高端气体轴承现状与发展战略研究（简要版）

气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承，与常规使用的油润滑滑动轴承相比，其工作原理是基本相同的。由于气体轴承采用实际流程工质气体润滑，而且气体黏度较低，因此可以支承转子高速运转。在低温透平、高速涡轮、微小型燃气透平和高速电机中，传统的滚珠轴承和油润滑轴承难以满足要求。气体润滑轴承具有无污染、摩擦损失低（比油润滑小三个数量级）、运转平稳（μm级振幅）、寿命长（维护时间间隔＞1万h）、紧凑度高（体积约为油润滑系统的20%）、造价低等诸多优点，能大大提高高速透平的经济性、运转可靠性及结构工艺性，因此得到了越来越广泛的应用。

气体轴承具有转速高、精度高、功耗低和寿命长等优点，在高速微型动力领域具有重大需求，主要应用于海陆空天动力装备的辅助动力及环控系统，高速电机、分布式能源系统及制冷低温装置的关键设备，如高速微型燃气轮机、涡轮膨胀制冷机、高速微型电机等产品的开发。

用于高速微型动力装备的高可靠性、高精度的气体轴承已经成为中国高速动力装备研发难以逾越的技术瓶颈及发展障碍，其技术难点主要体现在以下三个方面。

（1）在高速微型燃气轮机研制方面，由于自主研发的动压箔片轴承在耦合设计、制造工艺及材料等方面存在一定的缺陷，无法满足转子高转速下稳定性与载荷的性能要求。

（2）在高速涡轮膨胀制冷机研制方面，主要应用领域为飞轮环控系统，由于我国气体轴承技术不够成熟，仍然采用滚动轴承，因此高速运转时寿命很短，极低温环境适应性差；而采用自主知识产权的气体轴承技术时，在轴承转子系统一体化动力学设计方面有不足，导致超高速轻载运行时存在稳定性与可靠性的问题。

（3）在高速微型电机研制方面，轴系具有气固磁耦合的强非线性特点，气体轴承转子系统实验与测控难度大，尤其转子处于柔性工作状态，难以进行气体轴承转子一体化设计，制约了高速微型电机技术的发展。

综上所述，如果气体轴承技术瓶颈不能得到解决，中国高速微型动力装备发展必然受到严重制约与影响。气体轴承虽然是微型动力装备的零部件，却是高速动力的精度、性能和可靠性的重要技术保证。

经过近60年的发展，国外不仅对气体轴承技术进行了系统研究，而且建立了系统的气体轴承工业体系。美欧日韩等国在气体轴承的工程应用上获得成功，突破了高速微型燃气轮机、高速透平膨胀制冷机以及高速微型电机等领域的技术瓶颈，刚性转子设计达到了上百万r/min，柔性转子设计在8万～10万r/min，如成熟的Capstone微燃机采用柔性转子设计，转速可达96000r/min；而国内相应气体轴承技术，采用刚性转子设计时，转速仅为几十万r/min，采用柔性转子设计时，转速仅为3万～6万r/min；可见气体轴承技术上的差距，尤其是在气体轴承-柔性转子一体化设计方法与实验技术上表现得更为突出，直接制约了我国高速微型动力产业的发展，直接导致我国气体轴承没形成规模化的产业，工业体系缺乏。以高校、科研院所为代表的研发主体，研发能力和技术指标尚与国际先进水平有一定差距。

针对气体轴承在高速微型动力装备研发中存在的三个方面的技术难点，总结出四项关键技术如下：①气固弹润滑机理、耦合设计与制造工艺技术；②高性能新材料新结构气体轴承润滑技术；③轴承转子系统一体化设计技术；④高速气体轴承-转子系统实验与测控技术。

近十年来，虽然我国在气体轴承技术研发方面走过了许多弯路，但我们也打下了较好的技术研发基础，尤其是在动压箔片轴承的设计、动静压气体石墨轴承材料、气体轴承转子系统非线性振动试验与测控技术取得了一定的突破。基于以上技术储备，为解决气体轴承存在的上述关键技术短板，推进国产化进程，将从关键技术攻关、技术成果转化、产业化三个层面展开工作。

（1）关键技术攻关：以流固耦合动力学为理论基础，着重进行气体轴承新材料、新工艺、新结构及轴承转子一体化设计技术的开发，尤其是加强技术特征与特性实验研究，形成具有自主知识产权的高端气体轴承技术成果，构建高速气体轴承研发及实验中心，为解决高速微型动力的技术瓶颈提供技术支撑。

（2）技术成果转化：以科研院所及大专院校的科研成果为基础，紧密地结合高速微型动力的相关行业，共同打造科研成果中试实验基地以及研发平台；结合高速微型燃气轮机、涡轮膨胀制冷机、高速微型电机在不同领域和环境的应用特点，针对轴承对耐磨、耐冲击以及高低温环境要求，开发相对应的高端气体轴承产品。

（3）产业化：以企业为主体，以行业为依托，着重开展以高速微型动力产业为核心的联盟建设；以高速微型燃气轮机、涡轮膨胀制冷机、高速微型电机等为切入点和突破口，集中力量加快推进，为国家动力装备建设和国防工业提供安全保障。

为此，我国气体轴承的发展战略应以重点攻关项目为载体，组建政产学研用协调创新研发体系，建立若干个工业化应用示范工程，尽快实现气体轴承技术在民用和军用产品上的应用。具体建议是：

（1）以科研院所为主体，以国家在高速微型燃气轮机、涡轮膨胀制冷机、高速微型电机三个技术领域的重大需求为牵引，加大产学研一体化攻关与协同创新平台的建设，着重开展技术基础与技术应用方向的研究，为解决高速微型动力领域的技术瓶颈提供支撑；企业发挥创新主体作用，以自主研发为主，以引进消化吸收为辅，发挥产业联盟在资源配置中的市场作用，加快推进技术成果转化与高端气体轴承技术创新及产业化。

（2）以大专院校为主体，以协同创新平台为基础，加强气体轴承领域人才队伍建设，结合科研成果中试实验中心、研发平台、产业化平台的成果转化基地，共同打造人才培育基地，为气体轴承技术研究人才队伍保障的可持续发展奠定基础。

（3）以国家重大需求牵引政策为导向，针对高端气体轴承技术瓶颈，加大科研投入，设置多项技术攻关课题，从顶层开始打造产学研一体化的高端气体轴承技术研发与技术应用及产业化发展体系。对于高端气体轴承技术的基础、应用，应重点列入“四基”、973/863专项；对于高端气体轴承的产业化问题，国家相关部门出台高速微型动力产业的振兴方案，引导资本投向气体轴承产业，带动高端气体轴承的发展。