箔片動(dòng)壓氣體軸承在低溫透平膨脹機(jī)中的應(yīng)用

侯予，楊山舉，陳興亞，陳汝剛，賴天偉，陳雙濤

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安710049)

透平膨脹機(jī)是實(shí)現(xiàn)等熵膨脹最有效的機(jī)械，在特種空調(diào)設(shè)備、低溫環(huán)境模擬、空氣及多組分氣體的液化分離以及深低溫氫和氦的液化制冷設(shè)備中都有實(shí)際應(yīng)用［1-2］。在低溫透平膨脹機(jī)中，由于進(jìn)口介質(zhì)溫度低、膨脹比大，尤其是在小流量時(shí)，工作輪直徑較小、膨脹機(jī)比焓降大。為了達(dá)到較高的絕熱效率，勢必造成膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高。箔片軸承屬于動(dòng)壓軸承的一種，此種具有柔性表面彈性支承的箔片動(dòng)壓氣體軸承，一方面能夠在高速下通過彈性箔片的適應(yīng)性形變產(chǎn)生足夠的軸承剛度給轉(zhuǎn)子不斷變化的動(dòng)載荷提供足夠的承載力;另一方面，彈性箔片產(chǎn)生的周向滑移與軸承座生成的庫倫阻尼，以及彈性支承的適應(yīng)性形變和頂層平箔的周向滑移提供的結(jié)構(gòu)阻尼能夠有效的抑制和衰減透平轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定渦動(dòng)，從而有效提升透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子在高速下的穩(wěn)定性和可靠性。因此在高速渦輪壓縮機(jī)、空氣制冷系統(tǒng)(ACMs)、高速低溫透平膨脹機(jī)、汽車和飛機(jī)用微小型高速燃?xì)馔钙降阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3-4］。實(shí)際上，彈性支承結(jié)構(gòu)的特性直接影響到軸承的性能，國外研究人員先后采用了軸向分段波箔、周向分段波箔和金屬篩網(wǎng)等彈性結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對軸承性能的改進(jìn)［5-12?。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)西安交通大學(xué)制冷低溫研究所高速透平機(jī)械與氣體軸承課題組開始開展透平膨脹機(jī)箔片軸承相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，先后進(jìn)行了分段支承、粘彈性支承、波箔、單層鼓泡型和鼓泡型多層彈性支承箔片軸承的研究工作，取得了階段性進(jìn)展［4-5］。

1 高速透平膨脹機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)臺

高速透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(見圖1)是在西安交通大學(xué)自主研制開發(fā)、在國內(nèi)工業(yè)已廣泛應(yīng)用的(PLK-8.33×2/20-5)氣體軸承低溫透平膨脹機(jī)基礎(chǔ)上改造的，實(shí)驗(yàn)用透平膨脹機(jī)及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)見圖2。表1列出了該透平的主要技術(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，該透平改造后最大驅(qū)動(dòng)氣量600 N·m3·h－1@1.15 MPa，根據(jù)供氣壓力可工作在0～110 kr/min(可超速至150 kr/min)之間。

圖1 高速透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺Fig.1 Thermal and dynamic performance test rig of high speed turboexpander

圖2 實(shí)驗(yàn)用透平膨脹機(jī)Fig.2 The tested turboexpander

表1 高速透平膨脹機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the tested turboexpander

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 分段支承箔片軸承

1990年，西安交通大學(xué)制冷低溫研究所高速透平機(jī)械與氣體軸承課題組對屬于第1代CFB的平箔式分段支承箔片軸承進(jìn)行研究，該箔片軸承采用箔片粘接金屬絲作為支承，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。課題組對其進(jìn)行了理論分析并在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)，并進(jìn)一步提出了3層分段支承彈性結(jié)構(gòu)，有效的提高了軸承阻尼特性。實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定轉(zhuǎn)速達(dá)到120 kr/min以上，同時(shí)最大振幅不超過12 μm。圖4為該箔片軸承高速運(yùn)行過程中的振動(dòng)特性，在118 kr/min超速120%時(shí)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 金屬絲支承結(jié)構(gòu)Fig.3 Metal wire elastic foil strip for gas foil bearing

圖4 金屬絲箔片軸承支承轉(zhuǎn)子振動(dòng)波形及軸心軌跡Fig.4 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by metal wire gas foil bearing

2.2 粘彈性支承箔片軸承

1998年課題組提出了粘彈性橡膠支承箔片軸承，其支承結(jié)構(gòu)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速148 kr/min、超速40%的優(yōu)良性能［13］，侯予等將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分段彈性支承軸承進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)由于粘彈性支承剛度分布更加均勻，在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有更加優(yōu)異的穩(wěn)定性［4］。圖6為粘彈性支承箔片軸承在最高轉(zhuǎn)速時(shí)域上X和Y2個(gè)方向的振幅以及軸心軌跡?？梢钥闯?，軸心軌跡圓清晰，轉(zhuǎn)子最大渦動(dòng)振幅小于11 μm，最高轉(zhuǎn)速148 kr/min，且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

圖5 粘彈性支承結(jié)構(gòu)Fig.5 Viscous-elastic foil strip of gas foil bearing

圖6 粘彈性箔片軸承支承轉(zhuǎn)子振動(dòng)波形及軸心軌跡Fig.6 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by viscous-elastic gas foil bearing

2.3 波箔箔片軸承

課題組還對典型波箔箔片動(dòng)壓氣體軸承開展了系統(tǒng)深入的研究。波箔箔片軸承的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，由頂層柔性平箔和波浪形彈性支承箔片組成。彈性波箔箔片凸起沿周向均勻分布，平箔和波箔突起頂端貼合，兩者均為一端固定，另外一端處于自由狀態(tài)，其伸展方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。

圖7 波箔箔片支承結(jié)構(gòu)Fig.7 Bump foil strip of hydresil gas foil bearing

圖8為波箔軸承轉(zhuǎn)子在93.3 kr/min時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的時(shí)域和頻域特性以及軸心軌跡。X、Y方向振幅穩(wěn)定，軸心軌跡規(guī)則清晰，且具有很好的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)中即使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)振幅達(dá)到了15 μm，仍然能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這也進(jìn)一步說明了軸承十分優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖8 波箔箔片軸承支承轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域、頻域及軸心軌跡Fig.8 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by hydresil gas foil bearing

2.4 鼓泡型箔片軸承

2008年課題組提出了單層鼓泡型箔片軸承并進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，如圖9所示，其彈性結(jié)構(gòu)由頂層平箔和鼓泡箔片組成。研究表明該軸承支承特性良好，然后，由于鼓泡支點(diǎn)類似于剛性支點(diǎn)，支點(diǎn)之間可以產(chǎn)生形變適應(yīng)載荷變化，在支點(diǎn)處較難產(chǎn)生彈性形變，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)處頂層平箔磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，多次啟停后容易導(dǎo)致透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子表面損傷。但是其優(yōu)點(diǎn)在于支承剛度較大，有利于動(dòng)壓氣膜的快速形成，也具有更大的承載能力。鑒于此，課題組提出了鼓泡型多層彈性箔片動(dòng)壓氣體軸承新結(jié)構(gòu)，該全金屬結(jié)構(gòu)軸承在3個(gè)空間方向(軸向、周向和徑向)都具有剛度可調(diào)和多重阻尼的特性。改進(jìn)研制的多層彈性箔片新型結(jié)構(gòu)中，頂箔與軸承座之間存在多層鼓泡箔片，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。相對于單層結(jié)構(gòu)來說，多層結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更大的適應(yīng)性阻尼，其抑制轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定渦動(dòng)的能力更強(qiáng)。而且該種結(jié)構(gòu)克服了單層鼓泡箔片軸承剛性支點(diǎn)處容易發(fā)生磨損的缺點(diǎn)。

圖9 單層鼓泡箔片軸承Fig.9 Single-layer protuberant gas foil bearing

圖10 雙層彈性支承鼓泡箔片軸承Fig.10 Double-layer protuberant gas foil bearing

圖11為鼓泡多層彈性支承箔片軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)域和頻域分析，以及轉(zhuǎn)子軸心軌跡。其軸心軌跡清晰平滑，重疊性較好。從圖11(b)可以看出，在轉(zhuǎn)速達(dá)到102 kr/min時(shí)，其低頻不穩(wěn)定渦動(dòng)幾乎可以忽略，轉(zhuǎn)子能夠十分平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。此種軸承表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的支承特性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

圖11 雙層鼓泡支承箔片軸承最高轉(zhuǎn)速的時(shí)域和頻域分析及軸心軌跡Fig.11 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by double-layer protuberant gas foil bearing

3 結(jié)論

箔片動(dòng)壓氣體軸承在高速透平膨脹機(jī)上的實(shí)驗(yàn)研究表明:

1)軸承的實(shí)際運(yùn)行性能與彈性支承結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。從國內(nèi)外的發(fā)展趨勢來說，箔片動(dòng)壓氣體軸承性能的改進(jìn)主要是構(gòu)建一種具有更加優(yōu)異剛度和阻尼特性的軸承彈性支承結(jié)構(gòu)。

2)箔片軸承性能的優(yōu)劣必須依賴其在透平膨脹機(jī)中運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性來評定。本文中提到的4種箔片動(dòng)壓氣體軸承，雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)高速甚至超高速下的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但是考慮到其可靠性與使用壽命，單層鼓泡箔片動(dòng)壓氣體軸承由于支點(diǎn)剛度過大，多次啟停后容易造成支點(diǎn)處頂層箔片磨損，大大的削弱了軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性，不具有實(shí)用價(jià)值。因此，對于箔片軸承的研究，實(shí)際上是對其支承高速透平支承特性的全面考察與分析。

3)箔片動(dòng)壓氣體軸承在低溫高速透平機(jī)械中具有廣闊的應(yīng)用前景。在大型低溫工程的透平膨脹機(jī)中，目前來說我國還沒有實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)的箔片動(dòng)壓氣體軸承的實(shí)際應(yīng)用。因此，雖然我國在箔片軸承的研發(fā)方面取得了一定的基礎(chǔ)成果，但是該領(lǐng)域技術(shù)的完全自主化還有待于進(jìn)一步增強(qiáng)。

［1］江楚標(biāo).透平膨脹機(jī)及發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.深冷技術(shù)，2001(5):1-9.JIANG Chubiao.Turboexpander and its development［J］.Cryogenic Technology，2001(5):1-9.

［2］SAJI N，ASAKURA H，YOSHINAGA S，et al.Design of oil-free simple turbo type 65 K/6 KW helium and neon mixture gas refrigerator for high temperature superconducting power cable cooling［C］//AIP Conference Proceedings.Madison，USA，2002，613(1):893-902.

［3］AGRAWAL G L.Foil air/gas bearing technology—an overview［R］.ASME Publication，97-GT-347，1997.

［4］HOU Y，ZHU ZH，CHEN C Z.Comparative test on two kinds of new compliant foil bearing for small cryogenic turboexpander［J］.Cryogenics，2004，44(1):69-72.

［5］KIM T H，ANDRES L S.Analysis of advanced gas foil bearings with piecewise linear elastic supports［J］.Tribology International，2007，40(8):1239-1245.

［6］SONG J，KIM D.Foil gas bearing with compression springs:analyses and experiments［J］.Transactions of the ASME，Journal of Tribology，2007，129(3):628-639.

［7］SIM K，LEE Y B，KIM T H，et al.Rotordynamic performance of shimmed gas foil bearings for oil-free turbochargers［J］.Transactions of the ASME，Journal of Tribology，2012，134:031102.1-031102.11.

［8］CARPINO M，TALMAGE G.Subfoil stiffness effects in gaslubricated foil journal bearings［J］.Tribology Transactions，2008，51(5):602-608.

［9］LEE Y B，KIM T H，KIM C H，et al.Suppression of subsynchronous vibrations due to aerodynamic response to surge in a two-stage centrifugal compressor with air foil bearings［J］.Tribology Transactions，2003，46(3):428-434.

［10］KUMAR M，KIM D.Load capacity measurements of hydrostatic bump foil bearing［C］//Proceedings of ASME Turbo Expo.Orlando，USA，2009:755-761.

［11］ANDRES L S，CHIRATHADAM T A，RYU K，et al.Measurements of drag torque，lift-off journal speed，and temperature in a metal mesh foil bearing［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132(11):12503-1-12503-7.

［12］FENG K，KANEKO S.Analytical model of bump-type foil bearings using a link-spring structure and a finite-element shell model［J］.Transacitons of ASME，Journal of Tribology，2010，132(2):021706-1-021706-11.

［13］HOU Y，XIONG LY，CHEN C Z.Experimental study of a new compliant foil air bearing with elastic support［J］.Tribology Transactions，2004，47(2):308-311.