微重力下热泵压缩机承载与润滑技术研究

2019-03-07牛春洋李育隆于新刚王德伟

载人航天 2019年1期

牛春洋，李育隆，于新刚，王德伟，黄磊

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094； 2. 北京航空航天大学，北京 100191)

1 引言

月球是距离地球最近的天体，是人类实现向外层空间拓展的理想基地[1]。美国、俄罗斯、欧空局都已经提出了建立载人月球基地的计划[2]。载人月球基地运行在真空、微重力、低温背景辐射和较强的太阳辐射共存的多变热辐射环境中，月昼时月球表面最高温度可达390 K以上[3]，而要保证月球基地内部生活环境在常温300 K左右，如不提高辐射器温度，则难以散热。热泵系统能够通过提高辐射温度实现热量的高效排散，在未来空间应用中的巨大潜力，是未来航天器以及大型地外空间设施的主要热量排散手段。对于月球基地用热泵系统，微重力条件下热泵压缩机的承载与润滑技术是制约其在空间应用的一个重要技术瓶颈。

为解决微重力条件下压缩机的润滑问题，国内外学者提出了多种解决方案，主要包括无油润滑压缩机[4]、润滑油制冷剂共循环压缩机[5]、磁力轴承压缩机[6]等。但上述方案存在寿命短、效率低以及重量大等问题无法应用于宇航领域。气体润滑是依靠气体作为润滑剂的一种润滑方式[7-8]。以氟利昂为润滑工质的气浮轴承是解决微重力下热泵压缩机润滑问题的一种重要的方式和手段。G.Hirn首次提出了空气润滑剂的概念[9]，这之后气浮轴承得到迅速发展。Masaaki用数值模拟的方法研究了超小型节流孔的止推轴承的承载特性，发现超小型节流孔有利于增大轴承的刚度和阻尼[10]。Belforte等用实验和数值计算的方法研究了深孔的小孔节流器的流量系数的不同，得到了对于某个集合确定的小孔节流器，其流量系数可以通过两个流量系数和小孔气腔边缘参数来确定[11]。国内对于气浮轴承的研究也较多，张雯等人通过设计多微通道式静压节流器提高了轴承的承载和刚度[12]。Li等研究了不同几何参数的节流孔对止推轴承的承载力影响[13]。综合国内外的研究可以发现，目前虽然对气浮轴承特性的研究较多，但距离实际的空间应用还有差距，而且这些研究基本上都着眼于空气工质，对于适用于空间热泵系统所采用的氟利昂工质的气浮轴承特性还尚未开展研究。

本文针对月球基地微重力下热泵压缩机的承载与润滑这一核心技术开展研究，提出基于气浮轴承的承载与润滑方案，对其在氟利昂工质中的承载特性进行数值仿真，并开展试验验证。

2 微重力下热泵压缩机承载与润滑方案

气体润滑是依靠气体作为润滑剂的一种润滑方式。根据气浮轴承可实现润滑过程与重力无关的特点，采用气浮轴承可有效解决空间热泵压缩机的承载与润滑问题。同时根据空间热泵压缩机的工作特性，选择静压和动压效应混合气浮轴承的承载和润滑方案，通过在启动和减速过程中采用静压气浮的方式来克服转子的轴向和径向载荷，在进入到高速工作运行状态后，由转子不平衡产生的偏心而引起动压效应可以进一步地提高轴承的载荷能力。此外，可采用热泵系统的制冷剂作为气浮轴承的工作介质，这样在整个热泵系统中为单一工质密闭系统，同时解决了系统在微重力下润滑和泄露的问题。

根据上述方案，设计了气浮轴承系统原理样机，其结构如图1所示。其中径向气浮轴承长为28 mm，直径为28 mm，双排节流孔，孔排间距为14 mm，每排孔为8个，孔径为0.3 mm，气浮间隙为单边25 μm，如图2(a)所示；止推气浮轴承止推盘有效内外径分别为29 mm、65 mm，节流孔数目为8，分布圆直径为45.5 mm，孔径为0.3 mm，气膜厚度为25 μm，如图2(b)所示；另外，为了更好保障同心度和垂直度及装配的精密度，将气浮系统另一侧的径向气浮轴承与止推气浮轴承设计为一体式，即为径向止推混合气浮轴承，如图2(c)所示。

图1 气浮轴承系统结构图Fig.1 Structure of gas thrust bearing

图2 气浮轴承三维模型Fig.2 3D Model of gas thrust bearings

3 承载与润滑特性数值仿真分析

3.1 径向气浮轴承特性仿真分析

径向气浮轴承计算模型结构尺寸如表1所示，工质分别选择空气和氟利昂(R134a)进行分析。计算得到平均轴承间隙为25 μm时承载力随节流孔径变化曲线如图3所示，从图中可以看出承载力都会随着d的增大而呈现出先增大后减小的趋势。对于空气，承载力的极大值点为d=0.5 mm时，承载力的极大值约为79.35 N；对于R134a，承载力的极大值点为d=0.9 mm时，承载力的极大值约为65.98 N。

表1 径向气浮轴承模型结构尺寸

不同节流孔径下承载力随轴承间隙的变化如图4所示，可以看出，对于氟利昂介质，承载力大体上随轴承间隙呈现先增大后减小的趋势，只有当节流孔径为0.3 mm时承载力随轴承间隙的增大呈现单调减小的趋势。找到最大承载力对应的轴承间隙和节流孔径的组合，为轴承的设计提供依据。对于氟利昂R134a，最佳的组合为h=10～15 μm以及d=0.3～0.5 mm。在最佳的平均轴承间隙和节流孔直径的范围内，选取合适的节流孔结构形式，将获得较好的径向气浮轴承静态承载特性。

图3 径向气浮轴承静态承载力随节流孔径的变化Fig.3 Changes of static bearing capacity of journal bearing with throttle aperture

图4 径向轴承静态承载力随平均轴承间隙的变化Fig.4 Changes of static bearing capacity of journal bearing with average gap of bearings

3.2 止推气浮轴承特性仿真分析

止推气浮轴承为环面型平板止推轴承，轴承计算模型结构尺寸如表2所示，工质选择氟利昂(R134a)进行分析，模拟的气浮轴承工作状态为：供气压力Ps=0.6 MPa，环境压力Pa=0.1 MPa，工作转速为0 rpm。对节流孔直径d=0.3～0.9 mm，平均气膜厚度h=5～45 μm的止推气浮轴承进行静态承载特性分析。计算得到承载力随节流孔径和气膜厚度的变化如图5所示，从图中可以看出承载力都随节流孔径的增大而增大，随气膜厚度的减小而增大，并且气膜厚度对承载力的影响程度远大于节流孔径。因此对于止推轴承的设计可通过减小气膜厚度来实现较大的承载力。

表2 止推气浮轴承模型结构尺寸

图5 止推轴承承载力随节流孔径和气膜厚度的变化Fig.5 Changes of bearing capacity of thrust bearing with throttle aperture and average gap of bearings

4 高速气浮轴承承载与润滑特性的试验研究

在气浮轴承数值仿真分析的结果基础上，建立高速气浮轴承试验系统，对气浮轴承的静态和动态特性进行深入的研究。高速气浮轴承试验系统示意图如图6所示，包含了气浮轴承试验段、氟利昂制冷剂气瓶、数据测量及采集系统、空气压缩机、各种辅助调节阀门及相关管路等，该系统能够完成以空气或不同制冷工质为润滑工质的气浮轴承特性研究。其中气浮试验段采用第2节所述的包含径向轴承、止推轴承和混合轴承的气浮轴承系统方案。

转轴转动后的轴心的振动波形以及轴心轨迹变化规律是轴承的动态性能中较为重要的特性。因此，在对轴承的动态特性进行试验时，主要观察在不同转速下，轴心位置的振动波形以及轴心轨迹。

图6 高速气浮轴承试验系统示意图Fig.6 Schematic diagram of high speed gas thrust bearings experiment system

图7 轴心两方向位置、供气压力与转速波形图(平均转速为23 096 rpm)Fig.7 Wave shapes of axes site, air supply pressure and rotation speed (23 096 rpm average rotation speed)

图7中由上及下依次为平均转速为23 096 rpm时的转轴垂直方向位置波形图、转轴水平方向位置波形图、近涡轮端径向轴承供气压力波形图、远涡轮端径向轴承供气压力波形图以及转轴的转速波形图。从图中可以看出，转轴轴心位置的振动幅度呈现出周期性变化；两方向的轴心位置的波形变化均出现一个同步，而这个周期与供气压力的变化周期相同。同时，转速也出现相同周期性的变化。

图8(a)～(d)是根据图7展现的轴心位置的周期性，提取出的一个周期内的四个具有特征性的轴心轨迹。图8(a)和图8(d)是轴心位置振动幅度最大时的轴心轨迹，此时，轴心轨迹显示出明显的周期性，转轴振动是一种周期性状态。图8(b)是转轴振动幅度最小时的轴心轨迹，此时，轴心轨迹没有特定的规律，转轴振动处于一种混沌状态。而图8(c)是介于幅值最大处与最小处的过渡段，此时，虽然轴心轨迹也显示出周期性，属于周期性状态。

图8 转速23 096 rpm时轴心轨迹Fig.8 Axes path with 23 096 rpm rotation speed

图9 轴心两方向位置、供气压力与转速波形图(平均转速为48 529 rpm)Fig.9 Waveshape of axes site, air supply pressure and rotation speed (48 529 rpm average rotation speed)

平均转速为48 529 rpm时转轴垂直方向位置波形图、转轴水平方向位置波形图、近涡轮端径向轴承供气压力波形图、远涡轮端径向轴承供气压力波形图以及转轴的转速波形如图9所示。可以看出转速为48 529 rpm时轴心位置的振动波形与供气压力的波形变化仍然同步，只是，由于转速升高，轴心位置的振动变得更加复杂，可能处于拟周期状态或混沌状态，但轴心位置的振动幅值最大也只有3 μm，可以认为转轴在此转速下十分稳定。

通过动态试验研究发现，转轴直到转速在48 529 rpm时依然保持稳定，在接近40 000 rpm时振动相对较大，此时极有可能处于转轴的临界转速附近。而对于转速一定时，其轴心轨迹也并不确定，可能会处在周期性状态，也可能会处在混沌状态，与供气压力的变化有关。