CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI Ở chương đầu tiên, luận án sẽ giới thiệu về ổ khí động đàn hồi, trình bày các khái niệm chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại ổ khí động đàn hồi trong thực tế trên cơ sở giới thiệu các ứng dụng thực tế của loại ổ này trong các máy quay cao tốc. Trọng tâm của chương này là việc trình bày, phân tích và đánh giá các hướng nghiên cứu về ổ khí động đàn hồi trong nước và trên thế giới, qua đó tác giả sẽ xác định hướng nghiên cứu trong luận án. Ổ khí động đàn hồi, hay còn có thể gọi là ổ đệm khí (foil air/gas bearing, foil bearing) nằm trong nhóm ổ khí động (aerodynamic bearing), sử dụng lưu chất (fluid) có sẵn trong kết cấu ổ, thường là chất khí, làm chất bôi trơn [1] và có cấu trúc đệm nhu động (compliant foil) đóng vai trò như một lớp nền đàn hồi khi trục-ổ làm việc. Lớp đệm Vỏ ổ dạng sóng Ngõng trục Lót ổ Hình 1.1 Một loại ổ khí động đàn hồi [1] 19 1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc 1.1 Cấu tạo Về mặt cấu tạo, ổ khí động đàn hồi được hình thành từ hai bộ phận chính: (1) vỏ ổ (bearing sleeve) có tiết diện hình vành khăn, nằm cố định trong gối ổ hoặc vỏ máy và (2) cấu trúc đệm bên trong vỏ ổ.
Về cơ bản, cấu trúc đệm được thiết kế sao cho có thể tạo ra biến dạng đàn hồi khi trục quay. Với các loại ổ khí động đàn hồi khác nhau, cấu tạo và hình dạng của cấu trúc đệm này sẽ khác nhau. Ở đây, tác giả xin trình bày cấu trúc đệm của một loại ổ khí động đàn hồi điển hình như trên Hình 1.1, gồm có hai lớp đệm như sau: (i) lớp đệm bên trong (bump foil) nằm tiếp xúc với vỏ ổ, có thể có hình dạng sóng (corrugated shape) hoặc các hình dạng khác, trong đó có một đầu được gắn cố định vào vỏ ổ và đầu còn lại để tự do. Lớp đệm này được tạo hình sao cho có thể ôm lấy mặt trụ phía trong của vỏ ổ; (ii) lớp lót ổ (top foil) bên trong lớp đệm, được cấu tạo từ một tấm kim loại uốn cong ôm lấy ngõng trục.
Tương tự như lớp đệm, lót ổ cũng có một đầu gắn cố định vào vỏ ổ và đầu còn lại để tự do.2 Nguyên lí làm việc Lót ổ Ngõng trục Phân bố áp suất thủy động Hình 1.2 Minh họa sự hình thành áp suất thủy động trong ổ [2] 20 Khác với ổ khí tĩnh khi làm việc cần có các hệ thống dẫn khí, ổ khí động có thể tự hình thành màng khí bôi trơn (lubricating air thin film) và nâng được ngõng trục nhờ áp dụng nguyên lý bôi trơn thủy động, nhằm tạo ra áp suất thủy động khi trục quay nhờ khe hở hình chêm (wedge) hình thành do lệch tâm giữa tâm trục và tâm lót ổ như trên Hình 1. Tuy nhiên, do độ nhớt của không khí trong ổ khí động thấp (so với dầu thường dùng trong ổ thủy động) [3] nên để áp suất thủy động đủ lớn, khe hở làm việc giữa ngõng trục và lót ổ cần phải đủ nhỏ. Chẳng hạn như đối với ngõng trục có đường kính 2 inch quay với tốc độ 36.000 vòng/phút thì khe hở hướng kính làm việc (running radial clearance) giữa ngõng trục và lót ổ cần nhỏ hơn 0,0005 inch [2]. Mặc dù vậy, dưới tác dụng của nhiệt độ cao và lực li tâm (centrifugal force), hiện tượng dãn nở trục (shaft growth) có thể xảy ra dẫn đến kẹt ổ (seizing).
Chẳng hạn, với điều kiện làm việc như ví dụ trên, mức độ dãn nở của trục có thể lên đến 0,0020 inch [2]. Nhược điểm này trên ổ khí động truyền thống có thể được khắc phục nhờ cấu trúc đệm đàn hồi trong ổ khí động đàn hồi. Thay vì tiếp xúc với vỏ ổ, trong ổ khí động đàn hồi, lót ổ được đỡ bởi một cấu trúc đệm đàn hồi. Theo đó, khi trục quay, dưới tác dụng của áp suất thủy động, cấu trúc đệm nhu động này sẽ bị biến dạng giúp mở rộng không gian làm việc của ngõng trục, và khi đạt đến tốc độ đủ lớn sẽ hình thành màng khí giúp lót ổ tách ra khỏi ngõng trục.
Ngoài ra, sự biến dạng này cũng giúp ổ có thể thích ứng được với các hiện tượng như dãn nở trục, chuyển động chệch tâm của ngõng trục (excursion) hay các sai lệch vận hành khác (misalignment) [2].2 Ưu nhược điểm của ổ khí động đàn hồi 1.1 Ưu điểm Với kết cấu đệm đàn hồi và sử dụng khí làm chất bôi trơn, ổ khí động đàn hồi có những ưu điểm nổi bật sau: - Có khả năng hoạt động ở tốc độ cao [2]. - Có khả năng làm việc ở nhiệt độ khắc nghiệt, thậm chí là ở nhiệt độ cực lạnh (cryogenic temperature) [2]. - Giảm chi phí vận hành, bảo trì: chu kỳ kiểm tra và thay thế chất bôi trơn có thể dài hơn so với sử dụng dầu. - Hư hỏng mềm: Nhờ cấu trúc đệm đàn hồi và khe hở nhỏ, khi hư hỏng ổ xuất hiện, chính cấu trúc đệm sẽ ngăn kết cấu trục khỏi những va chạm quá mức (excessive movement).
Nhờ đó, hư hỏng sẽ chỉ được khống chế trong ổ và bề mặt trục, còn ở những bộ phận khác sẽ được giảm thiểu.2 Nhược điểm - Có khả năng tải thấp (so với dầu), vì vậy yêu cầu khe hở hẹp hơn giữa ngõng trục và lót ổ. Ngoài ra, khi trục càng nặng và kích cỡ ổ càng lớn, yêu cầu về mô-men khởi động lớn, khả năng hấp thụ dao động và khả năng tải ở tốc độ thấp bị hạn chế [4]. Khi đó có thể sử dụng loại ổ lai (hybrid bearing), chẳng hạn như ổ lai đệm-từ (foil magnetic bearing) [5], vì lực điện từ có thể giúp giảm tải tĩnh tác dụng lên trục (đặc biệt là khi khởi động) cũng như có thể tạo ra giảm chấn chủ động (active damping) khi trục quay (đặc biệt là ở tốc độ thấp) [6]. - Tại thời điểm mở máy và tắt máy, tiếp xúc trực tiếp giữa ngõng trục và lót ổ sẽ xuất hiện nên phải sử dụng chất bôi trơn thể rắn (solid lubricant) [1, 2] để giảm mòn.
- Do cấu trúc phi tuyến tương đối phức tạp và sự phụ thuộc rất lớn vào độ linh hoạt của đệm (foil flexibility) trong việc hình thành áp suất thủy động, nên việc dự đoán khả năng làm việc (performance) của ổ khí động đàn hồi sẽ gặp khó khăn [7].3 Phạm vi ứng dụng Ổ khí động đàn hồi nằm trong những công nghệ không sử dụng dầu (oil-free technologies), và đã được ứng dụng vào các hệ thống máy móc kiểu tua-bin (turbomachinery) trong vài thập kỷ qua [1]. Trong đó, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) là tổ chức có những bước đi tiên phong, thực hiện nhiều đầu tư vào nghiên cứu phát triển lĩnh vực này, và thu được nhiều thành tựu đáng kể [1]. Điển hình đầu tiên là thiết bị luân chuyển không khí (Air Cycle Machine, ACM) – trái tim của hệ thống điều khiển môi trường (Environmental Control System, ECS) nhằm kiểm soát nhiệt độ và áp suất trên các loại máy bay. Thiết bị ACM đầu tiên có tên là DC-10 (Hình 1.3), được nghiên cứu và phát triển bởi AiResearch và đi vào sản xuất năm 1970.
Thiết bị này được sử dụng cho máy bay Airbus A-300. Kết cấu quay trong thiết bị này bao gồm 3 trục quay: tua-bin, máy nén khí và cánh quạt. Thiết bị có thể làm việc ở tốc độ 48.3 Thiết bị luân chuyển không khí DC-10 [2] Các thiết bị ACM trước đây sử dụng ổ lăn (rolling element bearings) thì nay đã và đang được thay thế bằng ổ khí động đàn hồi, trên cả các máy bay quân sự và dân sự. Chẳng hạn như thiết bị ACM trên máy bay F-16 dùng ổ lăn từ năm 1974 đến 1982, và từ năm 1982 trở đi thì thay thế bằng ổ khí động đàn hồi.
Tương tự, thiết bị ACM trong Boeing 747 sử dụng ổ lăn từ năm 1970 đến 1988 trước khi được thay thế bằng ổ khí động đàn hồi [2]. Ngoài ra, ổ khí động đàn hồi còn được sử dụng trong các bằng sáng chế hay được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống máy móc kiểu tua-bin như: trung tâm gia công tốc độ cao (high speed machining center) [8], tua-bin tăng áp (turbocharger) [9-12], máy phát điện dùng tua-bin (turboalternator) [13], máy nén cao tốc (high speed compressor) [14], máy thổi nhiệt độ cao (high temperature blower) [15], động cơ tua-bin phản lực (turbojet engine) [16, 17], động cơ tua-bin cánh quạt (turbofan engine) [18], động cơ tua-bin khí cỡ micro (micro gas turbine engine) [19], hệ thống làm lạnh không khí Brayton (small Brayton air refrigerator system) [20], tua-bin giãn nở (turboexpander) trong các ứng dụng siêu lạnh [21, 22], hệ thống đẩy trong trực thăng (helicopter propulsion system) [23], hay hệ thống phát điện cỡ nhỏ (micro-power generator system) [24, 25].4 Phân loại ổ khí động đàn hồi 1.1 Theo khả năng tiếp nhận tải trọng: Theo đặc điểm này, ổ khí động đàn hồi gồm có hai loại: ổ đỡ (journal bearings) và ổ chặn (thrust bearings) [1]. Trong đó, ổ đỡ chịu tải hướng tâm và kiểm soát quỹ đạo tâm 23 trục (rotor orbit), còn ổ chặn chịu tải dọc trục và do đó kiểm soát chuyển động dọc trục.4 Ổ đỡ khí động đàn hồi và ổ chặn khí động đàn hồi [1] Mặc dù khác nhau về hình dạng, nhưng cả hai loại ổ này đều dựa trên cùng một nguyên lý hoạt động như đã trình bày ở trên. Hiện nay các nghiên cứu bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm vẫn tập trung chủ yếu vào ổ đỡ, một phần là vì việc mô phỏng lại tải trọng dọc trục trong các hệ thống thí nghiệm khó hơn so với tải trọng hướng tâm [26].
Điều này dẫn đến việc đối với ổ chặn, các đặc điểm về hiệu năng làm việc (performance) như khả năng tải (load capacity), tổn hao công suất (power loss) chưa được tìm hiểu một cách cụ thể, nên có thể gây ra các rủi ro về kĩ thuật (technical risks) khi áp dụng thực tế. Chính vì vậy, trong các hệ thống máy móc kiểu tua-bin, các tải trọng dọc trục thường được giảm thiểu thông qua quá trình thiết kế, lựa chọn các chi tiết, bộ phận [1, 27].2 Theo cấu trúc đệm Theo đặc điểm này, với các cấu trúc đệm khác nhau, ổ khí động đàn hồi được phân loại thành các thế hệ ổ khác nhau hoặc có các tên gọi khác nhau tương ứng với từng cấu trúc đệm. i) Thế hệ ổ thứ nhất Ý tưởng về việc sử dụng một vài tấm đệm dạng lá và lắp công-xôn (cantilevered) (Hình 1.