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最新消息| 氫燃料電池空壓機動壓箔片軸承設計與試驗 | 2022-07-05 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://new.qq.com/omn/20220621/20220621A000M800.html" 摘要：針對野外戰車應急發電機組的氫燃料電池空氣壓縮機，使用空氣動壓箔片軸承代替滾動軸承，提出了一種無油空壓機軸系的設計方法。先通過預估軸承支承剛度進行軸系的轉子動力學分析，根據分析結果設計符合支承剛度和空壓機軸向推力要求的氣體動壓箔片軸承，形成完整的設計方案，并成功應用于軸承-轉子系統中。測試了空壓機軸系全轉速范圍內的軸系升降速振動三維頻譜圖和在40000、60000、80000和100000rmin下的轉子振幅和軸心軌跡，以及耐久性實驗的軸系振動結果和軸承溫升特性。實驗結果表明，設計的軸承性能良好，軸系具有良好的轉子動力學穩定性，驗證了所提出的軸承設計方案的可行性。1引言氫燃料電池是一種以氫氣和氧氣為燃料的新型發電裝置。由于氫燃料電池是將氫和氧中的化學能通過電極反應轉化成電能，其排出的只有水和熱量，在此過程中沒有碳的排放，所以幾乎沒有環境污染。而空氣壓縮機是野外戰車用燃料電池陰極供氣系統的重要部件，通過壓縮供入的空氣，不僅可以提高燃料電池的功率密度和效率，而且可以減小燃料電池系統的尺寸。對于車用燃料電池空壓機而言有著無油、高效、小型化的要求。這是因為工業用空壓機所采用的滾動軸承在使用潤滑油進行潤滑時，在轉子高速運行時會出現蒸發的情況，一旦蒸發的油霧進入到燃料電池中就會對陰極催化劑造成不可逆轉的損傷，從而導致燃料電池性能迅速顯著下降。另外，由于對于野外戰車性能的追求和車輛內部空間本身的限制，因此需要空壓機有著較小體積的同時有著較高的性能。而目前在工業上所廣泛使用的空壓機無法滿足氫燃料電池對空壓機的要求，因此為了解決這一問題，本研究提出了一種使用空氣箔片軸承的空壓機轉子系統的設計方案來滿足相關的需求。氣體箔片軸承是一種以箔片為彈性表面的自作用式的氣體軸承，有著摩擦功耗小，使用壽命長、無污染、所適用的轉速高等優點。因為氣體箔片軸承是以氣體為潤滑劑，所以在空壓機中使用時就可以滿足空壓機無油的要求。除此之外，氣體箔片軸承可以適應較高的轉子轉速，目前已經可以達到幾萬轉到十幾萬轉甚至更高的轉速，這使得空壓機增壓比得到大幅的提高。另外，使用氣體箔片軸承可以不再使用供油的管路起到節省空間的作用。因此，氣體箔片軸承的使用不僅可以提高空壓機性能同時可以減少空壓機的體積。而作為空壓機核心部件，軸承-轉子系統的動力學分析越來越受到人們的重視。轉子動力學的觀點最早是由Rankine提出的，Rankine認為“轉子只能在一階臨界轉速下穩定運行”，但在之后Foppl的研究中發現，當轉子在超臨界轉速的情況下運行時，會出現自動定心的現象，因此Rankine的觀點被證明是錯誤的。Lund則首先提出將滑動軸承和轉子作為一個系統進行研究，并且提出了使用8個參數(4個剛度系數和4個阻尼系數)來描述軸承的動態效應。而在有關氣體箔片軸承領域也有著轉子動力學特性的研究。Hooshang最先設計了一種雙波箔的氣體箔片軸承，通過實驗發現在使用雙層箔片的軸承的情況下，軸系的彎曲臨界轉速得到了大幅提高。SanAndrés等對采用2種不同形式的波箔的氣體箔片軸承的轉子動力學特性進行了理論和實驗上的研究，研究結果證明了轉子-軸承系統的非線性特性。Pan等提出了一種模態分析方法來研究氣體圓錐螺旋槽軸承支承剛性轉子的穩定性特性并將此方法應用于氣體轉子動力學特性的研究。TaeHoKim等介紹了在小型無油渦輪機械上實現的使用氣體箔片軸承支承轉子Duffing振動的實驗測量和模型預測。Kim等首次提出了箔片支撐的質量系統的時域軌道仿真。指出線性穩定性分析只提供了有限的軸承穩定性信息，非線性分析更為準確。另外，OscarDeSantiago等對一種使用氣體箔片軸承支撐的小型離心壓縮機轉子進行了相關的實驗。而Liu等16]對氣體推力箔片軸承對氣體箔片軸承系統-轉子系統轉子動力學特性的影響進行了研究。歐榮旭以氣體軸承-高速透平膨脹制冷機轉子為主要研究對象，開展了轉子升速、軸承供氣溫度等參數變化對軸系轉子動力學特性影響的研究。西安交通大學陳汝剛等研制了國內首臺轉軸直徑為6mm、葉輪直徑為9mm、設計轉速為30萬轉的微型氣體軸承透平膨脹機，實驗后發現此樣機的最高轉速達到34萬轉。趙廣等]針對靜壓氣體軸承，基于有限元法建立了氣體軸承-轉子系統動力學模型，得到了軸系的動力學特性。康偉等從非線性動力學角度對氣體動壓軸承支承的轉子系統的運動穩定性及分岔進行了分析，結果表明氣膜力的強非線性決定了氣體軸承一轉子動力系統具有多種非線性特性。本研究在滿足氫燃料電池空壓機需求的基礎上，提出了一種氣體箔片軸承-轉子系統的設計方案，并通過實驗方法驗證了該方案的有效性和可行性。2軸系結構設計2.1軸系結構如圖1所示，是在氫燃料電池空氣壓機中所使用的軸系結構圖，在低壓側葉輪的旁邊裝配一個推力盤，在推力盤的兩側分別安裝一個止推的氣體箔片軸承用來抵消軸承的軸向推力，而在轉子上使用2個徑向氣體箔片軸承用來支撐整個轉子。軸承-轉子系統的相關參數如表1所示。圖1軸系結構示意圖Fig.1Structuraldiagramofshafting表1軸承-轉子系統參數Table1Parametersofbearing-rotorsystem2.2軸系轉子動力學分析圖2是在轉子動力學分析軟件XL-rotor中所采用的軸系模型圖。圖2軸系有限元模型示意圖Fig.2Finiteelementmodelofshafting如圖2所示，是為了對軸系進行轉子動力學分析而進行的簡化后的軸系模型，該模型將軸系劃分為20個section。其中，section3和section4，section17和section18分別為低壓側葉輪和高壓側葉輪的跨距長度，在section之間的節點處為葉輪重心位置，將葉輪等效為質量點分別在上添加質量、極轉動慣量、直徑轉動慣量等參數，其中使用的直徑轉動慣量的數值為極轉動慣量的一半。Section8為推力盤所在位置的跨距，section1和section20是兩端鎖緊螺母所在位置，在三者臨近的節點處均需要添加質量、極轉動慣量、直徑轉動慣量等參數。另外，軸、推力盤的材質是不銹鋼，葉輪的材質是7075鋁合金。氣體箔片軸承的剛度經過一般在1×105～2×106Nm，這里先選取軸承支承剛度為5×105Nm用于軸系轉子動力學試算。圖3為軸系臨界轉速坎貝爾圖，轉軸轉速在0～180000rmin之間時，激勵直線和頻率曲線之間共有7個交點，而在計算轉子軸承系統的臨界轉速時，通常只考慮同步正向渦動時的振動頻率。在7個交點中，第二、四、七個交點所對應的頻率是正進動的頻率，分別為171.63Hz、214.19Hz、2760.14Hz。因此，在轉子所給的轉速范圍內共有三階臨界轉速，分別為10297.68rmin、12853.04rmin、165607.58rmin。圖3坎貝爾圖Fig.3Campbelldiagram圖4所示是軸系各階臨界轉速的振型圖和對應的臨界轉速渦動振型圖。其中，圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別是第一、二、三階臨界轉速所對應的振型圖。從其中可以看出，第一階臨界轉速為剛體平動，二階臨界轉速為剛體錐動，而在第三階臨界轉速下，轉子為彎曲振動，因此第三階臨界轉速也是第一階的彎曲轉速。因此，在軸系實際使用時，第三階臨界轉速是該軸系可以使用的極限轉速。圖4臨界轉速振型圖Fig.4Criticalspeedmodediagram圖5是軸系的臨界轉速隨軸承剛度變化的曲線圖。從其中可以看出，在氣體箔片軸承的剛度范圍內，軸系的第一階臨界轉速和第二階臨界轉速轉速隨著軸承剛度的增加呈現上升的趨勢，但由于前兩階振動均為剛體運動，且轉速較低，對軸承的沖擊力較小。反觀第三階臨界轉速，由于在軸承剛度范圍內變化幅度不大，且該轉速較高，本軸系為160000rmin，遠遠高于空壓機設計的額定轉速，因此這意味軸承剛度的選取范圍比較寬，可以從1×105～2×106Nm，這為徑向軸承的結構設計提供了極大空間。圖5臨界轉速隨軸承剛度變化曲線Fig.5Criticalspeedvarieswithbearingstiffness3空氣動壓箔片軸承設計3.1徑向軸承設計基于第一部分轉子動力學匹配設計給出的徑向軸承剛度選取范圍，并結合軸頸尺寸，設計的徑向軸承結構參數如表2所示。圖6為徑向軸承實物。表2徑向軸承結構參數Table2Parametersofjournalfoilbearing 關鍵字標籤：自潤軸承 |
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