周向槽宽度对涡轮增压器转子系统非线性动力学特性影响研究

浮环外表面周向槽宽度结构参数会影响外膜压力分布,进而对高速轻载涡轮增压器转子系统非线性振动特性产生显著影响。基于流体润滑机理和有限元理论,建立了包含轴系集总运动方程、浮环轴承瞬态温度模型、润滑油黏温方程以及轴承间隙热变形方程在内的涡轮增压器轴系热-流-固耦合的综合模型,并提出了一种有效的求解策略。通过与试验数据对比,验证了该综合模型的准确性和可靠性。以某柴油机用涡轮增压器转子系统为例,通过三维振动瀑布图研究不同周向槽宽度在低(50℃)、中(90℃)、高(130℃)3种入口油温下转子系统频域瞬态振动响应。结果表明:相对于全圆瓦浮环轴承支撑的转子系统,当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm时,在不同入口油温下转子系统内膜涡动、振荡的转速区间逐渐缩小,振动幅值均大幅降低;但随着周向槽宽度和入口油温的增加,外膜承载力降低,转子系统呈现出刚性运动,即零频振动,并且零频振动幅值高于低频振动,成为主导频率。当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm:入口油温为50℃时转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和83%;入口油温增加至90℃时,转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约38%、75%和82%;入口油温增加至130℃时,最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和79%。因此,对于不同的入口油温,周向槽浮环轴承可使转子系统的振动幅值大幅降低,有利于提高转子系统的稳定性,结论可为周向槽浮环轴承的参数设计提供理论参考。

复杂边界条件浮环轴承油膜力模型研究

为了增加浮环轴承润滑油的流通性,常在浮环上开设周向槽或轴向槽,然而油槽的存在使得油膜边界复杂化。针对短轴承模型难以处理复杂边界条件以及数值方法计算效率极低的问题,引入和发展了2种油膜力模型——数据库法和分离变量法,以处理浮环轴承复杂边界和计算效率问题。针对轴向槽轴瓦,基于数据库方法建立具有三维结构的非线性油膜力和摩擦力数据库;而针对周向槽轴瓦,基于分离变量法推导出非线性油膜力解析表达式。通过与有限差分法对比,验证了所发展的油膜力模型具有较高的计算精度和计算效率。