空氣軸承支撐的燃料電池離心空壓機轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

靳彩妍,徐方程,吳孟龍,范俊巖,辛軍

(1.奕森科技(上海)有限公司,上海 201703；2. 大連理工大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116024；3.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備智能控制與優(yōu)化教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

0 引言

燃料電池是一種能直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。燃料電池內(nèi)部反應(yīng)過程的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，燃料通過陽極側(cè)進入，空氣或氧氣通過陰極側(cè)進入，二者在電解質(zhì)兩側(cè)分別發(fā)生燃料氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，電子流經(jīng)外電路做功，從而產(chǎn)生電能[1]。因為燃料電池的這種能量轉(zhuǎn)換方式不用經(jīng)過熱機過程，不被卡諾循環(huán)約束，所以能量轉(zhuǎn)換效率很高。

燃料電池按照電解質(zhì)可以分為：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)及固體氧化物燃料電池(SOFC)等[2]。

燃料電池用空壓機需要滿足無油性、高效率、小型化和低成本、低噪聲、動態(tài)響應(yīng)快等特點。目前，常用的燃料電池空壓機主要有離心式、羅茨式、螺桿式3種，離心空壓機是通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功[3]，在葉輪與擴壓器流道內(nèi)，利用離心升壓和降速、擴壓的作用，將機械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，具有機構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點。

空氣軸承是一種自潤滑動壓滑動軸承，相比于傳統(tǒng)的油潤滑滑動軸承和滾動軸承，空氣軸承具有高轉(zhuǎn)速、零環(huán)境污染、工作溫度高及壽命長特點使其與燃料電池系統(tǒng)無油環(huán)境要求匹配。

波箔型徑向空氣軸承是空氣箔片軸承的一種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。其由底層的波紋箔片和頂層的平箔片共同組成。建立箔片結(jié)構(gòu)剛度模型是研究箔片軸承物理特性的重要一環(huán)，也是進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的重要參數(shù)。

圖1 箔片空氣軸承結(jié)構(gòu)

1 轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算

由于燃料電池空壓機轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速、空氣軸承低阻尼特性[4]，設(shè)計轉(zhuǎn)子要求是剛性轉(zhuǎn)子，即空壓機額定運行轉(zhuǎn)速要求遠低于轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。

1.1 空壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩級壓縮空壓機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由低壓級葉輪、高壓級葉輪、主軸、空氣軸承、永磁同步電機、電機冷卻水套及殼體等部分組成。

圖2 兩級壓縮燃料電池空壓機結(jié)構(gòu)

離心式空壓機的工作轉(zhuǎn)速越高，其壓比越高，但高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性需要重點關(guān)注，綜合考慮各方因素下，整個空壓機轉(zhuǎn)子設(shè)計為：電機位于轉(zhuǎn)子中間，兩個徑向空氣軸承分別位于電機兩側(cè)，兩個止推空氣軸承位于低壓極端，兩個葉輪分別位于轉(zhuǎn)軸的兩端，使得轉(zhuǎn)子的重心盡量靠近中心，提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

1.2 空氣軸承剛度阻尼計算

空氣軸承不僅提供支撐作用，更是空壓機轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的重要部分，波箔型空氣軸承的動力特性對整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有很大的影響。根據(jù)參考文獻[5]，基于單個波紋箔片非線性剛度模型，通過有限差分法耦合求解氣體Reynolds方程、氣膜厚度方程，從而求解出設(shè)計轉(zhuǎn)子載荷下的氣彈耦合徑向空氣軸承剛度阻尼值。

求解空氣軸承剛度阻尼系數(shù)的假設(shè)如下：

(1)在空氣膜厚度方向上，空氣壓力認為是恒定的。

(2)空氣在軸承頂箔表面上的速度為0，在轉(zhuǎn)軸表面上的速度為Rω。

(3)氣體為理想氣體。

(4)氣體是絕熱的。

通過以上假設(shè)，Reynolds方程可寫為

(1)

式中:r為軸承圓周方向坐標；

z為軸承軸向長度坐標；

R為軸徑半徑；

h為氣膜厚度；

p為氣膜壓力；

μ為氣體動力黏度；

Ω為軸徑轉(zhuǎn)速。

而箔片空氣軸承氣膜厚度方程為

h=h0+ecos(θ-φ)+ε

(2)

式中:h0為箔片空氣軸承的名義半徑間隙；

e為軸徑的偏心距；

θ為軸承圓周方向角度；

φ為偏位角；

ε為平箔片表面計算節(jié)點在軸承徑向方向的變形量。

求解得到設(shè)計載荷下的徑向軸承剛度阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線，重力方向為x如圖3和圖4所示。

圖3 徑向空氣軸承剛度系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 徑向空氣軸承阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

1.3 空壓機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

1.3.1 轉(zhuǎn)子建模

利用DyRoBes軟件DyRoBes-Rotor轉(zhuǎn)子動力學(xué)軟件包，對燃料電池離心空壓機轉(zhuǎn)子進行有限元建模，模型如圖5所示。

圖5 兩級壓縮燃料電池空壓機轉(zhuǎn)子模型

1.3.2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算

由于空氣軸承阻尼較小，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速可以只計算無阻尼狀態(tài)下的，系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算控制方程為：

(3)

式中：kxz為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度系數(shù)矩陣;

Mxz為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;

ωi為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速;

yi為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的振動向量。

計算得到空壓機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。

表1 空壓機臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果 Hz

一階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖6所示為圓錐剛體模態(tài)，二階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖7所示，三階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖8所示，為一階彎曲模態(tài)。當(dāng)運行轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)子將會處于共振狀態(tài)，如果系統(tǒng)阻尼較小，會造成轉(zhuǎn)子振動應(yīng)力過大而出現(xiàn)斷軸、軸承損壞等失效。

圖6 一階臨界轉(zhuǎn)速111 Hz,圓錐剛體模態(tài)

圖7 二階臨界轉(zhuǎn)速129 Hz，圓錐剛體模態(tài)

圖8 三階臨界轉(zhuǎn)速3 168 Hz,彎曲模態(tài)

燃料電池空壓機轉(zhuǎn)子設(shè)計額定轉(zhuǎn)速是2 000 Hz,通過計算現(xiàn)有轉(zhuǎn)子的一彎臨界轉(zhuǎn)速是3 168 Hz,運行額定轉(zhuǎn)速是一彎臨界轉(zhuǎn)速的63%，根據(jù)API[6]對剛性轉(zhuǎn)子定義，轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速低于70%一彎臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子可視作剛性轉(zhuǎn)子，滿足設(shè)計初始目標。

2 空壓機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析

根據(jù)氣彈耦合方法計算不同轉(zhuǎn)速下的軸承剛度阻尼系數(shù)，導(dǎo)入轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算文件，計算不同轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子不平衡量下每個節(jié)點的跳動位移值，為方便與后續(xù)試驗測試結(jié)果對照，選取低壓端壓輪鎖緊螺母端部節(jié)點，即模型圖5中的節(jié)點1處位移值作為穩(wěn)定性評估參考點。轉(zhuǎn)子不平衡量加載按照G6.3精度[7]加載在轉(zhuǎn)子的設(shè)定平面上，如圖5中箭頭所示。計算結(jié)果如圖9—圖11所示。

圖9 燃料電池空壓機測點1軸心位移值

圖10 轉(zhuǎn)子軸心軌跡

圖11 燃料電池空壓機軸承受力

通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)穩(wěn)定性計算，在工作轉(zhuǎn)速1.20×105r/min范圍內(nèi)，軸心位移跳動比率都是低于5%，遠低于設(shè)計允許跳動比率20%[8]，則轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可穩(wěn)定運行；另外選取轉(zhuǎn)速1.20×105r/min下，測點位置的軸心軌跡如圖10所示為橢圓狀。計算得到徑向空氣軸承在每個轉(zhuǎn)速下的受力情況如圖11所示，由于轉(zhuǎn)子重心位置偏向低壓端軸承，低壓端空氣軸承在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)受力大于高壓端軸承受力，轉(zhuǎn)速1.20×105r/min下軸承最大載荷為60 N，低于軸承設(shè)計承載能力100 N，則軸承在整個轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)下可靠性達到設(shè)計目標。

3 結(jié)束語

根據(jù)氣彈耦合方法求解出空氣軸承的剛度阻尼系數(shù)，帶入設(shè)計轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中計算得到轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速遠高于轉(zhuǎn)子額定運行轉(zhuǎn)速，符合剛性轉(zhuǎn)子的設(shè)計目標，并且其軸心軌跡跳動低于20%，符合轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性要求。在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸承最大受力60 N遠低于軸承設(shè)計承載能力100 N，軸承在整個運行狀態(tài)下都是可靠的。

目前轉(zhuǎn)子設(shè)計在額定轉(zhuǎn)速下可以穩(wěn)定運行，并且余量較大，進一步優(yōu)化方向可以減小軸徑及軸承，以提高整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)性。