微渦輪發動機軸承系統潤滑性能的實驗研究

盧錦明 張 彤

（北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

近年來，微型飛行器、自動機器人以及便攜式電腦等產品對能源系統提出了微型化、高能量密度和環境友好等新要求，在微機電系統（MEMS）技術的快速發展基礎上，微動力機電系統（Power MEMS）應運而生［1］。以微渦輪發動機為代表的微型動力源是能把高能量密度的液態燃料轉化為機械能或電能，在可攜帶能源方面具有巨大潛力，這種只有紐扣大小的發動機的設計目標是能提供高于鋰電池系統10～50倍的能量密度，成為Power MEMS研究中的熱點［2］。

氣體軸承是氣體在軸和軸套之間構成擠壓氣膜，將活動面和靜止面隔離開來，它具有極低摩擦、無污染、精度高、結構相對簡單以及壽命長等優點，成為支撐微轉子的最佳選擇［3］。從1997年開始，諸多學者開展了對微渦輪機軸承系統的研究，2004年Epstein［4］報道了一個六層硅片結構的微渦輪機軸承系統，Teo［5］和Liu［6］等相繼展開了對其靜壓推力軸承和靜壓徑向軸承的研究。Shan和Zhang［7］介紹了一個三層硅片結構的渦輪器件，其中包括氣體動壓徑向軸承和螺旋槽動壓推力軸承。動壓軸承能充分利用轉子高速旋轉時產生的動壓效應來提供承載力，但在低速和起動時承載力很低，容易發生碰磨。Piljoong kang等［8］研制了一種由四層硅晶片結構組成的微渦輪增壓器，包括靜壓推力軸承和動壓徑向軸承，設計轉速達1×106r/min，但實際為0.5×106r/min，這主要是由于加工誤差導致徑向軸承不能提供足夠的承載力來支撐轉子的高速運轉。最佳方案是采用動靜壓混合軸承，可兼具動壓和靜壓軸承的優點，但目前關于微動靜壓混合軸承的理論報道［9］很少，相關實驗測試更少。

圖1是本文研究的厘米量級的三層結構微渦輪發動機軸承系統結構，選擇螺旋槽氣體動靜壓混合推力軸承作為支撐，使其既能充分發揮動壓軸承所具有的良好的穩態承載力和動力學性能，又能避免高速時的渦動和低速時的碰磨問題。本文主要分析軸承的潤滑性能，檢測加工樣機的尺寸和缺陷，搭建氣體軸承測試系統，進行相關的實驗研究和結果分析。

1 軸承系統的潤滑性能分析及樣機加工

1.1 螺旋槽氣體動靜壓混合推力潤滑性能分析

圖2為螺旋槽動靜壓混合推力軸承的結構示意圖，具體的潤滑模型和相關的計算流程可參見文獻［9］，應用于微渦輪發動機軸承系統的推力軸承結構參數為:內、外供氣孔個數分別為12個，內孔直徑0.3 mm，外孔直徑0.2 mm，螺旋槽槽臺數為10對，螺旋角為26.5°，內半徑3 mm，外半徑5.31 mm，螺旋槽深度0.2 mm，軸承間隙為0.1 mm。

在本文中重點分析推力軸承的潤滑性能，圖3給出了靜壓節流孔直徑Dori和軸承間隙hL對供氣流量Q的影響。從曲線可以看出:節流孔直徑越大，軸承間隙越大，供氣流量越大;軸承間隙較小時，節流孔直徑對供氣流量的影響不大;間隙較大時，節流孔越大，供氣流量變化明顯。

圖4給出了靜壓節流孔直徑Dori和軸承間隙hL對承載力WD的影響。從曲線可以看出:節流孔直徑一定時，軸承間隙越大，承載力越小;直徑小的，承載力減小的快;軸承間隙一定時，節流孔直徑大的，承載力大，這是因為節流孔直徑大，供氣流量越大。

1.2 軸承系統的加工

根據微渦輪發動機軸承系統結構的特點，采用數控機床來加工測試樣機，加工時所選用的銑刀直徑為0.2 mm，機床最小進給量為0.1 mm，加工精度為0.1 mm。圖5所示是兩樣機推力軸承部位的靜壓節流孔和螺旋槽的實際情況。其中圖5a樣機的節流孔直徑不均勻，測得的孔徑Dori分布在0.35～0.41 mm之間，且超過半數孔內殘留較多的碎屑，影響供氣的通暢性;圖5b樣機的節流孔直徑均勻，測得的孔徑Dori分布在0.32～0.35 mm，孔內幾乎沒有碎屑;圖5c和d是螺旋槽，螺旋槽的深度為0.25～0.35 mm，基本符合加工要求，兩個樣機加工的形狀幾乎相同，不存在較大的缺陷。經過對比兩樣機的加工參數，選擇圖5b樣機進行測試。

2 氣體軸承測試系統

根據微渦輪發動機軸承系統的工作要求，搭建了一套氣體軸承測試系統，包括3個部分:氣體控制系統、轉速測量系統以及數據采集系統。

2.1 氣體控制系統

氣體控制系統主要是為微渦輪發動機軸承系統中的推力軸承、徑向軸承、主渦輪以及平衡室提供具有一定壓力和流量的氣體來驅動微轉子運動。如圖6所示，主路上由高壓氣源、過濾器、壓力表和截止閥組成，各支路上由調壓閥、壓力表、計量閥、流量計以及壓力傳感器等組成，各個支路連接到對應樣機封裝的供氣通道上。

2.2 轉速測量系統

轉速測量系統是采用光纖位移傳感器來檢測微轉子上設置的標記位移變化來記錄轉速的。如圖7所示，在微渦輪發動機軸承系統的轉子上設置有4個標記，將光纖探針對準標記，檢測探針尖端到標記的距離，在微轉子轉動過程中，探針檢測到的位移信號呈方波，每4個波峰表示轉子旋轉一周。本文所選用的Philtec D100型非接觸式光纖位移傳感器，可用于測量位移和振動，其輸出信號與反射率有關，并具有遠端和近端雙向功能，輸出信號正比于傳感器探針至目標表面的距離和目標表面的反射率。

2.3 數據采集系統

數據采集系統主要是用來采集和處理氣體控制系統中的壓力傳感器和流量計的壓力、流量信號以及光纖位移傳感器的位移信號。其主要流程是:通過數據采集卡對信號進行采集、隔離、濾波、放大等處理，進入計算機后，由數據采集程序對信號進行顯示、處理及存儲等處理，指導操作者控制整個測試系統，系統存儲的數據作為后續分析用。本文選用的數據采集卡是NI PCI－6259型數據采集卡，具有16位精度，32位單端輸入或16路差分模擬輸入，4路模擬輸出通道，48路數字I/O通道，具有從2～10×106Hz范圍的數字I/O功能，單通道模擬輸入速度達到1.25×106數據/s，32位計數器，具備模擬和數字觸發，輸入輸出電壓范圍－10～+10 V。數據采集程序是由LabVIEW編制的，其功能主要包括:采集參數設置與控制、零點設置、壓力信號與位移信號顯示以及壓力與轉速瞬時值。

3 測試結果及分析

圖8是主渦輪供氣從0～10 kPa過程中轉子的加速情況。在給主渦輪供氣之前，首先給下推力軸承供氣使轉子懸浮，再給上推力軸承供氣保證轉子軸向穩定，壓力分別為45 kPa和7.4 kPa。然后開始給主渦輪供氣，轉子的狀態就是位移信號前半段所示，轉速不高，但軸向穩定。當主渦輪供氣壓力增大到一定值，轉子就失穩，位移信號變成一條直線，可能是轉子徑向承載力不夠。此時給徑向軸承和平衡室供氣，轉子逐漸恢復旋轉，伴隨著徑向軸承和主渦輪供氣的不斷增大，轉子轉速不斷增加，最后顯示最大轉速為486 r/min，主渦輪供氣壓力為10 kPa，平衡室供氣壓力為3.1 kPa，徑向軸承供氣為5.1 kPa。

圖9是主渦輪供氣為15 kPa時，轉子穩定運轉的位移信號，轉速為653 r/min。在調整主渦輪供氣壓力過程當中，發現位移信號幅值基本保持不變，這表明微轉子的軸向位置總是穩定的，推力軸承供氣能很好地為旋轉的轉子提供足夠的承載力。一般出現失穩的情形，可能是由于徑向軸承的承載力不夠或轉子渦動幅度太大，導致轉子與定子側壁接觸，進而停止轉動。目前所能達到的最高轉速為1 200 r/min，但實驗仍在進行中，預期可能達到更高的轉速。

綜上所述，螺旋槽動靜壓混合推力軸承能夠為微渦輪發動機軸承系統樣機提供較好的軸向承載力，在初始供氣條件下能保持較穩定的運轉，隨著主渦輪供氣壓力的增大，轉速增大，出現失穩的情形，可能是由于徑向軸承承載力不足導致的，但通過調整，轉子又能恢復轉動，說明推力軸承具有優異的自恢復能力。但目前缺乏對徑向軸承潤滑性能的認識，不能對徑向軸承供氣有較好的控制，這對提高微渦輪發動機軸承系統的性能也是非常重要的。

4 結語

本文分析了螺旋槽氣體動靜壓混合推力軸承中靜壓節流孔直徑和軸承間隙對供氣流量和軸承承載力的影響。結果表明:節流孔直徑和軸承間隙越大，供氣流量越大;節流孔直徑一定時，軸承間隙越大，承載力越小。搭建了一套氣體軸承測試系統，并進行了相關的實驗研究。結果表明:隨著主渦輪供氣壓力的增大，轉子轉速增加，會出現失穩的情形，調整徑向軸承的供氣，轉子能很快恢復穩定旋轉狀態。

［1］甘霖，李偉，楊燦軍，等.Power MEMS 研究現狀及展望［J］.機床與液壓，2004（9）:5－9.

［2］Epstein AH，et al.Power MEMS and micro－engines［C］.IEEE Conference on Solid State Sensors and Actuators，Chicago，1997:26 －32.

［3］馬文琦，于賀春，孫昂.氣體軸承－轉子系統研究現狀［J］.潤滑與密封，2010，35（6）:121 －124.

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