連華奇，李育隆，容誠鈞，吳 宏

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191)

1 引言

隨著載人航天、深空探測等航天事業(yè)的不斷發(fā)展，未來航天器的規(guī)模日益增大，器載設(shè)備的功耗也日益增大，這使得航天器熱排散的需求也越來越大。國際空間站的總排熱功率已達(dá)到110 kW，要求熱控分系統(tǒng)輻射器的散熱能力達(dá)到150 kW[1]?？梢灶A(yù)見，為了滿足大型航天器艙內(nèi)的溫度控制需求，數(shù)百千瓦數(shù)量級(jí)及以上的高熱量的傳輸與排散是航天器熱控制中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[2]。

航天器的主要散熱途徑是熱輻射方式，采用空間熱泵技術(shù)提高輻射散熱溫度是解決大功率的熱排散需求的有效途徑之一[3]。然而，空間用熱泵壓縮機(jī)為旋轉(zhuǎn)部件，在空間微重力條件下存在潤滑問題，會(huì)對熱泵系統(tǒng)的長期運(yùn)行可靠性帶來影響[4]，也成為熱泵技術(shù)在航天工程領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸之一[5]。將氟利昂靜壓氣體軸承作為支承元件，可以統(tǒng)一熱泵循環(huán)工質(zhì)與軸承潤滑工質(zhì)，是解決空間熱泵潤滑與密封問題的有效途徑，對提高熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性具有重要意義[6-7]。靜壓氣體軸承的承載力來自于外部高壓氣體經(jīng)過節(jié)流器流入軸承間隙后形成的氣膜壓力，在微重力環(huán)境下受到的影響較小，適合作為熱泵壓縮機(jī)的支承元件[8]。然而，氣體的粘性遠(yuǎn)低于液體，導(dǎo)致氣體軸承的承載力低于傳統(tǒng)的液體潤滑軸承[9]。低承載力在系統(tǒng)工況改變時(shí)易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，因此，有必要提高靜壓氣體軸承的承載能力，以確保空間用熱泵壓縮機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

開設(shè)均壓槽是經(jīng)濟(jì)、有效地提高氣體軸承承載力的方法，研究表明周向均壓槽可以增加30%以上的承載力[10]。眾多學(xué)者研究了開設(shè)均壓槽后，氣體軸承承載性能的變化規(guī)律。Nakamura等[11]建立了開設(shè)均壓槽的矩形止推軸承的計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)開設(shè)均壓槽后止推軸承的剛度提高了40%；Belforte[12]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶周向均壓槽的止推軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并建立數(shù)學(xué)模型仿真軸承的動(dòng)態(tài)承載性能，發(fā)現(xiàn)槽深必須小于20 mm，否則容易產(chǎn)生氣錘激振現(xiàn)象，即氣體軸承在工作時(shí)出現(xiàn)的一種伴隨著高頻嘯叫的自激振動(dòng)現(xiàn)象；Stanev等[13]建立了結(jié)合人字形槽與節(jié)流孔的軸承模型，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合節(jié)流器在軸承高速運(yùn)行(n=120 000 r/min)時(shí)仍具有較好的穩(wěn)定性；杜建軍等[14-16]建立了徑向軸承的數(shù)值計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)了徑向軸承開設(shè)軸向均壓槽能更有效提升承載，最高承載力可提升至3.5倍等規(guī)律，同時(shí)建模分析了止推氣體軸承開設(shè)周向均壓槽時(shí)出現(xiàn)氣錘激振現(xiàn)象的影響因素，發(fā)現(xiàn)小供氣壓力、小氣膜間隙、小內(nèi)外徑比等條件可以降低氣錘激振出現(xiàn)概率；陳學(xué)東等[17]對開設(shè)矩形和橢圓形的均壓槽的氣體軸承進(jìn)行建模仿真，研究了氣體潤滑劑在節(jié)流孔與均壓槽交界處的流動(dòng)以及軸承承載性能的影響；李樹森等[18]建立了矩形、三角形以及橢圓形三種均壓槽計(jì)算模型，仿真分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三類均壓槽對軸承承載性能的影響，發(fā)現(xiàn)矩形均壓槽是最佳槽型；于普良等[19]設(shè)計(jì)了一種輻射狀的均壓槽，不同于傳統(tǒng)的徑向均壓槽，其徑向截面呈扇形，新型均壓槽在氣膜間隙小于7 μm時(shí)能夠有效提高氣體軸承的承載力；趙曉龍等[20-21]改良了均壓槽的形式，通過設(shè)置會(huì)產(chǎn)生形變的金屬薄板來設(shè)計(jì)均壓槽形狀會(huì)相應(yīng)改變的彈性均壓槽，并建模計(jì)算了彈性均壓槽的動(dòng)態(tài)承載性能，彈性均壓槽在有效提升承載的同時(shí)也大幅增加了軸承的加工復(fù)雜度與難度。

綜上所述，開設(shè)均壓槽能夠有效提升軸承的承載性能，然而現(xiàn)有的研究注重于以空氣為潤滑工質(zhì)的氣體軸承的新型均壓槽的開設(shè)形式以及對承載性能的影響，缺乏其他潤滑工質(zhì)尤其是以氟利昂氣體為潤滑工質(zhì)的研究。因此，本文針對開設(shè)周向均壓槽的止推氣體軸承建立計(jì)算模型，重點(diǎn)分析槽深與槽寬的影響，對比研究工質(zhì)分別為空氣與R134a時(shí)的軸承承載特性變化規(guī)律。

2 數(shù)值模型

開設(shè)周向均壓槽的止推氣體軸承如圖1所示，潤滑氣體首先從節(jié)流孔流入均壓槽中，然后從均壓槽中流入軸承與止推盤的間隙中，最后從軸承間隙的兩側(cè)流出，形成氣膜薄層分隔止推盤與氣體軸承。作為研究對象的止推氣體軸承選用的是環(huán)面孔式節(jié)流器以及單排節(jié)流孔。

對帶均壓槽的止推氣體軸承的流道進(jìn)行建模后，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型，如圖2左圖所示。節(jié)流孔處使用O型網(wǎng)格提高網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)流口底端與均壓槽交界處以及近壁面處加密，如圖2右圖所示。通過網(wǎng)格無關(guān)解之后得到模型的網(wǎng)格數(shù)量為140萬。

圖2 帶均壓槽的止推氣體軸承網(wǎng)格示意圖Fig.2 Calculation model of journal gas bearing

潤滑氣體在氣膜薄層中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Re定義公式如式(1)[22]。

(1)

式中：ρ為潤滑氣體密度，v為潤滑氣體速度，μ為潤滑氣體粘性系數(shù)，n為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，ω為轉(zhuǎn)子角速度。若取n=100 000 r/min，按潤滑氣體為空氣，得到Re≈302.38。因此，n=0 r/min下，由于轉(zhuǎn)速n?100 000 r/min，且潤滑氣體流速遠(yuǎn)小于高轉(zhuǎn)速下的氣體流速，可知Re?302.38，因此選用層流的流動(dòng)模型。同理，工質(zhì)更換為R134a，在n=0 r/min時(shí)，潤滑氣體的Re數(shù)較小，選用層流的流動(dòng)模型進(jìn)行仿真。

選用Fluent進(jìn)行求解，控制方程選用添加能量方程的三維N-S方程，考慮粘性耗散，絕熱壁面。當(dāng)全場殘差小于10-5時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂至真值?？諝饽Ｐ筒捎美硐霘怏w模型，氟利昂氣體模型采用真實(shí)氣體模型，在計(jì)算中物性參數(shù)隨溫度變化而變化[23]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 承載特性隨均壓槽寬的變化規(guī)律

圖3 不同均壓槽寬的止推氣體軸承的承載性能(空氣)Fig.3 Characteristics of thrust gas bearing with different pressure-equalizing groove width (air)

圖3(a)表明，供氣壓力相同時(shí)，隨著均壓槽寬的增加，止推氣體軸承的承載力略有增加，但是增加幅度不明顯，在計(jì)算范圍內(nèi)，承載力的最大變化幅度約為4%。相對地，增大供氣壓力對承載力的增加幅度較為明顯。當(dāng)供氣壓力增大1 atm時(shí)，承載力的增長幅度最小也達(dá)到13.5%(當(dāng)p=6 atm時(shí))。圖3(b)表明，均壓槽寬對質(zhì)量流量的影響規(guī)律也相同。綜上所述，以空氣為工質(zhì)時(shí)，均壓槽寬對止推氣體軸承的承載性能基本無影響。

工質(zhì)更換為R134a后的承載性能如圖4所示。從圖中可以看出，相同槽寬與供氣壓力條件下，止推氣體軸承的承載力約降低至以空氣為工質(zhì)時(shí)的43%～53%，而質(zhì)量流量是以空氣為工質(zhì)時(shí)的1.9～2.7倍，但是均壓槽寬變化對兩者的最大改變幅度約為5%，因此同樣可以認(rèn)為槽寬對兩者基本無影響。

以R134a為工質(zhì)時(shí)，相鄰節(jié)流孔之間均壓槽中線上的壓力分布如圖5所示。可以看出，隨著均壓槽寬的增加，相鄰節(jié)流孔之間的壓力增大，但是增大幅度極小。從節(jié)流孔流出的高壓氣體通過均壓槽向相鄰節(jié)流孔流動(dòng)，而增加均壓槽寬會(huì)增強(qiáng)高壓氣體向相鄰節(jié)流孔的流動(dòng)趨勢。因此，增加均壓槽寬會(huì)導(dǎo)致節(jié)流孔附近的高壓區(qū)向相鄰節(jié)流孔擴(kuò)展。從圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)，高壓氣體向相鄰節(jié)流孔流動(dòng)的增強(qiáng)幅度較小，由此可知，高壓區(qū)向相鄰節(jié)流孔的擴(kuò)展幅度并不大。圖6展示了以R134a為工質(zhì)時(shí)，經(jīng)過節(jié)流孔圓心的徑向壓力分布規(guī)律，從圖中可見，隨著均壓槽寬的增加，徑向壓力分布基本無變化。這說明均壓槽寬的增加并不會(huì)導(dǎo)致節(jié)流孔附近的高壓區(qū)域徑向上的擴(kuò)展。

圖5 相鄰節(jié)流孔間均壓槽中線壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution along the middle line of the pressure-equalizing groove between adjacent feed orifices

綜上所述，隨著均壓槽寬的增加，節(jié)流孔附近的高壓區(qū)域僅周向擴(kuò)展，且擴(kuò)展幅度不明顯，可忽略不計(jì)。這也是止推氣體軸承的承載力隨著均壓槽寬的增加變化極小、可忽略不計(jì)的原因。

3.2 承載特性隨均壓槽深的變化規(guī)律

圖7 不同均壓槽深的止推氣體軸承的承載性能(空氣)Fig.7 Characteristics of thrust gas bearing with different pressure-equalizing groove depth (air)

圖8 不同均壓槽深的止推氣體軸承的承載性能(R134a)Fig.8 Characteristics of thrust gas bearing with different pressure-equalizing groove depth (R134a)

略大于承載力的增大幅度。

圖9 節(jié)流孔圓心處徑向截面流場圖Fig.9 Flow field at the radial cross section passing the feed orifice

圖10 節(jié)流孔圓心處徑向截面流場圖Fig.10 Flow field at the radial cross section passing the feed orifice

4 結(jié)論

1)增加均壓槽寬會(huì)使軸承的承載力與質(zhì)量流量略微增長，但是遠(yuǎn)小于改變供氣壓力后帶來的變化。因此，認(rèn)為均壓槽寬對于軸承的承載性能基本沒有影響。

3)增加均壓槽深時(shí)，均壓槽內(nèi)的低壓通道渦區(qū)域增大，使氣膜層內(nèi)壓力波動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的微振動(dòng)幅度增大，誘發(fā)氣錘激振的可能性增大。