深低溫氫氣潤滑箔片氣體動壓軸承特性研究

摘要：針對實際工程運用中氫氣潤滑箔片氣體動壓軸承出現(xiàn)的湍流效應，結合氫氣潤滑箔片氣體動壓軸承所處的深低溫狀態(tài)，利用壁面定律修正經(jīng)典氣體雷諾方程，耦合Link-Spring力學模型后求解并獲得了以深低溫氫氣作為潤滑介質的箔片氣體動壓軸承靜動態(tài)特性；對比箔片氣體動壓軸承在深低溫氫氣與其他潤滑氣體介質時的靜態(tài)特性，分析偏心率、環(huán)境壓力、寬徑比和名義間隙等參數(shù)對箔片氣體動壓軸承靜動態(tài)特性的影響. 結果表明，相較于常溫常壓空氣和低溫高壓氮氣，以低溫高壓氫氣為潤滑介質的箔片氣體動壓軸承的承載力相對較低，但可通過增大軸承的偏心率、工作環(huán)境壓力、寬徑比、動力黏度和減小軸承的名義間隙等方式增大承載力；軸承的直接動態(tài)剛度系數(shù)隨環(huán)境壓力的增大而增大，隨名義間隙的增大而減小.

關鍵詞：箔片氣體動壓軸承；深低溫；氫氣；軸承性能

中圖分類號：TH133.37 文獻標志碼：A

氫能作為一種環(huán)保、經(jīng)濟、可持續(xù)的能源，一直備受關注. 當前，氫技術的發(fā)展主要集中在氫的生產(chǎn)和儲存上. 在現(xiàn)有技術條件下，最經(jīng)濟的儲氫方法是液化氫［1］. 對于氫液化，常用布雷頓循環(huán)和克勞德循環(huán)，液化循環(huán)優(yōu)化設計包括預冷、節(jié)流和循環(huán)過程.氫液化透平膨脹機是氫液化過程中使用的關鍵制冷設備，其性能對氫液化過程的循環(huán)效率和產(chǎn)率有很大影響.

軸承作為氫液化透平膨脹機的關鍵部件，其性能是影響氫液化透平膨脹機可靠性的重要因素. 目前，應用于氫液化透平膨脹機的軸承技術有油軸承、靜壓氣體軸承和氣體動壓軸承. 商用的氫液化透平膨脹機主要以油軸承支撐，而油軸承對高壓油以及復雜供油系統(tǒng)的需求造成了較高的功率損失. 靜壓氣體軸承因無油特性而應用于商用氫液化透平膨脹機，靜壓氣體軸承需要一套精密的自控供氣系統(tǒng)，這增加了裝置的復雜性，耗費了一定數(shù)量的壓力氣體并降低了氫液化透平膨脹機的經(jīng)濟性［2］.

氣體動壓軸承無需復雜、昂貴的供油系統(tǒng)，也不需要精密的自控供氣系統(tǒng)，這使得氫液化透平膨脹機的結構非常緊湊. 氣體動壓軸承的無油特性可以支撐氫液化透平膨脹機在極高或極低的溫度下運行，并且氣體潤滑劑的低黏度可以降低功率損失，極大地減少了與熱管理相關的挑戰(zhàn). 箔片氣體動壓軸承是目前已實現(xiàn)商業(yè)應用的主要氣體動壓軸承技術，它優(yōu)良的特性使其廣泛應用于高速旋轉機械中，如陀螺儀［3］、渦輪壓縮機［4］、渦輪鼓風機［5］、微型燃氣輪機［6］、渦輪增壓器［7］.

箔片氣體動壓軸承的承載力、動穩(wěn)定性是最重要的研究性能指標［8］. 為耦合低溫高壓氫氣介質獨有的熱物理特性和箔片氣體動壓軸承的運行特點，Li等［9］分析了環(huán)境壓力對氣體箔片軸承動態(tài)特性的影響， 結果表明，軸承的動態(tài)直接剛度和阻尼系數(shù)隨環(huán)境壓力的增大而增大. Du等［10］討論了流體黏度和密度對軸承性能的影響，引入了黏度和密度的組合參數(shù)來描述流體性質對軸承性能的影響，在原有軸承的基礎上針對不同流體介質提出了4種改進型軸承，以達到更好的軸承性能. 近年來，更多的實際模型得到了廣泛研究，包括真實氣體潤滑模型、稀薄或湍流模型以及其他物理模型［11］.

目前，對氫液化透平膨脹機的研究大多是以空氣為工作介質［12］進行的，以低溫高壓氫氣為工作介質的研究較少. 在氫液化透平膨脹機的設計過程中，需要考慮不同潤滑介質對氣體潤滑軸承性能的影響. Guo等［13］對不同氣體潤滑介質的軸承進行了數(shù)值計算，研究發(fā)現(xiàn)，氣體潤滑介質的黏度對承載能力有顯著影響. 陳汝剛等［14］分析了環(huán)境壓力對箔片氣體動壓軸承動態(tài)特性的影響， 結果表明，軸承的承載能力、動態(tài)直接剛度以及動態(tài)直接阻尼隨環(huán)境壓力的增大而增大. Yan等［15］分析了使用不同氣體（如氫氣、氦氣和空氣）潤滑介質軸承性能的差異，提出了一種適應性較強的模型，適用于各種潤滑介質.

箔片氣體動壓軸承技術發(fā)展迅速，但其應用于以超低溫氫氣為工作介質的透平機械并不多見. 由于氫氣的黏度較低，目前還沒有成熟的氫氣潤滑箔片氣體動壓軸承的設計標準和性能分析方法. 氫氣潤滑箔片氣體動壓軸承的性能如不能滿足高轉速、高穩(wěn)定的要求，可能會導致氫液化透平膨脹機出現(xiàn)重大故障. 本文以提高深低溫氫液化透平膨脹機用整周式箔片氣體動壓軸承性能為目的，針對實際工程運用中箔片氣體軸承因高雷諾數(shù)而引起的湍流效應，利用壁面定律修正氣體雷諾方程，耦合Link-Spring力學模型求解箔片氣體動壓軸承靜動態(tài)特性.對比箔片氣體軸承在深低溫氫氣與其他潤滑氣體介質時靜態(tài)特性，分析偏心率、環(huán)境壓力、寬徑比、名義間隙和動力黏度等參數(shù)對箔片氣體動壓軸承的靜動態(tài)特性的影響.

1 理論模型

考慮到低溫高壓氫氣相較常溫常壓空氣在物理性質上存在較大的差異，如黏度、密度、氣體可壓縮性等，這些參數(shù)都會影響箔片氣體動壓軸承的性能.相較于其他熱物理特性，潤滑氣體的動力黏度和密度是影響軸承性能的首要參數(shù). 圖1為不同氣體潤滑介質的動力黏度隨溫度的變化，從圖1中可以看出，低溫高壓氫氣的動力黏度相對于另外兩種氣體潤滑介質的動力黏度低得多［10］.