郭 雨 賴天偉 任雄豪 趙 琪 侯予

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 陜西西安 710049)

以離心壓縮機(jī)與透平膨脹機(jī)為代表的高速離心式動(dòng)力機(jī)械具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量大、可靠性高、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械工程和能源動(dòng)力領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。為追求更高的熱力學(xué)效率，高速離心機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速提出了愈來(lái)愈高的要求[3]。因此，其支撐軸承的高速承載特性和可靠性對(duì)高速離心機(jī)械的工作特性至關(guān)重要[4]。采用油脂類潤(rùn)滑介質(zhì)的傳統(tǒng)軸承由于轉(zhuǎn)速限制、循環(huán)系統(tǒng)密封性差、潤(rùn)滑介質(zhì)易污染循環(huán)工質(zhì)、摩擦損耗高和需要額外潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)等原因，難以滿足高速離心機(jī)械的運(yùn)行工況要求[5]。以環(huán)境工質(zhì)作為潤(rùn)滑介質(zhì)的氣浮軸承不僅可以保證系統(tǒng)循環(huán)的密封性、防止工質(zhì)污染，還可以降低摩擦損耗、提高軸承壽命、提高回轉(zhuǎn)精度、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、降低故障率等，在高速離心機(jī)械中具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用意義[6-7]。根據(jù)工作原理的不同，目前被廣泛采用的氣浮軸承形式主要分為靜壓氣浮軸承與動(dòng)壓氣浮軸承。靜壓氣浮軸承的工作原理是通過(guò)外部供氣裝置，提供具有一定壓力的氣體，在軸承間隙內(nèi)產(chǎn)生一層具有一定剛度和承載的穩(wěn)定潤(rùn)滑氣膜，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑支撐作用[8]。動(dòng)壓氣浮軸承利用軸承工作面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及氣體的黏性以達(dá)到承載作用[9]。

由于采用系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)作為氣浮軸承的潤(rùn)滑介質(zhì)，潤(rùn)滑介質(zhì)種類對(duì)軸承性能具有至關(guān)重要的影響。采用不同循環(huán)工質(zhì)的高速離心機(jī)械內(nèi)軸承的潤(rùn)滑介質(zhì)各異，而目前針對(duì)氣浮軸承的理論與實(shí)驗(yàn)研究主要集中在以空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的空氣軸承。由于超臨界CO2動(dòng)力系統(tǒng)[10-11]、氫液化[12-13]、氦液化[14-15]系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)不同潤(rùn)滑介質(zhì)氣浮軸承性能進(jìn)行研究也越來(lái)越迫切。本文作者通過(guò)流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT對(duì)采用空氣、二氧化碳、氫氣與氦氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的靜壓/動(dòng)壓氣浮軸承進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)不同潤(rùn)滑介質(zhì)下靜壓氣浮軸承承載力隨供氣壓力的變化以及動(dòng)壓氣浮軸承承載力隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。此外，還根據(jù)二氧化碳潤(rùn)滑氣浮軸承的應(yīng)用背景，對(duì)不同環(huán)境壓力和溫度下的二氧化碳潤(rùn)滑氣浮動(dòng)壓軸承承載力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析。

1 氣浮軸承CFD數(shù)值計(jì)算基本假設(shè)

基于流體力學(xué)基本理論，同時(shí)考慮軸承間隙內(nèi)氣膜流域結(jié)構(gòu)，文中對(duì)氣浮軸承氣膜間隙穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行如下假設(shè)[16]：(1)工質(zhì)遵循理想氣體定律；(2)工質(zhì)與壁面間無(wú)滑移；(3)轉(zhuǎn)子表面為剛性端面，忽略表面受力與受熱形變對(duì)于流體域的影響；(4)軸承與轉(zhuǎn)子壁面光滑，忽略壁面粗糙度對(duì)于流體域的影響；(5)軸承與轉(zhuǎn)子壁面均設(shè)為絕熱邊界。

采用CFD軟件FLUENT中層流模型進(jìn)行靜態(tài)仿真計(jì)算，并對(duì)所繪制網(wǎng)格文件預(yù)先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在不同網(wǎng)格數(shù)量下數(shù)值計(jì)算所得的軸承承載力變化范圍小于5%。為定性比較潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)于氣浮軸承性能的影響，文中采用不同潤(rùn)滑介質(zhì)的靜壓/動(dòng)壓氣浮軸承均采用相同的軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)。

2 靜壓氣浮軸承CFD數(shù)值計(jì)算

文中采用某型靜壓氣浮軸承副作為研究對(duì)象，如圖1所示，靜壓徑向與止推軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)分別如表1和表2所示，環(huán)境為介質(zhì)氣體標(biāo)態(tài)。

圖1 靜壓氣浮徑向軸承和止推軸承

分別采用空氣、二氧化碳、氫氣與氦氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)，對(duì)不同供氣壓力下的靜壓徑向/止推氣浮軸承進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算，得到了不同供氣壓力下靜壓氣浮徑向/止推軸承的承載力，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)不同潤(rùn)滑介質(zhì)下的氣浮軸承性能進(jìn)行了分析。計(jì)算中為減少網(wǎng)格數(shù)量以減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)靜壓徑向氣浮軸承采用半場(chǎng)建模并將軸承中面邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件；對(duì)于靜壓止推氣浮軸承，由于其周期性分布的特點(diǎn)，取其1/16的流域進(jìn)行建模，并將氣膜兩側(cè)邊界設(shè)置為周期循環(huán)邊界。

表1 靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)

表2 靜壓止推軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)

不同潤(rùn)滑介質(zhì)下靜壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨供氣壓力的變化趨勢(shì)分別如圖2與圖3所示。靜壓氣浮軸承承載力受潤(rùn)滑介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、氣體密度、動(dòng)力黏度等因素影響。由于其工作原理是通過(guò)節(jié)流在軸承間隙內(nèi)形成具有一定承載和剛度的潤(rùn)滑氣膜，潤(rùn)滑介質(zhì)的供氣壓力是其承載力的主要影響因素。在一定范圍內(nèi)，靜壓氣浮軸承間隙內(nèi)氣膜壓力隨供氣壓力的增大近似呈線性增大，因此其承載力也近似呈線性增大。不同潤(rùn)滑介質(zhì)下靜壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨供氣壓力的變化趨勢(shì)基本相同，均隨供氣壓力的升高近似呈線性增大?？諝忪o壓氣浮徑向和止推軸承的承載力在所給定的任意供氣壓力下均高于其他潤(rùn)滑介質(zhì)下的氣浮軸承。對(duì)于靜壓氣浮徑向軸承，空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的靜壓氣浮軸承承載力與其他潤(rùn)滑介質(zhì)氣浮軸承的承載力差值隨供氣壓力的增大而逐漸升高，說(shuō)明在較高供氣壓力下，潤(rùn)滑介質(zhì)種類變化對(duì)于靜壓徑向氣浮軸承承載特性的影響更為明顯。對(duì)于靜壓氣浮止推軸承，空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的靜壓氣浮止推軸承承載力與氦氣、氫氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)的靜壓氣浮軸承承載力差值隨供氣壓力的增大無(wú)明顯變化，空氣潤(rùn)滑靜壓氣浮止推軸承承載力與二氧化碳潤(rùn)滑靜壓氣浮止推軸承承載力差值隨供氣壓力的增大而逐漸升高。

圖2 靜壓徑向軸承承載力隨供氣壓力變化趨勢(shì)

圖3 靜壓止推軸承承載力隨供氣壓力變化趨勢(shì)

3 動(dòng)壓氣浮軸承CFD數(shù)值計(jì)算

采用剛性表面動(dòng)壓氣浮軸承作為研究對(duì)象，如圖4所示，其中徑向軸承為剛性圓柱徑向軸承，止推軸承為六瓦塊止推軸承。徑向軸承與止推軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)分別如表3和表4所示。動(dòng)壓徑向軸承與止推軸承氣膜厚度變化示意圖如圖5所示。

圖4 剛性動(dòng)壓氣浮徑向軸承和止推軸承

表3 動(dòng)壓徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)

表4 動(dòng)壓止推軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)

圖5 動(dòng)壓氣浮徑向軸承、止推軸承氣膜厚度變化

動(dòng)壓止推氣浮軸承的瓦塊具有周期性分布的特點(diǎn)，文中只取其中一個(gè)瓦塊所對(duì)應(yīng)的流域進(jìn)行分析。不同潤(rùn)滑介質(zhì)下動(dòng)壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)分別如圖6和圖7所示。

圖6 動(dòng)壓徑向軸承承載力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

圖7 動(dòng)壓止推軸承承載力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

可以看出，不同潤(rùn)滑介質(zhì)下動(dòng)壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)基本相同，空氣、二氧化碳、氫氣與氦氣動(dòng)壓氣浮徑向與止推軸承的承載力均隨轉(zhuǎn)速的升高近似呈線性增大。在給定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，空氣潤(rùn)滑與氦氣潤(rùn)滑動(dòng)壓氣浮徑向軸承承載力近似，二氧化碳潤(rùn)滑動(dòng)壓徑向軸承承載力略低于空氣潤(rùn)滑動(dòng)壓徑向軸承，而氫氣潤(rùn)滑徑向軸承承載力遠(yuǎn)低于空氣潤(rùn)滑動(dòng)壓徑向軸承。對(duì)于動(dòng)壓氣浮軸承，其承載力主要由潤(rùn)滑介質(zhì)的動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生，而流體動(dòng)壓效應(yīng)隨流體的黏度的增大而增大。因此，不同潤(rùn)滑介質(zhì)下動(dòng)壓氣浮止推軸承的承載力與潤(rùn)滑介質(zhì)黏度變化趨勢(shì)一致。

4不同環(huán)境壓力與溫度下CO2動(dòng)壓氣浮軸承CFD數(shù)值計(jì)算

二氧化碳?xì)飧≥S承主要應(yīng)用于超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)的高速透平機(jī)械中，而超臨界二氧化碳透平機(jī)械的工作環(huán)境壓力與溫度均對(duì)氣浮軸承的性能具有重要影響。二氧化碳的臨界溫度和壓力分別為：304.4 K和7.29 MPa，其黏度隨溫度及壓力的變化趨勢(shì)如圖8所示。由于文中研究對(duì)象為氣浮軸承，當(dāng)環(huán)境壓力高于7.29 MPa、溫度低于304.4 K時(shí)(亞臨界狀態(tài))，二氧化碳處于液態(tài)時(shí)的工況點(diǎn)不予考慮，計(jì)算所采用工況點(diǎn)下二氧化碳的相態(tài)均為氣態(tài)或超臨界態(tài)。

圖8 CO2黏度隨溫度及壓力的變化趨勢(shì)

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1×105r/min時(shí)，二氧化碳動(dòng)壓徑向軸承以及動(dòng)壓止推軸承單個(gè)瓦塊的承載力隨環(huán)境溫度和壓力的變化趨勢(shì)分別如圖9和圖10所示。可以看出，由于動(dòng)壓徑向軸承的承載力來(lái)源于偏心狀態(tài)下轉(zhuǎn)子高壓區(qū)與低壓區(qū)間的壓力差，該壓差主要由潤(rùn)滑介質(zhì)的動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生。因此二氧化碳潤(rùn)滑動(dòng)壓氣浮徑向軸承承載力的變化趨勢(shì)主要受二氧化碳介質(zhì)黏度影響。而動(dòng)壓止推軸承的承載力來(lái)源于以環(huán)境壓力為基數(shù)的止推間隙壓力與環(huán)境壓力壓差，環(huán)境溫度對(duì)于軸承承載力的影響相對(duì)較弱，故二氧化碳潤(rùn)滑動(dòng)壓氣浮止推軸承的承載力隨環(huán)境壓力的增大近似呈線性增大。

圖9 CO2動(dòng)壓徑向軸承承載力隨溫度和壓力變化趨勢(shì)

圖10 CO2動(dòng)壓止推軸承單瓦塊承載力隨溫度和壓力變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

(1)潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)于靜壓氣浮徑向和止推軸承的承載特性均具有明顯影響，不同潤(rùn)滑介質(zhì)在相同計(jì)算參數(shù)下的承載力由大到小排序大致為空氣、氦氣、氫氣、二氧化碳。

(2)受流體動(dòng)壓效應(yīng)影響，潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)于動(dòng)壓氣浮徑向和止推軸承的承載特性均具有明顯影響，不同潤(rùn)滑介質(zhì)動(dòng)壓氣浮軸承承載力變化趨勢(shì)基本與潤(rùn)滑介質(zhì)黏度變化趨勢(shì)保持一致。

(3)二氧化碳潤(rùn)滑動(dòng)壓氣浮徑向軸承的承載力隨環(huán)境溫度及壓力的變化趨勢(shì)基本與其黏度(隨溫度及壓力的)變化趨勢(shì)一致；動(dòng)壓止推軸承的承載力隨環(huán)境壓力的增大近似呈線性增大，而此時(shí)環(huán)境溫度對(duì)于軸承承載力的影響基本可忽略不計(jì)。

(4)由于目前的氣浮軸承設(shè)計(jì)方法均基于空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)前提，因此，在進(jìn)行靜壓、動(dòng)壓氣浮徑向和止推軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮潤(rùn)滑介質(zhì)變化對(duì)于軸承承載性能的影響。