賴天偉,馬斌,鄭越青,2,侯予,陳雙濤

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安;2.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所, 621900, 四川綿陽)

多層彈性支承箔片動壓氣體徑向軸承穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

賴天偉1,馬斌1,鄭越青1,2,侯予1,陳雙濤1

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安;2.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所, 621900, 四川綿陽)

為了保證軸承支承高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行,提出了一種具有多層彈性支承結(jié)構(gòu)的新型箔片動壓氣體軸承。該軸承采用兩層或多層具有鼓泡狀凸起陣列的金屬箔片作為彈性支承結(jié)構(gòu),通過調(diào)整鼓泡陣列的周向和軸向截距或調(diào)整上下層彈性箔片布置,可以實(shí)現(xiàn)軸承支承剛度特性和阻尼特性的調(diào)節(jié)。在直徑為25mm主軸的高速(10萬r/min)透平膨脹機(jī)上,實(shí)驗(yàn)研究了這種箔片軸承支承高速轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)特性,詳細(xì)分析了3種典型排列方式下轉(zhuǎn)速與壓力的關(guān)系,以及高速轉(zhuǎn)子升速及降速特性。結(jié)果表明:采用不同的多層結(jié)構(gòu)排列方式,可以有效調(diào)整和改善彈性箔片軸承支承高速透平轉(zhuǎn)子的剛度和阻尼特性,抑制高速轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定渦動;多層彈性箔片軸承能夠產(chǎn)生多重剛度及多重阻尼,從而改進(jìn)了傳統(tǒng)箔片軸承剛度和阻尼的影響,改善了彈性箔片動壓氣體軸承的穩(wěn)定性和可靠性。

箔片氣體軸承;動壓軸承;多層結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性

箔片動壓氣體軸承在高速透平機(jī)械,如透平膨脹機(jī)、渦輪增壓機(jī)、離心式壓縮機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)[1-2]中廣泛應(yīng)用。采用柔性表面和彈性支承結(jié)構(gòu)作為承載元件的箔片動壓氣體軸承,其彈性支承結(jié)構(gòu)直接決定著軸承的靜態(tài)和動態(tài)特性,因此設(shè)計和選用合適的支承結(jié)構(gòu)及支承方式,對于保證軸承支承高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的箔片動壓氣體軸承存在著阻尼和剛度單一的缺陷,為了提高軸承的性能,國內(nèi)外研究人員在箔片軸承彈性支承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面做了大量的研究工作,內(nèi)容包括采用彈簧作為彈性支承元件,不同載荷下多級彈性支承結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)節(jié),銅絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)下彈性支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,多層卷曲箔片的支承結(jié)構(gòu),彈性橡膠支承結(jié)構(gòu)在17 mm主軸逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)上的實(shí)驗(yàn)研究,銅絲支承材料特性對彈性箔片軸承穩(wěn)定性的影響,采用全金屬結(jié)構(gòu)的單層彈性鼓泡型箔片軸承[3-10]。

本文在單層彈性鼓泡型箔片軸承的基礎(chǔ)上[10-11],提出了多層彈性支承的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。彈性支承箔片采用球冠狀凸起陣列作為支承點(diǎn),頂層平箔在流體動壓下產(chǎn)生彈性形變,上層鼓泡箔片的形變?yōu)檩S承提供了額外的形變量,各層箔片之間相對滑動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻尼有利于提高軸承的穩(wěn)定性。針對多層彈性支承箔片軸承的上述特點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)著重研究了該軸承應(yīng)用于高速透平的穩(wěn)定性特性。

1 多層彈性支承箔片軸承的基本結(jié)構(gòu)

彈性支承箔片的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,多層彈性支承箔片軸承的原理如圖1所示。兩層彈性鼓泡支承箔片的凸起面朝向頂層平箔,下層彈性支承箔片為中間層箔片提供彈性支承點(diǎn),中間層彈性支承箔片利用自身的彈性形變?yōu)椴S承提供更多的形變量。在裝配上,多層彈性支承箔片可以提供一定的預(yù)載荷,可為變形留有空間。在運(yùn)行中,彈性結(jié)構(gòu)能夠吸收外部沖擊,保證軸承可靠運(yùn)行。

多層彈性支承箔片軸承中,鼓泡相對位置有多種組合方式,3種典型的鼓泡位置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 彈性支承箔片的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 多層彈性支承箔片軸承原理圖

圖中Spu和Sau分別表示上層鼓泡箔片的周向和軸向節(jié)距,Spb和Sab分別表示底層鼓泡箔片周向和軸向節(jié)距。

(a)周叉軸順 (b)周叉軸叉 (c)周順軸叉

采用周向叉排、軸向順排(簡稱周叉軸順,見圖2a)方式,軸向上鼓泡位置處的剛度較高,兩排鼓泡之間的頂箔形變較大,頂箔與轉(zhuǎn)子之間的氣流間隙增大有利于啟停階段摩擦熱散失;采用周向叉排、軸向叉排(簡稱周叉軸叉,見圖2b)方式,鼓泡箔片上下兩層交叉布置,上層彈性支撐箔片形變較大,軸承表面形變較為均勻;采用周向順排、軸向叉排(簡稱周順軸叉,見圖2c)方式,周向上鼓泡位置處的剛度較高,有利于周向鼓泡位置處形成小的楔形空間,啟停階段承載力增強(qiáng)。

2 多層彈性支承箔片軸承的特點(diǎn)

相比于單層箔片軸承,多層彈性支承鼓泡箔片軸承的特點(diǎn)如下。

(1)在軸承的啟停階段,轉(zhuǎn)子與箔片之間會產(chǎn)生一定的摩擦熱,多層彈性支承結(jié)構(gòu)的間隙比單層箔片軸承的大,有利于避免摩擦熱的積聚。

(2)多層鼓泡軸承箔片之間會產(chǎn)生相對運(yùn)動和形變,各層鼓泡箔片之間的相對滑移和形變有利于增加庫倫阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼,可以抑制轉(zhuǎn)子渦動。另外,多層鼓泡軸承的結(jié)構(gòu)簡單,易于加工和裝配,易于施加預(yù)載荷。

(3)多層結(jié)構(gòu)的表面剛度和結(jié)構(gòu)特性良好,有利于軸承啟停,抵抗沖擊力強(qiáng)。多層彈性支承動壓徑向氣體箔片軸承具備了一般箔片動壓徑向氣體軸承的吸收振動能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

高速透平膨脹機(jī)軸承性能實(shí)驗(yàn)臺如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由透平膨脹機(jī)、電氣比例閥、過濾器和數(shù)據(jù)采集存儲工控機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)中高壓空氣由75kW阿特拉斯螺桿壓縮機(jī)提供,供氣壓力最高達(dá)1.15MPa,標(biāo)準(zhǔn)工況下最高流量為600 m3·h-1。

圖3 高速透平膨脹機(jī)軸承性能實(shí)驗(yàn)臺

高速透平膨脹機(jī)是在西安交通大學(xué)研制的制氧機(jī)用透平膨脹機(jī)(PLK-8.33×2/20-5)的基礎(chǔ)上改造而成,該透平機(jī)包括轉(zhuǎn)子、徑向軸承、止推軸承、殼體、噴嘴環(huán)、蝸殼等。表2列出了高速透平膨脹機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。透平膨脹機(jī)經(jīng)中壓透平改造后可工作在50 000～110 000 r/min之間,透平膨脹機(jī)進(jìn)氣由手動閥調(diào)節(jié)。采用單排靜壓小孔為止推軸承供氣,以平衡透平軸向力,止推氣膜間隙為30 μm。靜壓止推軸承壓力控制裝置為SMC ITV3050-214N電氣比例閥。實(shí)驗(yàn)用徑向軸承的實(shí)物如圖4所示。

表2 高速透平膨脹機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

圖4 實(shí)驗(yàn)用箔片徑向軸承

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

同一軸承在名義半徑間隙為0的情況下,通過改變上下層彈性支承鼓泡箔片的相對位置關(guān)系,開展了軸承穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究,得到了供氣壓力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系和升降速瀑布圖。

4.1 供氣壓力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系

在高速透平膨脹機(jī)中,升降速運(yùn)行要求平穩(wěn),因此對透平膨脹機(jī)中彈性支承元件的性能提出了更高的要求。同一供氣壓力下,透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速可以反映軸承在氣膜厚度和摩擦力矩方面的特性。升速過程中,3種鼓泡相對位置下透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速與供氣壓力之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出,透平膨脹機(jī)升速和降速過程并不重合,同一供氣壓力下的降速過程中轉(zhuǎn)速明顯高于升速過程。另外,為了保證轉(zhuǎn)子的順利起飛,升速過程較快,因此升速過程中供氣壓力-轉(zhuǎn)速曲線較陡;為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)著陸,降速過程較為緩慢,供氣壓力-轉(zhuǎn)速曲線較為平緩。啟動過程中,頂箔與支承箔片的摩擦力會阻止氣膜間隙增大,從而增大了轉(zhuǎn)子的啟動力矩;降速過程中,摩擦力會阻止氣膜間隙減小,在較大氣膜間隙下摩擦力矩較小,此時轉(zhuǎn)子具有較高的轉(zhuǎn)速。測量時由于瞬態(tài)過程及啟動過程較快,因此最低的穩(wěn)定速度在60 000 r/min左右,而降速過程中最低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在30 000 r/min左右。鼓泡相對位置采用周叉軸順方式,轉(zhuǎn)子的起飛轉(zhuǎn)速較高,而在啟動過程中同一供氣壓力下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較低;鼓泡相對位置采用周順軸叉方式,轉(zhuǎn)子在升速時情況良好,但在降階時轉(zhuǎn)速較低;鼓泡相對位置采用周叉軸叉方式,升速和降速時的轉(zhuǎn)速均比較高。

(a)升速

(b)降速

4.2 振動特性分析

為了評價不同結(jié)構(gòu)下軸承的穩(wěn)定性,本文分析了軸承的升降速瀑布圖及振動信號的時域和頻域特性。周叉軸叉方式下軸承的升降速瀑布圖如圖6所示。從圖6可以看出:在升速過程中,可顯示的最低轉(zhuǎn)速為51 330 r/min,振幅大約為5μm,低速時低頻渦動較小;轉(zhuǎn)速升高到80 000 r/min時低頻渦動出現(xiàn),但是低頻渦動幅值相對于主頻振幅較小。在高轉(zhuǎn)速下,主頻振幅最大值達(dá)到24 μm,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到102 363 r/min。在降速過程中,低頻振幅相對于主頻振幅較小,與升速過程類似,降速過程中的最低轉(zhuǎn)速為25228 r/min。由此可見,整個過程中低頻渦動較小,低頻渦動的頻率基本穩(wěn)定,振幅有所增大,但相對于主頻振幅仍然較小。本文中轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為70 000 r/min,但是整個過程中的振幅未出現(xiàn)較大的變化,說明具有柔性表面的軸承可以抑制軸承的振動,使轉(zhuǎn)子順利通過臨界轉(zhuǎn)速,同時低頻渦動較小。

最高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動信號如圖7所示。從圖7可以看出:X方向振幅的最大值在25μm左右,Y方向振幅的最大值在20 μm左右,主頻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為透平膨脹機(jī)運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速;在最高轉(zhuǎn)速下,軸承的軸心軌跡清晰規(guī)則,說明高轉(zhuǎn)速下透平膨脹機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

(a)升速

(b)降速

圖7 最高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動信號

由于篇幅的限制,本文僅給出了周叉軸叉排列方式下軸承的運(yùn)行特性,其他方式下軸承的振動特性與周叉軸叉方式類似。

5 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了多層彈性支承結(jié)構(gòu)對箔片軸承高速穩(wěn)定性的影響。通過合理調(diào)整多層彈性支承箔片軸承中箔片的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用周叉軸叉排列方式的剛度和阻尼特性較好,升降速過程中低頻渦動較小。這種支承結(jié)構(gòu)可以較好地抑制次同步渦動,實(shí)驗(yàn)中最高轉(zhuǎn)速達(dá)到102 363 r/min。本文理論研究的不足之處將在后續(xù)工作中予以開展。

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(編輯 苗凌)

ExperimentalInvestigationonStabilityofMulti-DeckedProtuberantFoilGasJournalBearing

LAI Tianwei1,MA Bin1,ZHENG Yueqing1,2,HOU Yu1,CHEN Shuangtao1

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China)

A kind of new hydrodynamic gas foil bearing with multi-decked elastic supporting structure was proposed for the stable operation of the high speed rotor supported by gas foil bearing.In this kind of foil bearing, double or multi layers of protuberant foils with projection array are adopted as the supporting structure, and the bearing stiffness and damping characteristics adjustments can be realized through changing the pitch of spherical crown in the peripheral and axial directions as well as the arrangement of the supporting foils.The experimental investigation on the high speed rotor supported by the new foil bearing was conducted on a high speed turboexpander with the rotor diameter of 25mm.The relations between rotor speed and supply pressure, and the feature of the rotor speed-up and speed-down processes using three typical arrangement modes were analyzed.The test results show that the stiffness and damping characteristics can be adjusted and improved effectively by adopting different foil arrangement modes for the rotor supported by elastic foil bearing, and the unstable wobble can be suppressed.In addition, stiffness and damping effect in conventional gas journal bearing may be improved by introducing multiple stiffness and damping characteristics generated in the multi-decked structure of elastic foil bearing, leading to a better stability and reliability of the present hydrodynamic gas foil bearing.

gas foil bearing; hydrodynamic bearing; multi-decked structure; stability

10.7652/xjtuxb201403015

2013-05-24。

賴天偉(1982—),男,博士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金委員會、中國工程物理研究院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(11176023);中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(CRYO201226);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目。

時間: 2013-12-19

TH117.1

:A

:0253-987X(2014)03-0079-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.004.html