承衬垫12相对应的方式而将内圈32划分成多个区段50。阻尼器桥36具有轴向长度38，其小于外圈34和轴承衬垫12的轴向长度40，从而在阻尼器桥36的每一侧形成具有宽度44的阻尼器腔42。
本发明的一个方面是轴承10包括位于内圈及外圈32，34之间的多个整体式对中弹簧46，48。在一个实施例中，轴承10的每个区段50包括一对整体式对中弹簧46，48；弹簧46是前缘整体式弹簧，而弹簧48是后缘(trailing edge)整体式弹簧。在所示的实施例中，整体式对中弹簧46，48通常具有“S”形的截面形状。整体式对中弹簧46，48可利用金属丝电火花加工(EDM)技术而成型。在轴承衬垫12和外圈34之间的间隙60为弹簧46，48提供了余隙空间，以适应由于高速高温应用而产生的离心效应和热效应。此外，余隙空间60减小了轴承衬垫的重量和轴承组件的总重。与传统的波箔轴承(bump foil bearing)所呈现的非线性性状不同，整体式对中弹簧46，48提供了线性性状。不同于需要额外的轴向长度的传统的鼠笼式设计，这种整体式对中弹簧设计不占用任何超出轴承衬垫12的轴向长度40的额外的轴向空间。商业上可从West Greenwich，RI的KMC公司(www.kmcbearings.com)得到基于油的整体式丝线挤压膜阻尼器(integral wire squeeze film damper)的一种示例。
如图4中所示，用于各个区段50的弹簧对46，48相对于轴承衬垫12而偏置，以产生倾斜衬垫运动(tilting pad motion)或衬垫转动(padrotation)，其已显示出能够极大地增强轴承的稳定度和负荷能力。换句话说，弹簧46，48相对于轴承衬垫12以不对称的形式定位。具体地说，弹簧46的中心线(centerline)相对于区段50的水平轴线54形成了角度52，而弹簧48的中心线相对于竖直轴线58形成了较小的角度56，竖直轴线58基本上垂直于水平轴线54。令角度56小于角度52，这在轴承衬垫12上产生非居中的力矩，从而引起轴承衬垫12的整体的(global)倾斜或转动。在一个实施例中，角度52，56之差可在大约10度至大约25度之间的范围内。例如，角度52可为大约28度，而角度56可为大约18度，或者差大约10度。另外，角度52，56之差容许轴承10的轴承衬垫12成为径向地自适应的且是转动地自适应的，从而容许由于高速、高温应用所产生的离心效应和热效应而引起的轴承孔的径向生长。在所示的实施例中，轴承10具有四个区段50，各个区段中带有一对弹簧46，48。然而，应该懂得，根据针对具体应用的负荷和所需刚度，可在带有任何所需数量的区段以及任何所需数量的各区段中的弹簧的条件下来实行本发明。
如上所述，整体式弹簧46，48的不对称定位和流体静力凹部22的不对称定位产生了轴承衬垫12的整体的倾斜或转动。然而，通过提供带有相对较低(与后缘整体式弹簧48比较而言)的径向刚度的前缘整体式弹簧46，也可实现轴承衬垫12的整体的倾斜或转动。例如，前缘整体式弹簧46可具有大约75,000lb/in的径向刚度，而后缘整体式弹簧48可具有大约85,000lb/in的径向刚度。这种在弹簧46，48之间的径向刚度的差异造成了轴承衬垫12的整体的倾斜或转动。
本发明的另一方面是轴承10包括无油(oil-free)的整体式丝线网阻尼器(IWMD)62，其位于阻尼器桥36各侧上的阻尼器腔42中。换句话说，IWMD 62位于轴承衬垫12和外圈34之间，如图1中所示的那样。IWMD 62是编织的丝线网，其包括编织成网状结构的塑性绞合线(plastic strand)或金属丝线。编织过程产生互相联接的环圈的网。这些环圈可在相同的平面上彼此相对移动，而不会使网畸变，从而赋予编织网双向的伸缩性(stretch)。因为各个环圈在受到拉伸应力或压缩应力时起着小弹簧的作用，所以编织金属具有固有的弹性。编织的金属还提供了高的机械无油阻尼特性和非线性弹性系数。振动和机械冲击可有效地受到控制，以消除激烈共振条件并提供足够的保护以避免动态超载。研究显示，与传统的空气箔片轴承相比，IWMD 62提供了至少三十倍的阻尼。IWMD 62可由多种材料制成，例如钢、铬镍铁合金、铝、铜、钽、铂、聚丙烯、耐纶、聚乙烯等等。可调整IWMD62的密度和尺寸，以符合具体的设计应用。商业上可从Edison，NJ的Metex公司(www.metexcorp.com)获得丝线网阻尼器的一种实例。
在本发明的自适应混合气体轴颈轴承10与传统的轴承组件之间存在显著的差异。如上所述，商业上可从West Greenwich，RI的KMC公司获得传统的基于油的整体式丝线挤压膜阻尼器。使用“S”形弹簧的KMC整体式丝线挤压膜阻尼器(ISFD)是这样一种轴承支撑，其中，阻尼来源于将流体从某一控制体积置换(displacing)至另一控制体积。流体穿过余隙空间或孔的运动产生了“基于流体”的粘滞消散，其被实现作为轴承支撑系统中的阻尼。通常，挤压膜流体与滚动元件轴承或轴颈轴承(ISFD与其组装在一起)的润滑流体是相同的。在传统的ISFD挠性枢轴(flexure pivot)轴承组件中，对称地定位的“S”形弹簧容许各内圈象限的径向运动，该内圈象限具有挠性枢轴轴承衬垫。挠性枢轴容许轴承衬垫围绕挠性枢轴杆(beam)的基部而枢轴回转或转动。因此，“S”形弹簧提供径向自适应性，而轴承衬垫中的转动自适应性或偏斜则通过该挠性枢轴而实现。各个特征，即，挠性枢轴和“S”形弹簧，具有单一的功能。
相反，使用整体式丝线网阻尼器62的自适应混合轴颈轴承10并不通过挤压或置换流体的方式来产生阻尼，而是通过机械结构，即丝线网阻尼器62，来产生阻尼。本发明的轴承10中的润滑流体是气体且在轴承支撑中不提供粘滞消散或阻尼，阻尼来源于滞后结构阻尼(hysteretic structural damping)与库仑摩擦的结合。结构阻尼来源于成千上万的单独的丝线段(wire segments)的一致的弯曲，而库仑摩擦来源于丝线在彼此上的微滑动。尤其是对于要求无油式运行或可能受益于无油式运行的机器而言，这种组合提供了一种极好的无油的阻尼源。使用整体式丝线网阻尼器62的自适应混合轴颈轴承10的有利的特征在于，仅通过“S”形弹簧46，48就可获得径向自适应性和转动自适应性功能。这是因为，本发明中的“S”形弹簧46，48关于内圈32的各个象限或区段50以不对称的方式而定位。将“S”形弹簧46，48以不对称的方式定位引起了各个的轴承衬垫12中的转动的偏斜，这使得除沿径向的平移之外还可转动。除了使一个特征件执行双重功能之外，另一优势在于，所占用的径向空间有所减少，这是因为挠性枢轴不复存在，而这减小了轴承的重量。这在航空航天应用中是极为重要的，因为重量是一个针对性能的主要驱动系数。轴承的重量的进一步的减小可来自于对“S”形弹簧46，48之间的材料进行EDM机械加工。
轴承10还包括一对端板64，66，其分别地提供了阻尼器压缩面(compression lands)68，70，以防止不需要的IWMD 62的轴向运动，并且还可用于根据端板压缩的水平而调整刚度和阻尼系数。
本发明的自适应混合气体轴颈轴承10可在几种运行模式下使用。一种运行模式是纯流体动力运行模式。在这种最简单的运行模式中，使用整体式丝线网阻尼器的自适应气体轴承具有不带流体静力能力的自适应衬垫。这种运行模式可适用于难以获得剩余加压气体的情形。这种运行模式通过流体动力而在自适应衬垫和转子之间产生压力。在这种运行模式下，对于给定的负荷，轴承衬垫将在相对应的转子速度下升离转子表面。然而，在流体动力生效和轴承衬垫升离之前，存在瞬间摩擦区域。
另一种运行模式包括从流体动力运行至混合(流体动力及流体静力)运行的转变。举例而言，这种模式将存在于如下时候，即，在起动期间外部流体静力加压不可用而这种起始运行状态受流体动力支配的时候。在这种情形下，瞬间摩擦区域存在于转子表面和轴承衬垫表面之间存在滑动摩擦的地方。最终，由于流体动力，轴承衬垫升离。至各个轴承衬垫的流体静力将在某一确定的速度下开始启动，并且很可能由来自涡轮机级中的主工作流体的放出加压气体而供能。在这点上，轴承在一种混合模式中运行。
另一运行模式是从流体静力运行过渡至混合运行。这种情形将存在于，举例而言，当贯穿机器的整个运行顺序中都可获得加压气体的时候。在转子旋转之前具有加压气体是有利的，因为该气体可防止瞬间摩擦，减小起动扭矩，并可容许在紧急情况(例如失速)下安全停机。这种运行模式中，轴承衬垫无需旋转就可抬高转子，其是纯流体静力的。随着转子加速，来源于流体动力的贡献变得更占突出。在高速下，达到混合运行。
如上所述，本发明的自适应混合气体轴颈轴承10提供了无油轴承设计，其致力于解决当前空气箔片轴承设计中所固有的低阻尼及低负荷能力特性的问题。另外，本发明的自适应混合气体轴承提供了比传统的箔片轴承技术高得多的阻尼(30倍或更多)、显著地更大的负荷能力和显著地更高的制造可重复性。此外，同流体膜阻尼器设计或基于油的阻尼器设计相比，本发明的无油气体轴承显著地节省了成本。
所写的说明书使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并使任何本领域中的技术人员能够构造和使用本发明。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员可想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都落入权利要求的范围之内。