氫燃料電池空壓機動壓箔片軸承設(shè)計與試驗

張 雯，董澤達(dá)，徐方程

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076；2.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

1 引言

氫燃料電池是一種以氫氣和氧氣為燃料的新型發(fā)電裝置。由于氫燃料電池是將氫和氧中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能，其排出的只有水和熱量，在此過程中沒有碳的排放，所以幾乎沒有環(huán)境污染。而空氣壓縮機是野外戰(zhàn)車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要部件，通過壓縮供入的空氣，不僅可以提高燃料電池的功率密度和效率，而且可以減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。對于車用燃料電池空壓機而言有著無油、高效、小型化的要求。這是因為工業(yè)用空壓機所采用的滾動軸承在使用潤滑油進(jìn)行潤滑時，在轉(zhuǎn)子高速運行時會出現(xiàn)蒸發(fā)的情況，一旦蒸發(fā)的油霧進(jìn)入到燃料電池中就會對陰極催化劑造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，從而導(dǎo)致燃料電池性能迅速顯著下降。另外，由于對于野外戰(zhàn)車性能的追求和車輛內(nèi)部空間本身的限制，因此需要空壓機有著較小體積的同時有著較高的性能。而目前在工業(yè)上所廣泛使用的空壓機無法滿足氫燃料電池對空壓機的要求，因此為了解決這一問題，本研究提出了一種使用空氣箔片軸承的空壓機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計方案來滿足相關(guān)的需求。

氣體箔片軸承是一種以箔片為彈性表面的自作用式的氣體軸承[1-2]，有著摩擦功耗小，使用壽命長、無污染、所適用的轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點[3-4]。因為氣體箔片軸承是以氣體為潤滑劑，所以在空壓機中使用時就可以滿足空壓機無油的要求。除此之外，氣體箔片軸承可以適應(yīng)較高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，目前已經(jīng)可以達(dá)到幾萬轉(zhuǎn)到十幾萬轉(zhuǎn)甚至更高的轉(zhuǎn)速[5-6]，這使得空壓機增壓比得到大幅的提高。另外，使用氣體箔片軸承可以不再使用供油的管路起到節(jié)省空間的作用。因此，氣體箔片軸承的使用不僅可以提高空壓機性能同時可以減少空壓機的體積。

而作為空壓機核心部件，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)分析越來越受到人們的重視。轉(zhuǎn)子動力學(xué)的觀點最早是由Rankine[7]提出的，Rankine認(rèn)為“轉(zhuǎn)子只能在一階臨界轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行”，但在之后Foppl[8]的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子在超臨界轉(zhuǎn)速的情況下運行時，會出現(xiàn)自動定心的現(xiàn)象，因此Rankine的觀點被證明是錯誤的。Lund[9]則首先提出將滑動軸承和轉(zhuǎn)子作為一個系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且提出了使用8個參數(shù)(4個剛度系數(shù)和4個阻尼系數(shù))來描述軸承的動態(tài)效應(yīng)。而在有關(guān)氣體箔片軸承領(lǐng)域也有著轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的研究。Hooshang[10]最先設(shè)計了一種雙波箔的氣體箔片軸承，通過實驗發(fā)現(xiàn)在使用雙層箔片的軸承的情況下，軸系的彎曲臨界轉(zhuǎn)速得到了大幅提高。San Andrés等[11]對采用2種不同形式的波箔的氣體箔片軸承的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性進(jìn)行了理論和實驗上的研究，研究結(jié)果證明了轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的非線性特性。Pan等[12]提出了一種模態(tài)分析方法來研究氣體圓錐螺旋槽軸承支承剛性轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性特性并將此方法應(yīng)用于氣體轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的研究。Tae Ho Kim等[13]介紹了在小型無油渦輪機械上實現(xiàn)的使用氣體箔片軸承支承轉(zhuǎn)子Duffing振動的實驗測量和模型預(yù)測。Kim等[14]首次提出了箔片支撐的質(zhì)量系統(tǒng)的時域軌道仿真。指出線性穩(wěn)定性分析只提供了有限的軸承穩(wěn)定性信息，非線性分析更為準(zhǔn)確。另外，Oscar De Santiago等[15]對一種使用氣體箔片軸承支撐的小型離心壓縮機轉(zhuǎn)子進(jìn)行了相關(guān)的實驗。而Liu等16]對氣體推力箔片軸承對氣體箔片軸承系統(tǒng)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響進(jìn)行了研究。歐榮旭[17]以氣體軸承-高速透平膨脹制冷機轉(zhuǎn)子為主要研究對象，開展了轉(zhuǎn)子升速、軸承供氣溫度等參數(shù)變化對軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性影響的研究。西安交通大學(xué)陳汝剛等[18]研制了國內(nèi)首臺轉(zhuǎn)軸直徑為6 mm、葉輪直徑為9 mm、設(shè)計轉(zhuǎn)速為30萬轉(zhuǎn)的微型氣體軸承透平膨脹機，實驗后發(fā)現(xiàn)此樣機的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到34萬轉(zhuǎn)。趙廣等[19]針對靜壓氣體軸承，基于有限元法建立了氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型，得到了軸系的動力學(xué)特性?？祩サ萚20]從非線性動力學(xué)角度對氣體動壓軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性及分岔進(jìn)行了分析，結(jié)果表明氣膜力的強非線性決定了氣體軸承一轉(zhuǎn)子動力系統(tǒng)具有多種非線性特性。

本研究在滿足氫燃料電池空壓機需求的基礎(chǔ)上，提出了一種氣體箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過實驗方法驗證了該方案的有效性和可行性。

2 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 軸系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，是在氫燃料電池空氣壓機中所使用的軸系結(jié)構(gòu)圖，在低壓側(cè)葉輪的旁邊裝配一個推力盤，在推力盤的兩側(cè)分別安裝一個止推的氣體箔片軸承用來抵消軸承的軸向推力，而在轉(zhuǎn)子上使用2個徑向氣體箔片軸承用來支撐整個轉(zhuǎn)子。軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

表1 軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of bearing-rotor system

2.2 軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

圖2是在轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件XL-rotor中所采用的軸系模型圖。

圖2 軸系有限元模型示意圖

如圖2所示，是為了對軸系進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析而進(jìn)行的簡化后的軸系模型，該模型將軸系劃分為20個section。其中，section3和section4，section17和section18分別為低壓側(cè)葉輪和高壓側(cè)葉輪的跨距長度，在section之間的節(jié)點處為葉輪重心位置，將葉輪等效為質(zhì)量點分別在上添加質(zhì)量、極轉(zhuǎn)動慣量、直徑轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，其中使用的直徑轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)值為極轉(zhuǎn)動慣量的一半。Section8為推力盤所在位置的跨距，section1和section20是兩端鎖緊螺母所在位置，在三者臨近的節(jié)點處均需要添加質(zhì)量、極轉(zhuǎn)動慣量、直徑轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。另外，軸、推力盤的材質(zhì)是不銹鋼，葉輪的材質(zhì)是7075鋁合金。氣體箔片軸承的剛度經(jīng)過一般在1×105～2×106N/m[21]，這里先選取軸承支承剛度為5×105N/m用于軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)試算。

圖3為軸系臨界轉(zhuǎn)速坎貝爾圖，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速在0～180 000 r/min之間時，激勵直線和頻率曲線之間共有7個交點，而在計算轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速時，通常只考慮同步正向渦動時的振動頻率。在7個交點中，第二、四、七個交點所對應(yīng)的頻率是正進(jìn)動的頻率，分別為171.63 Hz、214.19 Hz、2760.14 Hz。因此，在轉(zhuǎn)子所給的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)共有三階臨界轉(zhuǎn)速，分別為10 297.68 r/min、12 853.04 r/min、165 607.58 r/min。

圖3 坎貝爾圖

圖4所示是軸系各階臨界轉(zhuǎn)速的振型圖和對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速渦動振型圖。其中，圖4(a)、圖4 (b)、圖4 (c)分別是第一、二、三階臨界轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的振型圖。從其中可以看出，第一階臨界轉(zhuǎn)速為剛體平動，二階臨界轉(zhuǎn)速為剛體錐動，而在第三階臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子為彎曲振動，因此第三階臨界轉(zhuǎn)速也是第一階的彎曲轉(zhuǎn)速。因此，在軸系實際使用時，第三階臨界轉(zhuǎn)速是該軸系可以使用的極限轉(zhuǎn)速。

圖4 臨界轉(zhuǎn)速振型圖

圖5是軸系的臨界轉(zhuǎn)速隨軸承剛度變化的曲線圖。從其中可以看出，在氣體箔片軸承的剛度范圍內(nèi)，軸系的第一階臨界轉(zhuǎn)速和第二階臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速隨著軸承剛度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，但由于前兩階振動均為剛體運動，且轉(zhuǎn)速較低，對軸承的沖擊力較小。反觀第三階臨界轉(zhuǎn)速，由于在軸承剛度范圍內(nèi)變化幅度不大，且該轉(zhuǎn)速較高，本軸系為 160 000 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空壓機設(shè)計的額定轉(zhuǎn)速，因此這意味軸承剛度的選取范圍比較寬，可以從1×105～2×106N/m，這為徑向軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了極大空間。

圖5 臨界轉(zhuǎn)速隨軸承剛度變化曲線

3 空氣動壓箔片軸承設(shè)計

3.1 徑向軸承設(shè)計

基于第一部分轉(zhuǎn)子動力學(xué)匹配設(shè)計給出的徑向軸承剛度選取范圍，并結(jié)合軸頸尺寸，設(shè)計的徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。圖6為徑向軸承實物。

表2 徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of journal foil bearing

圖6 徑向軸承實物圖

基于表2中徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用成熟的小擾動法求解獲得軸承剛度系數(shù)，結(jié)果如圖7所示，軸承的主剛度隨轉(zhuǎn)速變化迅速增大，在轉(zhuǎn)速20 000～200 000 r/min范圍內(nèi)從1×105N/m增大到1.3×106N/m，落在圖5的軸承剛度區(qū)間段內(nèi)，說明該軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖7 軸承剛度系數(shù)曲線

3.2 推力軸承設(shè)計

推力軸承的設(shè)計基于低壓側(cè)和高壓側(cè)葉輪引起的軸向合力，空壓機壓比為2.5，質(zhì)量流量為125 g/s，額定轉(zhuǎn)速時軸向力為125 N。由于空氣動壓止推箔片軸承的單位面積極限承載壓力在0.1 MPa左右，因此結(jié)合轉(zhuǎn)軸尺寸，將推力軸承外徑設(shè)計為60 mm，內(nèi)徑為30 mm，具體參數(shù)如表3所示。圖8為推力軸承實物圖。

表3 推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Parameters of thrust foil bearing

圖8 推力軸承實物圖

4 空壓機軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)實驗

4.1 實驗臺

在軸系設(shè)計、空氣動壓箔片軸承設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無油空壓機轉(zhuǎn)子動力學(xué)試驗，包括空壓機升降速試驗、滿工況耐久試驗。

圖9所示是空壓機軸系實物，裝配有推力盤的一側(cè)為低壓側(cè)，推力盤外徑為60 mm，永磁同步電機的磁鋼為表貼式結(jié)構(gòu)，金屬護(hù)套的外徑與徑向軸承支承處的直徑同為24.5 mm。圖10為實驗用空壓機整機實物圖。

圖9 軸系實物圖

空壓機總成性能實驗臺由核心機(如圖10所示)、高頻變頻器、進(jìn)氣和出氣管路、調(diào)節(jié)閥、水冷機、基礎(chǔ)臺架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖11所示。

圖10 空壓機實物圖

圖11 空壓機整機性能實驗臺實物圖

軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)實驗測量的主要數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)子的振動、徑向軸承和推力軸承安裝處的溫度。限于空壓機內(nèi)部空間，轉(zhuǎn)子振動測量點位于低壓側(cè)葉輪進(jìn)口處，如圖12所示，2個互成90°安裝的電渦流位移傳感器固定在蝸殼進(jìn)氣端。

圖12 電渦流位移傳感器安裝位置圖

4.2 實驗結(jié)果及分析

圖13是空壓機從靜止?fàn)顟B(tài)升速到額定工作轉(zhuǎn)速 100 000 r/min過程的轉(zhuǎn)軸水平方向X和豎直方向Y的振動特性三維譜圖。實驗結(jié)果表明，軸系在升速和降速過程中振動以基頻為主，無明顯低頻和2X頻率振動成分，顯示出良好的高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)穩(wěn)定性。

圖14是軸系分別在40 000 r/min、60 000 r/min、80 000 r/min、和額定轉(zhuǎn)速100 000 r/min下的軸心軌跡和振動頻譜圖。其中L-1為水平方向，L-2為豎直方向。

圖13 測點處轉(zhuǎn)軸振動三維譜圖

圖14 軸心軌跡及振動FFT頻譜圖

表4是軸系在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的一倍頻的振動幅值匯總結(jié)果。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子的振幅也隨之上升，這是由于轉(zhuǎn)軸殘余不平衡量引起的離心力作用在轉(zhuǎn)軸上的結(jié)果，為降低基頻振動，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子的加工精度和動平衡精度等級來減少殘余不平衡量的影響。

表4 不同轉(zhuǎn)速下軸系的振動幅值Table 4 Shaft vibration amplitude at different speed

空壓機耐久實驗是將空壓機滿轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷運行，測量轉(zhuǎn)軸的振動特性，考核滿工況下軸系運行可靠性程度。圖15為空壓機在額定工況滿負(fù)荷工作時轉(zhuǎn)軸基頻振動幅值隨時間變化結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為運行時間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)軸基頻振動幅值。實驗時長為2 h，從結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸振動幅值沒有沒有明顯升高，證明空壓機軸系具有較高的可靠性。

圖15 10萬轉(zhuǎn)空壓機轉(zhuǎn)軸振動幅值隨時間變化關(guān)系圖

圖16為對應(yīng)的軸承安裝處溫度隨時間變化結(jié)果，實驗結(jié)果表明，除了在空壓機升速過程中因為轉(zhuǎn)軸表面與箔片摩擦生熱和電機生熱傳遞到軸端引起軸承溫度升高之外，軸承在短時間內(nèi)達(dá)到熱平衡，其溫度不再升高，并且最大溫升不超過50 ℃，最高溫度不超過90 ℃，這進(jìn)一步說明了軸系的運行較為穩(wěn)定。

圖16 軸承溫度隨時間變化關(guān)系曲線

綜合以上設(shè)計思路，本研究針對無油空壓機氣體箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計思路如圖17所示，即優(yōu)先針對設(shè)計的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的建模，計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階臨界轉(zhuǎn)速，之后根據(jù)徑向氣體箔片軸承自身的剛度范圍，設(shè)計并判斷是否可以滿足軸系的臨界轉(zhuǎn)速限制。對于氣體箔片軸承而言，其工作轉(zhuǎn)速一般在第二階臨界轉(zhuǎn)速以上，第三階臨界轉(zhuǎn)速以下。其次，要根據(jù)空壓機壓比以及止推軸承單位面積的承載能力，得到合適的軸承外徑、內(nèi)徑。

之后將設(shè)計后的軸承安裝在空壓機上，測試其轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性，包括軸心軌跡，F(xiàn)FT圖等。

圖17 氣體箔片軸承設(shè)計思路框圖

5 結(jié)論

針對氫燃料電池?zé)o油空壓機，提出了一種空壓機軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計方法，即先通過預(yù)估軸承支承剛度進(jìn)行軸系的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，再設(shè)計符合支承剛度和空壓機軸向推力要求的氣體動壓箔片軸承，最后進(jìn)行軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)實驗，得到如下結(jié)論：

空壓機轉(zhuǎn)子的一、二階臨界轉(zhuǎn)速為剛體振型，三階臨界轉(zhuǎn)速為彎曲振型，且三階臨界轉(zhuǎn)速在較大的剛度范圍內(nèi)幾乎不變，因此徑向軸承的支承剛度可以在較大范圍選擇。

對空壓機進(jìn)行了升降速實驗和和滿工況的耐久實驗，得到了空壓機軸系全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的軸系升降速振動三維頻譜圖和在40 000、60 000、80 000和100 000 r/min下的轉(zhuǎn)子振幅和軸心軌跡，以及耐久性實驗的軸系振動結(jié)果和軸承溫升特性。實驗結(jié)果表明空壓機軸系具有良好的轉(zhuǎn)子動力學(xué)穩(wěn)定性和可靠性。驗證了本研究中所采用的空壓機軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計方法的可行性。