微涡轮发动机轴承系统润滑性能的实验研究

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The experimental study on lubrication performance ofmicro turbine engine bearing systemLU Jinming，ZHANG Tong(School of Mechanical Engineering，Beijing Insititute of Technology，Beijing 10008 1，CHN)Abstract：The double-row-hole hydrostatic/hydrodynamic thrust bearing with spiral groove is applied to the gaslubricated bearing system on micro turbine engine which is centimeter magnitude three layer structure inthis paper，and the influence of static pressure orifice diameter and bearing clearance of the hybrid gasthrust bearing on the gas flow rate and the bearing capacity is analyzed.The bearing system prototype isfabricated by the CNC machine，and orifice sizes and defects of the hydrostatic orifce prototype are de-tected by the optical microscope.The gas bearing test platform is established，and the related experi-mental study is caied out.The results show that the hybrid thrust bearing with spiral groove can pro-vide good stable bearing capacity for the high-speed rotating rotor，and provide a certain self-centeringcapability when the rotor is instable。

Keywords：Turbine Engine；Spiral Groove Thrust Bearing；Lubrication Performance；Test近年来，微型飞行器、自动机器人以及便携式电脑等产品对能源系统提出了微型化、高能量密度和环境友好等新要求，在微机电系统(MEMS)技术的快速发展基础上，微动力机电系统 (Power MEMS)应运而生 。以微涡轮发动机为代表的微型动力源是能把高能量密度的液态燃料转化为机械能或电能，在可携带能源方面具有巨大潜力，这种只有纽扣大小的发动机的设计目标是能提供高于锂电池系统 10～50倍的能量密度，成为 Power MEMS研究中的热点 。

气体轴承是气体在轴和轴套之间构成挤压气膜，将活动面和静止面隔离开来，它具有极低摩擦、无污染、精度高、结构相对简单以及寿命长等优点，成为支撑微转子的最佳选择 J。从 1997年开始，诸多学者开展了对微涡轮机轴承系统的研究，2004年 Epstein 报· 52 ·道了-个六层硅片结构的微涡轮机轴承系统，Teo 和Liu 等相继展开了对其静压推力轴承和静压径向轴承的研究。Shan和 Zhang 介绍了-个三层硅片结构的涡轮器件，其中包括气体动压径向轴承和螺旋槽动压推力轴承。动压轴承能充分利用转子高速旋转时产生的动压效应来提供承载力，但在低速和起动时承载力很低，容易发生碰磨。Pioong kang等 研制了-种由四层硅晶片结构组成的微涡轮增压器，包括静压推力轴承和动压径向轴承，设计转速达 1×10 r/min，但实际为0.5X10。r/min，这主要是由于加工误差导致径向轴承不能提供足够的承载力来支撑转子的高速运转。最佳方案是采用动静压混合轴承，可兼具动压和静压轴承的优点，但 目前关于微动静压混合轴承的理论报道 很少，相关实验测试更少。

蒯20毒i3釜 ， 定，压力分别为 45 kPa和 7.4 kPa。然后开始给主涡轮供气 ，转子的状态就是位移信号前半段所示，转速不高，但轴向稳定。当主涡轮供气压力增大到-定值，转子就失稳，位移信号变成-条直线，可能是转子径向承载力不够。此时给径向轴承和平衡室供气，转子逐渐恢复旋转，伴随着径向轴承和主涡轮供气的不断增大，转子转速不断增加，最后显示最大转速为 486 r/min，主涡轮供气压力为 10 kPa，平衡室供气压力为 3.1kPa，径向轴承供气为5.1 kPa。

之心 8400 0.51.01.52l0 2l5 3l0 3.54.0 4.5 5.O 556.0 6.57D 7.58l0 859.09.5IOB采集时间T/S图8 主涡轮供气压力从0n 10 kPa时，转子的加速过程图9是主涡轮供气为 15 kPa时，转子稳定运转的位移信号，转速为653 r/min。在调整主涡轮供气压力过程当中，发现位移信号幅值基本保持不变，这表明微转子的轴向位置总是稳定的，推力轴承供气能很好地为旋转的转子提供足够的承载力。-般出现失稳的情形，可能是由于径向轴承的承载力不够或转子涡动幅度太大，导致转子与定子侧壁接触，进而停止转动。目前所能达到的最高转速为 1 200 r/min，但实验仍在进行中，预期可能达到更高的转速。

10之 9塞8潍 76540.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0采集时间T/s图9 主涡轮供气为1 5 kPa时，转子转速为653 r/min综上所述，螺旋槽动静压混合推力轴承能够为微涡轮发动机轴承系统样机提供较好的轴向承载力，在初始供气条件下能保持较稳定的运转，随着主涡轮供气压力的增大，转速增大，出现失稳的情形，可能是由于径向轴承承载力不足导致的，但通过调整，转子又能恢复转动，说明推力轴承具有优异的自恢复能力。但等等 ； ul0 l平帚朋Designand Research设计与研究目前缺乏对径向轴承润滑性能的认识 ，不能对径向轴承供气有较好的控制，这对提高微涡轮发动机轴承系统的性能也是非常重要的。

4 结语本文分析了螺旋槽气体动静压混合推力轴承中静压节流孔直径和轴承间隙对供气流量和轴承承载力的影响♂果表明：节流孔直径和轴承间隙越大，供气流量越大；节流孑L直径-定时，轴承间隙越大，承载力越校搭建了-套气体轴承测试系统，并进行了相关的实验研究♂果表明：随着主涡轮供气压力的增大，转子转速增加，会出现失稳的情形，调整径向轴承的供气，转子能很快恢复稳定旋转状态。