[0001] 本申请涉及轴承领域，尤其涉及一种动静压混合气体轴承、旋转机构及透平装置。

[0002] 随着轴承技术的发展，由于气体轴承具有摩阻低、适用温度范围广等优点，在具有高速旋转的转轴的装置设备中，传统的的滚动轴承和滑动轴承逐渐被气体轴承(即气浮轴
承)所替代。

[0003] 常见的气体轴承分为动压气体轴承和静压气体轴承，其中箔片动压气体轴承利用箔片表面高速旋转气体形成的压差实现承载，由于气体粘度相对比较低，动压气体轴承通
常承载能力比较低，仅适用于高速、轻载的场合。

[0004] 而静压气体轴承利用外部高压气体在轴承表面形成高压气膜(即静压气膜)，通过高压气膜进行支撑，实现承载。静压气体轴承相对动压气体轴承具有更高的承载能力。但静
压气体轴承由于需要外部高压气源，其可靠性受外界高压气源的稳定性与可靠性影响，同
时静压轴承阻尼较低，高速稳定性较差。

[0005] 为了提升气体轴承的承载能力和可靠性，现有技术中的动静压混合气体轴承在箔片上设置供气孔，再将供气管贯穿轴承壳体与箔片上的供气孔连接，通过供气管输入高压
气体，从而在箔片表面形成高压气膜。但由于箔片在工作过程中会出现弹性变形，容易对箔
片中的供气孔和供气管造成影响，供气管因箔片挤压损坏时，会导致箔片表面的高压气膜
无法形成，使得现有技术中的动静压混合气体轴承可靠性低。

[0047] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0048] 下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且
目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重
复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

[0049] 为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的相对位置关系或运动情况，这些相对关系术语例如为
“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”、“前”、“后”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例
如，如果在图中的装置发生了位置翻转或者姿态变化或者运动状态变化，那么这些方向性
的指示也相应的随着变化，例如：描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者
特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上
方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

[0050] 为了解决现有技术中动静压混合气体轴承可靠性低的技术问题，本申请提供了一种动静压混合气体轴承、旋转机构及透平装置，能实现箔片组件2与气孔3在轴承壳体1上的
分区设置，避免箔片组件2与气孔3之间相互干涉、相互影响，可通过第一区11的箔片组件2
和第二区12的气孔3协同配合，提高气体轴承的承载能力和可靠性。

[0051] 请参阅图1至图12，本申请实施例第一方面提供了一种动静压混合气体轴承，包括壳体1、箔片组件2和气孔3，壳体1上具有第一区11、第二区12和轴孔13，第一区11和第二区
12相互独立，且第一区11和第二区12均沿轴孔13的周向延伸设置，如图2、图6和图12所示，
以便于实现箔片组件2和气孔3沿轴孔13周向的布置，实现对轴孔13中的转轴的周向支撑。

[0052] 箔片组件2设置于第一区11，如图1、图2、图5、图6和图11所示。当动静压混合气体轴承与转轴配合时，由于箔片组件2为弹性组件，可在工作过程中产生弹性变形，为动静压
混合气体轴承提供刚度和阻尼，保证动静压混合气体轴承在工作过程中的稳定性。轴孔13
中的转轴高速旋转时，箔片组件2支撑面(即用于与转轴接触配合的面)的气流高速旋转形
成动压气膜，可降低转轴与箔片组件2之间的摩擦力，从而降低动静压混合气体轴承与转轴
之间的摩擦阻力。

[0053] 气孔3设置于第二区12，可用于向动静压混合气体轴承支撑侧(即用于与转轴接触配合的一侧)提供高压气体，从而在动静压混合气体轴承与转轴的配合面之间形成静压气
膜。由于静压气膜的承载能力大于动压气膜，可以进一步提升动静压混合气体轴承的承载
能力。

[0054] 需要说明的是，由于箔片组件2和气孔3分别设置于相互独立的第一区11和第二区12，与现有技术相比，无需在箔片组件2内部设置供气管和供气孔，使得动压部分结构与静
压部分结构互不影响，提升动静压混合效果的可靠性。本申请的动静压混合气体轴承工作
过程中，箔片组件2的弹性变形不会影响气孔3的正常输气，不会影响动静压混合气体轴承
的气膜形成，可以提升动静压混合气体轴承的可靠性。与此同时，本申请通过箔片组件2为
动静压混合气体轴承提供刚度和阻尼，通过气孔3为动静压混合气体轴承提供静压气膜，可
以提升动静压混合气体轴承的稳定性和承载能力。

[0055] 需要说明的是，本申请的动静压混合气体轴承可以为推力轴承，如图1至图8所示，此时箔片组件2和气孔3设置于壳体1的一端，动压气膜和静压气膜为平面状气膜，可以对转
轴提供轴向支撑。本申请中的动静压混合气体轴承也可以为径向轴承，如图9至图12所示，
此时箔片组件2和气孔3设置于轴孔13的内周面，动压气膜和静压气膜为圆筒状气膜，可以
对转轴提供径向支撑。

[0056] 在本申请的一些实施例中，请参阅图2、图4、图6、图8、图11和图12，第二区12凸出于第一区11设置，箔片组件2凸出于气孔3的出气端面设置；这是由于气孔3在其出气端面形
成的静压气膜厚度小于箔片组件2的厚度，若第一区11与第二区12齐平设置，或第一区11凸
出于第二区12设置，会导致箔片组件2支撑面凸出于静压气膜的距离过大，进而导致静压气
膜无法与转轴表面接触，导致静压气膜的支撑作用失效。因此，当第二区12凸出于第一区11
设置时，可以使箔片组件2支撑面和气孔3出气端面在动静压混合气体轴承的支撑方向上的
高度差值H维持在合理的范围。而初始状态下，箔片组件2凸出于气孔3的出气端面设置，可
以使得箔片组件2在经历压缩变形后仍然能保证流体动压效应始终处于工作状态。

[0057] 在本申请的一些优选实施例中，初始状态下，箔片组件2支撑面和气孔3出气端面在动静压混合气体轴承的支撑方向上的高度差值H的范围为0＜H≤0.2mm，这是由于静压气
膜的厚度通常在0.1mm以下，若箔片组件2支撑面超出气孔3端面0.2mm以上，当箔片组件2的
压缩变形量较小时，仍然会导致箔片组件2支撑面超出静压气膜表面，使得静压气膜无法与
转轴表面接触，导致静压气膜的支撑作用失效。

[0058] 需要说明的是，当动静压混合气体轴承为推力轴承时，H为箔片组件2支撑面和气孔3的出气端面在壳体1轴向上的高度差，如图4和图8所示。当动静压混合气体轴承为径向
轴承时，H为箔片组件2支撑面和气孔3的出气端面在壳体1径向上的差值，如图11所示。

[0059] 在本申请的一些实施例中，气孔3沿动静压混合气体轴承的支撑方向贯穿第二区12设置，此时第二区12朝向转轴配合面一侧的表面即为气孔3的出气端面，当动静压混合气
体轴承为推力轴承时，出气端面为平面；当动静压混合气体轴承为径向轴承时，出气端面为
圆柱面，如图2、图4、图6、图8、图9和图11所示。

[0060] 在本申请的一些实施例中，请参阅图4、图8和图11，第二区12与第一区11呈阶梯状连接，可以使箔片组件2在第一区11中的安装面凹陷于第二区12的气孔3出气端面，从而使
箔片组件2支撑面与气孔3出气端面的高度差值维持在合理范围中，当箔片组件2发生变形
时，仍然能使动静压混合气体轴承处于动静压混合的有效工作状态。

[0061] 在本申请的一些实施例中，请参阅图3、图4、图7、图8、图9、图10和图12，箔片组件2包括波箔21和顶箔22，波箔21和顶箔22均为弹性箔片，可以在工作过程中发生变形，为动静压混合气体轴承提供刚度和阻尼。顶箔22设置于波箔21远离壳体1的一侧，顶箔22远离波箔
21一侧的表面被配置为箔片组件2的支撑面，动压气膜形成于顶箔22远离波箔21一侧的表
面，可以降低顶箔22与转轴配合面之间的摩擦阻力。

[0062] 顶箔22具有第一连接部221、楔形部222和配合部223，第一连接部221与第一区11连接，用于实现顶箔22一端的固定设置；楔形部222连接于第一连接部221和配合部223之
间，配合部223与波箔21接触设置，以便于带动波箔21发生同步变形，从而为动静压混合气
体轴承提供刚度和阻尼。气流在楔形部222的楔形表面上流动时，可以产生压差，从而实现
对转轴的支撑作用。当高速流体流经顶箔22远离波箔21一侧的表面(即箔片组件2的支撑
面)时，会在顶箔22表面形成动压气膜，实现对转轴的支撑。

[0063] 在本申请的一些实施例中，波箔21具有连接的第二连接部211和波形部212，其中第二连接部211用于与第一区11连接，实现波箔21的固定，波形部212与顶箔22的配合部223
相对接触设置，可通过波形部212的变形实现箔片组件2在支撑方向的伸缩变形。

[0064] 在上述实施例中，若气孔3输出的气流压力过小，则无法在气孔3的出气端面形成具有高承载能力的静压气膜，为了解决上述问题，在本申请的一些实施例中，请参阅图2、图
4、图6、图8、图9、图10和图11，气孔3包括进气段31和出气段32，进气段31的截面面积大于出气段32的截面面积，进气段31和出气段32连接形成节流微孔(即气孔3)，当出气段32的截面
面积相对于进气段31的截面面积减小时，可以提升出气段32的气流压力，从而提升气孔3输
出的气流压力，有利于在气孔3的出气端面形成具有高承载能力的静压气膜。

[0065] 在本申请的一些优选实施例中，出气段32的气孔3直径为0.1‑0.3mm，这是由于，当出气段32的气孔3直径小于0.1mm时，会导致气体经过气孔3输送至出气端面后，出气端面处
的气流压力下降过快，反而会导致承载能力降低；而出气段32的气孔3直径大于0.3mm时，气
体经过气孔3输送至出气端面后形成的静压气膜刚度不足，更容易发生气锤效应，影响动静
压混合气体轴承的运行可靠性。而当出气段32的气孔3直径为0.1‑0.3mm时，外部高压气体
从气孔3流动至动静压混合气体轴承的支撑面，会产生具有较高承载能力的静压气膜，静压
气膜比顶箔22表面的动压气膜承载能力大，因此能够有效提升动静压混合气体轴承的整体
承载能力。

[0066] 在本申请的一些实施例中，当动静压混合气体轴承为推力轴承时，转轴上具有与推力轴承配合的轴肩端面(即转轴配合面为轴肩端面)，箔片组件2和气孔3均朝向转轴的轴
肩端面设置，为转轴提供轴向支撑。为了实现对转轴轴肩端面的均匀支撑，第一区11和第二
区12的数量均为多个，且第一区11和第二区12均呈扇环状，扇环沿轴孔13的周向延伸。多个
第一区11和第二区12交替布设于壳体1的端面，如图1、图2、图5和图6所示，可以实现箔片组
件2和气孔3沿壳体1端面周向的均匀交替布置，从而在壳体1一端形成均匀的动压气膜和静
压气膜，进而实现对转轴轴肩端面的均匀支撑。

[0067] 在本申请的一些实施例中，请参阅图1、图3、图5和图7，波箔21与顶箔22也呈扇环状布设于第一区11中，可以与第一区11实现嵌合，便于实现箔片组件2的定位及安装。

[0068] 在本申请的一些实施例中，波箔21上还具有多个隔断槽213，用于将波形部212分割成多个部分，当箔片组件2承受的压力不均匀时，可以使不同区域的波箔21发生不同程度
的适应性变形，如图3所示。

[0069] 具体的，当动静压混合轴承为推力轴承时，由于距离轴孔13中心径向距离越大的区域，转轴对应的线速度越大，导致该区域对应的波箔21的变形量因受力增大而变大，为了
解决该问题，本申请在波箔21上设有多个沿壳体1径向排列的隔断槽213，隔断槽213为沿壳
体1周向延伸的弧形槽，可以将波形部212分割成多个相互独立的部分，使各个径向区域的
波形部212变形量互不影响，从而使不同径向区域的波箔21根据受力情况发生不同程度的
适应性变形。

[0070] 在本申请的一些实施例中，请参阅图1、图2、图5和图6，第二区12中设有多个气孔3，且多个气孔3沿壳体1的径向依次设置，可以使静压气膜沿推力轴承的径向延伸，从而实
现对转轴轴肩端面的可靠支撑。气孔3的数量及间距可根据静压气膜所需的压强、厚度和刚
度来进行设计，此处不做限定。

[0071] 在本申请的一些实施例中，当动静压混合气体轴承为推力轴承时，第一区11包括呈阶梯状连接的第一安装区111和第二安装区112，第一安装区111凸出于第二安装区112设
置，第一安装区111连接于第二区12和第二安装区112之间，使第二区12、第一安装区111和
第二安装区112呈三级阶梯状连接，将气孔3、顶箔22和波箔21依次设置在第二区12、第一安
装区111和第二安装区112中，如图4至图8所示。在通过台阶结构分别实现顶箔22和波箔21
的安装定位的同时，有利于缩短波箔21中第二连接部211的长度，可节省波箔21制造成本。

[0072] 在本申请的一些实施例中，请参阅图1和图5，壳体1的外周设有多个固定部14，可用于实现动静压混合气体轴承的固定，提升动静压混合气体轴承在工作过程中的稳定性。

[0073] 具体的，固定部14为半圆形凹槽，便于将固定件嵌入实现轴承的安装。

[0074] 在本申请的另一些实施例中，当动静压混合气体轴承为径向轴承时，转轴的外周面为转轴配合面，请参阅图8至图12，壳体1为筒状结构，第一区11和第二区12沿壳体1的轴
向依次设置，第一区11和第二区12均呈环状布设于轴孔13的内周面，此时第一区11具有呈
筒状设置的箔片组件2，转轴高速旋转时，可在第一区11形成筒状的动压气膜，第二区12中
设有多个气孔3，通过多个气孔3输气形成筒状的静压气膜。通过动压气膜和静压气膜共同
对转轴的外周面进行径向支撑。

[0075] 具体的，为了使第一区11和第二区12呈阶梯状连接，第一区11的直径大于第二区12的直径，且第一区11的半径与第二区12的半径差值为H，如图11所示。装配箔片组件2时，
优选将箔片组件2从第一区11远离第二区12的一端插入，可降低箔片组件2的装配难度。

[0076] 在本申请的一些实施例中，请参阅图9，第二区12中的多个气孔3沿第二区12的周向均匀设置，气孔3的轴线沿壳体1的径向延伸，可以在轴孔13周向形成厚度均匀的筒状静
压气膜，实现对转轴外周面的均匀径向支撑。

[0077] 需要说明的是，本申请上述实施例中提供的动静压混合气体轴承，既有动压气体轴承的高稳定性，又有静压气体轴承的高承载性，能够大大拓展气体轴承的应用领域。

[0078] 本申请实施例第二方面提供了一种旋转机构，包括上述任意一个实施例中所述的动静压混合气体轴承，还包括转轴，转轴与轴孔13为可转动连接，箔片组件2和气孔3均朝向
转轴设置，用以对转轴进行支撑。

[0079] 在本申请的一些实施例中，当动静压混合气体轴承为推力轴承时，转轴上设有用于与推力轴承配合的轴肩，箔片组件2和气孔3与轴肩端面相对设置，为轴肩端面提供轴向
支撑。

[0080] 在本申请的另一些实施例中，当动静压混合气体轴承为径向轴承时，转轴插设在壳体1的轴孔13中，箔片组件2和气孔3与转轴的外周面相对设置，为转轴的外周面提供径向
支撑。

[0081] 在本申请的一些实施例中，转轴的两端对称设置有两个动静压混合气体轴承，从而实现对轴承两端施加均匀的轴向支撑或径向支撑，使转轴受力均匀，提升转轴旋转运动
的稳定性。

[0082] 需要说明的是，由于本申请中的动静压混合气体轴承兼具承载能力较高、阻尼较高、可靠性好和稳定性好等特点，使本申请的旋转机构的适用范围更广。

[0083] 本申请实施例第三方面提供了一种透平装置，包括上述任意一个实施例中所述的动静压混合气体轴承，可以通过动静压混合气体轴承替换传统的滚动轴承与滑动轴承，采
用气体作为转动副中的润滑剂，有利于透平装置朝向无油化方向发展。

[0084] 在本申请的另一些实施例中，透平装置包括上述实施例中的旋转机构，转轴上设有叶片，可通过流体工质驱动叶片和转轴高速旋转，实现能量的转换。由于动静压混合气体
轴承具有摩阻低、稳定性好等特点，适用于透平装置等高速、轻载的使用场合。

[0085] 请参阅图1至图8，在本申请的一些实施例中，当动静压混合气体轴承为推力轴承时，其工作方法如下：

[0086] 步骤一：将转轴插入轴孔13中，使壳体1上的箔片组件2及气孔3与转轴的轴肩端面相对设置；

[0087] 步骤二：转轴高速旋转时，带动气流高速旋转，气流流经顶箔22的楔形部222后，在顶箔22表面产生压差，形成动压气膜；与此同时，通过气孔3朝向转轴端面输入高压气体，在
气孔3的出气端面和轴肩端面之间形成静压气膜，为轴肩端面提供轴向支撑。

[0088] 请参阅图9至图12，在本申请的另一些实施例中，当动静压混合气体轴承为径向轴承时，其工作方法如下：

[0089] 步骤一：将转轴插入轴孔13中，使壳体1上的箔片组件2及气孔3与转轴的外周面相对设置；

[0090] 步骤二：转轴高速旋转时，带动气流高速旋转，气流流经顶箔22的楔形部222后，在顶箔22表面产生压差，形成动压气膜；与此同时，通过气孔3朝向转轴外周面输入高压气体，
在气孔3的出气端面和转轴外周面之间形成筒状静压气膜，为转轴的外周面提供径向支撑。

[0091] 应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多
个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应
当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

[0092] 尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指
出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或
者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的
情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

[0093] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。