润滑介质种类对气浮轴承性能的影响*

郭 雨 赖天伟 任雄豪 赵 琪 侯予

(西安交通大学能源与动力工程学院 陕西西安 710049)

以离心压缩机与透平膨胀机为代表的高速离心式动力机械具有结构紧凑、流量大、可靠性高、维修费用低等优点，在机械工程和能源动力领域得到了广泛的应用[1-2]。为追求更高的热力学效率，高速离心机械对转子系统转速提出了愈来愈高的要求[3]。因此，其支撑轴承的高速承载特性和可靠性对高速离心机械的工作特性至关重要[4]。采用油脂类润滑介质的传统轴承由于转速限制、循环系统密封性差、润滑介质易污染循环工质、摩擦损耗高和需要额外润滑与冷却系统等原因，难以满足高速离心机械的运行工况要求[5]。以环境工质作为润滑介质的气浮轴承不仅可以保证系统循环的密封性、防止工质污染，还可以降低摩擦损耗、提高轴承寿命、提高回转精度、简化系统结构复杂度、降低故障率等，在高速离心机械中具有良好的发展前景和应用意义[6-7]。根据工作原理的不同，目前被广泛采用的气浮轴承形式主要分为静压气浮轴承与动压气浮轴承。静压气浮轴承的工作原理是通过外部供气装置，提供具有一定压力的气体，在轴承间隙内产生一层具有一定刚度和承载的稳定润滑气膜，实现润滑支撑作用[8]。动压气浮轴承利用轴承工作面的相对运动以及气体的黏性以达到承载作用[9]。

由于采用系统循环工质作为气浮轴承的润滑介质，润滑介质种类对轴承性能具有至关重要的影响。采用不同循环工质的高速离心机械内轴承的润滑介质各异，而目前针对气浮轴承的理论与实验研究主要集中在以空气作为润滑介质的空气轴承。由于超临界CO2动力系统[10-11]、氢液化[12-13]、氦液化[14-15]系统的发展，对不同润滑介质气浮轴承性能进行研究也越来越迫切。本文作者通过流体力学计算软件FLUENT对采用空气、二氧化碳、氢气与氦气作为润滑介质的静压/动压气浮轴承进行数值计算，对不同润滑介质下静压气浮轴承承载力随供气压力的变化以及动压气浮轴承承载力随转速的变化趋势进行了分析。此外，还根据二氧化碳润滑气浮轴承的应用背景，对不同环境压力和温度下的二氧化碳润滑气浮动压轴承承载力进行了数值计算和分析。

1 气浮轴承CFD数值计算基本假设

基于流体力学基本理论，同时考虑轴承间隙内气膜流域结构，文中对气浮轴承气膜间隙稳态流场进行如下假设[16]：(1)工质遵循理想气体定律；(2)工质与壁面间无滑移；(3)转子表面为刚性端面，忽略表面受力与受热形变对于流体域的影响；(4)轴承与转子壁面光滑，忽略壁面粗糙度对于流体域的影响；(5)轴承与转子壁面均设为绝热边界。

采用CFD软件FLUENT中层流模型进行静态仿真计算，并对所绘制网格文件预先进行网格无关性验证，在不同网格数量下数值计算所得的轴承承载力变化范围小于5%。为定性比较润滑介质对于气浮轴承性能的影响，文中采用不同润滑介质的静压/动压气浮轴承均采用相同的轴承结构参数与工作参数。

2 静压气浮轴承CFD数值计算

文中采用某型静压气浮轴承副作为研究对象，如图1所示，静压径向与止推轴承主要结构参数与工作参数分别如表1和表2所示，环境为介质气体标态。

图1 静压气浮径向轴承和止推轴承

分别采用空气、二氧化碳、氢气与氦气作为润滑介质，对不同供气压力下的静压径向/止推气浮轴承进行了CFD数值计算，得到了不同供气压力下静压气浮径向/止推轴承的承载力，并根据数值计算结果对不同润滑介质下的气浮轴承性能进行了分析。计算中为减少网格数量以减少计算时间，对静压径向气浮轴承采用半场建模并将轴承中面边界设置为对称边界条件；对于静压止推气浮轴承，由于其周期性分布的特点，取其1/16的流域进行建模，并将气膜两侧边界设置为周期循环边界。

表1 静压径向轴承结构参数与工作参数

表2 静压止推轴承结构参数与工作参数

不同润滑介质下静压气浮径向与止推轴承承载力随供气压力的变化趋势分别如图2与图3所示。静压气浮轴承承载力受润滑介质的分子结构、气体密度、动力黏度等因素影响。由于其工作原理是通过节流在轴承间隙内形成具有一定承载和刚度的润滑气膜，润滑介质的供气压力是其承载力的主要影响因素。在一定范围内，静压气浮轴承间隙内气膜压力随供气压力的增大近似呈线性增大，因此其承载力也近似呈线性增大。不同润滑介质下静压气浮径向与止推轴承承载力随供气压力的变化趋势基本相同，均随供气压力的升高近似呈线性增大。空气静压气浮径向和止推轴承的承载力在所给定的任意供气压力下均高于其他润滑介质下的气浮轴承。对于静压气浮径向轴承，空气作为润滑介质的静压气浮轴承承载力与其他润滑介质气浮轴承的承载力差值随供气压力的增大而逐渐升高，说明在较高供气压力下，润滑介质种类变化对于静压径向气浮轴承承载特性的影响更为明显。对于静压气浮止推轴承，空气作为润滑介质的静压气浮止推轴承承载力与氦气、氢气作为润滑介质的静压气浮轴承承载力差值随供气压力的增大无明显变化，空气润滑静压气浮止推轴承承载力与二氧化碳润滑静压气浮止推轴承承载力差值随供气压力的增大而逐渐升高。

图2 静压径向轴承承载力随供气压力变化趋势

图3 静压止推轴承承载力随供气压力变化趋势

3 动压气浮轴承CFD数值计算

采用刚性表面动压气浮轴承作为研究对象，如图4所示，其中径向轴承为刚性圆柱径向轴承，止推轴承为六瓦块止推轴承。径向轴承与止推轴承主要结构参数与工作参数分别如表3和表4所示。动压径向轴承与止推轴承气膜厚度变化示意图如图5所示。

图4 刚性动压气浮径向轴承和止推轴承

表3 动压径向轴承结构参数与工作参数

表4 动压止推轴承结构参数与工作参数

图5 动压气浮径向轴承、止推轴承气膜厚度变化

动压止推气浮轴承的瓦块具有周期性分布的特点，文中只取其中一个瓦块所对应的流域进行分析。不同润滑介质下动压气浮径向与止推轴承承载力随转速的变化趋势分别如图6和图7所示。

图6 动压径向轴承承载力随转速变化趋势

图7 动压止推轴承承载力随转速变化趋势

可以看出，不同润滑介质下动压气浮径向与止推轴承承载力随转速的变化趋势基本相同，空气、二氧化碳、氢气与氦气动压气浮径向与止推轴承的承载力均随转速的升高近似呈线性增大。在给定转速范围内，空气润滑与氦气润滑动压气浮径向轴承承载力近似，二氧化碳润滑动压径向轴承承载力略低于空气润滑动压径向轴承，而氢气润滑径向轴承承载力远低于空气润滑动压径向轴承。对于动压气浮轴承，其承载力主要由润滑介质的动压效应产生，而流体动压效应随流体的黏度的增大而增大。因此，不同润滑介质下动压气浮止推轴承的承载力与润滑介质黏度变化趋势一致。

4不同环境压力与温度下CO2动压气浮轴承CFD数值计算

二氧化碳气浮轴承主要应用于超临界二氧化碳闭式布雷顿循环的高速透平机械中，而超临界二氧化碳透平机械的工作环境压力与温度均对气浮轴承的性能具有重要影响。二氧化碳的临界温度和压力分别为：304.4 K和7.29 MPa，其黏度随温度及压力的变化趋势如图8所示。由于文中研究对象为气浮轴承，当环境压力高于7.29 MPa、温度低于304.4 K时(亚临界状态)，二氧化碳处于液态时的工况点不予考虑，计算所采用工况点下二氧化碳的相态均为气态或超临界态。

图8 CO2黏度随温度及压力的变化趋势

当转速为1×105r/min时，二氧化碳动压径向轴承以及动压止推轴承单个瓦块的承载力随环境温度和压力的变化趋势分别如图9和图10所示。可以看出，由于动压径向轴承的承载力来源于偏心状态下转子高压区与低压区间的压力差，该压差主要由润滑介质的动压效应产生。因此二氧化碳润滑动压气浮径向轴承承载力的变化趋势主要受二氧化碳介质黏度影响。而动压止推轴承的承载力来源于以环境压力为基数的止推间隙压力与环境压力压差，环境温度对于轴承承载力的影响相对较弱，故二氧化碳润滑动压气浮止推轴承的承载力随环境压力的增大近似呈线性增大。

图9 CO2动压径向轴承承载力随温度和压力变化趋势

图10 CO2动压止推轴承单瓦块承载力随温度和压力变化趋势

5 结论

(1)润滑介质对于静压气浮径向和止推轴承的承载特性均具有明显影响，不同润滑介质在相同计算参数下的承载力由大到小排序大致为空气、氦气、氢气、二氧化碳。

(2)受流体动压效应影响，润滑介质对于动压气浮径向和止推轴承的承载特性均具有明显影响，不同润滑介质动压气浮轴承承载力变化趋势基本与润滑介质黏度变化趋势保持一致。

(3)二氧化碳润滑动压气浮径向轴承的承载力随环境温度及压力的变化趋势基本与其黏度(随温度及压力的)变化趋势一致；动压止推轴承的承载力随环境压力的增大近似呈线性增大，而此时环境温度对于轴承承载力的影响基本可忽略不计。

(4)由于目前的气浮轴承设计方法均基于空气作为润滑介质前提，因此，在进行静压、动压气浮径向和止推轴承结构设计时，需考虑润滑介质变化对于轴承承载性能的影响。