王青鋒，祁影霞，潘帥, 蔣珍華，周偉楠，鄧偉峰，朱海峰

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

高溫超導材料自從1987年被發(fā)現(xiàn)以來，西方發(fā)達國家先后進行了有關(guān)超導電子器件的應(yīng)用研究。該應(yīng)用研究包括偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、深空探測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，而超導器件配套的低溫制冷機要求冷量大、可靠性高、效率高、壽命長[1-4]。其中所使用的線性壓縮機使用壽命和可靠性是其配套使用的低溫制冷機一大瓶頸。影響線性壓縮機的使用壽命和可靠性重要因素是運動活塞造成的摩擦和磨損[5-8]。因此減少線性壓縮機運動活塞的摩擦、改善線性壓縮機活塞的支撐方式是提高低溫制冷機壽命和可靠性的重要途徑。

孔中科等[9]通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬，研究了不同壓力腔形狀對氣體靜壓軸承靜態(tài)性能的影響。針對不同形狀的壓力腔，研究分析了氣膜內(nèi)壓力分布、氣體質(zhì)量流量和承載力等靜態(tài)性能。

王建中等[10]分析了長壽命自由活塞斯特林制冷機中靜壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)和性能影響因素以及其對制冷機性能的影響。

鐘瑞興等[11]從動壓滑動軸承工作條件著手，分析了軸承摩擦耗功的影響因素；采用轉(zhuǎn)子動力學軟件進行軸承耗功計算，并通過實驗進行驗證。

氣體軸承線性壓縮機，具有效率高、體積小的特點，該氣體軸承技術(shù)在斯特林制冷機應(yīng)用已經(jīng)比較普遍。代表性的 Sunpower（美國）公司在空間應(yīng)用已經(jīng)有很成熟的技術(shù)，其開發(fā)的單機級斯特林技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)超過 13萬小時[12-15]。但由于技術(shù)的相對封鎖，特別是在斯特林制冷機線性壓縮機領(lǐng)域，國內(nèi)對這方面的研究還很少，公開的資料相對較少[16-20]，因此有必要對用氣體軸承的線性壓縮機進行相關(guān)的研究。

1 氣浮活塞結(jié)構(gòu)與原理

活塞由氣體軸承系統(tǒng)支撐，該活塞和相應(yīng)的氣缸壁沒有接觸，摩擦較小?；钊舷掠捎跉怏w間隙不同，這使活塞與氣缸上側(cè)的間隙較大，氣體流動阻力較小，下側(cè)間隙較小，氣體流動阻力較大，上下間隙兩側(cè)有不同壓力，該壓力差提供了活塞的徑向向心力，這使活塞能夠遠離氣缸，從而減小摩擦。如圖1所示為典型的氣體軸承示意圖。

當活塞在氣缸中間時，高壓腔中的流動阻力約等于活塞與氣缸之間的環(huán)形間隙的流動阻力。當活塞移動到下側(cè)時，下側(cè)間隙中流動阻力將會上升，這將會使軸承氣墊壓力更加接近高壓儲氣腔中的壓力。上側(cè)間隙中流動阻力將會下降，這樣就在活塞兩側(cè)形成了壓力差，提供了活塞支撐力使活塞不至于接觸氣缸壁，從而減少摩擦。

1.1 耗氣量計算模型

在氣體軸承中耗氣量m計算模型如下：

式中：

Pd——氣浮活塞出氣孔壓力，MPa；

Pa——節(jié)流孔出氣孔壓力，MPa；

μ——氣體黏度；

n——節(jié)流孔個數(shù)；

R——氣體常數(shù)；

T——軸承工作溫度，℃；

L——節(jié)流孔到排氣區(qū)的距離，mm；

D——軸承內(nèi)直徑即活塞直徑，mm；

h——氣膜間隙厚度，μm。

計算關(guān)鍵在于求解節(jié)流孔后的壓力Pa，可參考文獻[21]。

2 氣浮活塞CFD數(shù)值模擬研究

影響氣體軸承的承載力和耗氣量的影響因素有：氣浮軸承的充氣壓力P0，氣體間隙厚度h，偏心率?，節(jié)流孔孔徑d，節(jié)流孔孔距L，在本文中就影響氣體活塞的特性進行探討。其中P0為整機系統(tǒng)的充氣壓力，h為氣缸與活塞之間的間隙距離，?為活塞偏離氣缸中心距離與氣體間隙的比值，?為活塞表面出氣孔的直徑，L為節(jié)流孔中心之間的距離。

邊界條件為壓力進出口條件，設(shè) Pin=P0、Pout1=Pc、Pout2=Pb，其中Pin為氣體軸承進氣口壓力，Pout1和Pout2為出氣口壓力，Pb為壓縮腔體壓力，Pc為背壓腔體壓力。下圖2為在本實驗課題中的氣體軸承網(wǎng)格劃分圖，模型網(wǎng)格數(shù)總數(shù)為 45萬左右，網(wǎng)格數(shù)量適中，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

2.1 間隙h對氣浮活塞承載力和耗氣量的影響

氣體間隙h對氣體軸承承載力和耗氣量有不同的影響，控制變量節(jié)流孔數(shù)為8，節(jié)流孔直徑0.2 mm，充氣壓力為 3 MPa條件不變時，選取氣體間隙為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm，氣體軸承在不同的偏心率為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6條件下，承載力和耗氣量隨著氣膜間隙的變化量。

圖1 氣體軸承示意圖

圖2 氣體軸承網(wǎng)格劃分圖

圖3和圖4表明在一定的偏心率情況下，活塞的承載力隨著氣膜間隙的增大而減小，而耗氣量增大。這是因為當氣膜間隙變大的時候，氣膜間的壓力從節(jié)流孔出口到活塞兩端氣體出口壓力快速下降，從而導致活塞上下間隙壓差變小，氣體潤滑性作用變小，提供的承載力變小。降低氣膜間隙10 μm，承載力最大增加63%，耗氣量降低88%。當偏心率變大的時候，活塞承載力逐漸變大，耗氣量基本不變。偏心率越大，氣浮活塞有一個活塞偏心方向相反的更大的支撐力，從而使活塞能夠回到平衡位置。這使活塞具有自動回復到平衡位置的特性，這在線性壓縮機的設(shè)計中具有重要意義。

圖3 氣膜間隙對氣浮活塞承載力的影響

圖4 氣膜間隙對氣浮活塞耗氣量的影響

2.2 節(jié)流孔中心距L對氣浮活塞承載力和耗氣量的影響

研究節(jié)流孔中心距對氣體軸承承載力和耗氣量的影響，在其它條件節(jié)流孔數(shù)為 8、氣體間隙為20 μm、節(jié)流孔直徑為0.2 mm不變時，承載力和耗氣量在不同的充氣壓力隨著節(jié)流孔中心距的變化情況。

在研究節(jié)流孔中心距對承載力及耗氣量影響時，選取節(jié)流孔中心距20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。圖5和圖6表明在所選中心距范圍內(nèi)，隨著中心距的增加，承載力逐漸減低，耗氣量變化不大。增大節(jié)流孔中心距10 mm，承載力最大減少36%，耗氣量增大4.2%。這是由于隨著節(jié)流孔中心距增大，節(jié)流孔到兩端面的距離逐漸減小，氣體從節(jié)流孔很快流出，這使得活塞表面壓力下降更快，從而使氣體軸承承載力降低。

圖5 節(jié)流孔中心距對氣浮活塞承載力的影響

圖6 節(jié)流孔中心距對氣浮活塞耗氣量的影響

在節(jié)流孔中心距不變的情況下，從圖5可以看出氣體軸承承載隨著充氣壓力的增加而增加，這是由于當充氣壓力增加的時候，氣體軸承活塞表面的壓力分布相對增大，偏心方向上下壓力差加大，使得活塞表面壓力積分變大，即承載力隨著進氣壓力增大而增大。從圖6可以看到，耗氣量隨著節(jié)流孔中心距的增大，變化并不明顯，這是由于耗氣量主要是由進排氣壓差決定的，當進氣壓力增大的時候，進氣口速度增加，從而使氣體軸承兩端排氣口的出氣質(zhì)量流量增大。當進氣壓力不變的時候，氣體活塞的耗氣量基本不變。

2.3 進氣壓力P0對氣浮活塞承載力和耗氣量的影響

在討論進氣壓力P0對于氣體軸承特性影響的時候，控制變量偏心率0.5、節(jié)流孔孔距20 mm、節(jié)流孔數(shù)為8、氣體間隙為20 μm。計算氣體軸承承載力和耗氣量在不同的節(jié)流孔中心距的變化情況。

從圖7可以看出氣體軸承是雙排孔且節(jié)流孔直徑不變時，承載力會隨著進氣壓力的增加而增加，這是由于進氣壓力增加時，氣體軸承在偏心方向上下部分壓力分布差逐漸增大，提供的壓力積分逐漸增大。增大壓力0.5 MPa，承載力最大增加29%，耗氣量增加增加46%。增大節(jié)流孔直徑0.1 mm，承載力最大增加70%，耗氣量增加64%。當壓力不變時，氣體軸承承載力隨著節(jié)流孔的直徑增加，從圖8可以看到耗氣量隨著進氣壓力和節(jié)流孔直徑增大而增大。

圖7 進氣壓力對氣浮活塞承載力在不同節(jié)流孔直徑的影響

圖8 進氣壓力對氣浮活塞耗氣量在不同節(jié)流孔直徑的影響

2.4 節(jié)流孔數(shù)目對氣浮活塞承載力和耗氣量的影響

在考慮節(jié)流孔數(shù)目對氣浮活塞和耗氣量的影響時，取節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔孔距、偏心率、氣體間隙、排數(shù)分別為 0.2 mm、20 mm、0.5、20 μm、2的情況下，氣體軸承承載力和耗氣量隨節(jié)流孔數(shù)目的變化情況，在本文中節(jié)流孔數(shù)目單排選取分別為4個和6個。圖9和圖10為單排是6個孔時氣體軸承迭代計算后，氣浮活塞外表面承載力和耗氣量隨著進氣壓力的變化情況。

圖9和圖10顯示了節(jié)流孔數(shù)目對活塞承載力及耗氣量的影響?？梢钥闯霎斶M氣壓力不變時，隨著節(jié)流孔數(shù)目的增多，承載力逐漸增大，耗氣量也隨著上升。節(jié)流孔數(shù)目由8到12時承載力最大增加49%，耗氣量增加43%。這是由于節(jié)流孔在活塞表面圓周方向增加時，活塞表面的壓力分布更加均勻，節(jié)流降壓作用明顯，氣體從小孔流出，相對均勻流出兩個端面，減少了氣流繞流和周向運動，從而使氣體軸承表面的承載力提升。當節(jié)流孔數(shù)目不變，氣體軸承的耗氣量隨著進氣壓力增加，這是由于耗氣量主要是由進出壓力差決定的。當節(jié)流孔數(shù)目增加，耗氣量增加，這是由于當節(jié)流孔數(shù)目增加時，氣體間隙的節(jié)流孔排出的氣體增多，進而使得活塞的出氣量增加。

圖9 節(jié)流孔數(shù)目對氣浮活塞承載力的影響

圖10 節(jié)流孔數(shù)目對氣浮活塞耗氣量的影響

3 結(jié)論

增加節(jié)流孔直徑0.1 mm、充氣壓力0.5 MPa和節(jié)流孔中心距10 mm，最大增加承載力和耗氣量分別為70%、64%。降低氣膜間隙10 μm，最大增加承載力為63%，降低耗氣量88%。提高節(jié)流孔直徑、進氣壓力，可以提高氣體軸承承載力，但同時也提高了氣體軸承的耗氣量。提高承載力可以提高氣體軸承自動回中的性能，但同時氣體軸承氣體間隙的耗氣量增加又會使氣體軸承的性能降低，因此對于氣體軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮。

增加節(jié)流孔孔距，可以增加氣體間隙的耗氣量、降低氣體軸承承載力；提高氣體軸承氣體間隙，可以提高間隙的耗氣量，且會降低氣體軸承的承載力；考慮目前的加工工藝，氣體間隙不能太??；因此，對于優(yōu)化氣體軸承間隙需要同時考慮承載力、耗氣量和加工工藝精度等指標。本文對影響氣體軸承性能的參數(shù)進行了模擬研究，對于優(yōu)化線性壓縮機氣體軸承具有一定的指導作用，有利于制冷機整機性能的提升。