箔片動壓氣體軸承在低溫透平膨脹機中的應用

侯予，楊山舉，陳興亞，陳汝剛，賴天偉，陳雙濤

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049;2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049)

透平膨脹機是實現等熵膨脹最有效的機械，在特種空調設備、低溫環境模擬、空氣及多組分氣體的液化分離以及深低溫氫和氦的液化制冷設備中都有實際應用［1-2］。在低溫透平膨脹機中，由于進口介質溫度低、膨脹比大，尤其是在小流量時，工作輪直徑較小、膨脹機比焓降大。為了達到較高的絕熱效率，勢必造成膨脹機轉子轉速較高。箔片軸承屬于動壓軸承的一種，此種具有柔性表面彈性支承的箔片動壓氣體軸承，一方面能夠在高速下通過彈性箔片的適應性形變產生足夠的軸承剛度給轉子不斷變化的動載荷提供足夠的承載力;另一方面，彈性箔片產生的周向滑移與軸承座生成的庫倫阻尼，以及彈性支承的適應性形變和頂層平箔的周向滑移提供的結構阻尼能夠有效的抑制和衰減透平轉子系統的不穩定渦動，從而有效提升透平膨脹機轉子在高速下的穩定性和可靠性。因此在高速渦輪壓縮機、空氣制冷系統(ACMs)、高速低溫透平膨脹機、汽車和飛機用微小型高速燃氣透平等領域應用廣泛［3-4］。實際上，彈性支承結構的特性直接影響到軸承的性能，國外研究人員先后采用了軸向分段波箔、周向分段波箔和金屬篩網等彈性結構，以實現對軸承性能的改進［5-12?。從上個世紀90年代開始，國內西安交通大學制冷低溫研究所高速透平機械與氣體軸承課題組開始開展透平膨脹機箔片軸承相關的理論和實驗研究，先后進行了分段支承、粘彈性支承、波箔、單層鼓泡型和鼓泡型多層彈性支承箔片軸承的研究工作，取得了階段性進展［4-5］。

1 高速透平膨脹機性能測試實驗臺

高速透平膨脹機綜合性能實驗臺(見圖1)是在西安交通大學自主研制開發、在國內工業已廣泛應用的(PLK-8.33×2/20-5)氣體軸承低溫透平膨脹機基礎上改造的，實驗用透平膨脹機及轉子系統見圖2。表1列出了該透平的主要技術和結構參數，該透平改造后最大驅動氣量600 N·m3·h－1@1.15 MPa，根據供氣壓力可工作在0～110 kr/min(可超速至150 kr/min)之間。

圖1 高速透平膨脹機綜合性能實驗臺Fig.1 Thermal and dynamic performance test rig of high speed turboexpander

圖2 實驗用透平膨脹機Fig.2 The tested turboexpander

表1 高速透平膨脹機主要參數Table 1 Main parameters of the tested turboexpander

2 實驗及分析

2.1 分段支承箔片軸承

1990年，西安交通大學制冷低溫研究所高速透平機械與氣體軸承課題組對屬于第1代CFB的平箔式分段支承箔片軸承進行研究，該箔片軸承采用箔片粘接金屬絲作為支承，其基本結構如圖3所示。課題組對其進行了理論分析并在試驗臺上進行了試驗，并進一步提出了3層分段支承彈性結構，有效的提高了軸承阻尼特性。實驗中穩定轉速達到120 kr/min以上，同時最大振幅不超過12 μm。圖4為該箔片軸承高速運行過程中的振動特性，在118 kr/min超速120%時平穩運轉。

圖3 金屬絲支承結構Fig.3 Metal wire elastic foil strip for gas foil bearing

圖4 金屬絲箔片軸承支承轉子振動波形及軸心軌跡Fig.4 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by metal wire gas foil bearing

2.2 粘彈性支承箔片軸承

1998年課題組提出了粘彈性橡膠支承箔片軸承，其支承結構如圖5所示。實驗實現了轉速148 kr/min、超速40%的優良性能［13］，侯予等將實驗結果與分段彈性支承軸承進行了對比，發現由于粘彈性支承剛度分布更加均勻，在超高速運轉時具有更加優異的穩定性［4］。圖6為粘彈性支承箔片軸承在最高轉速時域上X和Y2個方向的振幅以及軸心軌跡。可以看出，軸心軌跡圓清晰，轉子最大渦動振幅小于11 μm，最高轉速148 kr/min，且運轉穩定。

圖5 粘彈性支承結構Fig.5 Viscous-elastic foil strip of gas foil bearing

圖6 粘彈性箔片軸承支承轉子振動波形及軸心軌跡Fig.6 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by viscous-elastic gas foil bearing

2.3 波箔箔片軸承

課題組還對典型波箔箔片動壓氣體軸承開展了系統深入的研究。波箔箔片軸承的基本結構如圖7所示，由頂層柔性平箔和波浪形彈性支承箔片組成。彈性波箔箔片凸起沿周向均勻分布，平箔和波箔突起頂端貼合，兩者均為一端固定，另外一端處于自由狀態，其伸展方向與轉子旋轉方向相反。

圖7 波箔箔片支承結構Fig.7 Bump foil strip of hydresil gas foil bearing

圖8為波箔軸承轉子在93.3 kr/min時轉子振動的時域和頻域特性以及軸心軌跡。X、Y方向振幅穩定，軸心軌跡規則清晰，且具有很好的重復性。實驗中即使轉子渦動振幅達到了15 μm，仍然能夠穩定運轉，這也進一步說明了軸承十分優異的穩定性。

圖8 波箔箔片軸承支承轉子振動時域、頻域及軸心軌跡Fig.8 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by hydresil gas foil bearing

2.4 鼓泡型箔片軸承

2008年課題組提出了單層鼓泡型箔片軸承并進行了理論及實驗研究，如圖9所示，其彈性結構由頂層平箔和鼓泡箔片組成。研究表明該軸承支承特性良好，然后，由于鼓泡支點類似于剛性支點，支點之間可以產生形變適應載荷變化，在支點處較難產生彈性形變，實驗發現支點處頂層平箔磨損現象較為嚴重，多次啟停后容易導致透平膨脹機轉子表面損傷。但是其優點在于支承剛度較大，有利于動壓氣膜的快速形成，也具有更大的承載能力。鑒于此，課題組提出了鼓泡型多層彈性箔片動壓氣體軸承新結構，該全金屬結構軸承在3個空間方向(軸向、周向和徑向)都具有剛度可調和多重阻尼的特性。改進研制的多層彈性箔片新型結構中，頂箔與軸承座之間存在多層鼓泡箔片，其結構如圖10所示。相對于單層結構來說，多層結構能夠產生更大的適應性阻尼，其抑制轉子不穩定渦動的能力更強。而且該種結構克服了單層鼓泡箔片軸承剛性支點處容易發生磨損的缺點。

圖9 單層鼓泡箔片軸承Fig.9 Single-layer protuberant gas foil bearing

圖10 雙層彈性支承鼓泡箔片軸承Fig.10 Double-layer protuberant gas foil bearing

圖11為鼓泡多層彈性支承箔片軸承－轉子系統的振動時域和頻域分析，以及轉子軸心軌跡。其軸心軌跡清晰平滑，重疊性較好。從圖11(b)可以看出，在轉速達到102 kr/min時，其低頻不穩定渦動幾乎可以忽略，轉子能夠十分平穩的運轉。此種軸承表現出了非常優異的支承特性和動力學穩定性。

圖11 雙層鼓泡支承箔片軸承最高轉速的時域和頻域分析及軸心軌跡Fig.11 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by double-layer protuberant gas foil bearing

3 結論

箔片動壓氣體軸承在高速透平膨脹機上的實驗研究表明:

1)軸承的實際運行性能與彈性支承結構密切相關。從國內外的發展趨勢來說，箔片動壓氣體軸承性能的改進主要是構建一種具有更加優異剛度和阻尼特性的軸承彈性支承結構。

2)箔片軸承性能的優劣必須依賴其在透平膨脹機中運行的穩定性和可靠性來評定。本文中提到的4種箔片動壓氣體軸承，雖然都能夠實現高速甚至超高速下的穩定運轉，但是考慮到其可靠性與使用壽命，單層鼓泡箔片動壓氣體軸承由于支點剛度過大，多次啟停后容易造成支點處頂層箔片磨損，大大的削弱了軸承－轉子系統的可靠性，不具有實用價值。因此，對于箔片軸承的研究，實際上是對其支承高速透平支承特性的全面考察與分析。

3)箔片動壓氣體軸承在低溫高速透平機械中具有廣闊的應用前景。在大型低溫工程的透平膨脹機中，目前來說我國還沒有實現自主研發的箔片動壓氣體軸承的實際應用。因此，雖然我國在箔片軸承的研發方面取得了一定的基礎成果，但是該領域技術的完全自主化還有待于進一步增強。

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