开发和应用集成气动突起的箔日报》和推力轴承涡轮放大器

文摘

箔片轴承提供了兼容对转子-轴承系统的支持和温和的库仑摩擦,这有利于高速旋转机械的稳定性和可靠性。摘要水动力润滑箔日报和箔推力轴承应用在一个150米³·h⁻¹涡轮放大器空气分离。选择轴承,突起的箔的支持subfoil由于其优点容易制造和组装。轴承的静载荷和挠度测试,分别融入涡轮放大器。杂志之后,载荷和挠度曲线和推力轴承使用最小二乘法多项式拟合。然后,对转子-轴承系统进行性能测试,包括瞬态加速,高速和减速过程。水动力支持的测试,涡轮放大器箔轴承运转顺利,可重复性。最大转子涡轮放大器达到每分钟52000转的速度与流体动力润滑突起的箔片轴承。

1。介绍

涡轮放大器是一种能量转换系统中不可缺少的组成部分。更高的速度预期涡轮放大器追求效率高(1]。它运行平稳在很大程度上,取决于转子-轴承系统的稳定性。在高速或无油情况下,传统的油润滑是限制由于其高粘度和污染问题2]。气体箔片轴承,作为一种替代方法,是一种使用金属箔片气体轴承支持。它表现为高速3),更高的可靠性(4),软故障(5),和极端温度适应性6,7),以及高水平的失调公差(8]。此外,空气动力润滑使用过程气体在高速操作支持系统的简洁性和紧凑性。

箔片轴承,multikinds底层支持配置的首次亮相以来,已开发(9]。其中,凹凸型箔轴承(引起了相当大的关注10]。此外,金属网(11和粘弹性12,13配置等等。箔片轴承振动振幅峰值明显降低转子过临界转速时(14,15]。Schiffmann Spakovszky优化选择性匀场箔轴承和提出了一个设计指南(4]。范教授和安总和箔轴承和磁轴承支持柔性转子振动减少26% (16]。

在箔片轴承、兼容的表面和介绍了非线性摩擦由于堆积衬托的配置。用相同的载荷分布,各种箔歪斜可能存在归因于滞回行为的摩擦力(17]。Subfoil弹性支承的刚度影响轴承的负荷能力(18]。极限载荷的轴承不能超过潜在的弹性结构(3]。

几十年的发展,箔片轴承应用在许多高速旋转机械(19]。李等人应用箔推力轴承在汽车涡轮增压器与24毫米直径轴的速度123000转每分钟(圆)[20.]。Dykas等人采用铝箔在微涡轮机械推力轴承内径50.8毫米,外直径101.6毫米125 N 23000 rpm的负载能力(21]。金等人的箔片轴承性能评估120千瓦燃气涡轮发电机额定转速为15800 rpm和发电机的重量84.2 N和涡轮机重量175.0 N [22]。金等人应用箔推力轴承和轴颈轴承直径66毫米75千瓦汽轮鼓风机转子转速为30000 rpm,和次同步的转子横向运动出现(23]。金等人设计了中尺度箔片气体轴承的巴掌大小涡轮机械的内径5毫米和设计速度60000转24]。

比较现有的静压轴承技术在低温涡轮放大器,它的配置可以使用水动力在很大程度上简化了箔片轴承润滑。两种杂志轴承、铜线和粘弹性支持,比较小涡轮放大器的低温12毫米直径大约220000 rpm (6]。最近,凹凸箔片径向轴承应用涡轮放大器,可以在上面的操作顺利在宽速度范围内(25]。数值结果表明,轴颈轴承在高速稳定的范围(26]。次同步的振动抑制很好(27,28]。推力轴承的静态结构刚度和负载能力测试在瞬态启动和减速过程29日,30.]。专用测试突起的箔轴颈轴承、止推轴承,进行了分别。然而,液动润滑使用两个突起的箔日报》和推力轴承(集成气动箔片轴承支持技术)涡轮放大器尚未经过测试。本文两个突起的箔片径向轴承和箔推力轴承应用于涡轮放大器对空气分离轴直径25毫米。选择轴承,突起的箔的支持subfoils由于其优点容易制造和组装。实验测试分析的瞬态性能进行综合气动箔轴承支撑技术。此外,静态加载和卸载的箔片径向轴承和推力轴承进行测试。

2。高速涡轮放大器

本文改进的涡轮放大器,如图1,是现有商业模块与液氮生产30 L·h⁻¹。涡轮式扩张轮将高压气体转换成低压、低温状态。制动轮用于幂从同轴检索展开轮消散。

转子-轴承系统的涡轮放大器如图2。转子是水平布局和它的重量是由两个轴承》杂志上。扩张的净轴向载荷轮与制动轮平衡两个推力轴承。涡轮放大器中列出的一些几何参数表1。前者涡轮放大器是基于空气静压轴承的支持技术期刊和推力轴承。涡轮放大器的额定操作速度是每分钟100000转。

3所示。试验装置

为了验证集成气动箔片轴承支持技术的适用性在这个涡轮放大器,高速涡轮放大器的试验台是基于钻井平台改造在文献[31日]。气体驱动的试验装置的流程图如图3。空气静压轴承支持涡轮放大器相比,没有额外的空气静压轴承的专用气路。因此,系统简化为更轻的重量和密实度。高压空气由一个75千瓦螺杆压缩机最大压力为1.0 MPa和最大流量600海里³·h⁻¹。气藏实现稳定的起伏的加压气体压缩机。供应气体压力和流量的扩张轮是由比例电磁阀。扩张后的废气是通风的环境。三个涡流位移传感器(线性的<±2%和静态分辨率为0.1μ米) , ,和安装方向评估高速转子的振动。位移传感器的采样频率是100千赫。振动数据采集系统收集的数据。供应压力由压力传感器测量(分辨率为1000 Pa和FS±1%)。

实际情况的试验装置如图4(蜗壳扩张从涡轮放大器中删除)。振动传感器安装如图。

4所示。轴承的配置

在涡轮放大器追求稳定和密实度,气动箔片轴承是首选。由于瞬态性能的突起的箔日报》和推力轴承(27- - - - - -30.),他们被认为是替代候选人转子-轴承系统。摘要空气静力日报和推力轴承都被突起的箔轴承取代基于前面的转子-轴承系统的配置。

原理图和突起的箔轴颈轴承的真实照片所示的数字5(一个)和5 (b),分别。有两个突起的箔层和一个顶级平箔轴承箱堆放一层在另一个。箔片固定到住房定位销的一端。的详细的几何参数和叠加布局箔可以在表中找到2。

径向轴承和推力轴承的应用之前,偏转的径向轴承和止推轴承静载荷下进行各自的专用轴承测试平台。

轴颈轴承的静态载荷和挠度图所示6。在温和的负载范围从−25 N + 25,载荷和位移线性关系。非线性特征出现在较高的负载范围从25 + 30 N + N 25和30 N−−N。位移是30μm±30 N的最大负载。在相同载荷下,绝对在卸货过程中静态偏转是高于加载过程。例如,位移大约是10μm静载荷时0 N在加载过程中。用相同的负载在卸货过程中,位移是−20μ米,大于加载过程。这可以归因于的滞后效应在装卸过程中库仑摩擦。封闭的区域磁滞回线可以用来计算耗散能量在一个加载测试周期。四阶多项式用于加载曲线基于加权最小二乘法。装卸过程的多项式表达式铍青铜轴承所示(1)和(2),分别。的标准错误多项式都列在表中3。位移的系数0.67 N·μ米⁻¹在加载过程中,高于0.55 N·的卸载过程μ米⁻¹从 根据现有的轴和轴颈轴承的配置,实现两个推力轴承从车轮平衡轴向力。在衬托推力轴承,如图7six-pad配置采用由于其可取的加载性能(32]。箔叠加的配置类似于上面的轴颈轴承;推力轴承的详细参数可以在表中找到4。显著的预测0.5毫米直径的衬托与平箔穿孔。的叠加布局上突起的衬托和底部突起的箔交错在圆周方向根据支持的位置预测。箔片由螺栓固定的止推轴承。

推力轴承的偏转与静态负载如图8。详细测试方法可以参考(33]。与突起的箔片径向轴承,推力轴承的偏转的磁滞回线是较小的。结构刚度six-pad多层突起的箔推力轴承不是常数和负载相关的。装卸过程的多项式表达式铍青铜轴承所示(3)和(4),分别。的标准错误多项式都列在表中5。

5。测试程序

测试过程如图9。检查准备准备启动后,打开电阀供应天然气的车轮逐渐扩张。气体压力增量应该小,直到转子开始转动。保持供水压力恒定时,转子是在加速。之后,进一步提高天然气供应压力,直到转子转速50000转左右。平滑操作一段时间后,关闭天然气供应逐渐减少转子速度。当转子停止操作,关闭供应天然气阀门。超过三次的启动和减速过程进行,确保收集的数据的可重复性。

6。测试结果和分析

这个集成轴承布局,存在摩擦力矩的径向轴承和止推轴承,尤其是在启动过程中。在推力轴承上的预加载大于一定数值时,扩张车轮的扭矩无法克服启动摩擦力矩(34]。此外,启动和减速瞬态过程中,箔推力轴承的摩擦力矩增加线性转子转速和轴承负荷。因此,传统启动方法的转子通过增加供应压力不适合集成箔轴承支撑技术。为了减少摩擦力矩在启动阶段,名义轴颈轴承间隙增加到100μm。

瞬态过程,如启动、高速和减速的转子由集成箔片径向轴承和推力轴承装配的涡轮放大器后进行测试。在瞬态过程中,轴向位移是转子的轴向运动的一个重要指标由于净轴向力扩张轮与制动轮。转子速度和转子的轴向位移与供应压力在整个加速和减速过程如图所示10。初8年代,没有供应压力。从8到18年代地区我的供应压力增加到0.13 MPa,还没有旋转,由于静态转子和箔表面之间的摩擦。因为前后之间的压力差轮扩张,转子运动的方向扩张轮位移约180μ在旋转。在第二区域中,当供应压力超过0.13 MPa时,转子开始转动。供应压力维持在这个值在转子加速过程。在这个地区,空气动力润滑生效由于转子和轴承表面之间的相对速度。液体动力润滑力推动转子制动轮。因此,推力轴承间隙增加加速过程。在第三区域,供应压力进一步增加的期望更高的转子速度。轮子的轴向力增加,转子轴向移动的方向轮再次扩张。轴向位移增加到230人μ米时,不断提供更高的供应压力。转子转速达到52805转供应压力为0.3 MPa。后来,转子速度逐渐减小地区第四。在减速过程中,转子的轴向位移也相应减少。应该注意的是,有-轴向位移的减速过程。此外,还有-轴向位移在地区诉转子停止运行后的恢复时间轴向位移是需要经过一个加速和滑落的过程,这可以归因于衬托的滞后效应在整个操作区域。在瞬态过程中,位移的大部分地区是积极的。也就是说,大部分的推力轴承的轴向力平衡轮附近的扩张。

在瞬态操作期间,高速转子绕着它的瞬态平衡位置的振动。中心线在杂志上面的瞬态过程如图11。转子逆时针方向旋转的轴承。周向角度轴承的启动从垂直方向。期刊中心位置反映其偏心和姿态角(θ-270°)。《中心在加速过程中被红色空心矩形和减速过程被蓝色空心圆圈。转子的初始静态休息位置被认为是(100、270°)高于极坐标。以较低的速度发射前的箔片轴承、转子电梯6μ米对轴承中心和9°逆时针方向。速度大约9600 rpm,期刊中心约5μm向轴承中心和10°在被标记为逆时针方向的发射速度在气动薄膜的组合轴承。转子的偏心和姿态角是91卡路里μ分别m和19°。发射速度大约是9600 rpm。发射后的轴承、转子中心线移动顺利从9600转到30000转。在45000转左右,另一个意外转子漂移。从81年偏心率增加μ89左右μm和姿态角起伏大约10°。这可能是由于在高速旋转机械力和压力波动(35- - - - - -39]。转子飘起15μm以增加转子速度。52800 rpm的转子达到最大速度后,终止的加速过程避免不稳定或轴承故障。然后,减速过程开始。在减速过程中,轴承的转子滑下几乎不间断的从(77年,306°)到(110、282°)。然后在箔片轴承转子接触下来约为6100 rpm。通常,在减速过程中转子位置比较低的加速过程中转子转速。例如,在相同的转子转速30000转,转子中心线在加速过程中(90年,290°),在减速过程中(100年,290°)。当转子速度小于30000 rpm,还应该指出的是,偏心率超过100年的名义轴承间隙μ在减速过程中。事实上,箔片轴承可以提供over-nominal轴承间隙与兼容的表面。在箔片轴承转子的着陆速度大约是6000 rpm,这小于9600 rpm的发射速度。这可以归因于箔之间的摩擦效应在加速和减速过程(31日]。的休息位置滑落后转子(103、272°)。类似于上面的推力轴承中,这也可能是由于静态摩擦和滞后效应的衬托在上面的加速和减速过程。

在该测试中,转子振动 , ,和方向转换为频域FFT。FFT谱级联块振动数据所示12(一个),12 (b),12 (c),分别。转子的主要频率(1 n)是明显的比较其他组件。在所有的三个方向,有非同步的振动约100赫兹。在径向方向和 ,非同步的振动振幅比较大比较支持级联图的转子和箔片径向轴承和空气静压止推轴承在文献[31日]。当转子速度大于50000 rpm,非同步的振动振幅增加和展品速度依赖性。这些可以归因于引入six-pad突起的箔推力轴承和轴颈轴承预加载。在更高的速度范围4000 rpm ~ 5000 rpm,振动振幅方向是大约3μ高于< 2 mμ米的方向,这可以归因于更高的姿态角。在轴向方向,主要的振动振幅频率(1 n)大约是2μm。在较小的速度范围,在低频率振动振幅(20 ~ 30 Hz)很明显更大。它达到30μ米约30 Hz在初始创业阶段。这可能归因于箔推力轴承的配置和组装。供应增加气体压力和空气动力效应从制动轮,振动在低频率(20 ~ 30 Hz)抑制转子转速更高。

为了得到更清晰的瞬态过程,振动振幅在主要频率(1 n)提取FFT级联阴谋。主要频率的振动振幅 , ,和方向图所示(13日),13 (b),13 (c),分别。当转子转速低于10000 rpm在发射之前,有临界速度约3700 rpm和7200 rpm。对于这些低阶临界速度,没有多少区别加速和减速过程。这两个低阶临界速度出现在所有三个方向。然而,在高阶临界速度有明显的区别。例如,第三临界速度是大约12000 rpm的加速过程和17000 rpm的减速过程。临界速度是大约21000 rpm的加速过程和25000 rpm的减速过程。操作速度范围从10000转到30000转后发射,如图11加速过程中,偏心率小于100年的名义间隙μm和减速过程中比名义间隙。转子-轴承系统的临界速度与轴承的支撑刚度。与转子重量保持不变,液膜刚度变化非常小。因此,大多数的支持刚度源于箔支持刚度。在空气润滑政权,箔轴承支座的刚度在减速过程中是高于加速的过程。这些也可以归因于箔之间的摩擦阻碍效应在加速和减速过程过程。对应1 n主要频率振动,有2 n谐波分量振动类似的模式。2倍的工作频率的振动振幅是相对较小的相对于主要的频率。2 n振动的原因有很多,如偏差的转子,转子的非对称刚度,轴承非线性空气动力学(40]。在这个转子-轴承系统,偏差和轴承非线性杂志和推力轴承是不可避免的。

转子轨迹在0.1秒的时间间隔约30000 rpm, 40000 rpm, 50000 rpm数据所示(14日),14 (b),14 (c),分别。转子的轨迹几乎是圆形和振动的振幅很小在4μ振动频率和振幅的关系。有三个顶点的轨迹的不对称可能归因于箔轴承从前缘与后缘》杂志上。转子轨迹的重复性很好。随着转子转速的增加,非同步的振动的振幅增加约100赫兹和凌乱的轨迹出现在50000转左右。随着转子转速的增加,振幅增加小于0.5μ1米左右μm。类似于[测试结果31日),转子轨迹也变得凌乱约90 krpm轴承间隙大于80μm突起的箔厚度为0.07毫米。摘要非同步的振动更明显,这可能是由于更大的名义轴承间隙。预加载的箔片径向轴承抑制非同步的振动的发生由于直接加劲和阻尼的影响38]。因此,高阻尼金属箔轴承可能是有前途的解决非同步的旋转运动。因此,更复杂的箔片轴承设计预计减少振动振幅全面在未来的应用程序。

在转子-轴承系统,更高的振动振幅(径向和轴向方向)可能会导致灾难性的转子-轴承系统的碰撞。在这项研究中,没有轴承失败在整个启动和减速过程与最大操作速度高达52000 rpm。这表明突起的箔的兼容支持日报》和推力轴承在这瞬态过程,这可以归因于遗传特征的刚度和阻尼的衬托。箔片轴承表面轻兼容是杰出的在预防失败。此外,兼容的结构可以消除一定的通过阻尼振动,防止转子的振动能量积累。推力轴承,大可以抑制次同步的转子横向运动通过增加轴承负荷(23]。在这个实验中,更高的速度不可能达到更高的供应压力和转子不平衡力等等。可选地,推力轴承与新配置建议下一步转子-轴承的性能提升。

7所示。结论和讨论

摘要箔轴承支持技术使用突起的箔日报和推力轴承涡轮放大器的发展。涡轮放大器的进一步简化,专门供应空气静压气路是取消了密实度和简化过程。转子-轴承系统试验进行调查,可以得出以下结论。(1)非线性刚度的突起的箔片径向轴承和推力轴承出现由于摩擦效应的衬托。集成突起的箔片径向轴承和推力轴承应用于涡轮放大器与最大操作速度52000转左右。由于合规的箔片轴承,转子由突起的箔片径向轴承可以在over-nominal轴承间隙下运行。(2)轴承刚度可以反映转子-轴承系统的临界速度。瞬态加速和减速过程中,顺从的箔片径向轴承的刚度较低的转速范围几乎是相同的。然而,在更高的速度范围发射后,支撑刚度较高在减速过程中由于加劲作用从箔之间的摩擦。(3)转子主要源自扩张环上的轴向力的瞬时加速和减速过程。发射前转子的轴承、压轮的扩张导致转子的位移的方向从制动轮轮扩张。为进一步改造、空气动力匹配的两个轮子建议进一步平衡轴向载荷。另外,推力轴承与新配置预计将承受更高的转子的轴向载荷。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(51406157)、江苏省自然科学基金(BK20140408)、中国博士后科学基金会(2014 m552438),中央大学和基础研究基金。

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