箔片动压气体轴承在低温透平膨胀机中的应用

侯予，杨山举，陈兴亚，陈汝刚，赖天伟，陈双涛

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049;2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049)

透平膨胀机是实现等熵膨胀最有效的机械，在特种空调设备、低温环境模拟、空气及多组分气体的液化分离以及深低温氢和氦的液化制冷设备中都有实际应用［1-2］。在低温透平膨胀机中，由于进口介质温度低、膨胀比大，尤其是在小流量时，工作轮直径较小、膨胀机比焓降大。为了达到较高的绝热效率，势必造成膨胀机转子转速较高。箔片轴承属于动压轴承的一种，此种具有柔性表面弹性支承的箔片动压气体轴承，一方面能够在高速下通过弹性箔片的适应性形变产生足够的轴承刚度给转子不断变化的动载荷提供足够的承载力;另一方面，弹性箔片产生的周向滑移与轴承座生成的库伦阻尼，以及弹性支承的适应性形变和顶层平箔的周向滑移提供的结构阻尼能够有效的抑制和衰减透平转子系统的不稳定涡动，从而有效提升透平膨胀机转子在高速下的稳定性和可靠性。因此在高速涡轮压缩机、空气制冷系统(ACMs)、高速低温透平膨胀机、汽车和飞机用微小型高速燃气透平等领域应用广泛［3-4］。实际上，弹性支承结构的特性直接影响到轴承的性能，国外研究人员先后采用了轴向分段波箔、周向分段波箔和金属筛网等弹性结构，以实现对轴承性能的改进［5-12〛。从上个世纪90年代开始，国内西安交通大学制冷低温研究所高速透平机械与气体轴承课题组开始开展透平膨胀机箔片轴承相关的理论和实验研究，先后进行了分段支承、粘弹性支承、波箔、单层鼓泡型和鼓泡型多层弹性支承箔片轴承的研究工作，取得了阶段性进展［4-5］。

1 高速透平膨胀机性能测试实验台

高速透平膨胀机综合性能实验台(见图1)是在西安交通大学自主研制开发、在国内工业已广泛应用的(PLK-8.33×2/20-5)气体轴承低温透平膨胀机基础上改造的，实验用透平膨胀机及转子系统见图2。表1列出了该透平的主要技术和结构参数，该透平改造后最大驱动气量600 N·m3·h－1@1.15 MPa，根据供气压力可工作在0～110 kr/min(可超速至150 kr/min)之间。

图1 高速透平膨胀机综合性能实验台Fig.1 Thermal and dynamic performance test rig of high speed turboexpander

图2 实验用透平膨胀机Fig.2 The tested turboexpander

表1 高速透平膨胀机主要参数Table 1 Main parameters of the tested turboexpander

2 实验及分析

2.1 分段支承箔片轴承

1990年，西安交通大学制冷低温研究所高速透平机械与气体轴承课题组对属于第1代CFB的平箔式分段支承箔片轴承进行研究，该箔片轴承采用箔片粘接金属丝作为支承，其基本结构如图3所示。课题组对其进行了理论分析并在试验台上进行了试验，并进一步提出了3层分段支承弹性结构，有效的提高了轴承阻尼特性。实验中稳定转速达到120 kr/min以上，同时最大振幅不超过12 μm。图4为该箔片轴承高速运行过程中的振动特性，在118 kr/min超速120%时平稳运转。

图3 金属丝支承结构Fig.3 Metal wire elastic foil strip for gas foil bearing

图4 金属丝箔片轴承支承转子振动波形及轴心轨迹Fig.4 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by metal wire gas foil bearing

2.2 粘弹性支承箔片轴承

1998年课题组提出了粘弹性橡胶支承箔片轴承，其支承结构如图5所示。实验实现了转速148 kr/min、超速40%的优良性能［13］，侯予等将实验结果与分段弹性支承轴承进行了对比，发现由于粘弹性支承刚度分布更加均匀，在超高速运转时具有更加优异的稳定性［4］。图6为粘弹性支承箔片轴承在最高转速时域上X和Y2个方向的振幅以及轴心轨迹。可以看出，轴心轨迹圆清晰，转子最大涡动振幅小于11 μm，最高转速148 kr/min，且运转稳定。

图5 粘弹性支承结构Fig.5 Viscous-elastic foil strip of gas foil bearing

图6 粘弹性箔片轴承支承转子振动波形及轴心轨迹Fig.6 Rotor rotating trajectory of turboexpander supported by viscous-elastic gas foil bearing

2.3 波箔箔片轴承

课题组还对典型波箔箔片动压气体轴承开展了系统深入的研究。波箔箔片轴承的基本结构如图7所示，由顶层柔性平箔和波浪形弹性支承箔片组成。弹性波箔箔片凸起沿周向均匀分布，平箔和波箔突起顶端贴合，两者均为一端固定，另外一端处于自由状态，其伸展方向与转子旋转方向相反。

图7 波箔箔片支承结构Fig.7 Bump foil strip of hydresil gas foil bearing

图8为波箔轴承转子在93.3 kr/min时转子振动的时域和频域特性以及轴心轨迹。X、Y方向振幅稳定，轴心轨迹规则清晰，且具有很好的重复性。实验中即使转子涡动振幅达到了15 μm，仍然能够稳定运转，这也进一步说明了轴承十分优异的稳定性。

图8 波箔箔片轴承支承转子振动时域、频域及轴心轨迹Fig.8 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by hydresil gas foil bearing

2.4 鼓泡型箔片轴承

2008年课题组提出了单层鼓泡型箔片轴承并进行了理论及实验研究，如图9所示，其弹性结构由顶层平箔和鼓泡箔片组成。研究表明该轴承支承特性良好，然后，由于鼓泡支点类似于刚性支点，支点之间可以产生形变适应载荷变化，在支点处较难产生弹性形变，实验发现支点处顶层平箔磨损现象较为严重，多次启停后容易导致透平膨胀机转子表面损伤。但是其优点在于支承刚度较大，有利于动压气膜的快速形成，也具有更大的承载能力。鉴于此，课题组提出了鼓泡型多层弹性箔片动压气体轴承新结构，该全金属结构轴承在3个空间方向(轴向、周向和径向)都具有刚度可调和多重阻尼的特性。改进研制的多层弹性箔片新型结构中，顶箔与轴承座之间存在多层鼓泡箔片，其结构如图10所示。相对于单层结构来说，多层结构能够产生更大的适应性阻尼，其抑制转子不稳定涡动的能力更强。而且该种结构克服了单层鼓泡箔片轴承刚性支点处容易发生磨损的缺点。

图9 单层鼓泡箔片轴承Fig.9 Single-layer protuberant gas foil bearing

图10 双层弹性支承鼓泡箔片轴承Fig.10 Double-layer protuberant gas foil bearing

图11为鼓泡多层弹性支承箔片轴承－转子系统的振动时域和频域分析，以及转子轴心轨迹。其轴心轨迹清晰平滑，重叠性较好。从图11(b)可以看出，在转速达到102 kr/min时，其低频不稳定涡动几乎可以忽略，转子能够十分平稳的运转。此种轴承表现出了非常优异的支承特性和动力学稳定性。

图11 双层鼓泡支承箔片轴承最高转速的时域和频域分析及轴心轨迹Fig.11 Rotor rotating trajectory and synchronous vibration amplitude of turboexpander supported by double-layer protuberant gas foil bearing

3 结论

箔片动压气体轴承在高速透平膨胀机上的实验研究表明:

1)轴承的实际运行性能与弹性支承结构密切相关。从国内外的发展趋势来说，箔片动压气体轴承性能的改进主要是构建一种具有更加优异刚度和阻尼特性的轴承弹性支承结构。

2)箔片轴承性能的优劣必须依赖其在透平膨胀机中运行的稳定性和可靠性来评定。本文中提到的4种箔片动压气体轴承，虽然都能够实现高速甚至超高速下的稳定运转，但是考虑到其可靠性与使用寿命，单层鼓泡箔片动压气体轴承由于支点刚度过大，多次启停后容易造成支点处顶层箔片磨损，大大的削弱了轴承－转子系统的可靠性，不具有实用价值。因此，对于箔片轴承的研究，实际上是对其支承高速透平支承特性的全面考察与分析。

3)箔片动压气体轴承在低温高速透平机械中具有广阔的应用前景。在大型低温工程的透平膨胀机中，目前来说我国还没有实现自主研发的箔片动压气体轴承的实际应用。因此，虽然我国在箔片轴承的研发方面取得了一定的基础成果，但是该领域技术的完全自主化还有待于进一步增强。

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