Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc đệm lót đến đáp ứng động lực học ổ khí động đàn hồi - Đại học Bách khoa Hà Nội

Cấu tạo tiêu chuẩn của một ổ khí lá bao gồm vỏ ổ, lớp lá đỉnh và lớp lá đệm. Lớp lá đỉnh có bề mặt trơn nhẵn tiếp xúc trực tiếp với màng khí bôi trơn. Lớp lá đệm nằm sát vỏ ổ và thường được dập định hình lượn sóng đàn hồi. Cấu trúc bump foil là dạng thiết kế thông dụng nhất của lớp lá đệm. Các gân sóng bump foil hoạt động như hệ thống lò xo phi tuyến phân bố đều quanh chu vi. Đệm lót đàn hồi cho phép ổ tự do biến dạng theo tải trọng ngoài tác dụng. Khi ngõng trục quay, áp suất màng khí nén làm lớp lá đỉnh uốn cong mềm mại. Biến dạng này làm tăng diện tích tiếp xúc hiệu dụng và phân tán đều ứng suất. Hợp kim niken Inconel thường được chọn làm vật liệu chế tạo nhờ độ đàn hồi và độ bền nhiệt cao.

Nguyên lý vận hành của gas foil bearing dựa trên hiệu ứng bôi trơn đàn hồi thủy khí. Khi rotor quay, dòng khí bị cuốn vào khe hở hình nêm giữa ngõng trục và lớp lá đỉnh. Vận tốc góc tăng dần tạo nên hiệu ứng nén khí động lực học mạnh mẽ. Áp suất khí tăng vọt đẩy ngõng trục tách rời hoàn toàn khỏi bề mặt lá kim loại. Trục đạt trạng thái nổi hoàn toàn trên màng khí nén không ma sát tiếp xúc. Đồng thời, trường áp suất màng khí tác động làm biến dạng đàn hồi lớp lá đệm bên dưới. Sự tương tác hai chiều giữa dòng khí nén và kết cấu kim loại đàn hồi thiết lập trạng thái cân bằng động. Cơ chế tự thích nghi này giúp triệt tiêu dao động và ngăn ngừa kẹt dính ngõng trục khi tải trọng thay đổi.

Ổ khí động đàn hồi mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với ổ trượt dầu truyền thống. Thiết bị loại bỏ hoàn toàn hệ thống bơm cấp dầu, đường ống hồi lưu và bộ lọc cồng kềnh. Trọng lượng tổng thể của cụm máy quay giảm đi đáng kể. Hệ số ma sát nhớt của chất khí cực thấp giúp giảm thiểu tổn thất cơ học và nhiệt lượng sinh ra. Ổ hoạt động bền bỉ tại dải vận tốc trên 100.000 vòng/phút mà không bị suy giảm cơ tính. Độ tin cậy của hệ thống nâng cao nhờ loại trừ triệt để nguy cơ cháy nổ do dầu bôi trơn. Ngoài ra, đệm lót đàn hồi giúp triệt tiêu hiện tượng xoáy màng dầu thường gây mất ổn định ở các ổ trượt thông thường.

Phương trình Reynolds dạng nén được thiết lập để mô tả quy luật biến thiên áp suất màng khí. Khí bôi trơn được xem như khí lý tưởng trong điều kiện nhiệt độ làm việc thực tế. Chiều dày màng khí phụ thuộc vào độ lệch tâm ngõng trục và độ võng đàn hồi của lớp lá đỉnh. Phương pháp sai phân hữu hạn giải hệ phương trình áp suất màng khí theo từng bước thời gian. Lưới tính toán được chia mịn tại vùng nêm khí có gradient áp suất biến đổi lớn. Khi trục quay ở tốc độ cao, mật độ khối khí trong khe hở hẹp thay đổi đáng kể. Phân bố áp suất thu được phản ánh trực tiếp khả năng chịu tải trọng của ổ khí lá. Trường áp suất khí động này đồng thời là tải trọng ngoài ép lên bề mặt đệm lót.

Mô hình đàn hồi của cấu trúc bump foil được xây dựng dựa trên lý thuyết uốn thanh cong mỏng. Mỗi gân sóng bump foil được mô hình hóa như một dầm đàn hồi chịu tải phân bố từ lớp lá đỉnh. Chuyển vị của các đỉnh sóng xác định độ lún cục bộ của bề mặt đệm lót đàn hồi. Hiện tượng ma sát trượt giữa lớp lá đệm và vỏ ổ tạo ra cơ chế cản dập Coulomb tự nhiên. Lực ma sát này đóng vai trò quan trọng trong việc dập tắt dao động của ngõng trục khi qua tốc độ nguy hiểm. Sự kết hợp giữa độ uốn cục bộ và ma sát trượt tạo nên đặc tính cơ học phi tuyến của kết cấu đệm. Mô hình giải tích giúp xác định chính xác biến dạng thực tế của bề mặt ổ.

Phương pháp nhiễu loạn vi phân nhỏ xác định 8 thông số động học của ổ khí động đàn hồi. Các thông số gồm 4 hệ số độ cứng động và 4 hệ số cản dập động theo hai phương trực giao. Giá trị độ cứng và cản dập biến thiên mạnh theo tần số dao động và vận tốc quay của trục. Màng khí nén sinh ra lực hồi phục và lực cản cản trở chuyển động lệch tâm của ngõng trục. Tác động chéo giữa các phương chuyển động có thể dẫn đến hiện tượng mất ổn định tự kích. Cấu trúc đệm lót đàn hồi tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng dao động cho hệ thống. Biên độ dao động của tâm trục giảm đáng kể tại dải vận tốc cao. Các hệ số này là đầu vào trực tiếp cho bài toán động lực học rotor.

Mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng chi tiết trường ứng suất và biến dạng của từng sóng bump foil. Chiều dày lá đệm và góc nghiêng của các gân sóng ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng uốn cục bộ. Khi tải trọng tăng cao, các sóng bump ép sát vào bề mặt vỏ ổ tạo nên đáp ứng độ cứng phi tuyến tăng dần. Lớp lá đỉnh chịu ứng suất uốn lớn nhất tại vùng nêm khí có áp suất cực đại. Ứng suất tiếp xúc trượt giữa các lá kim loại quyết định mức độ mài mòn theo thời gian vận hành. Mô phỏng số giúp nhận diện chính xác các điểm tập trung ứng suất nguy hiểm trên đệm lót. Từ đó, kích thước hình học của từng bước sóng được tinh chỉnh để san phẳng phân bố tải.

Độ cứng động của ổ khí lá phụ thuộc phi tuyến vào chiều dày và bước sóng của lớp lá đệm. Khi tăng chiều dày lá đệm, độ cứng kết cấu tăng theo hàm bậc ba của chiều dày vật liệu. Độ cứng cao giúp nâng cao khả năng chịu tải trọng tĩnh nhưng làm giảm khả năng tự lựa hướng tâm. Cấu trúc đệm mềm dẻo hơn giúp tăng diện tích tiếp xúc màng khí và phân tán áp suất đồng đều. Tuy nhiên, đệm lót quá mềm làm giảm khe hở khí tối thiểu và dễ gây va chạm cơ học khi trục quay lệch tâm. Việc cân bằng giữa độ cứng động và hệ số cản dập động là mục tiêu cốt lõi trong thiết kế. Sự phối hợp hợp lý đảm bảo rotor quay êm và ổn định ở tốc độ cao.

Cấu trúc đệm lót tác động trực tiếp lên vị trí các tần số dao động riêng và tốc độ tới hạn. Hệ trục đỡ bởi hai ổ khí động đàn hồi xuất hiện các dạng dao động tịnh tiến và uốn cong phức tạp. Khi thay đổi độ cứng đệm lót đàn hồi, các điểm cộng hưởng chuyển dịch ra ngoài vùng tốc độ làm việc. Khả năng cản dập Coulomb giữa các bề mặt lá kim loại giúp rotor vượt qua tốc độ tới hạn với biên độ nhỏ. Hệ thống máy quay tránh được hiện tượng phá hủy do hiện tượng cộng hưởng cơ học nguy hiểm. Kết quả khảo sát khẳng định việc kiểm soát hình học bump foil cho phép điều chỉnh chủ động dải tốc độ ổn định của rotor.

Mẫu thử nghiệm ổ khí lá bump foil thế hệ I được gia công với độ chính xác hình học cao. Lớp lá đệm sóng dập định hình bằng khuôn dập chuyên dụng nhằm đảm bảo độ đồng đều của các bước sóng. Lớp lá đỉnh được cắt từ dải thép không gỉ đàn hồi và cuộn tròn theo biên dạng lòng vỏ ổ. Vỏ ổ gia công tinh trên máy tiện CNC để đảm bảo độ tròn và dung sai lắp ghép tiêu chuẩn. Một đầu của các lớp lá hàn cố định vào rãnh then trên vỏ ổ bằng phương pháp hàn điểm điện trở. Đầu còn lại để tự do cho phép trượt đàn hồi khi chịu lực nén từ màng khí. Bề mặt lớp lá đỉnh phủ lớp bôi trơn rắn nhằm giảm ma sát tiếp xúc khi khởi động.

Thực nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa sử dụng hệ thống ép tĩnh gia tải từng nấc lực định sẵn. Cảm biến lực đo chính xác tải trọng nén tác dụng trực tiếp lên mặt lớp lá đỉnh. Đầu đo dịch chuyển siêu chính xác ghi nhận biến dạng lún tương ứng của cấu trúc bump foil. Đồ thị quan hệ lực - biến dạng phản ánh rõ nét đặc tính phi tuyến và vòng trễ do ma sát tiếp xúc. Giá trị độ cứng thực nghiệm đo được có độ lệch rất nhỏ so với mô hình tính toán lý thuyết. Vòng trễ đàn hồi thể hiện rõ khả năng tiêu tán năng lượng dao động của kết cấu đệm lót đàn hồi. Dữ liệu thực nghiệm giúp hiệu chỉnh các hệ số ma sát trong mô hình toán học.

Hệ thống thử nghiệm trục quay vận hành ở dải tốc độ từ 0 đến hàng chục nghìn vòng/phút. Hai cảm biến dòng xoáy bố trí trực giao 90 độ ghi nhận liên tục tín hiệu vị trí ngõng trục. Quỹ đạo tâm trục hiển thị dạng đồ thị trực quan qua bộ thu nhận dữ liệu tốc độ cao. Kết quả cho thấy rotor tự động nổi lên màng khí khi đạt tốc độ cất cánh danh định. Quỹ đạo tâm trục co nhỏ và duy trì vòng elip kín ổn định tại dải tốc độ làm việc cao. Dữ liệu đo đạc khẳng định không xuất hiện hiện tượng xoáy màng khí gây mất ổn định. Điều này chứng minh hiệu quả dập tắt rung động vượt trội của cấu trúc đệm lót đàn hồi dạng sóng.

Thiết kế ổ khí lá cho microturbine đòi hỏi tối ưu hóa đồng thời nhiều chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe. Kích thước ổ phải nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo khả năng nâng tải trọng rotor lớn ở tốc độ cao. Việc lựa chọn biên dạng sóng bump foil và lớp lá đỉnh quyết định trực tiếp hiệu suất sinh màng khí. Mô hình tính toán bôi trơn đàn hồi thủy khí hỗ trợ xác định chính xác khe hở lắp ghép ban đầu. Hệ thống ổ đỡ được tối ưu hóa giúp giảm tổn hao công suất do ma sát dòng khí xuống mức tối thiểu. Điều này góp phần nâng cao hiệu suất nhiệt tổng thể của cụm động cơ tuabin nhỏ. Cấu trúc đệm bền vững đảm bảo máy vận hành an toàn trong môi trường nhiệt độ cao.

Nâng cao tuổi thọ và độ ổn định cho gas foil bearing đòi hỏi các giải pháp công nghệ vật liệu tiên tiến. Lớp phủ bôi trơn rắn gốc polymer hoặc MoS2 trên lớp lá đỉnh giúp bảo vệ bề mặt khi khởi động và dừng máy. Xử lý nhiệt bề mặt lớp lá đệm gia tăng độ bền mỏi dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ rung động. Ngoài ra, việc bổ sung lớp lưới kim loại hoặc vật liệu giảm chấn viscoelastic làm tăng hệ số cản dập động của kết cấu. Các cấu trúc đệm lót đàn hồi đa lớp thế hệ mới giúp kiểm soát độ cứng động linh hoạt theo từng dải tốc độ. Những cải tiến này nâng cao đáng kể độ tin cậy vận hành của hệ trục quay tốc độ cao.