锥度和不对中误差对止推箔片轴承承载特性的影响.docx

摘要：空间核电系统采用高温气冷堆闭式布雷顿循环方案，使动力转换系统可高效地利用核能发电。动力转换系统采用止推箔片轴承，省略了供油和供气系统。建立柱坐标系下可压缩气体的雷诺方程并耦合求解锥度和不对中误差影响的气膜厚度方程，分析了止推箔片轴承在生产和装配过程中产生的锥度和不对中误差对轴承承载特性的影响。结果表明：在设计间隙不变的情况下，锥度增大导致轴承承载力减小；在轴向载荷恒定的情况下，锥度绝对值越大，最小气膜厚度越小，最大气膜压力则相反；随着不对中角度增加，轴承承载力和摩擦功快速增大，单瓦的承载力出现严重不均衡情况，不对中误差对轴承刚度系数和阻尼系数的影响较明显，直接影响转子系统的稳定性。

关键词：滑动轴承;止推轴承;箔片;空间核电源;锥度;不对中;承载力

1概述

人类探测太空的能力主要受空间推进技术的限制,针对高速度增量的航天任务,传统化学推进技术的比冲较低,太阳能电池阵—蓄电池技术严重依赖太阳光照,深空生存能力较差[1]。空间核电源系统具有能量密度大,容易实现大功率(数千瓦至数兆瓦)供电,机动性和隐蔽性好,不依赖太阳光照等优势,是深空探测不可替代的空间电源[1]。动态转换的放射性同位素发电系统在空间核电源系统中转换效率最高,其中研究较多且已应用的是闭式布雷顿循环的动力转换系统(图1),旋转单元是该系统的核心组件,其结构和性能直接影响系统的优劣。止推箔片轴承作为一种柔性自适应动压轴承,在旋转单元中承受轴向载荷,与滚动轴承相比,省略了复杂的冷却润滑系统,使系统更加清洁和高效。(a)闭式布雷顿循环系统原理(b)旋转单元图1闭式布雷顿循环的动力转化系统及核心组件Fig.1PowerconversionsystemandcorecomponentsofclosedBraytoncycle1854年,法国科学家提出将气体作为润滑剂的可能,1886年法国科学家雷诺推导出润滑膜内压力分布的雷诺方程[2],对流体润滑的认识上升到理论高度。止推箔片轴承作为阶梯型动压轴承的衍生结构轴承,具有波箔刚度非线性的特点,其理论研究晚于径向箔片轴承且相关研究较少。1983年,文献[3]对止推箔片轴承的静态特性进行了详细的计算分析,计算模型考虑了波箔刚度的非线性分布,第1次使用柔度系数α分析箔片轴承静特性,该方法一直沿用至今。2000年,文献[4]采用有限差分法与有限元相结合的方法,将可压缩流体的雷诺方程求解与弹性变形耦合起来进行止推箔片轴承分析。2017年,文献[5]采用非等温雷诺方程评估了转子静态和动态角度不对中对止推箔片轴承性能的影响,并深入分析了轴承的承载力、摩擦功、气膜刚度和阻尼系数的变化情况。20世纪80年代,文献[6]应用圆柱薄壳线性理论推导出波箔变形方程,这是国内最早关于箔片轴承中波箔刚度的计算模型。文献[7]采用有限单元法对平箔式止推箔片轴承进行求解,并分析了箔片轴承静态特性的影响因素。文献[8]对止推箔片轴承进行了启停试验,分析了箔片材料和表面涂层对轴承启停磨损的影响。文献[9]采用有限差分法得出,推力盘倾斜状态下轴承的轴向承载力和黏性摩擦力矩均随倾角的增大而增大,且倾角越大静态特性越大。文献[10]基于牛顿迭代法建立偏角不对中时止推箔片轴承的润滑模型,与线性替换法的比较说明牛顿迭代法具有同样的适用性。文献[11]基于CFX的有限元计算与MATLAB的有限差分求解动压气体轴承气膜压力,二者计算结果一致,随着偏心率的增加CFX有限元的计算结果比有限差分法计算的略小。文献[12]采用ANSYS和CFX软件计算了超临界二氧化碳止推箔片轴承动态特性,得出动态刚度和阻尼大小主要取决于气膜厚度和箔片结构,且随气膜厚度的增大而减小。随着更多类型箔片轴承的研究,箔片轴承的性能逐渐被熟知,但仍缺乏精准的理论分析模型和实用的设计规范[13]。综上可知,目前在止推箔片轴承的误差研究方面,主要着重于轴承不对中误差对其静态性能的影响,而锥度误差对轴承承载特性的影响以及不对中误差下轴承动态特性变化的研究较少。在生产和装配过程中,锥度和不对中误差均难以避免,不对中误差主要有平行不对中、角不对中和综合不对中。由于旋转单元转子系统的径向设计间隙约束及推力盘径向尺寸大于止推轴承高度,分析过程不考虑平行不对中的影响,本文所提及的不对中特指角不对中或主轴倾斜。本文在柱坐标系下建立止推箔片轴承的雷诺方程,并采用牛顿迭代法和有限差分法对雷诺方程和气膜厚度方程进行耦合求解,分析生产和装配过程引起的径向锥度误差和不对中误差对止推箔片轴承承载特性的影响。

2理论分析

止推箔片轴承主要由顶箔、波箔和底板组成。波箔和顶箔组成多个扇形瓦,每个瓦的度数和倾斜面占比相同。止推箔片轴承结构和箔片参数示意图如图2所示,β为扇形瓦的瓦角,βp为扇形瓦节线位置角,σh为扇形瓦