超臨界二氧化碳動靜壓徑向可傾瓦軸承實驗臺設計與實驗研究

陳勝，王小靜，邱正茂，朱麗明，黃光耀

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444；2.上海船舶設備研究所，上海 200031)

超臨界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide，簡稱S-CO2)作為工作流體的布雷頓動力循環具有更高的熱效率、低成本和環保特性。在21世紀初期，美國能源部聯合眾多高校及實驗室包括麻省理工學院、Sandia國家實驗室等重啟了S-CO2布雷頓循環透平機械相關方面的研究，采用壓縮機、透平和發電機三者共軸的設計方案，使得S-CO2既做潤滑介質又做工作介質成為可能。這種設計方案很大程度上縮減了整個系統的尺寸，提高了S-CO2發電循環的效率，使得以S-CO2作為工作介質的布雷頓動力循環能夠取代傳統的蒸汽朗肯循環，成為當前最有潛力的動力循環，在核能、太陽能、煤電、地熱能、燃料電池和船用推進系統等領域有巨大的應用前景[1]。

支撐軸承是S-CO2動力循環技術的關鍵瓶頸之一，轉子具有相當高的工作轉速(最高轉速達到75 000 r/min)，軸承潤滑介質為S-CO2，密度接近液體，黏度近似于氣體，擴散系數是液體的近百倍，在臨界點附近呈高度非線性。氣體箔片軸承被認為是實現S-CO2動力循環的關鍵元件，已經應用于美國Sandia 國家實驗室S-CO2動力循環機組測試。實驗表明氣體箔片軸承具有較強的容納變形和不對中的能力，能夠在S-CO2介質里工作，與普通剛性表面氣體軸承相比有更高的承載力。同時也發現了其不足之處，如承載力仍較低、箔片發生磨損乃至斷裂、啟停階段產生非常大的摩擦熱、局部溫度和溫度梯度過高，波箔結構的傳導率弱和空氣的熱容低、啟動扭矩高、剛度非常低、紊流造成大的摩擦功耗等，限制了氣體箔片軸承在高轉速或高負荷下運行[2]。為了彌補這一缺陷，靜壓氣體軸承的概念被提出來。然而在軸承的軸瓦內部增加靜壓腔，外部施加恒定的氣壓，雖然在一定程度上可以解決轉子試驗臺在啟停階段磨損過大的問題，但是又容易受到氣錘振動的影響[3]。動靜壓混合軸承兼具氣體箔片軸承和靜壓氣體軸承的優點，既能夠在啟停階段降低磨損，又能夠提高承載能力，并且可用于MW級別的透平機械中[4]。在已披露的研究報道里，THATTE等[5]在10MW級S-CO2渦輪機混合氣體軸承結構中采用“S”形彈簧的阻尼結構形式有效提高了S-CO2動靜壓混合氣體軸承的軸承剛度和承載能力。ERTAS和DELGADO[6-7]研制了一種帶有金屬絲網阻尼器新型混合徑向軸承，這種軸承能最大限度地提高軸承的承載能力和有效的阻尼系數，同時具有很好的順應性和適應轉子幾何形狀變化后的不對中的能力。ZHU和SAN ANDRéS[8]為了解決微型渦輪機械緊湊、質量輕和極端溫度運行，滿足大剛度和大阻尼的要求，提出一種動靜壓結合柔性支承可傾瓦氣體軸承，并通過實驗驗證了可傾瓦軸承靜壓壓力提高使得系統臨界轉速提高。

在S-CO2軸承潤滑理論方面，BI等[9]通過引入密度、黏度、雷諾數和紊流系數等擾動變量，對頻率擾動法進行了擴展，通過數值計算得到了頻率相關剛度系數和阻尼系數。次年，又提出了一種考慮實際氣體效應、變熱力學特性和紊流效應的S-CO2高速可傾瓦軸承整體熱平衡方法，研究了S-CO2高速可傾瓦軸承的熱流體動力潤滑機制，研究結果表明熱效應對軸承靜動態特性的影響是由密度、比熱容、熱膨脹系數的變化引起的，熱流體動力潤滑對S-CO2可傾瓦軸承靜態特性的影響大于對動態系數的影響[10]。溫建全[11]考慮了S-CO2的變密度變黏度屬性，在給定溫度下，將S-CO2密度和黏度運用投影法擬合成定值，對箔片軸承特性進行了數值求解。LI和XIE[12]研究了實際空氣和CO2(包括亞臨界和超臨界狀態)等不同工質類型對軸承靜態特性的影響，結果表明在相同條件下，CO2軸承具有更大的承載能力，且CO2軸承的質量流量比空氣軸承小，表明CO2工作流體的承載性能更優異。秦侃等人[13-14]研究了高壓S-CO2旋轉表面的Taylor-Couette流動的傳熱特性和風阻損失，并采用了大渦模擬(LES)研究S-CO2對旋轉機械中常見的Couette 流動的影響。李卓聰等[15]針對S-CO2氣體箔片止推軸承的動態特性開展了數值研究，建立了氣體箔片止推軸承動力特性的三維非定常雙向流固耦合數值預測方法。鄭培培等[16]以S-CO2布雷頓循環中的渦輪機所用靜壓氣體軸承為研究對象，考慮S-CO2潤滑氣膜的紊流狀態，利用Fluent 軟件數值計算得到靜壓氣體中壓力分布，分析了軸承結構、偏心率、氣膜間隙對氣膜壓力、承載力和剛度的影響。車國铚等[17]總結國內外S-CO2布雷頓循環中氣體軸承的研究現狀，包括理論分析以及實驗研究，并進一步總結了S-CO2潤滑方程的修正、動靜特性計算問題；次年以徑向波箔軸承為研究對象，求解了變密度變黏度的紊流雷諾方程，計算S-CO2潤滑徑向波箔軸承動靜特性[18]。

在S-CO2潤滑軸承實驗研究方面，可查到的相關文獻很少。2009年NASA格倫研究中心對S-CO2軸承的性能進行了實驗研究[19]，但其研究僅限于其軸承的靜態性能。 2021 年COLGAN等[20]搭建了實驗臺，實驗結果表明軸承在CO2的臨界壓力50 kPa 以內可以穩定運行。2016年THATTE等[5]研究了10 MW級S-CO2汽輪機混合氣體軸承在高溫高壓條件下的性能特性，通過實驗分析得出了軸承在空氣中與在S-CO2中工作的承載能力和剛度特性的差異以及轉子速度和溫度對軸承剛度的影響。

在氣體軸承實驗研究方面則有較多的研究報道，美國麻省理工學院搭建了小功率(50 W)氣體軸承支撐的微型發動機，設備體積只有1 cm3，轉速超過1×106r/min，并分析了軸承的穩定性以及可控性[21-22]。德州農工大學SAN ANDRéS等[23-24]設計搭建了氣體軸承實驗臺，而后又設計一種金屬絲網結構的氣體波箔軸承，并對其進行靜、動載荷實驗。

國內研究人員也對氣體軸承進行了實驗研究。陳汝剛等[25]研制了國內首臺轉軸直徑為6 mm、葉輪直徑為9 mm、設計轉速為3×105r/min微型氣體軸承透平膨脹機。彭萬歡等[26]搭建了箔片動壓氣體軸承啟停性能試驗臺，采用連續以及不同階梯轉速對氣體軸承特性進行實驗研究，得到氣體軸承啟停過程中的摩擦力變化規律。王法義[27]設計搭建了氣體軸承動、靜態軸承實驗臺，并對軸承進行靜態剛度、結構剛度以及黏性阻尼實驗研究。FENG等[28]利用高速測試實驗臺對設計的金屬絲網箔片軸承進行實驗研究，測量了軸承的動態剛度以及阻尼系數。馮凱等人[29]搭建了徑向氣體箔片軸承高速重載測試及實驗臺，并對三瓦氣體箔片軸承進行實驗研究，發現該氣體箔片軸承起飛轉速和起飛轉矩均隨載荷增大而升高。

綜上所述，針對S-CO2潤滑軸承的靜態和動態特性的實驗測試還沒有充分得到開展。本文作者在文獻[5]所提的軸承結構的基礎上設計并改進了一種新型S-CO2潤滑動靜壓徑向軸承結構，設計并搭建了一種S-CO2潤滑軸承實驗臺。針對于實驗臺轉子剛啟動(或靜止)和極低轉速工況，著重對新型S-CO2潤滑徑向軸承靜壓狀態下的動態特性進行實驗研究，并分析靜壓對軸承動特性的影響，具有一定的工程意義。

1 S-CO2動靜壓徑向軸承結構設計

針對于大型透平機組在啟動和停止階段時氣體軸承產生非常大的摩擦磨損，以及氣體軸承承載力低、剛度低、阻尼小、穩定性較差等問題，文中所提出的新型S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承的結構如圖1、圖2所示，軸承結構相關參數見表1。該軸承的設計為整體式軸承，由可傾瓦塊、彈性結構體、軸承外圈組成，在軸承瓦塊的內壁設計了一個深度為0.1 mm 的靜壓腔用于靜壓支承。該軸承結構主要特點如下：

表1 設計軸承的模型參數

圖1 S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承結構原理

圖2 靜壓腔局部放大

(1)采用動靜壓潤滑方式。在軸承啟停階段采用靜壓潤滑，從供氣口通入的S-CO2起到靜壓承載作用，轉速較低或者啟動工況下，動壓影響較小，甚至可以忽略，軸承間隙中的壓力和潤滑膜厚度都處于穩定不變的狀態，只與通入的氣體壓力相關。在軸承高速運行期間，靜壓撤去，依靠氣膜動壓效應起到承載作用。

(2)軸承瓦塊采用常規的可傾瓦瓦塊結構，同時在軸承瓦塊外部設計彈性結構。彈性結構體的作用有2個：一是實現可傾瓦塊的徑向擺動，以形成楔形動壓氣膜；二是產生一定彈性變形，提高轉子不對中的冗余度。該結構剛度與S-CO2可傾瓦氣膜的動特性共同作用，形成軸承的整體動特性。

2 實驗臺總體結構設計

實驗臺采用倒置式軸承-轉子實驗臺結構，將軸承靜態特性實驗和動態特性實驗綜合至同一個實驗臺上，示意圖如圖3所示。實驗臺包括密封腔體系統、轉子系統、靜態力加載系統、動態力加載系統、傳感器與數據采集系統。實驗臺系統組成及各部分作用見表2。

表2 實驗臺系統組成及各部分作用

圖3 S-CO2潤滑靜壓徑向可傾瓦軸承實驗臺示意

圖3中，在后端密封蓋、前端密封蓋、密封蓋板與密封腔體之間設計了密封槽，采用O形圈密封，傳感器與密封蓋板之間采用同樣的方式密封，密封腔在通入CO2時保持密封狀態，使腔內處于恒壓。

實驗臺實物照片如圖4所示，實驗轉子通過2個不同內圈尺寸的深溝球軸承支撐在密封腔體內，被測S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承安裝在支撐深溝球軸承中間。由于實驗軸承的潤滑條件為S-CO2，因此需要考慮兩側深溝球軸承端密封，設計O 形圈軸向靜密封。靜態力加載系統通過滑輪用標準砝碼給被測軸承施加靜態加載力，靜態加載力的大小為砝碼的重力，位移傳感器分別測量被測軸承和轉子在X和Y方向的位移量，溫度傳感器和壓力傳感器用來檢測密封腔內CO2是否達到超臨界狀態的溫度和壓力值。動態力加載系統通過電磁激振器和激振桿給被測軸承施加正弦動態力，動態力傳感器用于測試被測軸承所受動態力的大小。

圖4 S-CO2潤滑徑向可傾瓦軸承實驗臺

3 實驗臺動態性能加載方案

在對軸承動態性能實驗時，對實驗軸承進行動態力加載時采用電磁激振器加載，考慮到電磁激振器的振動可能會影響到位移傳感器和轉子及軸承上，因此實驗所有裝置裝配在質量很大的底座平臺上。被測S-CO2潤滑徑向軸承安裝在被測實驗轉子上，電磁激振器通過動態力傳感器和激振器聯接件與被測軸承螺紋聯接，考慮到電磁激振器聯接件與密封腔體之間的密封性問題，同樣采取O形圈密封，在電磁激振器聯接桿件上開設O 形圈密封槽。設計安裝時要確保激振桿件與被測軸承豎直方向上呈45°，激振力能夠傳遞到S-CO2潤滑徑向軸承的單個瓦塊上，這樣需要在激振器支撐架上設計定位裝置，保證激振力的合理性和適用性。電磁激振器的最大激振力為200 N，最大振幅為±10 mm，頻率范圍為0～2 kHz。轉子以及被測軸承上分別安裝2個量程為1 mm的電渦流位移傳感器用來測量X和Y2個方向上位移的響應。

4 S-CO2潤滑徑向可傾瓦軸承靜壓狀態下的動態特性實驗研究

4.1 實驗測試方法

(1)

簡寫為

(2)

式中：激振力F、絕對位移(xb，yb)和相對位移(xr，yr)都可以通過實驗測得，質量矩陣M已知，識別量為4個阻尼系數C和4個剛度系數K。原則上，只要已知4個系統的瞬時狀態及向量，就可以求出公式(2)中的8個未知數。但是，實際實驗系統除了受激振器作用外，還受到其他來源干擾力的作用，而且位移的測量受儀器溫漂、軸表面材質不均、不圓度等影響，使得這種時域方法不可行。所以軸承的動特性識別通常需要采用頻域方法，基本測量方程由式(2)經過Fourier變換得到：

(3)

動特性識別方法可根據激振方法分成不同類型，如：復合激振法、單頻多次激振法、多頻激振法、寬帶激振法。文中采用單頻2次激振法，需要對實驗軸承進行2次線性獨立的激振，求解8個軸承動特性系數。

實驗中使用2臺電磁激振器安裝在實驗軸承上部，與水平面呈45°夾角，激振器對軸承的作用力相互垂直并通過軸承的幾何中心，每次激振力的大小控制在靜加載力的5%以內，激振器可提供的最大激振力是700 N。

4.2 靜壓狀態下動特性實驗

對設計加工制造的軸承進行實驗研究，實驗環境參數為環境溫度T0=308.15 K、環境壓力p0=7.5 MPa、軸承靜壓腔靜壓8 MPa，對實驗軸承進行左、右2個方向激振，左、右側激振頻率為60 Hz，激振力左側為30 N、右側為20 N。S-CO2潤滑動靜壓徑向軸承動特性實驗臺照片如圖5所示。

圖5 S-CO2潤滑動靜壓徑向可傾瓦軸承動特性實驗臺

將采集的信號通過橢圓濾波器進行濾波，提取激振頻率對應的位移信號，可以直觀反映2個激振方向上由激振力所引起的振動位移情況。圖6所示為左右激振時激振力信號濾波前的時域圖，可以明顯看出激振力原始信號受到外界干擾，存在多種幅值頻率成分，時域波形失真。圖7所示為左右激振時激振力信號濾波后的時域圖和頻譜圖。從時域圖中可以明顯看出左側激振力幅值F1=30 N，右側激振力幅值F2=20 N；從頻譜圖中可以看出激振力的激振頻率為60 Hz。結果表明，利用橢圓濾波器對信號進行濾波，提取激振頻率對應的信號，對計算結果的精確度提高有很大作用。

圖6 左右正弦激振力濾波前的時域圖

圖7 激振力濾波后的時域圖與頻譜圖

限于篇幅，這里僅列出上述激振時力的信號的數據處理結果，而相對位移和絕對位移的處理方式類似，這里不做贅述。

4.3 不同靜壓壓力下軸承性能實驗研究

在T0=308.15 K 、環境壓力p0=7.5 MPa 下，改變靜壓腔的供氣壓力，分別在供氣壓力為8、9、10 MPa時，對實驗軸承進行左、右方向激振，左、右側激振頻率為60 Hz，激振力左側為30 N、右側為20 N，采集實驗數據，對實驗數據進行處理，并得到軸承的軸心軌跡，如表3所示。軸承運動軌跡結果表明在轉子固定情況下，軸承軸心運動軌跡的運動方向與激振器激振的方向幾乎保持了一致；左側激振時軸承的運動振幅比右側激振時的振幅大得多，這是由于軸承左側激振時的激振力為30 N，右側激振力為20 N原因產生。

表3 不同靜壓下，受左、右激振力的軸承的軸心軌跡

通過對上述實驗數據處理，實驗得到軸承在不同靜壓條件下的剛度系數和阻尼系數的計算結果如表4所示。

表4 不同靜壓條件下軸承動特性系數

圖8和圖9分別示出了主剛度和主阻尼隨壓力的變化關系。可以看出，隨著靜壓供氣壓力的增大，軸承主剛度和主阻尼也隨之增加。從表4中可以看出，交叉剛度和交叉阻尼都接近于0，符合可傾瓦軸承結構交叉剛度及交叉阻尼為0的特點。

圖8 主剛度隨壓力的變化關系

圖9 主阻尼隨壓力的變化關系

5 結論

針對S-CO2動力循環機組支承軸承問題，設計并改進了以S-CO2為潤滑介質的新型徑向可傾瓦軸承結構，設計搭建了靜壓狀態的S-CO2潤滑徑向軸承動特性實驗臺架。在不同靜壓壓力下開展S-CO2潤滑徑向軸承動特性實驗，測量得到軸承的剛度系數和阻尼系數。實驗結果表明，設計的S-CO2動靜壓徑向可傾瓦軸承在啟停階段，在軸瓦與軸頸之間產生了足夠的靜壓壓力，可將二者完全分隔開，從而能減少啟停階段的摩擦磨損；隨著靜壓壓力的增大，軸承X、Y 方向上的整體剛度、主阻尼增大，且2個方向的主剛度系數差別不大，而交叉剛度和交叉阻尼都接近于0。文中研究結果為進一步揭示S-CO2潤滑徑向軸承動壓狀態動態特性提供了參考。