潤滑介質種類對氣浮軸承性能的影響*

郭 雨 賴天偉 任雄豪 趙 琪 侯予

(西安交通大學能源與動力工程學院 陜西西安 710049)

以離心壓縮機與透平膨脹機為代表的高速離心式動力機械具有結構緊湊、流量大、可靠性高、維修費用低等優點，在機械工程和能源動力領域得到了廣泛的應用[1-2]。為追求更高的熱力學效率，高速離心機械對轉子系統轉速提出了愈來愈高的要求[3]。因此，其支撐軸承的高速承載特性和可靠性對高速離心機械的工作特性至關重要[4]。采用油脂類潤滑介質的傳統軸承由于轉速限制、循環系統密封性差、潤滑介質易污染循環工質、摩擦損耗高和需要額外潤滑與冷卻系統等原因，難以滿足高速離心機械的運行工況要求[5]。以環境工質作為潤滑介質的氣浮軸承不僅可以保證系統循環的密封性、防止工質污染，還可以降低摩擦損耗、提高軸承壽命、提高回轉精度、簡化系統結構復雜度、降低故障率等，在高速離心機械中具有良好的發展前景和應用意義[6-7]。根據工作原理的不同，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壓氣浮軸承。靜壓氣浮軸承的工作原理是通過外部供氣裝置，提供具有一定壓力的氣體，在軸承間隙內產生一層具有一定剛度和承載的穩定潤滑氣膜，實現潤滑支撐作用[8]。動壓氣浮軸承利用軸承工作面的相對運動以及氣體的黏性以達到承載作用[9]。

由于采用系統循環工質作為氣浮軸承的潤滑介質，潤滑介質種類對軸承性能具有至關重要的影響。采用不同循環工質的高速離心機械內軸承的潤滑介質各異，而目前針對氣浮軸承的理論與實驗研究主要集中在以空氣作為潤滑介質的空氣軸承。由于超臨界CO2動力系統[10-11]、氫液化[12-13]、氦液化[14-15]系統的發展，對不同潤滑介質氣浮軸承性能進行研究也越來越迫切。本文作者通過流體力學計算軟件FLUENT對采用空氣、二氧化碳、氫氣與氦氣作為潤滑介質的靜壓/動壓氣浮軸承進行數值計算，對不同潤滑介質下靜壓氣浮軸承承載力隨供氣壓力的變化以及動壓氣浮軸承承載力隨轉速的變化趨勢進行了分析。此外，還根據二氧化碳潤滑氣浮軸承的應用背景，對不同環境壓力和溫度下的二氧化碳潤滑氣浮動壓軸承承載力進行了數值計算和分析。

1 氣浮軸承CFD數值計算基本假設

基于流體力學基本理論，同時考慮軸承間隙內氣膜流域結構，文中對氣浮軸承氣膜間隙穩態流場進行如下假設[16]：(1)工質遵循理想氣體定律；(2)工質與壁面間無滑移；(3)轉子表面為剛性端面，忽略表面受力與受熱形變對于流體域的影響；(4)軸承與轉子壁面光滑，忽略壁面粗糙度對于流體域的影響；(5)軸承與轉子壁面均設為絕熱邊界。

采用CFD軟件FLUENT中層流模型進行靜態仿真計算，并對所繪制網格文件預先進行網格無關性驗證，在不同網格數量下數值計算所得的軸承承載力變化范圍小于5%。為定性比較潤滑介質對于氣浮軸承性能的影響，文中采用不同潤滑介質的靜壓/動壓氣浮軸承均采用相同的軸承結構參數與工作參數。

2 靜壓氣浮軸承CFD數值計算

文中采用某型靜壓氣浮軸承副作為研究對象，如圖1所示，靜壓徑向與止推軸承主要結構參數與工作參數分別如表1和表2所示，環境為介質氣體標態。

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、氫氣與氦氣作為潤滑介質，對不同供氣壓力下的靜壓徑向/止推氣浮軸承進行了CFD數值計算，得到了不同供氣壓力下靜壓氣浮徑向/止推軸承的承載力，并根據數值計算結果對不同潤滑介質下的氣浮軸承性能進行了分析。計算中為減少網格數量以減少計算時間，對靜壓徑向氣浮軸承采用半場建模并將軸承中面邊界設置為對稱邊界條件；對于靜壓止推氣浮軸承，由于其周期性分布的特點，取其1/16的流域進行建模，并將氣膜兩側邊界設置為周期循環邊界。

表1 靜壓徑向軸承結構參數與工作參數

表2 靜壓止推軸承結構參數與工作參數

不同潤滑介質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分別如圖2與圖3所示。靜壓氣浮軸承承載力受潤滑介質的分子結構、氣體密度、動力黏度等因素影響。由于其工作原理是通過節流在軸承間隙內形成具有一定承載和剛度的潤滑氣膜，潤滑介質的供氣壓力是其承載力的主要影響因素。在一定范圍內，靜壓氣浮軸承間隙內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。不同潤滑介質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基本相同，均隨供氣壓力的升高近似呈線性增大。空氣靜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滑介質下的氣浮軸承。對于靜壓氣浮徑向軸承，空氣作為潤滑介質的靜壓氣浮軸承承載力與其他潤滑介質氣浮軸承的承載力差值隨供氣壓力的增大而逐漸升高，說明在較高供氣壓力下，潤滑介質種類變化對于靜壓徑向氣浮軸承承載特性的影響更為明顯。對于靜壓氣浮止推軸承，空氣作為潤滑介質的靜壓氣浮止推軸承承載力與氦氣、氫氣作為潤滑介質的靜壓氣浮軸承承載力差值隨供氣壓力的增大無明顯變化，空氣潤滑靜壓氣浮止推軸承承載力與二氧化碳潤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

圖3 靜壓止推軸承承載力隨供氣壓力變化趨勢

3 動壓氣浮軸承CFD數值計算

采用剛性表面動壓氣浮軸承作為研究對象，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構參數與工作參數分別如表3和表4所示。動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 剛性動壓氣浮徑向軸承和止推軸承

表3 動壓徑向軸承結構參數與工作參數

表4 動壓止推軸承結構參數與工作參數

圖5 動壓氣浮徑向軸承、止推軸承氣膜厚度變化

動壓止推氣浮軸承的瓦塊具有周期性分布的特點，文中只取其中一個瓦塊所對應的流域進行分析。不同潤滑介質下動壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨轉速的變化趨勢分別如圖6和圖7所示。

圖6 動壓徑向軸承承載力隨轉速變化趨勢

圖7 動壓止推軸承承載力隨轉速變化趨勢

可以看出，不同潤滑介質下動壓氣浮徑向與止推軸承承載力隨轉速的變化趨勢基本相同，空氣、二氧化碳、氫氣與氦氣動壓氣浮徑向與止推軸承的承載力均隨轉速的升高近似呈線性增大。在給定轉速范圍內，空氣潤滑與氦氣潤滑動壓氣浮徑向軸承承載力近似，二氧化碳潤滑動壓徑向軸承承載力略低于空氣潤滑動壓徑向軸承，而氫氣潤滑徑向軸承承載力遠低于空氣潤滑動壓徑向軸承。對于動壓氣浮軸承，其承載力主要由潤滑介質的動壓效應產生，而流體動壓效應隨流體的黏度的增大而增大。因此，不同潤滑介質下動壓氣浮止推軸承的承載力與潤滑介質黏度變化趨勢一致。

4不同環境壓力與溫度下CO2動壓氣浮軸承CFD數值計算

二氧化碳氣浮軸承主要應用于超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環的高速透平機械中，而超臨界二氧化碳透平機械的工作環境壓力與溫度均對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如圖8所示。由于文中研究對象為氣浮軸承，當環境壓力高于7.29 MPa、溫度低于304.4 K時(亞臨界狀態)，二氧化碳處于液態時的工況點不予考慮，計算所采用工況點下二氧化碳的相態均為氣態或超臨界態。

圖8 CO2黏度隨溫度及壓力的變化趨勢

當轉速為1×105r/min時，二氧化碳動壓徑向軸承以及動壓止推軸承單個瓦塊的承載力隨環境溫度和壓力的變化趨勢分別如圖9和圖10所示。可以看出，由于動壓徑向軸承的承載力來源于偏心狀態下轉子高壓區與低壓區間的壓力差，該壓差主要由潤滑介質的動壓效應產生。因此二氧化碳潤滑動壓氣浮徑向軸承承載力的變化趨勢主要受二氧化碳介質黏度影響。而動壓止推軸承的承載力來源于以環境壓力為基數的止推間隙壓力與環境壓力壓差，環境溫度對于軸承承載力的影響相對較弱，故二氧化碳潤滑動壓氣浮止推軸承的承載力隨環境壓力的增大近似呈線性增大。

圖9 CO2動壓徑向軸承承載力隨溫度和壓力變化趨勢

圖10 CO2動壓止推軸承單瓦塊承載力隨溫度和壓力變化趨勢

5 結論

(1)潤滑介質對于靜壓氣浮徑向和止推軸承的承載特性均具有明顯影響，不同潤滑介質在相同計算參數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)受流體動壓效應影響，潤滑介質對于動壓氣浮徑向和止推軸承的承載特性均具有明顯影響，不同潤滑介質動壓氣浮軸承承載力變化趨勢基本與潤滑介質黏度變化趨勢保持一致。

(3)二氧化碳潤滑動壓氣浮徑向軸承的承載力隨環境溫度及壓力的變化趨勢基本與其黏度(隨溫度及壓力的)變化趨勢一致；動壓止推軸承的承載力隨環境壓力的增大近似呈線性增大，而此時環境溫度對于軸承承載力的影響基本可忽略不計。

(4)由于目前的氣浮軸承設計方法均基于空氣作為潤滑介質前提，因此，在進行靜壓、動壓氣浮徑向和止推軸承結構設計時，需考慮潤滑介質變化對于軸承承載性能的影響。