气体涡轮流量计用螺旋槽动压气体轴承的可行性分析
流量测量仪表种类繁多,测量方法也很多。迄今为止,可供工业用的流量测量仪表种类达60种之多。在如此众多流量测量仪表中,气体涡轮流量计以其高精度、重复性好、抗*力好、测量范围宽、结构紧凑等优点而*用于工业生产中。但是由于其主轴承使用滑动轴承或转动轴承的范围性,使得气体涡轮流量计存在不能*保持校准特性以及流体物性对流量特性有较大影响等缺陷。我国中科院有一些学者曾尝试将气体轴承应用于流量计中,不过大多是选用可倾瓦动压气体轴承。由于可倾瓦动压气体轴承不但体积大,而且老本很高,很难用于民用工业中,所以仅仅停留在试验阶段。迄今为止国外尚无此类问题的研究。综合制造老本、使用寿命以及精度进步等因素,本文作者设计了一种气体涡轮流量计用螺旋槽动压气体轴承(以下统称螺旋槽轴承)。
1.气体涡轮流量计的结构及工作原理
涡轮流量计的结构如图1所示。在管道中心安放一个涡轮,两端由轴承支撑。当流体通过管道时,冲击涡轮叶片,对涡轮产生驱动力矩,使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生扭转。在一定的流量范围内,对一定的流体介质粘度,涡轮的扭转角速度与流体流速成正比。由此,流体流速可通过涡轮的扭转角速度得到,从而可以计较得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内久磁钢产生的磁力线时,就会惹起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器,对信号进行放大、整理,产生与流速成正比的脉冲信号。再将脉冲信号转换成模拟电流量,进而指示瞬时流量值。由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力,使轴承的摩擦转矩增大,加速轴承磨损,为了消除轴向力,需在结构上釆打水力平衡措施,这里不再赘述。从图1中也不难看出工作主轴的性能对流量计有很大的影响。
2.气体润滑的特点
从气体固有的特点来看,气体作为润滑剂具有以下特点
(1)粘度小。在15-20℃时,其粘度约为油的1/1000,摩擦力亦为油的1/1000;当温度从20℃上升到80℃,其粘度增加约16%,而相像条件下油的粘度下降1/14。气体由于粘度小,它所惹起的摩擦力矩比油惹起的小3个数量级。加上气体具有均化作用,所以用气膜润滑支承的回转精度比油膜高2个数量级。
(2)适应性好。油在及高或及低温下,都不起润滑作用。气体润滑剂在高低温时,化学性能稳定,不受原子辐射的影响;加之空气的对流作用,即使在高温下,也可把气膜看成恒温。因此用气体润滑,排除了与边界有关的一些问题。
(3)清洁无污。气体作为润滑剂其排放出来的气体,对环境无任何污染;且排气压力大于大气压力,外界污物不易进人机器,保持机器清洁。气膜润滑使机器运行平稳,不存在振动和噪声的污染。
(4)寿命长。寿命分布分离是普通轴承尤其是高速轴承致命的弱点,工作寿命只有几十到几百小时。气体轴承正常工作时,无金属接触,即使考虑其它条件的限制,寿命仍比普通轴承高得多,而且能终保
持精度不变。
综上所述,气体轴承的引人,无疑将会使气体涡轮流量计产生一次革新
3.气体动压润滑
如图2所示,扭转件1受载后将与固定件2产生偏心。当扭转件1以转速n运动时,其间隙为h1和h2,且h1>h2。过滤后的气体从h1流向h2,气体在楔形间隙中形成压力f1。气体是可压缩的,在间隙h2处形成低压区,结果在偏心方向也产生支承力f2,则总支承力f为矢量相加即:
f=f1 +f2
f用来平衡外载荷w。动压气膜,是靠自生压力来支承外载荷的,故适应性差。转速越高,形成动压越好。但无论转速怎样增加,或使油膜厚度h减到zui小,气体动压润滑所产生的压强分布和承载能力都有其限制。
4.螺旋槽轴承的设计
螺旋槽轴承以其承载大(特别是在高速下)、功耗低、高速稳定性好等优点,远优于其它类型的动压气体轴承。由于按zui大稳定性优化的螺旋槽轴承,与按zui大承载优化的螺旋槽轴承相比较,其稳定性进步近千倍,而其承载能力zui多损失77%,因此本文选用按zui大稳定性原则设计。根据窄槽原理,同时充分考虑可压缩性,由zui大稳定性原则可以得出以下结论：
1)轴承有槽面扭转的稳定性,总好于无槽面扭转的情形。
(2)在入=1(入=l/d)时,有槽面扭转的稳定性佳。
(3)轴承的稳定性对槽参数?、b1、y和δ很敏感
(4)当槽面扭转时,y=1为*值,δ=4和b1=6是上限值。
(5)窄槽假设的界限为:ng>a/5。
(6)比较间隙e/r=0.0002~0.0004
(7)比较偏心率:正常工作下,e=0.1~0.5;极状况下,e=0.8~0.9。
综合上述结论,本文取有槽面扭转,且入=1。图3为螺旋槽轴承结构;表1为λ=1时有槽面扭转的轴承参数。其中δ=hg/h,lg=l1,l=l/2,
y=lg/(l-lg),b=bg/br,。
设计本轴承,zui重要的即是核算其承载能力。在上述前提下有以下公式:
zui大稳定承载w=w/(pald)
可压缩数a=6uwe2/p
式中:p为环境压力;μ为润滑气体动力粘度;d为轴承直径;a为轴承转速。
由于各无量纲参数都与可压缩数a有亲切关系,所以要核算其承载能力,就必须先求得a。从上面公式可以看出,a由μ、、ε和p,共同决定。一般来说,气体动力粘度可取2×103pa·s,环境压力可取1.5×103pa;考虑到制造的老本,e可取1.75×10°m,而本文在前面曾经取a=1,所以经过计较可得:
a=65.3ad
用 matlab软件分析以上式子,可以得到图4。
根据zui大稳定承载w=ew/(epa,ld)=7.5*10的4次方*d2w/e,通过对表1的分析,同样行使 matlab软件分析zui大稳定承载w与参数径向承载w/g以及轴承直径d的相互关系,可以得到图5。
5.结论
从图4和图5中不难看出,倘若需要气体涡轮流量计的正常工作速度在4500r/min以上时,在各参数都取本文参数,其zui大稳定载荷会在5n左右。况且本文的许多参数是取近似值,如果能够将各个参数进一步优化,正常工作速度比较大的气体涡轮流量计的主轴承全可以用螺旋槽轴
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2.气体润滑的特点
从气体固有的特点来看,气体作为润滑剂具有以下特点
(1)粘度小。在15-20℃时,其粘度约为油的1/1000,摩擦力亦为油的1/1000;当温度从20℃上升到80℃,其粘度增加约16%,而相像条件下油的粘度下降1/14。气体由于粘度小,它所惹起的摩擦力矩比油惹起的小3个数量级。加上气体具有均化作用,所以用气膜润滑支承的回转精度比油膜高2个数量级。
(2)适应性好。油在及高或及低温下,都不起润滑作用。气体润滑剂在高低温时,化学性能稳定,不受原子辐射的影响;加之空气的对流作用,即使在高温下,也可把气膜看成恒温。因此用气体润滑,排除了与边界有关的一些问题。
(3)清洁无污。气体作为润滑剂其排放出来的气体,对环境无任何污染;且排气压力大于大气压力,外界污物不易进人机器,保持机器清洁。气膜润滑使机器运行平稳,不存在振动和噪声的污染。
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如图2所示,扭转件1受载后将与固定件2产生偏心。当扭转件1以转速n运动时,其间隙为h1和h2,且h1>h2。过滤后的气体从h1流向h2,气体在楔形间隙中形成压力f1。气体是可压缩的,在间隙h2处形成低压区,结果在偏心方向也产生支承力f2,则总支承力f为矢量相加即:
f=f1 +f2
f用来平衡外载荷w。动压气膜,是靠自生压力来支承外载荷的,故适应性差。转速越高,形成动压越好。但无论转速怎样增加,或使油膜厚度h减到zui小,气体动压润滑所产生的压强分布和承载能力都有其限制。
4.螺旋槽轴承的设计
螺旋槽轴承以其承载大(特别是在高速下)、功耗低、高速稳定性好等优点,远优于其它类型的动压气体轴承。由于按zui大稳定性优化的螺旋槽轴承,与按zui大承载优化的螺旋槽轴承相比较,其稳定性进步近千倍,而其承载能力zui多损失77%,因此本文选用按zui大稳定性原则设计。根据窄槽原理,同时充分考虑可压缩性,由zui大稳定性原则可以得出以下结论：
1)轴承有槽面扭转的稳定性,总好于无槽面扭转的情形。
(2)在入=1(入=l/d)时,有槽面扭转的稳定性佳。
(3)轴承的稳定性对槽参数?、b1、y和δ很敏感
(4)当槽面扭转时,y=1为*值,δ=4和b1=6是上限值。
(5)窄槽假设的界限为:ng>a/5。
(6)比较间隙e/r=0.0002~0.0004
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综合上述结论,本文取有槽面扭转,且入=1。图3为螺旋槽轴承结构;表1为λ=1时有槽面扭转的轴承参数。其中δ=hg/h,lg=l1,l=l/2,
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a=65.3ad
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5.结论
从图4和图5中不难看出,倘若需要气体涡轮流量计的正常工作速度在4500r/min以上时,在各参数都取本文参数,其zui大稳定载荷会在5n左右。况且本文的许多参数是取近似值,如果能够将各个参数进一步优化,正常工作速度比较大的气体涡轮流量计的主轴承全可以用螺旋槽轴
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