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        空氣軸承支撐的燃料電池離心空壓機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

        2020-12-01 02:48:32靳彩妍徐方程吳孟龍范俊巖辛軍
        汽車零部件 2020年11期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        靳彩妍,徐方程,吳孟龍,范俊巖,辛軍

        (1.奕森科技(上海)有限公司,上海 201703;2. 大連理工大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116024;3.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備智能控制與優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

        0 引言

        燃料電池是一種能直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。燃料電池內(nèi)部反應(yīng)過程的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng),燃料通過陽極側(cè)進(jìn)入,空氣或氧氣通過陰極側(cè)進(jìn)入,二者在電解質(zhì)兩側(cè)分別發(fā)生燃料氧化反應(yīng)與還原反應(yīng),電子流經(jīng)外電路做功,從而產(chǎn)生電能[1]。因?yàn)槿剂想姵氐倪@種能量轉(zhuǎn)換方式不用經(jīng)過熱機(jī)過程,不被卡諾循環(huán)約束,所以能量轉(zhuǎn)換效率很高。

        燃料電池按照電解質(zhì)可以分為:質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)及固體氧化物燃料電池(SOFC)等[2]。

        燃料電池用空壓機(jī)需要滿足無油性、高效率、小型化和低成本、低噪聲、動態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。目前,常用的燃料電池空壓機(jī)主要有離心式、羅茨式、螺桿式3種,離心空壓機(jī)是通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功[3],在葉輪與擴(kuò)壓器流道內(nèi),利用離心升壓和降速、擴(kuò)壓的作用,將機(jī)械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能,具有機(jī)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點(diǎn)。

        空氣軸承是一種自潤滑動壓滑動軸承,相比于傳統(tǒng)的油潤滑滑動軸承和滾動軸承,空氣軸承具有高轉(zhuǎn)速、零環(huán)境污染、工作溫度高及壽命長特點(diǎn)使其與燃料電池系統(tǒng)無油環(huán)境要求匹配。

        波箔型徑向空氣軸承是空氣箔片軸承的一種結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。其由底層的波紋箔片和頂層的平箔片共同組成。建立箔片結(jié)構(gòu)剛度模型是研究箔片軸承物理特性的重要一環(huán),也是進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的重要參數(shù)。

        圖1 箔片空氣軸承結(jié)構(gòu)

        1 轉(zhuǎn)子動力學(xué)計(jì)算

        由于燃料電池空壓機(jī)轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速、空氣軸承低阻尼特性[4],設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子要求是剛性轉(zhuǎn)子,即空壓機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速要求遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。

        1.1 空壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        兩級壓縮空壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由低壓級葉輪、高壓級葉輪、主軸、空氣軸承、永磁同步電機(jī)、電機(jī)冷卻水套及殼體等部分組成。

        圖2 兩級壓縮燃料電池空壓機(jī)結(jié)構(gòu)

        離心式空壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速越高,其壓比越高,但高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性需要重點(diǎn)關(guān)注,綜合考慮各方因素下,整個(gè)空壓機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為:電機(jī)位于轉(zhuǎn)子中間,兩個(gè)徑向空氣軸承分別位于電機(jī)兩側(cè),兩個(gè)止推空氣軸承位于低壓極端,兩個(gè)葉輪分別位于轉(zhuǎn)軸的兩端,使得轉(zhuǎn)子的重心盡量靠近中心,提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

        1.2 空氣軸承剛度阻尼計(jì)算

        空氣軸承不僅提供支撐作用,更是空壓機(jī)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的重要部分,波箔型空氣軸承的動力特性對整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有很大的影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5],基于單個(gè)波紋箔片非線性剛度模型,通過有限差分法耦合求解氣體Reynolds方程、氣膜厚度方程,從而求解出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子載荷下的氣彈耦合徑向空氣軸承剛度阻尼值。

        求解空氣軸承剛度阻尼系數(shù)的假設(shè)如下:

        (1)在空氣膜厚度方向上,空氣壓力認(rèn)為是恒定的。

        (2)空氣在軸承頂箔表面上的速度為0,在轉(zhuǎn)軸表面上的速度為Rω。

        (3)氣體為理想氣體。

        (4)氣體是絕熱的。

        通過以上假設(shè),Reynolds方程可寫為

        (1)

        式中:r為軸承圓周方向坐標(biāo);

        z為軸承軸向長度坐標(biāo);

        R為軸徑半徑;

        h為氣膜厚度;

        p為氣膜壓力;

        μ為氣體動力黏度;

        Ω為軸徑轉(zhuǎn)速。

        而箔片空氣軸承氣膜厚度方程為

        h=h0+ecos(θ-φ)+ε

        (2)

        式中:h0為箔片空氣軸承的名義半徑間隙;

        e為軸徑的偏心距;

        θ為軸承圓周方向角度;

        φ為偏位角;

        ε為平箔片表面計(jì)算節(jié)點(diǎn)在軸承徑向方向的變形量。

        求解得到設(shè)計(jì)載荷下的徑向軸承剛度阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線,重力方向?yàn)閤如圖3和圖4所示。

        圖3 徑向空氣軸承剛度系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

        圖4 徑向空氣軸承阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

        1.3 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

        1.3.1 轉(zhuǎn)子建模

        利用DyRoBes軟件DyRoBes-Rotor轉(zhuǎn)子動力學(xué)軟件包,對燃料電池離心空壓機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元建模,模型如圖5所示。

        圖5 兩級壓縮燃料電池空壓機(jī)轉(zhuǎn)子模型

        1.3.2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

        由于空氣軸承阻尼較小,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速可以只計(jì)算無阻尼狀態(tài)下的,系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算控制方程為:

        (3)

        式中:kxz為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度系數(shù)矩陣;

        Mxz為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;

        ωi為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速;

        yi為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的振動向量。

        計(jì)算得到空壓機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。

        表1 空壓機(jī)臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果 Hz

        一階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖6所示為圓錐剛體模態(tài),二階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖7所示,三階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)模態(tài)振型如圖8所示,為一階彎曲模態(tài)。當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速附近,轉(zhuǎn)子將會處于共振狀態(tài),如果系統(tǒng)阻尼較小,會造成轉(zhuǎn)子振動應(yīng)力過大而出現(xiàn)斷軸、軸承損壞等失效。

        圖6 一階臨界轉(zhuǎn)速111 Hz,圓錐剛體模態(tài)

        圖7 二階臨界轉(zhuǎn)速129 Hz,圓錐剛體模態(tài)

        圖8 三階臨界轉(zhuǎn)速3 168 Hz,彎曲模態(tài)

        燃料電池空壓機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速是2 000 Hz,通過計(jì)算現(xiàn)有轉(zhuǎn)子的一彎臨界轉(zhuǎn)速是3 168 Hz,運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速是一彎臨界轉(zhuǎn)速的63%,根據(jù)API[6]對剛性轉(zhuǎn)子定義,轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速低于70%一彎臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子可視作剛性轉(zhuǎn)子,滿足設(shè)計(jì)初始目標(biāo)。

        2 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析

        根據(jù)氣彈耦合方法計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的軸承剛度阻尼系數(shù),導(dǎo)入轉(zhuǎn)子動力學(xué)計(jì)算文件,計(jì)算不同轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子不平衡量下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳動位移值,為方便與后續(xù)試驗(yàn)測試結(jié)果對照,選取低壓端壓輪鎖緊螺母端部節(jié)點(diǎn),即模型圖5中的節(jié)點(diǎn)1處位移值作為穩(wěn)定性評估參考點(diǎn)。轉(zhuǎn)子不平衡量加載按照G6.3精度[7]加載在轉(zhuǎn)子的設(shè)定平面上,如圖5中箭頭所示。計(jì)算結(jié)果如圖9—圖11所示。

        圖9 燃料電池空壓機(jī)測點(diǎn)1軸心位移值

        圖10 轉(zhuǎn)子軸心軌跡

        圖11 燃料電池空壓機(jī)軸承受力

        通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算,在工作轉(zhuǎn)速1.20×105r/min范圍內(nèi),軸心位移跳動比率都是低于5%,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許跳動比率20%[8],則轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可穩(wěn)定運(yùn)行;另外選取轉(zhuǎn)速1.20×105r/min下,測點(diǎn)位置的軸心軌跡如圖10所示為橢圓狀。計(jì)算得到徑向空氣軸承在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的受力情況如圖11所示,由于轉(zhuǎn)子重心位置偏向低壓端軸承,低壓端空氣軸承在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)受力大于高壓端軸承受力,轉(zhuǎn)速1.20×105r/min下軸承最大載荷為60 N,低于軸承設(shè)計(jì)承載能力100 N,則軸承在整個(gè)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)下可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        3 結(jié)束語

        根據(jù)氣彈耦合方法求解出空氣軸承的剛度阻尼系數(shù),帶入設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中計(jì)算得到轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速,符合剛性轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)目標(biāo),并且其軸心軌跡跳動低于20%,符合轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性要求。在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),軸承最大受力60 N遠(yuǎn)低于軸承設(shè)計(jì)承載能力100 N,軸承在整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下都是可靠的。

        目前轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)在額定轉(zhuǎn)速下可以穩(wěn)定運(yùn)行,并且余量較大,進(jìn)一步優(yōu)化方向可以減小軸徑及軸承,以提高整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)性。

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