超临界二氧化碳透平机械用气体轴承的研究进展及关键技术

气体轴承可应用于超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO)布雷顿循环透平机械(压缩机、涡轮机)中,以适应高转速并提高旋转机械运行的稳定性。文中总结了国内外对S-CO透平机械所用气体轴承的研究现状,介绍应用于S-CO透平机械中气体轴承的类型以及应用特点、理论分析和实验研究情况,为我国S-CO透平机械所用气体轴承的研究提供参考。此外,进一步总结今后S-CO透平机械气体轴承研究和应用需重点关注的问题,主要包括S-CO实际气体雷诺方程修正、止推气体轴承载力问题、径向轴承动态特性问题、风阻损耗计算问题、箔片轴承的热问题以及耐高温固体涂层问题等。对S-CO透平机械气体轴承的发展方向进行展望。

以超临界二氧化碳为介质的径向箔片轴承静特性分析

以超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环所用压缩机中的径向箔片气体轴承为研究对象,考虑S-CO_(2)在近临界区的实际物性,运用有限差分法数值求解变密度变黏度湍流雷诺方程,耦合弹性箔片变形方程,计算以S-CO_(2)为润滑介质的径向气体轴承的气膜压力分布规律,并分析近临界区S-CO_(2)物性变化对轴承承载力、摩擦力矩的影响。计算结果表明:近临界区密度、黏度的物性突变对轴承的承载力和摩擦力矩影响较大,且越靠近临界点时影响越显著;同一压力下,承载力和摩擦力矩随着温度的升高而减小,同一温度下,承载力和摩擦力矩随着压力的升高而增大;随着偏心率、轴承数和径向轴承的长径比的增大,承载力和摩擦力矩均增大,而偏位角减小。

以高压CO_(2)为介质的推力箔片轴承静特性分析

针对超临界二氧化碳布雷顿循环用压缩机中的推力箔片轴承开展了数值研究,通过MATLAB编程数值计算求解变密度、变黏度湍流雷诺方程和耦合弹性箔片变形方程,得到楔形间隙内气膜压力分布及推力箔片轴承承载力和摩擦功耗,并与空气润滑介质对比;进一步分析推力箔片轴承节距比、瓦张角、楔形高度及最小气膜厚度对轴承承载力和摩擦功耗的影响。计算结果表明:高压CO_(2)下弹性箔片变形比常压空气时更大,轴承承载力远高于常压空气轴承;瓦张角为45°和节距比为0.5的推力箔片轴承具有较高的承载力和较低的摩擦功耗;楔形高度设计过大会降低承载力,增大摩擦功耗,使载荷集中在水平区域;增大最小气膜厚度设计值虽能减小摩擦功耗,但却引起承载力的显著降低。