氫燃料電池空壓機(jī)動(dòng)壓箔片軸承設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(guò)電極反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能，其排出的只有水和熱量，在此過(guò)程中沒(méi)有碳的排放，所以幾乎沒(méi)有環(huán)境污染。而空氣壓縮機(jī)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(guò)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(duì)于車用燃料電池空壓機(jī)而言有著無(wú)油、高效、小型化的要求。這是因?yàn)楣I(yè)用空壓機(jī)所采用的滾動(dòng)軸承在使用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí)，在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(jī)有著較小體積的同時(shí)有著較高的性能。而目前在工業(yè)上所廣泛使用的空壓機(jī)無(wú)法滿足氫燃料電池對(duì)空壓機(jī)的要求，因此為了解決這一問(wèn)題，本研究提出了一種使用空氣箔片軸承的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案來(lái)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(zhǎng)、無(wú)污染、所適用的轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。因?yàn)闅怏w箔片軸承是以氣體為潤(rùn)滑劑，所以在空壓機(jī)中使用時(shí)就可以滿足空壓機(jī)無(wú)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(wàn)轉(zhuǎn)到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至更高的轉(zhuǎn)速[5-6]，這使得空壓機(jī)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(jī)性能同時(shí)可以減少空壓機(jī)的體積。

而作為空壓機(jī)核心部件，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析越來(lái)越受到人們的重視。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)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(yùn)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(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)定心的現(xiàn)象，因此Rankine的觀點(diǎn)被證明是錯(cuò)誤的。Lund[9]則首先提出將滑動(dòng)軸承和轉(zhuǎn)子作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且提出了使用8個(gè)參數(shù)(4個(gè)剛度系數(shù)和4個(gè)阻尼系數(shù))來(lái)描述軸承的動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性的研究。Hooshang[10]最先設(shè)計(jì)了一種雙波箔的氣體箔片軸承，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)采用2種不同形式的波箔的氣體箔片軸承的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)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(lái)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(dòng)力學(xué)特性的研究。Tae Ho Kim等[13]介紹了在小型無(wú)油渦輪機(jī)械上實(shí)現(xiàn)的使用氣體箔片軸承支承轉(zhuǎn)子Duffing振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型預(yù)測(cè)。Kim等[14]首次提出了箔片支撐的質(zhì)量系統(tǒng)的時(shí)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(duì)一種使用氣體箔片軸承支撐的小型離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。而Liu等16]對(duì)氣體推力箔片軸承對(duì)氣體箔片軸承系統(tǒng)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子為主要研究對(duì)象，開展了轉(zhuǎn)子升速、軸承供氣溫度等參數(shù)變化對(duì)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)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(guó)內(nèi)首臺(tái)轉(zhuǎn)軸直徑為6 mm、葉輪直徑為9 mm、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30萬(wàn)轉(zhuǎn)的微型氣體軸承透平膨脹機(jī)，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)此樣機(jī)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到34萬(wàn)轉(zhuǎn)。趙廣等[19]針對(duì)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(dòng)力學(xué)模型，得到了軸系的動(dòng)力學(xué)特性。康偉等[20]從非線性動(dòng)力學(xué)角度對(duì)氣體動(dòng)壓軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及分岔進(jìn)行了分析，結(jié)果表明氣膜力的強(qiáng)非線性決定了氣體軸承一轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)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(jì)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性。

2 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 軸系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，是在氫燃料電池空氣壓機(jī)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(gè)推力盤，在推力盤的兩側(cè)分別安裝一個(gè)止推的氣體箔片軸承用來(lái)抵消軸承的軸向推力，而在轉(zhuǎn)子上使用2個(gè)徑向氣體箔片軸承用來(lái)支撐整個(gè)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(dòng)力學(xué)分析

圖2是在轉(zhuǎn)子動(dòng)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(duì)軸系進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析而進(jìn)行的簡(jiǎn)化后的軸系模型，該模型將軸系劃分為20個(gè)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(zhǎng)度，在section之間的節(jié)點(diǎn)處為葉輪重心位置，將葉輪等效為質(zhì)量點(diǎn)分別在上添加質(zhì)量、極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，其中使用的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值為極轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)處均需要添加質(zhì)量、極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、直徑轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(dòng)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(shí)，激勵(lì)直線和頻率曲線之間共有7個(gè)交點(diǎn)，而在計(jì)算轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，通常只考慮同步正向渦動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率。在7個(gè)交點(diǎn)中，第二、四、七個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率是正進(jìn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速渦動(dòng)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(duì)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(dòng)，二階臨界轉(zhuǎn)速為剛體錐動(dòng)，而在第三階臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子為彎曲振動(dòng)，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(shí)際使用時(shí)，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(shì)，但由于前兩階振動(dòng)均為剛體運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速較低，對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)壓箔片軸承設(shè)計(jì)

3.1 徑向軸承設(shè)計(jì)

基于第一部分轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)匹配設(shè)計(jì)給出的徑向軸承剛度選取范圍，并結(jié)合軸頸尺寸，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shuō)明該軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖7 軸承剛度系數(shù)曲線

3.2 推力軸承設(shè)計(jì)

推力軸承的設(shè)計(jì)基于低壓側(cè)和高壓側(cè)葉輪引起的軸向合力，空壓機(jī)壓比為2.5，質(zhì)量流量為125 g/s，額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸向力為125 N。由于空氣動(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)物圖

4 空壓機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在軸系設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)壓箔片軸承設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無(wú)油空壓機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，包括空壓機(jī)升降速試驗(yàn)、滿工況耐久試驗(yàn)。

圖9所示是空壓機(jī)軸系實(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)用空壓機(jī)整機(jī)實(shí)物圖。

圖9 軸系實(shí)物圖

空壓機(jī)總成性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)由核心機(jī)(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(jī)、基礎(chǔ)臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖11所示。

圖10 空壓機(jī)實(shí)物圖

圖11 空壓機(jī)整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)子的振動(dòng)、徑向軸承和推力軸承安裝處的溫度。限于空壓機(jī)內(nèi)部空間，轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)位于低壓側(cè)葉輪進(jìn)口處，如圖12所示，2個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖13是空壓機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)升速到額定工作轉(zhuǎn)速 100 000 r/min過(guò)程的轉(zhuǎn)軸水平方向X和豎直方向Y的振動(dòng)特性三維譜圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸系在升速和降速過(guò)程中振動(dòng)以基頻為主，無(wú)明顯低頻和2X頻率振動(dòng)成分，顯示出良好的高速轉(zhuǎn)子動(dòng)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(dòng)頻譜圖。其中L-1為水平方向，L-2為豎直方向。

圖13 測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)軸振動(dòng)三維譜圖

圖14 軸心軌跡及振動(dòng)FFT頻譜圖

表4是軸系在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的一倍頻的振動(dòng)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(dòng)，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子的加工精度和動(dòng)平衡精度等級(jí)來(lái)減少殘余不平衡量的影響。

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

空壓機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)是將空壓機(jī)滿轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷運(yùn)行，測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)特性，考核滿工況下軸系運(yùn)行可靠性程度。圖15為空壓機(jī)在額定工況滿負(fù)荷工作時(shí)轉(zhuǎn)軸基頻振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)軸基頻振動(dòng)幅值。實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為2 h，從結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅值沒(méi)有沒(méi)有明顯升高，證明空壓機(jī)軸系具有較高的可靠性。

圖15 10萬(wàn)轉(zhuǎn)空壓機(jī)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化關(guān)系圖

圖16為對(duì)應(yīng)的軸承安裝處溫度隨時(shí)間變化結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除了在空壓機(jī)升速過(guò)程中因?yàn)檗D(zhuǎn)軸表面與箔片摩擦生熱和電機(jī)生熱傳遞到軸端引起軸承溫度升高之外，軸承在短時(shí)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(guò)50 ℃，最高溫度不超過(guò)90 ℃，這進(jìn)一步說(shuō)明了軸系的運(yùn)行較為穩(wěn)定。

圖16 軸承溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

綜合以上設(shè)計(jì)思路，本研究針對(duì)無(wú)油空壓機(jī)氣體箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖17所示，即優(yōu)先針對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的建模，計(jì)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(jì)并判斷是否可以滿足軸系的臨界轉(zhuǎn)速限制。對(duì)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(jī)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(jì)后的軸承安裝在空壓機(jī)上，測(cè)試其轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jì)思路框圖

5 結(jié)論

針對(duì)氫燃料電池?zé)o油空壓機(jī)，提出了一種空壓機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即先通過(guò)預(yù)估軸承支承剛度進(jìn)行軸系的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，再設(shè)計(jì)符合支承剛度和空壓機(jī)軸向推力要求的氣體動(dòng)壓箔片軸承，最后進(jìn)行軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

空壓機(jī)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(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了升降速實(shí)驗(yàn)和和滿工況的耐久實(shí)驗(yàn)，得到了空壓機(jī)軸系全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的軸系升降速振動(dòng)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(shí)驗(yàn)的軸系振動(dòng)結(jié)果和軸承溫升特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明空壓機(jī)軸系具有良好的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和可靠性。驗(yàn)證了本研究中所采用的空壓機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的可行性。