具体实施方式

本文公开了一种新型流体轴承，该新型流体轴承具有用于从轴承衬垫移除热量的改进的冷却布置。衬垫与外壳结构联接，并且各自设置有面向由轴承可旋转地支撑的轴的轴承表面。负载由衬垫的轴承表面和轴表面之间的加压润滑液体或气体薄层支撑。润滑流体在容纳衬垫的轴承的内容积中循环。每个衬垫设置有多个冷却微通道。每个冷却微通道具有入口端和出口端。冷却微通道的入口端和出口端在润滑流体在其中循环的轴承的内容积中打开，使得在轴承的操作期间，润滑流体在冷却微通道中强制循环，从而提供从衬垫的有效热量移除。衬垫有利地通过增材制造来制造，以提供适当尺寸和形状的冷却微通道。具体地，微通道的入口沿相应衬垫的后侧表面定位，使得通过微通道的流体循环不减小旋转轴和衬垫的轴承表面之间的流道中的流体压力。

已经令人惊讶地注意到，通过提供如本文所公开的冷却微通道，即使将性能较差的材料用于衬垫的制造，也可以有效地冷却轴承。根据当前技术，使用具有高热导率的金属诸如铜-铬来促进热量移除。这些高性能材料是昂贵的。使用如本文所公开的冷却微通道，在轴承的操作期间的衬垫温度可使用热性能较差并因此成本较低的材料诸如钢来降低。

现在参见附图，图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8示出了根据本公开的流体轴承的第一实施方案。在该实施方案中，轴承被构造为推力轴承1。图1示出了轴承1的平面图，并且图2示出了轴承1的外部侧视图。

轴承1包括外壳结构3，该外壳结构包括围绕轴承1的轴线A-A延伸的环。轴承轴线A-A与由轴承1支撑的轴的旋转轴线重合。

多个衬垫5与外壳结构3联接。在例示的实施方案中，衬垫5为倾斜衬垫，并且可以若干种可能的已知方式中的任何一种方式与外壳结构3联接。在一些实施方案(未示出)中，倾斜衬垫5可通过增材制造与外壳结构3一体地制造，从而提供将衬垫连接到外壳结构3的柔性幅材，如在例如WO2018/077884中所公开的。

图3以顶部平面图单独地示出了三个倾斜衬垫的平面图。衬垫中的一个衬垫被示出为上层被部分地移除。图4、图5、图6、图7和图8示出了倾斜衬垫的侧视图和剖视图。这些附图示出了用于从衬垫5移除热量的冷却布置的细节。

每个衬垫5包括基本上平坦的轴承表面5.1和背表面5.2，在该轴承表面和该背表面处提供了用于将衬垫5连接到外壳结构3的连接装置5.3。每个衬垫5进一步包括四个侧表面，在图4、图5、图6和图7中详细示出。更具体地讲，每个衬垫5包括沿径向方向延伸的基本上平坦的前侧表面5.4和沿径向方向延伸的基本上平坦的后侧表面5.5。定义“前”和“后”是指由轴承支撑的轴S(图11，稍后描述)的旋转方向以及润滑流体在轴承1中的流动方向。旋转方向在附图中由箭头F指示。具体地讲，前侧表面相对于润滑流体的流动位于后侧表面的上游。每个衬垫5还包括基本上圆柱形的周向外侧表面5.6和基本上圆柱形的周向内侧表面5.7。前侧表面5.4和后侧表面5.5在周向内表面5.7和周向外表面5.6之间延伸。

衬垫5的轴承表面5.1朝向轴接纳空间取向，其中轴S(图11，如下所述)或其部分被定位在该轴接纳空间中。在轴S和轴承结构3之间形成润滑流体容积V。润滑流体容积V填充有润滑流体，例如通常为油。在操作中，轴S围绕轴承1的轴线A-A高速旋转并且沿轴S和衬垫5的轴承表面5.1之间的间隙拖动润滑流体流，使得避免轴S的外表面和衬垫5之间的直接接触。润滑流体在转轴S的拖动作用下在润滑流体容积V中根据箭头F流动。

在流体动力轴承中，如本文所示，润滑流体由外部泵(未示出)连续供应到轴承1，使得润滑剂流体被连续移除和替换。连续润滑流体流提供冷却作用。

在一些实施方案中，轴承1可以是流体静力轴承，其中润滑流体在高压下连续供应到轴承，以提供轴承动作。

每个衬垫5可由芯层7和形成轴承表面5.1的涂层9构成。在一些实施方案中，涂层9可由白金属合金或巴比特合金制成并形成低摩擦轴承表面5.1。如本领域技术人员已知的，巴比特合金是用于流体轴承中的轴承表面的若干金属合金中的任一种金属合金。

芯层7可由单一金属制成，例如由钢或铝制成，或者可由不同的金属材料诸如铬和铜制成。在一些实施方案中，可依次布置不同的材料，以形成具有具备不同导热系数的材料的多层结构，从而优化热量移除。

通过用增材制造工艺制造衬垫5，诸如通过选择性激光熔化或激光烧结，芯层7可由不同材料的子层形成，从形成背表面5.2的下个子层开始，并且以形成与涂层9的界面的最后一个子层结束。

每个衬垫5设置有多个冷却微通道11。每个冷却微通道11具有在相关衬垫5的侧表面中的两个侧表面上表面化的第一端部和第二端部。更具体地讲，如图3、图4、图5、图6、图7和图8最佳所示，一些冷却微通道11具有位于前侧表面5.4上的入口端和位于后侧表面5.5上的出口端。一些冷却微通道11具有位于前侧表面5.4上的入口端和位于周向外侧表面5.6上的出口端。另外的冷却微通道具有位于周向内侧表面5.7上的入口端和位于后侧表面5.5上的出口端。

一般来讲，冷却微通道11的入口端根据润滑流体容积V中润滑剂流体的流动方向并且因此根据轴S的旋转方向布置在该冷却微通道的出口端的上游。此外，冷却微通道11在向外方向上广泛地倾斜，使得每个冷却微通道11的入口端位于距轴承1的轴线A-A第一距离处，并且每个冷却微通道11的出口端位于距轴线A-A第二距离处，第二距离大于第一距离。

在一些实施方案中，冷却微通道11可以是直的，如例如图3所示。在其他实施方案中，冷却微通道11在平面图中可具有弯曲形状。例如，每个冷却微通道11可根据位于与轴承1的轴线A-A正交的平面中的螺旋的一部分延伸。一般来讲，有利的是，冷却微通道11具有在由轴承1和轴承1的衬垫5支撑的转轴的配合下促进、增强或有利于润滑流体强制循环通过冷却微通道的任何形状。例如，冷却微通道11可具有圆周的弧形形状，或双曲线、抛物线或3D形状。

在一些实施方案中，如例如图6和图7最佳所示，冷却微通道11根据矩阵布置。在附图所示的实施方案中，冷却微通道11根据正方形网格布置来布置。在其他实施方案中，冷却微通道11可以根据菱形网格布置来布置。一般来讲，冷却微通道11在距相应衬垫5的轴承表面5.1增加的距离处根据行布置，如例如在图6和图7中可见。此外，冷却微通道11也可以在距轴承轴线A-A增加的距离处根据列布置。

冷却微通道11的矩阵分布导致衬垫5的整个容积的有效冷却。

如图4、图5、图6、图7和图8最佳所示，冷却微通道11根据层布置。更具体地，冷却微通道11可以根据多个层布置，这些层彼此平行并且沿轴向方向(即，平行于轴承1的轴线的方向)彼此相邻地布置。冷却微通道11可以进一步根据多个层布置，这些层在径向方向上彼此相邻地布置，根据布置在距轴承1的轴线A-A增加的径向距离处的层布置。

在一些实施方案中，一个、一些或所有衬垫5可设置有用于温度传感器的支座13；具体参见图5。冷却微通道11可被适当地成形以便围绕支座13延伸而不与支座相交，使得冷却润滑剂流不改变由容纳在支座13中的温度传感器检测到的温度。

冷却微通道11可具有圆形或优选地细长横截面，例如椭圆形横截面，如图6和图7最佳所示。冷却微通道11的横截面具有长轴和短轴。在特别有利的实施方案中，长轴平行于轴承1的轴线A-A，并且短轴正交于轴承1的轴线A-A。该形状增加了衬垫5抵抗压碎的机械阻力，并且还有利于通过增材制造来制造衬垫，因为衬垫的生长方向平行于轴承1的轴线A-A。

冷却微通道11的主横截面尺寸可较小，例如在约0.5mm至约3.00mm的范围内，优选地介于约1.00mm和约2.50mm之间。如果冷却微通道11具有椭圆形横截面，如在本文所公开的示例性实施方案中，则其主要横截面尺寸是椭圆形横截面的长轴。如果冷却微通道具有圆形横截面，则横截面的直径为横截面的主要尺寸。直径可在上述范围内。

根据一些实施方案，冷却微通道11的横截面积可以在约0.2mm²至约7mm²的范围内，并且优选地在约0.8mm²至约5mm²之间。

每个冷却微通道11的长度取决于衬垫5的尺寸和冷却微通道11的取向，因为每个冷却微通道从衬垫的一个侧表面延伸到另一个侧表面，如本文所公开的示例性实施方案所示。

如图4、图5、图6和图7最佳所示，冷却微通道11根据三维图案布置，即，根据行和列布置，这些行和列根据相对于轴承轴线的径向方向和轴向方向分布。在径向方向上以及在轴向方向上的相邻冷却微通道11之间的节距可基于若干考虑因素来选择，其中包括冷却微通道的横截面形状和尺寸、用于制造衬垫的材料的性质、所使用的增材制造工艺的种类。

如上所述，衬垫5可通过增材制造来制造，例如通过选择性激光熔化或选择性激光烧结来制造。增材制造允许在衬垫5的整个厚度上获得合适形状和尺寸的冷却微通道11，使得冷却润滑剂可流过衬垫5的基本上整个芯层7。在涂层9附近冷却也是可能的，因此防止或减少形成涂层的巴比特合金或白金属合金的热损坏。

在操作中，使填充润滑流体容积V的润滑流体强制流动通过冷却微通道11，在该冷却微通道的入口端处进入并且在冷却微通道出口端处离开。由于润滑流体通过轴承1的连续循环由外部润滑泵保持，因此热量被离开轴承1的润滑流体连续移除，并且被由外部循环和制冷回路提供的新鲜冷润滑流体替代，该外部循环和制冷回路未示出并且在本领域中是已知的。用非常简单的机械结构获得衬垫5的有效冷却。

尽管图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8示出了根据本公开的推力轴承1，在其他实施方案中，轴承可被构造为径向轴承或轴颈轴承。

根据本公开的径向轴承的示例性实施方案示意性地示于图9和图10中。径向轴承101包括环绕轴承101的轴线A-A的外壳结构103。径向衬垫105朝向轴线A-A安装在外壳结构103上。衬垫105优选地为倾斜衬垫。每个衬垫具有轴承表面105.1和背表面105.2。装置105.3设置在背表面105.2处以用于连接到外壳结构103。轴承表面105.1为大致圆柱形的，以限定轴承表面105.2和旋转地支撑在轴承101中的轴(图9和图10中未示出)的表面之间的间隙。

每个衬垫105进一步包括前侧表面105.4和后侧表面105.5。前侧表面105.4相对于轴(图9和图10中未示出)的旋转方向F位于后侧表面105.5的上游，该轴被安装成在轴接纳空间102中旋转。前侧表面105.4和后侧表面105.5可以是平面的，并且可以相对于轴承101的轴线A-A径向延伸，即，它们中的每一个表面可以位于包含轴线A-A的几何平面上。

如图9的剖视图最佳所示，每个衬垫105包括芯层107和涂层109。涂层109形成衬垫105的轴承表面105.1。

在每个衬垫105的芯层107中提供多个冷却微通道111。

冷却微通道111可以布置在矩阵中，并且可以根据平行于轴承101的轴线A-A的行布置，并且还可以根据与轴承101的轴线A-A正交的列布置。

在一些实施方案中，如图9最佳所示，冷却微通道111可以具有位于前侧表面105.4上的入口端和位于后侧表面105.5上的出口端。冷却微通道111可以具有围绕轴承101的轴线A-A延伸的弓形形状。在未示出的其他实施方案中，冷却微通道111中的至少一些冷却微通道可以具有位于衬垫105的前侧表面105.4上的入口端和位于背表面105.2上的出口端。

一般来讲，冷却微通道111的取向使得在外壳结构103和轴S(图9和图10中未示出)之间的润滑流体容积中循环的润滑剂流体强制循环通过冷却微通道111，在该冷却微通道的入口端处进入并且在该冷却微通道的出口端处离开。

衬垫105可通过如上结合衬垫5所述的增材制造来制造。生长方向可平行于轴承101的轴线A-A的方向。因此，冷却微通道111可具有细长或椭圆形横截面，其长轴平行于轴线A-A的方向。

在一些实施方案中，类似于上述推力轴承1，一个、一些或所有衬垫105可设置有用于温度传感器(未示出)的支座。冷却微通道111可被适当地成形以便围绕温度传感器支座延伸而不与支座相交，使得冷却润滑剂流不改变由温度传感器检测到的温度。

图11示出了涡轮机201的示意图，该涡轮机包括壳体203和旋转地容纳在壳体203中以在其中旋转的转子205。转子205的轴S由轴承支撑，这些轴承中的至少一个轴承根据本公开设计。在图11的实施方案中，示出了两个轴颈或径向轴承101和一个推力轴承1。

在操作期间，轴承1、101中的轴S的旋转促进润滑流体循环通过冷却微通道11和111，从而从衬垫5、105移除热量。图12示出了操作涡轮机201的轴承1和101的方法的流程图。

在上述实施方案中，已经提及了具有平滑内表面和圆形或椭圆形横截面的冷却微通道。可以使用其他横截面形状，以便在热量移除方面进一步改善轴承的热效率。通过使用增材制造技术来制备轴承衬垫，事实上可选择任何形状用于冷却微通道。例如，就增加热交换表面和减少压头损失而言，具有多叶形横截面的冷却微通道可以是有益的。横截面可以是恒定的，或者可沿冷却微通道的发展而变化。例如，非圆形横截面可沿冷却微通道的轴线旋转。

虽然前述内容涉及本公开的实施方案，但在不脱离本公开的基本范围的情况下，可设计本公开的其他和另外的实施方案，并且其范围由以下权利要求书确定。

本发明的各种实施方案包含在以下条款中的一个或多个条款中，除非本文另外指明，否则这些条款可以任何合适的方式组合：

条款1)一种用于支撑围绕轴承轴线旋转的轴的轴承，该轴承包括外壳结构和多个衬垫；其中每个衬垫与外壳结构联接并且包括轴承表面，该轴承表面适于与由轴承支撑的旋转轴配合；其中在外壳结构和轴接纳空间之间提供润滑流体容积；在操作中，所述润滑流体容积填充有在其中循环的润滑流体；其中每个衬垫包括多个冷却微通道；其中每个冷却微通道具有与所述润滑流体容积流体连通的入口端和出口端；并且其中所述冷却微通道被取向成使得润滑流体在润滑流体容积中的循环促进润滑流体流过冷却微通道。

条款2)一种轴承，该轴承包括外壳和多个衬垫；其中每个衬垫包括轴承表面、前侧表面和后侧表面；其中每个衬垫还包括多个冷却微通道；并且其中每个冷却微通道具有布置在衬垫的前侧表面上的入口端和布置在衬垫的后侧表面上的出口端。

条款3)根据条款1或2所述的轴承，其中轴承被构造为推力轴承；其中每个衬垫的所述轴承表面为基本上平面的；并且其中每个衬垫具有周向内侧表面、周向外侧表面、径向前侧表面和径向后侧表面。

条款4)根据条款1或3所述的轴承，其中至少一个冷却微通道的入口端沿前侧表面定位，并且所述至少一个冷却微通道的出口端沿后侧表面定位。

条款5)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中至少一个冷却微通道的入口端沿前侧表面定位，并且所述至少一个冷却微通道的出口端沿周向外侧表面定位。

条款6)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中至少一个冷却微通道的入口端沿周向内侧表面定位，并且所述至少一个冷却微通道的出口端沿后侧表面定位。

条款7)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中每个冷却微通道的入口端布置在距轴承轴线的第一径向距离处，并且每个冷却微通道的出口端布置在距轴承轴线的第二径向距离处，第一距离小于第二距离，使得每个冷却微通道远离轴承轴线从入口端径向延伸到出口端，使得润滑流体在入口端处进入每个冷却微通道并且在相应冷却微通道的出口端处离开，该相应冷却微通道在径向向外方向上移动。

条款8)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中在每个衬垫的横截面中，根据包含轴承的轴线的平面，冷却微通道根据矩阵分布，该矩阵具有在径向方向上延伸的冷却微通道行，多个所述冷却微通道行在轴向方向上叠加。

条款9)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中冷却微通道根据多个平行层分布，该多个平行层在径向方向上彼此相邻布置，冷却微通道的后续层被布置在距轴承轴线增加的距离处。

条款10)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中冷却微通道根据多个平行层分布，该多个平行层沿平行于轴承轴线的方向彼此相邻布置。

条款11)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中轴承被构造为径向轴承；其中外壳结构轴接纳空间；其中每个衬垫的轴承表面为基本上圆柱形的并且环绕轴接纳空间；并且其中每个衬垫具有平行于轴承的轴线延伸的前侧表面和后侧表面。

条款12)根据条款11所述的轴承，其中至少一个冷却微通道从前侧表面延伸到后侧表面。

条款13)根据条款11或12所述的轴承，其中至少一个冷却微通道从衬垫的前侧表面延伸到背表面。

条款14)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中在每个衬垫的横截面中，根据包含轴承的轴线的平面，冷却微通道根据矩阵分布，该矩阵具有在广泛的径向方向上延伸的冷却微通道行，多个所述冷却微通道行沿轴向方向顺序地布置。

条款15)根据条款14所述的轴承，其中矩阵具有矩形或菱形网格，冷却微通道布置在网格的节点处。

条款16)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中所述衬垫通过增材制造来制造。

条款17)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中所述冷却微通道具有椭圆形横截面形状，具有长轴和短轴，并且其中长轴平行于轴承的轴线。

条款18)根据前述条款中一项或多项所述的轴承，其中每个衬垫具有芯层和涂层，该涂层优选地由巴比特合金或白金属合金制成；并且其中冷却微通道设置在芯层中。

条款19)一种旋转机器，该旋转机器包括：壳体；转子，该转子被布置成在壳体中旋转并且由根据前述条款中任一项所述的至少一个轴承支撑，并且优选地由根据前述条款中任一项所述的至少两个径向轴承和一个推力轴承支撑。