S-CO2介質(zhì)止推箔片氣體動(dòng)壓軸承特性研究

摘要：針對(duì)超臨界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，S-CO2）潤滑波箔型止推箔片氣體動(dòng)壓軸承，通過反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提出S-CO2的物性模型，并考慮軸承工作時(shí)的非理想氣體效應(yīng)，提出考慮湍流效應(yīng)氣體潤滑模型、箔片結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和氣膜平均溫升計(jì)算方法，對(duì)止推箔片氣體動(dòng)壓軸承的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)箔片氣體軸承靜動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律. 結(jié)果表明，本文提出的物性模型準(zhǔn)確度高，相關(guān)系數(shù)高達(dá)99.997%. 以S-CO2為潤滑介質(zhì)的止推箔片氣體動(dòng)壓軸承具有更高的承載力，且在適當(dāng)范圍內(nèi)減小最小初始?xì)饽ず穸然蛟黾幽ず癖瓤梢蕴岣咻S承的承載力. 以S-CO2為介質(zhì)的止推箔片氣體動(dòng)壓軸承的動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)和動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)均遠(yuǎn)高于常溫常壓空氣介質(zhì)下的止推箔片氣體動(dòng)壓軸承. 隨著最小初始?xì)饽ず穸葴p小，軸承的動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)和動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)均迅速增加.

關(guān)鍵詞：止推箔片氣體動(dòng)壓軸承；超臨界二氧化碳（S-CO2）；反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)：TH133.37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

二氧化碳具有環(huán)保、無毒、物性穩(wěn)定、成本低廉和傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，并且在超臨界區(qū)域比熱容較大、導(dǎo)熱性能好、動(dòng)力黏度低［2-4］，因此，二氧化碳介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、余熱利用［4］、太陽即熱發(fā)電、核電氣冷堆、動(dòng)力機(jī)械等領(lǐng)域［5］. 相較于傳統(tǒng)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，以S-CO2 為工作介質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)具有更高的效率和更緊湊的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5-6］，因此，S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)具有更良好的經(jīng)濟(jì)性和更廣闊的工程應(yīng)用前景［7-8］. 目前，以S-CO2為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械正在向超高速、超高溫和高能量密度等目標(biāo)持續(xù)邁進(jìn)［9］，傳統(tǒng)的油軸承和滾動(dòng)軸承難以滿足上述條件.箔片氣體動(dòng)壓軸承因其具有無油、免維護(hù)、高轉(zhuǎn)速、耐高溫高壓、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點(diǎn)，被視為S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的理想支承部件［10］.

相較于傳統(tǒng)的油軸承和滾動(dòng)軸承，箔片氣體動(dòng)壓軸承無需供油或供氣裝置，采用箔片氣體動(dòng)壓軸承支承轉(zhuǎn)子可以達(dá)到縮小旋轉(zhuǎn)機(jī)械的體積、減小質(zhì)量、降低成本等目的［11］；箔片氣體軸承具有更高的可靠性、穩(wěn)定性以及耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)［12-13］.由箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子具有超高轉(zhuǎn)速、高效率、長壽命、免維護(hù)、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)［14］，被廣泛應(yīng)用于空氣循環(huán)機(jī)、壓縮機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中［15-17］ .盡管箔片氣體軸承已得到成熟應(yīng)用，但針對(duì)特殊介質(zhì)下的箔片氣體軸承的理論研究仍然不夠完善.

為研究基于S-CO2介質(zhì)的箔片氣體軸承的工作特性， Xu等［18］提出了一種考慮實(shí)際氣體效應(yīng)和湍流流體的靜壓止推箔片軸承三維熱流體動(dòng)力分析的高級(jí)分析工具，該工具可以計(jì)算高壓二氧化碳?xì)饽さ膲毫Ψ植?、溫度分布、承載能力、氣膜厚度、功率損失等性能參數(shù). Qin等［19］開發(fā)了一種用于止推箔片氣體動(dòng)壓軸承三維彈流動(dòng)力學(xué)模擬的求解器和一種新的求解軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形的求解器，結(jié)果表明該求解器可以準(zhǔn)確地模擬在密集氣體中運(yùn)行的止推箔片氣體動(dòng)壓軸承工作情況. Kim［20］提出了考慮實(shí)際氣體效應(yīng)和氣膜內(nèi)部湍流流動(dòng)的箔片氣體徑向軸承三維熱流體力學(xué)分析的高級(jí)設(shè)計(jì)/分析工具，通過該工具模擬了不同環(huán)境條件下軸承性能，但是模擬結(jié)果低于公開文獻(xiàn)中的測量數(shù)據(jù). Qin等［21］建立了流體相的準(zhǔn)三維流固模型，研究了S-CO2 循環(huán)作用下止推箔片氣體動(dòng)壓軸承的流體力學(xué)性能，并對(duì)流體力學(xué)求解器Eilmer進(jìn)行了擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)離心慣性力對(duì)軸承性能具有重要影響，為軸承性能的潛在影響因素提供了新的見解. 溫建全［5］針對(duì)S-CO2閉式布雷頓循環(huán)的支承系統(tǒng)，將S-CO2 視為非理想氣體并采用線性插值擬合的方法獲取其物理性質(zhì)，并推導(dǎo)出箔片氣體徑向和止推軸承的變密度變黏度的湍流雷諾方程，求解了S-CO2 介質(zhì)的軸承靜動(dòng)態(tài)特性. 朱鵬程等［14］針對(duì)搭接頂箔式波箔型氣體動(dòng)壓軸承，耦合湍流效應(yīng)修正雷諾方程、力學(xué)分析模型和能量方程，并進(jìn)行了與空氣介質(zhì)對(duì)比分析以及不同軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)徑向軸承靜態(tài)特性的影響規(guī)律.

但是，上述研究缺乏具體數(shù)學(xué)模型以準(zhǔn)確地反映S-CO2 物性特征變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)分析模型，在一定程度上制約了箔片氣體軸承在S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用.因此，針對(duì)止推箔片氣體動(dòng)壓軸承，本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立S-CO2物性模型，并引入S-CO2介質(zhì)作為止推箔片氣體動(dòng)壓軸承的工作介質(zhì)，在計(jì)算過程中考慮S-CO2 介質(zhì)的實(shí)際氣體效應(yīng)，提出考慮湍流效應(yīng)的變黏度變密度氣體潤滑模型、箔片結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和平均溫升計(jì)算方法，并建立了軸承靜動(dòng)態(tài)彈流耦合數(shù)值計(jì)算方法，分析了S-CO2介質(zhì)下和常溫常壓空氣介質(zhì)下的止推箔片氣體動(dòng)壓軸承特性對(duì)比以及不同軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承特性的影響規(guī)律.