超臨界二氧化碳動靜壓徑向可傾瓦軸承實驗臺設(shè)計與實驗研究

陳勝，王小靜，邱正茂，朱麗明，黃光耀

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

超臨界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide，簡稱S-CO2)作為工作流體的布雷頓動力循環(huán)具有更高的熱效率、低成本和環(huán)保特性。在21世紀初期，美國能源部聯(lián)合眾多高校及實驗室包括麻省理工學院、Sandia國家實驗室等重啟了S-CO2布雷頓循環(huán)透平機械相關(guān)方面的研究，采用壓縮機、透平和發(fā)電機三者共軸的設(shè)計方案，使得S-CO2既做潤滑介質(zhì)又做工作介質(zhì)成為可能。這種設(shè)計方案很大程度上縮減了整個系統(tǒng)的尺寸，提高了S-CO2發(fā)電循環(huán)的效率，使得以S-CO2作為工作介質(zhì)的布雷頓動力循環(huán)能夠取代傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)，成為當前最有潛力的動力循環(huán)，在核能、太陽能、煤電、地熱能、燃料電池和船用推進系統(tǒng)等領(lǐng)域有巨大的應用前景[1]。

支撐軸承是S-CO2動力循環(huán)技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸之一，轉(zhuǎn)子具有相當高的工作轉(zhuǎn)速(最高轉(zhuǎn)速達到75 000 r/min)，軸承潤滑介質(zhì)為S-CO2，密度接近液體，黏度近似于氣體，擴散系數(shù)是液體的近百倍，在臨界點附近呈高度非線性。氣體箔片軸承被認為是實現(xiàn)S-CO2動力循環(huán)的關(guān)鍵元件，已經(jīng)應用于美國Sandia 國家實驗室S-CO2動力循環(huán)機組測試。實驗表明氣體箔片軸承具有較強的容納變形和不對中的能力，能夠在S-CO2介質(zhì)里工作，與普通剛性表面氣體軸承相比有更高的承載力。同時也發(fā)現(xiàn)了其不足之處，如承載力仍較低、箔片發(fā)生磨損乃至斷裂、啟停階段產(chǎn)生非常大的摩擦熱、局部溫度和溫度梯度過高，波箔結(jié)構(gòu)的傳導率弱和空氣的熱容低、啟動扭矩高、剛度非常低、紊流造成大的摩擦功耗等，限制了氣體箔片軸承在高轉(zhuǎn)速或高負荷下運行[2]。為了彌補這一缺陷，靜壓氣體軸承的概念被提出來。然而在軸承的軸瓦內(nèi)部增加靜壓腔，外部施加恒定的氣壓，雖然在一定程度上可以解決轉(zhuǎn)子試驗臺在啟停階段磨損過大的問題，但是又容易受到氣錘振動的影響[3]。動靜壓混合軸承兼具氣體箔片軸承和靜壓氣體軸承的優(yōu)點，既能夠在啟停階段降低磨損，又能夠提高承載能力，并且可用于MW級別的透平機械中[4]。在已披露的研究報道里，THATTE等[5]在10MW級S-CO2渦輪機混合氣體軸承結(jié)構(gòu)中采用“S”形彈簧的阻尼結(jié)構(gòu)形式有效提高了S-CO2動靜壓混合氣體軸承的軸承剛度和承載能力。ERTAS和DELGADO[6-7]研制了一種帶有金屬絲網(wǎng)阻尼器新型混合徑向軸承，這種軸承能最大限度地提高軸承的承載能力和有效的阻尼系數(shù)，同時具有很好的順應性和適應轉(zhuǎn)子幾何形狀變化后的不對中的能力。ZHU和SAN ANDRéS[8]為了解決微型渦輪機械緊湊、質(zhì)量輕和極端溫度運行，滿足大剛度和大阻尼的要求，提出一種動靜壓結(jié)合柔性支承可傾瓦氣體軸承，并通過實驗驗證了可傾瓦軸承靜壓壓力提高使得系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速提高。

在S-CO2軸承潤滑理論方面，BI等[9]通過引入密度、黏度、雷諾數(shù)和紊流系數(shù)等擾動變量，對頻率擾動法進行了擴展，通過數(shù)值計算得到了頻率相關(guān)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。次年，又提出了一種考慮實際氣體效應、變熱力學特性和紊流效應的S-CO2高速可傾瓦軸承整體熱平衡方法，研究了S-CO2高速可傾瓦軸承的熱流體動力潤滑機制，研究結(jié)果表明熱效應對軸承靜動態(tài)特性的影響是由密度、比熱容、熱膨脹系數(shù)的變化引起的，熱流體動力潤滑對S-CO2可傾瓦軸承靜態(tài)特性的影響大于對動態(tài)系數(shù)的影響[10]。溫建全[11]考慮了S-CO2的變密度變黏度屬性，在給定溫度下，將S-CO2密度和黏度運用投影法擬合成定值，對箔片軸承特性進行了數(shù)值求解。LI和XIE[12]研究了實際空氣和CO2(包括亞臨界和超臨界狀態(tài))等不同工質(zhì)類型對軸承靜態(tài)特性的影響，結(jié)果表明在相同條件下，CO2軸承具有更大的承載能力，且CO2軸承的質(zhì)量流量比空氣軸承小，表明CO2工作流體的承載性能更優(yōu)異。秦侃等人[13-14]研究了高壓S-CO2旋轉(zhuǎn)表面的Taylor-Couette流動的傳熱特性和風阻損失，并采用了大渦模擬(LES)研究S-CO2對旋轉(zhuǎn)機械中常見的Couette 流動的影響。李卓聰?shù)萚15]針對S-CO2氣體箔片止推軸承的動態(tài)特性開展了數(shù)值研究，建立了氣體箔片止推軸承動力特性的三維非定常雙向流固耦合數(shù)值預測方法。鄭培培等[16]以S-CO2布雷頓循環(huán)中的渦輪機所用靜壓氣體軸承為研究對象，考慮S-CO2潤滑氣膜的紊流狀態(tài)，利用Fluent 軟件數(shù)值計算得到靜壓氣體中壓力分布，分析了軸承結(jié)構(gòu)、偏心率、氣膜間隙對氣膜壓力、承載力和剛度的影響。車國铚等[17]總結(jié)國內(nèi)外S-CO2布雷頓循環(huán)中氣體軸承的研究現(xiàn)狀，包括理論分析以及實驗研究，并進一步總結(jié)了S-CO2潤滑方程的修正、動靜特性計算問題；次年以徑向波箔軸承為研究對象，求解了變密度變黏度的紊流雷諾方程，計算S-CO2潤滑徑向波箔軸承動靜特性[18]。

在S-CO2潤滑軸承實驗研究方面，可查到的相關(guān)文獻很少。2009年NASA格倫研究中心對S-CO2軸承的性能進行了實驗研究[19]，但其研究僅限于其軸承的靜態(tài)性能。 2021 年COLGAN等[20]搭建了實驗臺，實驗結(jié)果表明軸承在CO2的臨界壓力50 kPa 以內(nèi)可以穩(wěn)定運行。2016年THATTE等[5]研究了10 MW級S-CO2汽輪機混合氣體軸承在高溫高壓條件下的性能特性，通過實驗分析得出了軸承在空氣中與在S-CO2中工作的承載能力和剛度特性的差異以及轉(zhuǎn)子速度和溫度對軸承剛度的影響。

在氣體軸承實驗研究方面則有較多的研究報道，美國麻省理工學院搭建了小功率(50 W)氣體軸承支撐的微型發(fā)動機，設(shè)備體積只有1 cm3，轉(zhuǎn)速超過1×106r/min，并分析了軸承的穩(wěn)定性以及可控性[21-22]。德州農(nóng)工大學SAN ANDRéS等[23-24]設(shè)計搭建了氣體軸承實驗臺，而后又設(shè)計一種金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的氣體波箔軸承，并對其進行靜、動載荷實驗。

國內(nèi)研究人員也對氣體軸承進行了實驗研究。陳汝剛等[25]研制了國內(nèi)首臺轉(zhuǎn)軸直徑為6 mm、葉輪直徑為9 mm、設(shè)計轉(zhuǎn)速為3×105r/min微型氣體軸承透平膨脹機。彭萬歡等[26]搭建了箔片動壓氣體軸承啟停性能試驗臺，采用連續(xù)以及不同階梯轉(zhuǎn)速對氣體軸承特性進行實驗研究，得到氣體軸承啟停過程中的摩擦力變化規(guī)律。王法義[27]設(shè)計搭建了氣體軸承動、靜態(tài)軸承實驗臺，并對軸承進行靜態(tài)剛度、結(jié)構(gòu)剛度以及黏性阻尼實驗研究。FENG等[28]利用高速測試實驗臺對設(shè)計的金屬絲網(wǎng)箔片軸承進行實驗研究，測量了軸承的動態(tài)剛度以及阻尼系數(shù)。馮凱等人[29]搭建了徑向氣體箔片軸承高速重載測試及實驗臺，并對三瓦氣體箔片軸承進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)該氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速和起飛轉(zhuǎn)矩均隨載荷增大而升高。

綜上所述，針對S-CO2潤滑軸承的靜態(tài)和動態(tài)特性的實驗測試還沒有充分得到開展。本文作者在文獻[5]所提的軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計并改進了一種新型S-CO2潤滑動靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)，設(shè)計并搭建了一種S-CO2潤滑軸承實驗臺。針對于實驗臺轉(zhuǎn)子剛啟動(或靜止)和極低轉(zhuǎn)速工況，著重對新型S-CO2潤滑徑向軸承靜壓狀態(tài)下的動態(tài)特性進行實驗研究，并分析靜壓對軸承動特性的影響，具有一定的工程意義。

1 S-CO2動靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對于大型透平機組在啟動和停止階段時氣體軸承產(chǎn)生非常大的摩擦磨損，以及氣體軸承承載力低、剛度低、阻尼小、穩(wěn)定性較差等問題，文中所提出的新型S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，軸承結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表1。該軸承的設(shè)計為整體式軸承，由可傾瓦塊、彈性結(jié)構(gòu)體、軸承外圈組成，在軸承瓦塊的內(nèi)壁設(shè)計了一個深度為0.1 mm 的靜壓腔用于靜壓支承。該軸承結(jié)構(gòu)主要特點如下：

表1 設(shè)計軸承的模型參數(shù)

圖1 S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)原理

圖2 靜壓腔局部放大

(1)采用動靜壓潤滑方式。在軸承啟停階段采用靜壓潤滑，從供氣口通入的S-CO2起到靜壓承載作用，轉(zhuǎn)速較低或者啟動工況下，動壓影響較小，甚至可以忽略，軸承間隙中的壓力和潤滑膜厚度都處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)，只與通入的氣體壓力相關(guān)。在軸承高速運行期間，靜壓撤去，依靠氣膜動壓效應起到承載作用。

(2)軸承瓦塊采用常規(guī)的可傾瓦瓦塊結(jié)構(gòu)，同時在軸承瓦塊外部設(shè)計彈性結(jié)構(gòu)。彈性結(jié)構(gòu)體的作用有2個：一是實現(xiàn)可傾瓦塊的徑向擺動，以形成楔形動壓氣膜；二是產(chǎn)生一定彈性變形，提高轉(zhuǎn)子不對中的冗余度。該結(jié)構(gòu)剛度與S-CO2可傾瓦氣膜的動特性共同作用，形成軸承的整體動特性。

2 實驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗臺采用倒置式軸承-轉(zhuǎn)子實驗臺結(jié)構(gòu)，將軸承靜態(tài)特性實驗和動態(tài)特性實驗綜合至同一個實驗臺上，示意圖如圖3所示。實驗臺包括密封腔體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、靜態(tài)力加載系統(tǒng)、動態(tài)力加載系統(tǒng)、傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗臺系統(tǒng)組成及各部分作用見表2。

表2 實驗臺系統(tǒng)組成及各部分作用

圖3 S-CO2潤滑靜壓徑向可傾瓦軸承實驗臺示意

圖3中，在后端密封蓋、前端密封蓋、密封蓋板與密封腔體之間設(shè)計了密封槽，采用O形圈密封，傳感器與密封蓋板之間采用同樣的方式密封，密封腔在通入CO2時保持密封狀態(tài)，使腔內(nèi)處于恒壓。

實驗臺實物照片如圖4所示，實驗轉(zhuǎn)子通過2個不同內(nèi)圈尺寸的深溝球軸承支撐在密封腔體內(nèi)，被測S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承安裝在支撐深溝球軸承中間。由于實驗軸承的潤滑條件為S-CO2，因此需要考慮兩側(cè)深溝球軸承端密封，設(shè)計O 形圈軸向靜密封。靜態(tài)力加載系統(tǒng)通過滑輪用標準砝碼給被測軸承施加靜態(tài)加載力，靜態(tài)加載力的大小為砝碼的重力，位移傳感器分別測量被測軸承和轉(zhuǎn)子在X和Y方向的位移量，溫度傳感器和壓力傳感器用來檢測密封腔內(nèi)CO2是否達到超臨界狀態(tài)的溫度和壓力值。動態(tài)力加載系統(tǒng)通過電磁激振器和激振桿給被測軸承施加正弦動態(tài)力，動態(tài)力傳感器用于測試被測軸承所受動態(tài)力的大小。

圖4 S-CO2潤滑徑向可傾瓦軸承實驗臺

3 實驗臺動態(tài)性能加載方案

在對軸承動態(tài)性能實驗時，對實驗軸承進行動態(tài)力加載時采用電磁激振器加載，考慮到電磁激振器的振動可能會影響到位移傳感器和轉(zhuǎn)子及軸承上，因此實驗所有裝置裝配在質(zhì)量很大的底座平臺上。被測S-CO2潤滑徑向軸承安裝在被測實驗轉(zhuǎn)子上，電磁激振器通過動態(tài)力傳感器和激振器聯(lián)接件與被測軸承螺紋聯(lián)接，考慮到電磁激振器聯(lián)接件與密封腔體之間的密封性問題，同樣采取O形圈密封，在電磁激振器聯(lián)接桿件上開設(shè)O 形圈密封槽。設(shè)計安裝時要確保激振桿件與被測軸承豎直方向上呈45°，激振力能夠傳遞到S-CO2潤滑徑向軸承的單個瓦塊上，這樣需要在激振器支撐架上設(shè)計定位裝置，保證激振力的合理性和適用性。電磁激振器的最大激振力為200 N，最大振幅為±10 mm，頻率范圍為0～2 kHz。轉(zhuǎn)子以及被測軸承上分別安裝2個量程為1 mm的電渦流位移傳感器用來測量X和Y2個方向上位移的響應。

4 S-CO2潤滑徑向可傾瓦軸承靜壓狀態(tài)下的動態(tài)特性實驗研究

4.1 實驗測試方法

(1)

簡寫為

(2)

式中：激振力F、絕對位移(xb，yb)和相對位移(xr，yr)都可以通過實驗測得，質(zhì)量矩陣M已知，識別量為4個阻尼系數(shù)C和4個剛度系數(shù)K。原則上，只要已知4個系統(tǒng)的瞬時狀態(tài)及向量，就可以求出公式(2)中的8個未知數(shù)。但是，實際實驗系統(tǒng)除了受激振器作用外，還受到其他來源干擾力的作用，而且位移的測量受儀器溫漂、軸表面材質(zhì)不均、不圓度等影響，使得這種時域方法不可行。所以軸承的動特性識別通常需要采用頻域方法，基本測量方程由式(2)經(jīng)過Fourier變換得到：

(3)

動特性識別方法可根據(jù)激振方法分成不同類型，如：復合激振法、單頻多次激振法、多頻激振法、寬帶激振法。文中采用單頻2次激振法，需要對實驗軸承進行2次線性獨立的激振，求解8個軸承動特性系數(shù)。

實驗中使用2臺電磁激振器安裝在實驗軸承上部，與水平面呈45°夾角，激振器對軸承的作用力相互垂直并通過軸承的幾何中心，每次激振力的大小控制在靜加載力的5%以內(nèi)，激振器可提供的最大激振力是700 N。

4.2 靜壓狀態(tài)下動特性實驗

對設(shè)計加工制造的軸承進行實驗研究，實驗環(huán)境參數(shù)為環(huán)境溫度T0=308.15 K、環(huán)境壓力p0=7.5 MPa、軸承靜壓腔靜壓8 MPa，對實驗軸承進行左、右2個方向激振，左、右側(cè)激振頻率為60 Hz，激振力左側(cè)為30 N、右側(cè)為20 N。S-CO2潤滑動靜壓徑向軸承動特性實驗臺照片如圖5所示。

圖5 S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承動特性實驗臺

將采集的信號通過橢圓濾波器進行濾波，提取激振頻率對應的位移信號，可以直觀反映2個激振方向上由激振力所引起的振動位移情況。圖6所示為左右激振時激振力信號濾波前的時域圖，可以明顯看出激振力原始信號受到外界干擾，存在多種幅值頻率成分，時域波形失真。圖7所示為左右激振時激振力信號濾波后的時域圖和頻譜圖。從時域圖中可以明顯看出左側(cè)激振力幅值F1=30 N，右側(cè)激振力幅值F2=20 N；從頻譜圖中可以看出激振力的激振頻率為60 Hz。結(jié)果表明，利用橢圓濾波器對信號進行濾波，提取激振頻率對應的信號，對計算結(jié)果的精確度提高有很大作用。

圖6 左右正弦激振力濾波前的時域圖

圖7 激振力濾波后的時域圖與頻譜圖

限于篇幅，這里僅列出上述激振時力的信號的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，而相對位移和絕對位移的處理方式類似，這里不做贅述。

4.3 不同靜壓壓力下軸承性能實驗研究

在T0=308.15 K 、環(huán)境壓力p0=7.5 MPa 下，改變靜壓腔的供氣壓力，分別在供氣壓力為8、9、10 MPa時，對實驗軸承進行左、右方向激振，左、右側(cè)激振頻率為60 Hz，激振力左側(cè)為30 N、右側(cè)為20 N，采集實驗數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，并得到軸承的軸心軌跡，如表3所示。軸承運動軌跡結(jié)果表明在轉(zhuǎn)子固定情況下，軸承軸心運動軌跡的運動方向與激振器激振的方向幾乎保持了一致；左側(cè)激振時軸承的運動振幅比右側(cè)激振時的振幅大得多，這是由于軸承左側(cè)激振時的激振力為30 N，右側(cè)激振力為20 N原因產(chǎn)生。

表3 不同靜壓下，受左、右激振力的軸承的軸心軌跡

通過對上述實驗數(shù)據(jù)處理，實驗得到軸承在不同靜壓條件下的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同靜壓條件下軸承動特性系數(shù)

圖8和圖9分別示出了主剛度和主阻尼隨壓力的變化關(guān)系。可以看出，隨著靜壓供氣壓力的增大，軸承主剛度和主阻尼也隨之增加。從表4中可以看出，交叉剛度和交叉阻尼都接近于0，符合可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)交叉剛度及交叉阻尼為0的特點。

圖8 主剛度隨壓力的變化關(guān)系

圖9 主阻尼隨壓力的變化關(guān)系

5 結(jié)論

針對S-CO2動力循環(huán)機組支承軸承問題，設(shè)計并改進了以S-CO2為潤滑介質(zhì)的新型徑向可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)，設(shè)計搭建了靜壓狀態(tài)的S-CO2潤滑徑向軸承動特性實驗臺架。在不同靜壓壓力下開展S-CO2潤滑徑向軸承動特性實驗，測量得到軸承的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的S-CO2動靜壓徑向可傾瓦軸承在啟停階段，在軸瓦與軸頸之間產(chǎn)生了足夠的靜壓壓力，可將二者完全分隔開，從而能減少啟停階段的摩擦磨損；隨著靜壓壓力的增大，軸承X、Y 方向上的整體剛度、主阻尼增大，且2個方向的主剛度系數(shù)差別不大，而交叉剛度和交叉阻尼都接近于0。文中研究結(jié)果為進一步揭示S-CO2潤滑徑向軸承動壓狀態(tài)動態(tài)特性提供了參考。