提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性方法的探讨

提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性方法的探讨提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性方
法的探讨
2004年3月
第2期(总第162期)
润滑与密封
LUBRICATIONENGINEERING
MaL2004
No.2(serialNo.162)
提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性方法的探讨
侯予王秉琛熊联友陈纯正
(西安交通大学低温工程研究所西安710049)
鬟摘要:对通过向轴承系统引入附加阻尼以提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性的方法进行了回顾和分析,介绍了《
《"0"形橡胶圈加稳,Sixsmith式,双气膜,切向进气四种附加阻尼的小孔供气静压气体径向轴承和胶圈加稳切向小孔供《
气及双气膜切向小孔供气两种复合形式的小孔供气静压气体径向轴承.并对这几种轴承的结构型式,研究发展,应用范
围和优缺点进行了详细的描述.
关键词:气体轴承;稳定性;径向轴承?
TheMethodstoImprovetheStabilityof HydrostaticGasJournalBearings HouYuWangBingchenXiongLianyouChenChunzheng
(InstituteofCryogenicEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049 ,China)
Abstract:Themethodstoimprovethestabilityofhydrostaticgasjournalbeari ngsthroughenh
ancingthedampofrotor
—
bearingsystemwerereviewed.ThedevelopmentofseverMtypesofhydrostaticga sjournalb
earingssuchasstabilizing
rubberring,Sixsmith,tangentiMorifices,dualgasfilmandcombinedtypesWasdisc ussedin
detailThestructure,ad—
vantagesandapplicationtendencywerealsoindicated.
Keywords:gasbearings;stability;joumalbearings
气体轴承作为一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承,由于其结构及性能上的优点,使得它在高速透平机械上得到了越来越广泛的应用.气体轴承从其作用上来说,分为支承转子高速运转的径向轴承和限制转子轴向移动的止推轴承.作为在高速透平机械上最广泛应用的静压气体轴承主要形式——小孔供气静压气体径向轴承,如何提高其稳定性,始终是研究工作的关键.从转子动力学的稳定性机理分析,支承在气体轴承上的转子在升速过程中,当超过第一及第二共振点后再继续提高转速时,转子涡动的振幅会增大,这时若进一步升速,转子的振动将最终导致转子与轴承相接触而烧毁,这便是自激涡动现象.有研究表明,气体轴承开始自激涡动时的阻尼为零,这也是高速透平机械气体轴承一转子系统失稳的主要原因. 因此,为了抑制和延迟自激涡动的产生以及防止轴承在外部突加载荷的作用下产生破坏
性涡动,需要向轴承系统引入附加的阻尼.经过国内外学者的长期研究和工业实践,在小孔供气静压气体径向轴承的基础上发展起来的几种主要的外加阻尼的轴承型式主要有橡胶"0"形圈加稳气体轴承,Sixsmith式气体轴承, 双气膜气体轴承和切向进气气体轴承.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50206015);国家教委博士点基金项目
项目(20020698028). 收稿时间:2003—05—23
联系人:候予,E—mail:yuhou@.CIL
1橡胶"O"形圈加稳轴承
Montgomery和Sterry在1956年首次发现了这种能遏制高速旋转转子自激涡
动的方法.1963年开始出现的空气轴承涡轮牙钻,标志着橡胶圈加稳轴承在民用
工业上的大量使用.目前,此类轴承已广泛地用于纺织机芯轴,小型涡轮压缩机,高速机床,高速马达和各种科学仪器上.在我国低温机械中,这种技术已成功地应用于低温气体轴承透平膨胀机的转子一轴承系统稳定性的改善上."0"形橡胶圈加稳轴承结构简图如图1所示.西安交通大学低温研究所的研究结果表明,150Nm/h(O,)制氧机用透平膨胀机 (150转子轴径625mm,重量891g)在采用橡胶圈加稳的静压
气体轴承后,其失稳转速得到了成倍的提高.由于受制于橡胶材料弹性适用温度范围的限制, 国产橡胶圈不适用于一80以下的场合
ixsimth式气体轴承"O形橡胶? 2S
针对在高于或低于橡胶
圈正常工作温度范围时,如
何抑制气体轴承的自激涡动
问题,Sixsmith于1959年提
出了这种带有稳定腔的轴承
型式.通过调节该轴承的排
气孔直径或气室容积,或同
时调节两者使稳定频率失
图l"O"形橡胶圈加
稳小孑L供气轴承
谐.来提高失稳转速.Sixsmith成功地运用这种方法于氢和氦的液化透平,其轴承在温度50K以下的工
18润滑与密封总第162期
作环境中运转.我国杭州制氧机厂于1987年研制的温度为14,15K的氦制冷透平膨胀机的轴承便是采用此类轴承.使用可调气室的主要缺点是要损失一些径向承载能力,另一缺点是增加了制造的复杂性,而且Sixsmith式轴承的供气压力和耗气量都比较高.但是,Sixsmith式轴承在非常高或非常低的温度下以及不允许使用橡胶圈的场合中,提供了保持涡动稳定的有效方法.Sixsmith式气体轴承结构简图如图2所示: 3双气膜气体轴承
与采用Sixsmith式轴承的
目的相似,为了解决橡胶圈在
极低或极高的温度下不适用的
问题,日本学者森美朗于60
年代提出了这种轴承型式,双
气膜气体轴承结构简图如图3
所示.从1981年开始,西安
交大低温研究所与苏州制氧机
厂(原吴县制氧机厂)联合,
'
匕捧气孔
图2Sixsmith型
气体轴承
在150Nm/h(O,)制氧机用透平膨胀机上对双气膜径向d,tL供气气体轴承进行了多次实验研究,并将实验成果成功地运用到我国小型空分装置上.1983年,在一只质量约为lOkg的透平转子上获得了比普通刚性装配径向小孔供气气体轴承高两倍的失稳转速,并将此
实验成果推广应用到国产300Nm/h(()2)制氧机用透平膨胀机上.1985年后,又将此项技术推广到油田气轻烃回收装置用透平膨胀机上,解决了橡胶圈加稳气体轴承不宜在这种场合下使用的难题.与橡胶圈加稳形式相比,双气膜气体轴承具有不受温度和介质限制的优点.
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图3双气膜气体轴承图4切向供气轴承
4切向小孔供气气体轴承
该轴承型式是由捷克学者AlesTondl于1967年4 月首次提出,他同时对剐性与柔性转子进行了对比实验,并对切向小孔的进气压力与自激涡动转速之间的关系进行了测定.切向供气轴承结构简图如图4所示.Tondl发现与刚性转子相比,柔性转子更易推迟自激涡动的到来;通过对同一转子进行正向和逆向切还发现逆切向供气的气体轴向小孔供气的对比实验,
承转子系统的自激涡动的到来要明显迟于正切向供气的气体轴承转子系
统.Tondl的杰出工作为切向d,tL 供气气体轴承的应用以及通过利用附加逆向环流抑制自激涡动的理论打下了基础.西安交通大学低温研究所与苏州制氧机厂从1980年开始,以150Nm/h (O:)制氧机用透平膨胀机的工业应用为目的,联合开展了双排切向小孔供气气体轴承的研究工作研究结果表明,这种双排切向小孔供气气体轴承与原来的双排径向小孔供气气体轴承相比,失稳转速能提高 30%左右,在一些
仅要求适当提高稳定性的情况下, 还可以由双排径向供气改为多排切向供气为了进一步提高稳定性,西安交通大学低温教研室和中科院低温中心等单位分别进行了切向狭缝供气气体轴承的实
验,并取得了良好的实验结果.从1982年开始.中国科学院低温中心,西安交大低温教研室和苏州制氧机厂三方密切协作,将我国小型制氧机领域切向小孔供气轴承的科研成果推广应用到微型氦透平膨胀机上,开展了40X10r/rain切向d,tL 供气转子一轴承系统的实验研究,取得了良好效果
5复合形式的外加阻尼小孔供气气体轴承
在以上提到的四种通过外加阻尼方式抑制转子涡动的方法中,Sixsmith式轴承由于供气压力高,耗气量大的缺点已经较少使用.单纯的橡胶圈加稳方式, 双气膜方式和切向小孔供气方式都可以显着地抑制自激涡动的到来和提高失稳转速,是目前常用的提高小孔供气静压气体径向轴承稳定性的几种方法.为了更好地应用小孔供气静压气体径向轴承,提高其稳定性和应用范围,在80年代后,西安交通大学开始对复合形式的外加阻尼小孔供气径向轴承进行深入的理论和试验研究.
目前由西安交通大学开发的成功运行在各类高速低温透平膨胀机上的橡胶圈加稳四排切向小孔供气气体轴承的定型产品表明:把橡胶圈加稳方式与切向小孔供气方式结合起来,轴承会具有很好的稳定性.橡胶圈加稳切向d,tL供气气体轴承如图5所示.在理论研究中通过引入绝对与相对坐标系,以及绝对偏心率,相对偏心率,基础偏心率等概念,西安交通大学提出了一套新颖的对橡胶圈加稳气体轴承偏心率与偏位角进行理论与实验分析的方法.在对橡胶圈加稳四排切向小孔供气气体轴承的实验研究中,于15ONto/h (O,)制氧机用低温透平膨胀机实验台高止推力及大膨胀比工况的恶劣条件下仍然达到了转速l4.06X
lo4r/min,超速3l%(额定转速lO.68X10r/min) 的良好效果.而且由于胶圈加稳结构中橡胶…O形圈的弹性作用,减少了轴承外圆与壳体的机加工精度和轴承不对中对转子系统稳定性的影响,并大大降低
2004年第2期候予等:提高4,4L供气静压气体径向轴承稳定性方法的探讨19 了现场装配难度.
蔷O?I
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图6双气膜切向
小子L供气气
图5胶圈加稳切向d,-fL供气气体轴承体轴承自1981年以后,西安交通大学低温教研室结合双气膜气体轴承和切向小孑L供气气体轴承的优点,在
l50Nm/h(O,)制氧机用透平膨胀机上首次进行了
得到了轴切向小孑L供气双气膜气体轴承的实验研究,承间隙,排数,孑L数,孔径等结构参数的最佳范围 1982年以后,将已有的径向供气双气膜气体轴承改进为切向小孑L供气双气膜气体轴承,使轴承.转子系统的稳定性进一步得到提高,并同时降低了轴承耗气量(已不超过一般刚性装配的轴承耗气量),取得了明显的经济效益,双气膜切向d,:fL供气气体轴承结构简图如图6所示.这种新型轴承在上海机修总厂,陕西钢厂,吴县石灰氮厂,五机部843厂氧气站投入使用,进行了工业运转考核.1999年我国航天领域某重点项目的低温氦气体轴承透平膨胀机上也在国内外首次采用了这种新颖的多排切向d,-IL供气气体轴承. 轴承.转子系统表现出了很好的稳定性.在整个试验过程中未出现任何轴承失稳和转子卡死现象.并经历
了各种工况考验,创造了现场多次试车中氮透平膨胀机没有发生一次事故的新纪录,在"神舟号"飞船热真空试验中发挥了很好作用.切向小孔供气双气膜气体轴
承具有以下特点:内外轴承间隙都可达到保证最大失稳转速的最佳间隙;切向供气双气膜气体轴承比径向供气双气膜气体轴承具有更大的最佳轴承间隙范围.
6结论
为了提高气体轴承在转子高速运转下的稳定性, 需要向轴承系统引入附加的阻尼本文回顾了小孑L供气静压气体径向轴承的发展,对目前广泛应用的d,:fL 供
气静压气体径向轴承可能采取的提高稳定性的方法进行了分析,介绍了几种~l-JJI]阻尼及复合形式的小孑L 供气气体径向轴承,对静压气体轴承在高速透平上的工
程应用具有一定的实用价值.
参考文献
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学位论文].西安交通大学,1998.
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(上接第l6页)根据这一点我们设计了如图8所示的结构.该结构的优势是
将磁流体密封和橡胶圈密
封组合到一起,橡胶圈与
轴之间不必有压力作用,
只要轻轻接触甚至留有很
小间隙即可.这样磁流体
被局限在小间隙内,流动
性减小,磁性颗粒紊乱的
l.磁铁2.橡胶密封圈
3.磁极
4.磁流体
5.轴
图8一种组合密封
机会就降低了.而磁流体在轴与橡胶圈之间形成液膜减小了橡胶圈的磨损.这样两者相结合.对密封能力将有所改善.
(3)对于轴的圆周跳动,可以通过提高加工精度来减小,这样轴旋转时对磁流体的搅动作用就会减小一些,但是加工精度过高势必提高了成本,这是不利因素.如果旋转轴和磁流体密封安装就位后,旋转轴工作时的跳动量控制在0.02ram以内最佳,最多不宜超过0.05mm.另外,磁流体密封与其它密封相比,在存在相同跳动量的条件下,它对密封性能的影响相对较小,因此对于磁流体密封,在满足要求的前提下,综合考虑各种因素的影响有利于开发性价比最好的密封结构.
5结论
(1)磁流体动密封承压能力比静密封低的主要原因是由于离心力和磁性颗粒紊乱引起. (2)离心力对密封能力的影响很大,尤其是在高速时,应考虑采用离心式磁流体密封结构. (3)如果能将旋转运动变为相对静J}或者减小磁流体在密封间隙内的流动性,密封能力将有很大的提高,这方面在结构上还有许多要改进的地方.
(4)在不同的密封要求和密封情况下,根据不同的需求设计不同的结构,才能使磁流体密封的特长得以充分发挥.
参考文献
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