全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发

２００２年第２期　第１２６期　低温工程　２　２０Ｏ２　Ｓｕｍ　Ｎｏ　ｌ２６　ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ　全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发　王　恒　熊联友　侯　予　朱朝辉　陈纯正　ｌ曲簧趸墟大学菔替与动力工　宁阮曲　１Ｏ０４９）　摘　要设计了一台小型垒动压气体轴承低温透平膨胀机，径向轴承采用新型　弹性支承锆片径向气体轴承，止推轴承采用螺旋槽止推气体轴承。针对该连平嘭胀　机的机械性能做了大量试验，试验获得最大转速为２２０　０００　ｒ／ｒａｉｎ　试验表明，该奎　动压气体轴承低温透平膨胀机运转稳定，对开发我国自己的全动压气体轴承低温透　平膨胀机具有重要的意义。　主题词　动压气体轴承　箔片轴承低温透平膨胀机　１引言　在低温透平膨胀机上应用气体轴承，具有系统简单、安全叮靠、使用温度范吲觅ｒ　能　长期运转等特点。迄今为止，在空气液化、分离装置透平膨胀机上应用气体轴承已有近４０　年的历史。应用于低温透平膨胀机上的气体轴承主要分为静压式（ＥｘｔｅｍａｎＹ　ｐｒｅｓｓｕｒｉＴ￣］ｔｙｐｅ１　和动压式（Ｓｅｌｆ－ａｃｔｉｎｇ　ｒｍｅ）两种。国外在静、动压气体轴承的设计制造上均已Ｊｌ：发出成熟的　系列产品，而我国在自行设计制造的空分装置气体轴承透平膨胀机中目前都是采用静压气体　轴承　静压气体轴承需要一套供气系统，增加ｒ装置的复杂性，凡需耗费一定数量的Ｊｆ、　Ｊ　ｔ　体，降低了其经济性，这在许多场台下了它的应用　冈此，砰发动压气体轴承对于提高　透平机械的经济性及扩大其应用范围是非常必要的。国内对动压气体轴承的研究起步较晚、　虽然在理论和实验研究上取得了一定的进展和成果，但迄今为止尚未见伞动』盘气体轴承往透　甲膨胀机中得到实际应用　西安交通大学一直很重视动压气体轴承的研究，曾对人字槽动压　径向气体轴承、可倾瓦径向及止推轴承、螺旋槽及阶梯式【　推轴承等进　ｒ许多理沧和实蜷　研究，目前又在自然科学基金的支持下对瓶型弹性支承箔片径向动压气体轴承进行＿ｒ夫量的　研究　经过多年的研究，对径向动压气体轴承的稳定性、启停性能，对动压ｆ　推气体轴承的　承载力、稳定性能等方面积累　大量的经验，为开发我国自己的全动压气体轴承低湍透　膨　胀机打下了坚实的基础　率文正是在这样的基础上设计了一台小型全动　气体轴承低温透乎　膨胀机，径向和止推轴承分别采用新型弹性支承箔片径向气体轴承和螺旋槽【　推　体轴承，　取得ｒ较理想的结果　２新型弹性支承箔片径向气体轴承及螺旋槽止推气体轴承　随着气体轴承透平膨胀机在小型空分装置及其它低温系统应用的日益ｒ泛，人们对　Ｌ体　国家自然科学基金资助项目（５９８７５０７０）．　本文ｆ－ＰＯＯ１年Ｉ２　２０日收到　恒，男，∞岁．面士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２朗　争动压气体轴承低温透平膨胀机的开发　９　轴承的要求越来越高，要求其在较高的ｌｌ作转速下能稳定运转，且能耐冲击、耐振动、易十　制造。与传统的剐性表面动压气体轴承相比，弹性表面箔片动压气体轴承有其独特的优点和　吸引力，更适用于小型高速低温透平膨胀机。　现在闷内外研究得较多的箔片轴承形式有张紧　（Ｔｅｎｓｉｏｎ　Ｔｙｐｅ）、悬臂　ｃＣａｎｇｌｅ￣ｅｒ　ｌ　ｐｅ）、渡箔型（Ｂｕｍｐ　Ｔｍｅ）、多楔型（Ｍｕｌｔｉ—ｗｅｄｇｅＭ　Ｔｙｐｅ），且都已成功地应用于透平机械．　针对国内现有的加丁Ｔ艺水品，我们自行开发了　种能应用十低温透平膨胀机的稳定　高、　结构简单的新型弹性支承箔ＩＩ＝｛径向动压气体轴承如图ｌ所示。该轴承由箔片元件和轴承座组　成，箔片元件采用一定厚度的敏青铜片制成．在其背面固定　定厚度的弹　吏承材料，凋整　铍青铜片及弹性支承材料的厚度可以改变箔片的结构刚度。在箔片的一端固定　直径为　￣＇５ｍｍ的销钉，将这样的箔片元件按照与转子转动方向相反的方向插入轴承座内孔，并用销　钉定位就组成了一个箔片径向气体轴承　枢轴　弹ｌ生基础　＼～一　金属箔片　箔片元件　转子　图１新型结构形式弹性直承箔片径向动压气体箔片轴承　平面螺旋槽气体止推轴承是动压气体止推轴承的一种基ｌ本形式，它具有结构形式简单　承载能力高、稳定性较好等优点，因此，在大多数用气体轴承作为止推儿件的高速低温透平　机械巾都得到ｒ广泛应用。本文采用泵人　式平面螺旋槽气体止推轴承作为止准部　件，如图２所示，转了相对轴承付作高速　运动时，带动粘性气体从轴承外部流向旋　转中心。气体沿径向先后流经槽台医与密　封区。在槽台区，气体沿周向刷期性地流　过槽区与台区，从而产生对止推承载力至　关重要的阶梯动　效应。为了减少转子启　◎　图２平面螺旋槽止推面照片　，停时对止推轴承止推面的磨损，在密封区　开漫ｒ辅助供气小孔，在转子启停时供给　定的压力气，当转子稳定运转时关闭压力气　３试验设备　箔片轴承试验是在一台空气流量４０　Ｎｍ　／ｈ的小型适平膨胀机上进行的如图３所示．　嘭胀机Ｔ作轮为式叶轮，轮径为中１Ｏ．采用风机制动方式ｇ．．陵膨胀机工作转速为２３０　Ｏ００　ｒ／ｍ　转了轴径为中】２，质量为９０　转于转速由光电式转速传感器测量，其径　振动由止交安装在轴承座卜的电涡流位移传　感器测量ｃ所有传感器输出由计算机数据采集系统记录并显示，转子振动信号可由该数采系　统实时分析及监测　维普资讯 http://www.cqvip.com

低０　温工程　删年　４试验结果及讨论　图４－为全动压额型弹性支承箔片径　向气体轴承及螺旋槽止推气体轴承低温　透平膨胀机最高转速下的转于振动波　形、轴心轨迹以及转子升速瀑布图。实　验中平面止推螺旋槽采用坐标铣床机加　１获得，止推轴承总问隙７０　ｐｍ，槽深　ｈ：３０，一。径向弹性支承箔片动压气　体轴承分别实验了半径间隙Ｃ：４０，　５Ｏ＋６０，……，１３０，ｔ／ｌｒｌｌ共１０剐　由实　骑结果比较得出径向轴承Ｃ＝６０／，ｍ　时，获得了最高稳定转速（２２万转）一　图３试验用小型透平膨胀机　实验步骤为：当压缩机出【ｊ压　力达到０．８ＭＦａ后，首先打开减　压阀蛤止推轴承供气０．３　ＭＰａ，　使止推轴承起浮；然后打开透　甲膨胀机进气阀，当径向箔片　轴承稳定工作，转子起浮后，　逐渐减小止推轴承辅助供气压　力直至完全关闭，达到全动压　工况　然后逐渐增加蟛胀机进　气压力使膨胀机转速提高直至　转子失稳　由转子振动波形，　轴心轨迹图可以看出转子运转　稳定，振幅极小（小于４／￣ｉｉｉ）　：溜圆　一－。ｌ　一，　ｒ１一十　～　ｌ＿＿＿　Ｌ一　ｊ　盘　＿　Ｉ　Ｊ　Ｊ一　ｆ　Ｊ　画　ｌ　ｆ　｛ｊ　４　　Ｉ佃　１０－８　Ｙ—Ｘ　Ｄ１＾ＧＲ＾Ｘ　南升速瀑布图可以看出引起转　子振动的故障源主要为轴承装　配不对中和转子动不平衡引起　的基频即同步振动。当转速不　断升高，转子失稳后，低频祸动　分量显著增加，转子轴心轨迹迅　速发散，转速降低很快。实验结　束后发现径向轴最箔片元件束　发生损坏而平面螺旋槽止推轴　承面擦伤，　兑明了全动压气体轴　承高速透平膨胀机转子失稳的　Ｆｒ哪ｕｅｎ州ＫＨｚ）　Ｘ一＿ａｔｅｒｆａｌ　１　Ｄｔａｇｒａ￣　ＤＬＴ＝２　４，ｘ　ＭＡ　ｘｌＡＭｐ＜２＞＝】．３Ｏ　ｅ　）　主要原因是动雎止推轴承承载　力丧失而造成的止推轴承失稳，　圈４最高转速下的转子振动波形、轴心轨迹及转子升速瀑布围　（下转第３３页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　４缨道　士＝编活塞式制冷压缩机烈回路冰箱循环补气压缩机的仿真与优化　北　：机碱Ｌ业出版礼，１９９２　ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　０ＰＴＩ～ⅡＺＡＴ１０Ｎ　ＯＦ　ＧＡＳ　Ｃ０　ＩＩ，ＥＮＳＡＴＩＮＧ　Ｃ０ⅣⅡ｜ＲＥＳＳ０Ｒ　Ｄ　ＲＥＦ砌ＧＥＲＡ　Ｉ、０Ｒ　ＷＯＲＫＩＮＧ　０Ｎ　Ｄ０ＵＢＬＥ　Ｃ　ＣＵＩＴ　ＣＹＣＬＥ　Ｗａｎｇ＂Ｉ％ｎｇ　Ｚｈｕ　Ｙｕｑｕｎ　Ｃｈｅｒｔ　Ｙｉｎｇ　Ｚｂｏｕ　Ｇａｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｊｕｎ　Ｌｉｕ　Ｙｕｍ＋　ＩＣ　。￣ｇｅｎｌｃｓ　Ｌａｂｏｒａｌｏ￣＋．ＨＵＳＴ，．Ｗ１ｌｈａｎ　４姒Ⅲ１　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｍ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｇａｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｐｒｏｅｅｓ￣（ＧＣＰ）ｃｏｉｉｌｐＦｅｓｓｏｒ　ｉｎ　ａ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　０ｆ　ｔｉｔ＜＋ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｏｎ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｙｃｌｅ　ｔｈａｔ　ｐｅｒｍｉｔｓ　ＧＣＰ　ｉｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｃ０ｍｐ　ｓｓＩＩｆ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃａｒ—　ｔｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｂａｓｅｄ　０ｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙＴｒａｍｉｅ　ｍｏｄｅ１．ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｍａｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｔｌｔ　ＩｌＴ　Ｉｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｍｏｄｉｉｅｄ　ｓｍａｌｌｆ　ｈｅｒｍｅｔｉｃ　ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｔｏ　ｃｈｅｅｋ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ．　ｔｈｅ　Ｓ０ｔｌ３￣＂ｔｉｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｗ　ｃｏｎｅｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｏｐｔｉｍｍｎ　ｖａｌＨｅ　ｆ　ｏｃｏｍｐｅｒ￣ｃ．ａｔｉｎｇ　ａｐｅｒｔｕｒｅｉｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　０　５ｍｍ～０．６６ｒａｍ．　ＫＥＹＷＯＲＤＳ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　（上接第１０页）　因此在透平膨胀机　采用全动压轴承的关键在于提高径向轴承稳定性，降低轴向力，提高止　推轴承承载力　５结论　本文对高速低温透平膨胀机采用止推为平面螺旋槽轴承，径向为弹性支承箔片轴承的全　动压气体轴承的可行性进行了实验研究　获得了转速２２万转时令动压气体轴承稳硭运转的　良好效果。固此在国内全动压气体轴承在高速低温透平膨胀机中有很好的应用前景．．　参１　Ｇｒａｙ　Ｓ　ｒ￣＇ｈｎｏｆｏｇ．ｐｍｇｒ￣ｓ　ｏｎ　ｃ￣ｐｈｍ：ｔ　ｌ　ｃｕｒ　ｂｅａｒｉｒ　ｇ　考ｔ　文献　：１９８　ｆｏｒ　ｍｎ￣ｍｉａｌ　ａｐｐｔｉｅａｌｉｔ￣．８ｔｈ　ｌｎｌ　Ｇ　Ｂ￣ｉｎｇ　ｌⅥ　㈣２　Ｈａｙ￣ｔｉ　Ｋ　Ｄｅｖｅｆｏｌｍ－ｍｎｔ　ｒ０ｄｖｎ…　ｆｏｉｌ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ｈｉ　一　ｐ。　ｎｍｒ　２１　ｓｌ　ｘ　ｈｌｌ¨　ｒｎＩｍｓｉ￣ｎ　｝ｘｌＩ。　（１９９４　ＴＨＥ　ＳＴＵＤＹ　０Ｆ　ＳＥＬＦ．ＡＣＴＤ　Ｇ　ＧＡＳ　ＢＥＡＲ　Ｇ　ＣＲＹ０ＧＥＮＩＣＳ　ＴＵＲＢ０ＥＸＰＡｌＮＤＥＲ　Ｗａｎｇ　ｔｔｅｎｇ　Ｘｉｏｎｇ　Ｌｉａｎｙｏｕ　ｌｔｏｕ　Ｙｕ　ｕ　Ｚｈａｏｈｉｕ　Ｃｈｅｎ　ＣｈｕｎＴｈｅｎｇ　ｆｌｎｓｔｉｔｏｔｅ　ｏｆ　Ｃ￣ｏｇｅｎｉｃｓ　ｌｈ，ｇｉｒｔｅｅｒｉ￣．ｘ　Ｌ　Ｊｉ￣ｔｌｍｇ　Ｕｎｉｖ．Ｘｉ　ａｎ　７１００４９、　ＭＩＳＴＲＡＣ＇Ｙ　Ｔｈｅ　ｎＰｗ　ａｅｒｏｄ）￣ａｍｉｃ　ｆｏｉｌ　ｊ　ｃＨＪｍａｌ　ｂｅａｔｉｎｇ　ｔｈ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｓｐｉｒａｌ　ｇｎＨ】ｖｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｈｅａｒｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｄ　ｔｅｏ　ａ　Ｓｌｌｌ￣ｔｕｒｂｏｅｘｐａｎｄｅｒ　Ｔｈｅｙ　Ｃ￣１１１　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆ　ｒｏｔｏｒ　ｒｅｖｏｌｖｉｎｇ　ａ１　２２×１　ｒ／ｍｉｎ　Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏ￣ｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｆｆＺａｃｔｉｎｇ　ｇａｓ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｌ＂［１ＯｌＷ＂ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　Ｃｌ３，ｏｇｅｎｉｃｓ　ｔｕｒｅｅｘｐａｎｄｅｒｂ．　ＫＥＹＷＯＲＩ￣ｓｅｌｆ－ａｃｔｉｎｇ　ｇａｓ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｆｏｉ！ｂｅａｒｉｎｇ；ｃｍｏｇｅｎｉｃ　ｔｕｒｂｏｅｘｐａｎｄｅｒ