透平膨胀机气体轴承的数值模拟

　　0 引言

　　气体轴承透平膨胀机具有结构简单，使用温度范围广，能长期稳定运转等优点，因此广泛应用于气体液化设备中。气体轴承是透平膨胀机的关键部件，气体轴承要靠一定压力的清洁气体在轴承与轴颈之间形成气膜，使主轴转动时不与轴承接触。对气体轴承转子失稳转速与轴承半径间隙、供气小孔直径、供气排数、每排供气孔数、供气孔位置等结构参数之间的内在联系和变化规律，进行改进设计[1-3]。本文将ANSYS 数值模拟[4]和试验研究相结合，重点探讨轴承半径间隙对转子失稳转速的影响并得到气体轴承的最佳半径间隙。

　　1 气体轴承数值模拟

　　1. 1 气体轴承建模与网格划分

　　图1 所示为本文所设计的透平膨胀气体轴承，其主要结构包括转子及轴承两大部分，轴承部分又包括径向轴承和止推轴承。

　　为了保证在一定的计算精度下达到适当的计算收敛速度，对气体轴承简化如下:

　　1) 由于对整个转子动力学分析的影响很小，忽略转轴上的销和键等部件。

　　2) 对于径向轴承，采用ANSYS 软件中的COMBIN14弹簧单元来代替径向轴承。它不能考虑弯曲和扭转，每个节点具有3 个自由度，没有质量，要求输入轴承的刚度和阻尼两个参数，能等效的表示径向气体轴承的支承作用。

　　3) 由于止推轴承主要是对转轴的轴向运动进行约束，而且对转子动力学的分析影响不大，将其简化为一个轴向约束。

　　通过上述对气体轴承的简化处理后得到的透平膨胀机气体轴承—转子系统的模型如图2 所示。转轴的材料采用的是不锈钢SUS304L，参数如表1 所示。

　　图3 所示为对气体轴承转轴进行的有限元网格划分。将止推盘中间部分转轴进行线划分为34等份，对转轴端轴承支承部分划分为14 等份，然后对转轴的其余部分采用ANSYS 自由划分网格模式[5]，并在以下将在供气压力Ps=0.6 MPa，对气体轴承模态分析和谐相应分析。

　　1. 2 模态分析加载及求解

　　首先定义分析类型为模态分析，然后在分析选项里选择模态分析提取方法。本文选用Block Lanczos 提取方法[6，7]。需要提取的模态阶数为6，扩展的阶数为6。

　　然后进行轴承部分自由度约束，即轴承支座和转轴的位移约束。由于径向轴承是用COMBIN14 弹簧单元来代替的，根据实际工作情况，将COMBIN14 弹簧单元外端X、Y、Z 三个方向上的位移设置为零(UX=0，UY= 0，UZ=0) ，将 COMBIN14 弹簧单元的另一端(与转轴表面接触端) 简化为轴向约束(UX= 0) 。施加约束后整个气体轴承—转子系统的有限元模型如图4 所示。