离心压缩机气体箔片轴承-转子系统设计与试验.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）离心压缩机气体箔片轴承 转子系统设计与试验史婷，李佐良，冯健美，郭怡（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 ；四川大川氢能科技有限公司，四川 简阳 ）摘要：氢燃料电池汽车离心空压机采用气体箔片轴承 转子系统，具有超高转速、清洁无油的运行等显著优势。然而，当前气体箔片轴承 转子系统的全面研发设计理论严重匮乏亟待解决。为此，提出了一种气体箔片轴承 转子系统的研发设计方案。基于经验公式和性能试验台，开展了氢燃料电池汽车离心空压机中气体箔片轴承 转子系统的设计与试验研究。结果表明：该设计方案可以有效保证空压机在全转速范围内的性能要求，其最大转速可达 ，最大压比和质量流量分别为 和 。关键词：氢燃料电池汽车；离心压缩机；气体箔片轴承 转子系统；转子动力学；全面设计中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家重点研发项目（），（，；，）：，：；设 计 研 究 年 期（总第 期）引言氢燃料电池汽车利用氢气和空气 ，仅产生电能和水 ，被认为是最有前景的新能源汽车 。气体箔片轴承 转子系统是氢燃料电池汽车离心空压机中的关键子系统 ，其不仅能保证增压进堆的空气清洁无油，而且可实现空压机的超高转速、大流量和高压比 。为实现氢能汽车的高效、节能及国产化，研究者对于氢燃料电池汽车离心空压机展开了广泛的探究。李剑铮等 提出一套氢燃料电池汽车空压机低温冷启动方案，并开展了试验验证。试验结果表明，所提冷启动方案提升了氢能汽车冷启动成功率同时减少了对系统的损害。何青等 建立了氢燃料电池汽车压缩机变质量加注模型，有效降低了因氢气快速压缩带来的安全隐患。肖军等 开展了离心空压机转子系统的多目标优化。结果表明，优化后的转子最大挠度和等效应力显著下降。张宏杰等 设计了离心空压机的高速永磁同步电机。基于样机试验台，对所设计的永磁同步电机进行试验验证。结果表明，所设计的电机能够较好的满足氢燃料电池汽车的需求。以上研究表明，从冷启动、加氢、电机及转子方面可有效提升氢燃料电池汽车性能，但是忽略了离心压缩机中气体箔片轴承 转子系统的高效研发设计和试验验证。因此，为了氢燃料电池汽车离心压缩机的快速国产化，获得高效节能的轴承 转子系统。本文首次开展了气体箔片轴承 转子系统的全面研发设计与试验验证。所提的轴承 转子系统研发设计方案对于指导氢燃料电池汽车空压机的高效稳定运行具有重要指导意义。气体箔片轴承 转子系统研发设计流程本文提出的适用于氢燃料电池汽车离心空压机的气体箔片轴承 转子系统研发设计流程，如图 所示。首先，基于氢燃料电池电堆对空压机的需求，确定离心空压机的功率和大尺寸。接着，根据离心空压机和永磁同步电机设计原理，确定空压机中叶轮、蜗壳、电机、冷却系统及壳体等具体结构参数。然后，依据 经验公式，分别设计径向轴承和止推轴承的结构参数。并且，基于 转子动力学软件，获得所设计的气体箔片轴承 转子系统全转速范围内的临界转速。最后，搭建空压机性能试验台，将所设计的轴承 转子系统应用于空压机中，验证所设计的轴系可以有效满足电堆对空压机所提的要求。气体箔片轴承 转子系统氢燃料电池汽车用气体箔片轴承 转子系统是保证离心空压机高转速、清洁无油的关键子系统，其由永磁同步电机直接驱动。轴承 转子系统主要由叶轮、止推轴承、径向轴承、永磁体、套筒、转子组成，详细的结构及参数如图 和表 所示。气体箔片轴承 转子系统设计 气体箔片径向轴承气体箔片径向轴承结构如图 所示，其主要由顶箔、波箔、卡簧及壳体组成。顶箔为转子与轴承之间的气膜提供光滑表面。波箔为转子系统提供弹性支撑，作用类似于弹簧。壳体为顶箔和波箔提供图 氢燃料电池汽车离心空压机中气体箔片轴承 转子系统研发设计流程图 两级离心压缩机用气体箔片轴承 转子系统设 计 研 究 年 期（总第 期）固定支撑。卡簧将顶箔和波箔牢固的限制在壳体内。轴承宽度和直径径向气体箔片轴承利用顶箔与转轴之间形成的一定压力的气膜将转子系统浮起。因此，径向轴承的承载力大于转子系统（包括转子、永磁体、叶轮等组件）的总质量 时，转子系即可稳定运行。另外，随着转速增加，轴承承载力变大。因此，仅需要考虑最低转速下轴承的运行情况。根据 经验公式，径向气体箔片轴承的承载力可表达为 （）（）式中 承载力，轴承长度，轴承直径，转速，承载系数，第代气体箔片轴承系数为 ；一般取 基于以上分析，可得出本研究中径向轴承的宽度和直径大于 时，轴系可稳定运行。箔片材料及结构参数氢燃料电池汽车气体箔片轴承 转子系统中，顶箔和波箔常用材料有 、和 。值得注意的是，箔片厚度在 范围为最佳，其中波箔厚度为 左右更易冲压成型，顶箔厚度接近 则刚度较佳。顶箔和波箔结构顶箔宽度与轴承宽度相等，顶箔长度根据轴承壳内径计算得到。顶箔内外表面喷涂涂层，避免顶箔与波箔、顶箔与转轴发生严重的摩擦磨损，提高启停次数。常用的顶箔涂层有 、。考虑到轴承 转子系统对涂层的高温、耐磨要求，本研究中顶箔内表面喷涂涂层 ，外表面喷涂 ，通过磁控溅射方式，涂层厚度达到 左右。表 轴承 转子系统结构参数部件重量 叶轮一级叶轮 二级叶轮 轴承止推盘 连接件转盘 转轴转子 总质量 由于波纹高度（）越小、半波长度（）越窄，承载力越高。因此，本文中波箔凸起高度 设置为 ，波纹宽度 为 ，跨度 为 ，如图 所示。波箔采用冲压模具，利用液压机，采用冲压压力 左右冲压成型。冲压成型的波箔，放入热处理模具，利用真空气氛炉，采用 工艺进行波箔成型热处理。最终，将顶箔、波箔、卡簧及壳体一起装配。表 给出了径向轴承的详细结构参数。气体箔片止推轴承 轴承内径和外径气体箔片止推轴承主要用来平衡两级离心压缩机叶轮因压差产生的轴向力。一级侧叶轮的轴向力可表达为 （）（）（）（）（）（）式中 一级侧轮盖侧作用力 一级侧进口流体对叶轮冲击力 一级叶轮轮盘处力 一级叶轮平衡圈内作用力 一级侧叶轮轴向力二级侧叶轮的轴向力可表达为 （）（）（）（）（）图 径向轴承结构图 波箔结构参数设 计 研 究 年 期（总第 期）（）式中 二级侧轮盖侧作用力 二级侧进口流体对叶轮冲击力 二级叶轮轮盘处力 二级叶轮平衡圈内作用力 二级侧叶轮轴向力因此，两级离心空压机的轴向力被计算为 （）然而，根据 经验公式，气体箔片止推轴承承载力可计算为 （）（）（）式中 稳定状态下最大载荷，载荷系数，顶箔内径和外径的差值，顶箔内径和外径的平均值，转速，一般取顶箔外径是内径的 倍。本研究中，叶轮详细结构参数如表 所示。基于以上两级离心空压机的轴向力计算和表 参数，获得全转速范围内轴系的最大轴向力为 ，方向为由一级侧指向二级侧。值得关注的是，最大轴向力被获得在最高转速 ，压比 。因此，止推轴承最小内径和外径被计表 径向轴承结构参数部件结构参数数值壳体材料 内径，外径，宽度，顶箔材料 厚度，涂层 波箔材料 厚度，波纹高度，波纹宽度，跨度，凸起数量 表 叶轮结构参数一级轮盖进口直径（）一级叶轮出口直径（）一级叶轮轮毂直径（）二级轮盖进口直径（）二级叶轮出口直径（）二级叶轮轮毂直径（）算为 和 。箔片结构参数止推轴承顶箔和波箔加工工艺、材料、厚度及涂层与径向轴承相同，其中顶箔和波箔采用点焊方式固定到止推盘上。详细的结构如图 和表 所示。转子系统氢燃料电池汽车转子系统，如图 所示。转子表面采用超音速火焰方式喷涂锡青铜涂层，厚度 。转子系统平衡度 。由于氢燃料电池汽车空压机转速较高，最高可达 。因此，开展转子系统的转子动力学分析，获得转子系统的临界转速尤为重要。基于 软件的 模块分析，获得了转子系统的临界转速，如图所示，其中红色三角形为系统临界转速值。由图可知，轴承 转子系统有 个临界转速值，分别为 、。因此，要求氢燃料电池汽车空压机转速从启动至最低转速 时要快速响应，避免系统发生共振损坏。试验结果表明，响应时间应控制在 内。快速启动后，其他转速均在系统稳定运行范围内，不会发生系统共振现象。气体箔片轴承 转子系统性能试验本文将研发出的气体箔片轴承 转子系统应用图 止推轴承表 止推轴承结构参数部件结构参数数值止推盘材料 内径，外径，高度，顶箔材料 厚度，涂层 波箔材料 内径，外径，厚度，波纹高度，波纹宽度，设 计 研 究 年 期（总第 期）图 转子结构示意图 离心空压机轴承 转子系统坎贝尔图图 氢燃料电池汽车离心空压机实测性能参数于氢燃料电池汽车离心空压机中，并搭建了氢燃料电池汽车空压机性能试验台。空压机性能试验研究结果如图 所示，研究结果表明，所研发的气体箔片轴承 转子系统可以保证全转速范围内 电堆对空压机的高压比和大流量要求。最大转速可达 ，最大压比和质量流量结果分别为 和 ，与现有商业用氢燃料电池汽车离心空压机的最大压比 和最大流量 较接近。因此，文中所提出的气体箔片轴承 转子系统的全面设计与加工的可行性得到充分验证。结论针对 氢燃料电池汽车电堆用离心空压机，研发设计了最高转速 的气体箔片轴承 转子系统。搭建了性能测试实验台，验证所设计的轴承 转子系统的可行性。主要结论如下：（）基于 经验公式和转子系统的总质量，设计径向轴承的尺寸为内径 ，外径 ，宽度 。（）依据 经验公式和两级离心空压机轴向力计算理论，设计止推轴承的尺寸内径 ，外径 。（）基于 转子动力学分析，获得气体箔片轴承 转子系统全转速范围内的临界转速，避免轴承 转子系统因共振发生损坏。（）搭建性能测试试验台，将所设计的气体箔片轴承 转子系统应用于氢燃料电池汽车离心空压机。试验结果表明，所设计的轴系可以保证空压机在全转速范围内稳定高效运行，其最大转速可达 ，最大压比和质量流量分别为 和 。参考文献：陈培江，洪伟荣，陈德鑫 燃料电池用空压机性能设计与参数优化 流体机械，（）：，：，：侯秀丽，姚洁，王睿，孟继纲 基于热流固耦合的离心压缩机推力轴承温度场预测 压缩机技术，（）：，：李剑铮，周梦婷，王博，李昌煜，郭温文 氢燃料电池汽车发动机低温冷启动研究 汽车文摘，（）：何青，胡华为 氢燃料电池汽车变质量加注过程建模与分析 热力发电，（）：肖军，黄文俊 燃料电池离心压缩机转子多目标结构优化设计 流体机械，（）：张宏杰，花为，于雯斐，杨柳，孔庆奕，张前 氢燃料电池空压机用超高速永磁电机设计 电机与控制学报，（）：，：罗定鑫，张瑞，李镇杉，吴昕，徐浩 水平对置式离心压缩机轴向力分析与测试研究 暖通空调，（）：，：作者简介：史婷（），女，博士研究生，主要研究方向为氢燃料电池汽 车 离 心 空 压 机 气 体 箔 片 轴 承 转 子 系 统。：