试验研究
侯予"，熊联友”，王瑾”，陈纯正'，汤润泉”，刘国钩”，吴其蒙”，张凤华”，徐友亮”（1.西安交通大学低温工程研究所、西安或宁西路28号710049；2.本州制翼机有限贵任公司，江苏苏州本湾215101）
摘要：介绍150m²/h制氧机用中压低温透平期账机（PLK-8.33×2/20-5）在特子转速12.16×10r/min（比额定超速14%）工况下，英得了全动压气体轴承稳定运特的良好效果.还对 螺旋增止推轴承的性能进行了研究.试验结果表明，在国产高速低温透平膨脉机中改用全动压气体轴承是完全可行的：
关键词：气体轴承：系统设计：试验研究：全动压气体轴承
中图分类号：TB653文献标识码：A
Design and experimental study of self-acting gas bearings for cryogenic turboexpanders
Liu Guo-jun²，Wu Qi-meng.Zhang Feng-hua² Xu You-liang²
Hou Yu'，Xiong Lian-you' Wang Jin'. Chen Chun-zheng'. Tang Run-quan*
1. ne f Crmic EnginringXen Jig Uiy an 709 :2.S Osn P Co. ad S2151)
Abstract: The ne serdnamie fol jouml berings with elastic support and spial guoved thst bearin hse beenapphed to a turtboexpander associated with 150me /h oxygen plant They can support the rotlor revolving al 12. 16 ×10'rpm whirh overspeeds by 14% . By using these gas bearings. smooth operatioe is cbtained. Is additioo the pefomance of spiral groved thrust bearings has been studied. The esperimental results bave proved that the applicationof this kind of self-acting gas bearings to the cryogenic turboexpanders is fesible.
Keywords: Gas bearing: Experimental study: self-acting gas bearing
在低温透平影胀机上应用气体轴承，具有系统压的大型或小型空分装置，均有应用气体轴承透平简单、安全可靠、使用温度范围宽广、能长期运转影胀机的实例.从70年代起，国内学者就对多种气体轴承已有近40年的历史.纵观目前国内外空图应用于各种中小暨空分装置用透平能胀机中.阅 等特点.在空气液化、分离装置透平膨胀机上应用静压气体轴承进行了大量的理论及实验研究，并力分装置的发展，不难看出，无论是高压、中压、低如西安交通大学于1979、1981年成功研制出采用
气体轴承的150m/h制氧机中压气体轴承低温透平膨账机（PLK-8.33×2/20-5）、其额定工作转速机轮编测速螺母加以改造、从振动传感器的要求出 为10.64x10r/min.该机曾被原机械工业部指定发扩大了其端部平面面积，提高了表面质量和加工为替代原有笨重，高能耗的活塞式膨账机的更新换代产品、迄今为止已有约4000台在全国各地使用，并已部分出口国外，产生了显著的经济效益.
但是，静压气体轴承需要一套供气系统，增加降低了其经济性，这在许多场合下限制了它的应 了装置的复杂性，且需耗费一定数量的压力气体，用、例如某些加工气体数量较小的空分装置（如目前国内使用最多的50m/h中压循环制氧机）利用体轴承时，则轴承耗气量占加工空气量比例过大， 原“150”透平膨胀机加以改造仍采用原有静压气在一定程度上降低了系统的经济性.
我国低温工程领域尚无国产全动压气体轴承透平膨账机，与发达国家普遍使用全动压气体轴承透平影胀机的情况相比，差距很大.因此，当前开发 动压气体轴承对于提高透平机械的经济性及扩大其应用范围是非常必要的.西安交通大学从80年代中期开始、对低温透平膨胀机采用动压气体轴承进行了系统的基础研究.在近十多年中，已先后对8种不同类型的径向及止推动压气体轴承开展了研 究、所试验的动压气体轴承均由苏州制氧机有限责任公司加工制造，并在西安交通大学低温实验室及苏州制氧机有限责任公司进行了试验.在多年研究的基础上，1999年开始了全动压气体轴承透平膨胀机的实验研究、
1150m/h制氧机用全动压气体轴承透平 膨胀机的改造
全动压气体轴承试验是在150m/h制氧机用透平胀机试验台上进行的，该影胀机原采用一体化静压气体轴承：为对比轴向力变化，在试验中采用三种不同结构尺寸半开式风机轮进行了组合试验. 了三套不同的转子及闭式工作轮、半开式工作轮和在全动压试验中止推轴承和径向轴承采用分体结构，径向轴承采用新型结构弹性支承箔片动压气体轴承：试验中止推轴承采用H62材料、为了减小结构彤度和阻尼特性，克服了平箔式箔片轴承结构轴承启停时的擦伤，在止推轴承密封台区设置了静上的缺陷，并充分体现了弹性支承结构良好的阻尼
橡皮加稳空气静压气体轴承和双气膜切向供气静压压输承气，辅助供气压力可通过节流阀进行调节.
为测量转子轴向振动信号和上推间隙，将原风精度.止推轴承间隙由千分表测量，通过套简和垫片进行调节.
振动的信号、透平影胀机进气压力、止推轴承辅助 全动压气体轴承试验中测量了转子径向及输向供气压力、转子转速、转子轴心振动轨迹、止推轴承间醇，并对转子径、轴向振动信号进行了实时快速博里叶分析（FFT）.
2全动压气体轴承系统的设计
2.1新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承的 设计
箔片式动压径向气体轴承是动压径向气体轴承的一种重要形式，早在1928年英国Thcmvon Houton片径向输承.1953年H.Blok和J.J.Van Rm 公司的A.A.Polloek就发明了张紧型（Tersin Fype）箔首次对其进行了理论和试验研究.随着科学技术的不断发展，出现了多种结构形式的箔片式动压气体径向轴承、其技术也越来越成熟.它除了具有一般刚性表面动压气体径向输承的特点外，还有诸如： 高承载力、低摩擦功耗、高稳定性、工作温度范围宽广、容许轴承间隙损失、耐振动冲击、装配对中要求较低、启停性能好、可在存在污物与水分的环境下运行等优点.尤其是它有效地抑制了轴承一转 子系统自激涡动和低频涡动的发展，因此箔片式动压气体径向轴承良好的稳定性使其与在高速转子中的应用联系在一起.
1990年，西安交通大学低湿研究所气体轴承1994年对其进行了初步的理论分析，并在试验台 课题组开始对平箔式箔片径向气体轴承进行研究：上进行了试验，取得了一定的进展.1997年，又将平箔式箔片径向气体轴承应用于一台40m/h的透平膨账机上，达到25.0x10z/min和12.2×10 空气制冷机用透平膨胀机和一台150m/h制氧机用r/min的转速.1997年我们提出了新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承的新设想，该新型结构形径向轴承，止推轴承采用平面螺旋槽动压气体止推式充分发挥了平箱式箔片的优点，并改善了轴承的压供气孔，在转子转速未处在稳定运转区城时供静特性、表现出优异的性能：因此、在全动压气体轴
承透平影胀机的实验研究中，径向轴承就采用该新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承，选择径向轴承结构参数：轴承长径比L/D=1.0，箔片厚度=0.075mm，弹性材料厚度h~0.50mm.名义半 径间隙C50um.其中弹性材料采用耐高温氟橡胶片，金属箔片为热轧被青钢片，箔片元件没有进行表面键层处理，但在试验前均匀涂擦MoS粉末.
2.2平面螺旋槽动压止推轴承的设计
平面螺嵌槽动压止推气体轴承是止推气体轴承的一种基本型式，由于具有较高的承载力、良好的稳定性和简洁的外形，在大多数采用气体轴承作为止推部件的高速低温机械中都得到了广泛应用.根据密封结构和气流流向的不同，平面螺族槽动压止 推气体轴承分为泵人式和泵出式两种.
本试验中采用生产实践中广泛应用的系人式轴承作为止推部件，其工作机理可以简单地描述为：转子相对轴承付作高速运动时，带动粘性气体从轴承外部流向旅转中心.气体沿径向先后流经槽台区 与密封区.在槽台区，气体沿周向周期性地流过槽区与台区，从而产生对止推承载力至关重要的阶梯动压效应.
直径25.0mm，止推盘直径45.0mm，在低温工况下 150m/h制氧机所配低温透平影账机转子主轴额定工作时，轴向力约为150N，其进出口压力比为2.0/0.5.与低温工况相比，在改建的试验台上，常温工况、额定转速时透平膨胀机进出口压力比约体轴承试验时，透平膨胀机轴向力条件更为恶劣. 为1.5/0.1.因此可以说在试验台上进行全动压气
选取平面螺旋槽止推轴承的结构参数为：轴承内径、密封台区外径、止推面外径参数：D.：D ：D=26.0mm：33mm：44.5mm：供气孔参数：环形槽数N=16：槽宽比（脊宽/槽宽）：B=B/B:= 直径=29.3mm，供气孔径d=0.35mm，供气孔0.7:槽数：N=16:流入角：β=18°（螺旋角α=72°）：精深：H=20~30m
3试验结果分析与讨论
图1-图3分别在全动压螺槽止推轴承振动特性图、转子振动波形及轴心轨迹图、全动压轴承 转子振动峰一峰值图.试验中平面止推螺旋槽采用机械加工获得，止推轴承总间隙80um，槽深h=20m、30um两档.
候予等：低遇遇平膨账机用全动压气体轴承的设计与试验研究
图1全动压螺旋槽止推轴承振动特性
图2轴承转子振动波形及轴心轨迹图
图3全动压轴承转子振动峰一峰值
气体轴承试验时的步骤为：当压缩机气源压力达到 进行150m/h制氧机用低温透平膨胀机全动压2.5MPa后，首先打开减压阀给止推轴承供气压力0.6MPs，使止推轴承起浮：随后打开透平膨张机采用以下两种方法进行全动压轴承性能试验： 进气阀，当径向箔片轴承稳定工作、转子起浮后，
（1）维持平面螺旋槽止推轴承辅助供气压力0.6MPa，直至转子转速达到额定工作转速10.64x10r/min左右：转子稳定后，逐渐减小辅助供气压力，直至轴承达到全动压工况.
（2）维持平面螺旋槽止推轴承辅助供气压力0.6MPa，直至转子转速达到弹性支承箔片动压气体径向轴承稳定工作转速8.0x10r/min左右：转
子稳定后，逐渐减小辅助供气压力，直至轴承达到承的可行性进行了试验研究.在150m/h制氧机用胀机转速提高，直至止推轴承失效造成转子失稳：
全动压工况，然后逐渐增加膨胀机进气压力、使影中压低温透平膨胀机上，径向轴承采用弹性支承箔推轴承，获得了转速12.16x10r/min（比额定超 片动压气体径向轴承，止推轴承采用平面螺旅槽止速14%）时全动压气体轴承稳定运转的良好效果.本文还针对螺旋植止推轴承辅助供气的性能和轴承稳定性进行了研究.
由试验结果可知：在螺旋槽止推轴承稳定工作时，全动压轴承一转子系统中弹性支承箔片动压气体径向轴承也具有很好的振动特性和稳定性能.在螺旋槽止推轴承间隙过小而接近失稳时，转子轴向室动加大、导致止推轴承轴承面与转子止推盘的接 触，造成止推轴承失稳.止推轴承失稳后低频涡动分量显著增加，转子轴心轨迹迅速发散，转速降低很快.由于承载力丧失面产生的止推轴承失稳会造成高速运转的转子止推面与止推轴承工作面的直接 接触，再加上止推轴承材料为H62，且表面未处理、因此失稳后轴承破坏严重.试验结束后发现径向轴承箱片元件未损坏面平面螺旋槽止推轴承面擦伤.证实了150m/h制氧机用全动压气体轴承高速 低温透平膨胀机转子失稳的主要原因是：动压止推轴承承载力丧失而造成止推轴承失稳.因此在膨胀机上采用全动压轴承的关键在于提高径向轴承稳定性、降低轴向力，提高止推轴承承载力.
机有限责任公司150m/h制氧机用透平膨胀机上进 目前，该形式的全动压气体轴承正在苏州制氧行工业试验考核.我们相信、在国内高速低温透平膨胀机中改用全动压气体轴承将会指目可待.
考文航：
（1]模子，全动压气体轴承低醒透平影账机的研究[博士学位论 文西安：西安交通大学、1999[2.照联发，新型箔片动压气体轴承的研究及其在低温造平攀胺机 上的应用[博士学位论文】，西安：西安交通大学，198“3]刘立强，陈纯正等高通低温机械螺驼槽气体止推轴承的发 展、操冷技卡，1996（11;8-13[4] W X.Ka. C.Z. Chen. The chaerirnnr audy of ga-lbneeed elf-Cryugreics 30 Sept. 1990 ating spml rved thnat bering equippe on epense surlme.S]Y Hou L. Y. Xoeg ad C. Z. Chn et al. The eqperiernal stuly of usng pleefoil jomal bnnnp for lagh spend crogrmcturboesperder.Proemdinof SemhIaematenlCrognic Engneeing Coeferesct Boumeuth U. K.、113 117 1998. 7
4总结
本文对高速低温透平影胀机采用全动压气体轴
冶金工业气体安全技术协会第一届四次代表大会在丹东召开
2001年10月14日-17日在辽宁省丹东市召开，来自全国副理事长， 各地的85名代表参加了本次会议.大会开幕式由马大方理民、王义新、募令放等出席了会议. 院长王义才和协会有关领导等宽、卢宝良、高福兴、孙敬代表们认为，在过去的一年协会工作取得了一定成效，财
会议通过了秘书长黄小武同志代表理事会所作的协会务收支合理，并希望下年度的工作计划得到全面完成、同
唐钢北区动力厂、唐钢氧气厂、武钢氧气公司、武钢时希望各有关单位积极配台.能源总厂，攀钢氧气厂、静钢制氧厂、邢台钢铁公司制氧厂、通化钢铁公司制氧厂、南昌销铁公司制氧厂、山西新寄询，研讨. 临钢制氧厂、昆明钢铁公司氧气厂，安阳钢铁公司制氧厂、天津铁/氧气厂等13个单位发表了16篇专业论文.
大会还对各单位在生产中遇到的实际问题进行了现场
会议呼吁，面对建国以来的第五次伤亡事故高峰已经到来的现实、各会员单位应牢困树立“安全第一、预防为
的专题发言，从理论与实践两方面对空分防爆安全技术进 马大方理事长作了“空分流程与主冷型式安全性分析”主”的方针，切实作好安全生产工作，行了分析，阐述、代表们深感受益匪浅、
本次大会在良好的氯围中进行，达到了预期目的，取得了国澳成功、
过聘任武钢氧气公司经理胡小敏同志为协会常务副理事长， 因工作调动原因，经马大方理事长提议，大会一致通
（43008]武汉青山任家路武汉安全环保研究院内） 治金工业气体安全技术协会秘书处
