以超临界二氧化碳为介质的径向箔片轴承静特性分析

以超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环所用压缩机中的径向箔片气体轴承为研究对象,考虑S-CO_(2)在近临界区的实际物性,运用有限差分法数值求解变密度变黏度湍流雷诺方程,耦合弹性箔片变形方程,计算以S-CO_(2)为润滑介质的径向气体轴承的气膜压力分布规律,并分析近临界区S-CO_(2)物性变化对轴承承载力、摩擦力矩的影响。计算结果表明:近临界区密度、黏度的物性突变对轴承的承载力和摩擦力矩影响较大,且越靠近临界点时影响越显著;同一压力下,承载力和摩擦力矩随着温度的升高而减小,同一温度下,承载力和摩擦力矩随着压力的升高而增大;随着偏心率、轴承数和径向轴承的长径比的增大,承载力和摩擦力矩均增大,而偏位角减小。

径向不对中微织构气体箔片轴承静态特性分析

为进一步探究表面形貌对气体箔片轴承的影响,采用数值分析方法分析不对中情况下表面粗糙度和表面微织构对径向气体箔片轴承静特性的影响。利用超松弛迭代(SOR)和有限差分法对气体箔片轴承的Reynolds控制方程进行求解,通过模拟仿真分析不同微织构形状、深度、数量、占比以及表面粗糙度下轴承的静特性。研究结果表明:不同形状微织构对气体箔片轴承性能影响不同,椭圆形微织构提高轴承静特性的效果较好;微织构深度、数量和占比存在一组相对最优值,可在提升轴承承载力的同时降低摩擦力矩;与无微织构轴承相比,具有特定参数微织构的径向气体箔片轴承承载力提高了36.32%,摩擦力矩降低了1.66%。

S-CO_(2)箔片气体动压轴承静动态特性分析

以超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO_(2))为介质的动力循环系统因其结构紧凑、效率高、能源清洁等优势受到广泛的关注。针对S-CO_(2)介质径向箔片气体动压轴承建立力学计算模型,通过物性数据库获取S-CO_(2)物性数据并基于反向传播(back propagation, BP)神经网络训练S-CO_(2)物性模型,与变黏度变密度的湍流气体润滑雷诺方程进行耦合。利用热平衡计算轴承气膜的平均温升,计算S-CO_(2)径向箔片气体动压轴承的静态特性并对程序进行验证。基于小扰动法计算动态刚度与阻尼系数,分析雷诺数、静态承载和轴承名义间隙对S-CO_(2)介质径向箔片轴承动态特性的影响规律。结果表明,利用神经网络训练获得的S-CO_(2)物性模型,获取到的不同温度与压力状态下的S-CO_(2)物性值可靠性相当高。适当增大局部雷诺数,减少名义间隙,提高静态载荷,可以获得更好的轴承动态性能。

箔片结构库伦摩擦效应对径向箔片轴承特性的影响

基于有限元法建立波箔型气体径向轴承箔片结构的库伦摩擦模型,通过改变平箔片与波纹箔片之间以及波纹箔片与轴承座之间的摩擦因数,对比分析了在各种载荷分布条件下波纹箔片库伦摩擦模型与文献中线性弹簧模型的刚度特性,研究了库伦摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响规律.在此基础上,运用有限单元法和有限差分法求解雷诺方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承中截面处最小气膜厚度随轴承承载力的变化规律以及承载力随偏心率的变化规律.通过数值仿真对该模型、文献中线性弹簧模型和刚性表面气体轴承进行对比分析,并把气膜厚度分布与文献结果进行了对比.结果表明:箔片的库伦摩擦力在一定程度上增大了波纹箔片的刚度,并且随着摩擦因数的增大其刚度以及两端固定的波纹箔片个数也增加,使得箔片轴承表面变"刚",因此轴承静特性更趋于刚性表面轴承,此外当轴承承载力一定时,箔片摩擦因数越大轴承的最小气膜厚度越小.

径向气体箔片轴承高速重载测试及实验台搭建

设计了一款带有气缸加载装置的高速重载径向气体箔片轴承实验台,并对一种三瓣式气体箔片轴承进行实验研究.测得该气体箔片轴承起飞转速和起飞转矩均随载荷增大而升高.分别在转速为30000、40000、50000、60000 r/min时采用温度监测法对该种气体箔片轴承进行承载能力测试,测得该气体箔片轴承在不同转速下的极限承载能力分别为380、535、700和810 N.实验期间,在70000 r/min时对双波箔气体箔片轴承进行加载实验,并在51000 r/min时实现1020 N加载,验证了高速重载气体箔片轴承实验台搭建成功.

新型三瓣式径向气体箔片动压轴承热特性分析

为研究新型三瓣式径向气体箔片动压轴承的温度特性,提出了考虑热特性的润滑理论计算模型.通过耦合求解非等温Reynolds方程和气膜能量方程,并计入转子的离心效应和热膨胀量对轴承间隙的影响,运用数值模拟的方法求解出轴承内气膜温度分布,研究轴承载荷、转速和冷却气流量等因素对轴承温度的影响.计算结果表明:气膜温度峰值位于压力峰值的下游位置;气膜温度随轴承载荷和转子转速的增加而递增,相较于转速对气膜温度的影响,轴承载荷的影响并不明显;往轴承箔片结构内通入冷却气流可以起到明显的降温效果,且轴承温度随冷却气流的上升先迅速下降后逐渐平缓.

轴径转速对多箔片气体动压径向轴承静特性的影响

基于对Reynolds方程和动压气膜厚度方程,运用中心差分法和Newton-Raphson迭代法进行耦合求解数学模型,在Matlab软件中对理论分析进行编程求解,给出了多箔片气体动压径向轴承静特性的求解方法,确定箔片轴承基本参数,计算分析动压轴承的静特性,通过不同的轴径转速对动压轴承的气膜压力、箔片变形、承载力和姿态角的影响展开研究,得到了多箔片气体动压径向轴承随轴径转速的变化规律,为多箔片气体动压径向轴承的实际工程应用提供参考。

波箔型径向气体箔片轴承-转子系统升降速动态特性试验

为了研究以波箔型径向气体箔片轴承为支承的轴承-转子系统动力学特性,专门设计了波箔型径向气体箔片轴承试验台,质量为0.458kg的转子在该试验台上实现了超过80 000r/min的运转速度.径向轴承为波箔型径向气体箔片轴承,止推轴承为多叶箔片轴承.试验结果表明:波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处振动位移幅值一直维持在20μm之内.由于驱动涡轮受到不平衡气流力的作用,转轴升速时的起飞转速要高于降速时的起飞转速.

工质与结构对径向气箔轴承静态特性影响分析

本文以氦气、氮气与空气为工质润滑的径向气箔轴承为研究对象,耦合气膜厚度方程求解定常Reynolds方程,得到了不同工质润滑的动压径向轴承无量纲气膜压力分布图与中截面无量纲气膜厚度分布图,并得到了同一内径下,转速、长径比与偏心率对承载力与摩擦力矩的影响规律。结果表明:不同介质在相同工况下的径向气箔轴承具有相似的无量纲气膜压力分布,在中截面处,氦气润滑的轴承具有最高的气膜压力,氮气润滑的轴承具有最低的气膜压力。不同润滑介质的气体轴承无量纲气膜厚度分布基本相同,随着周向角度的增加,气膜厚度先减小后增加,氦气润滑的轴承在正压区域的气膜厚度最大,润滑介质为氮气时在正压区域的气膜厚度最小。气体轴承的承载力和摩擦力矩均随着转速的提高而增加。在内径与偏心率相同情况下,长径比越大气体轴承的承载力越大,在内径与长径比相同情况下,偏心率越大气体轴承的承载力和摩擦力矩也更大。

箔片摩擦效应对转子-箔片轴承系统动力学特性影响试验

为了研究波纹箔片和轴承壳之间的摩擦特性对转子-箔片轴承系统动力学特性的影响,设计了波箔型径向气体箔片轴承-转子试验台,通过在该试验台上对以两组不同轴承壳圆柱孔内表面粗糙度的箔片轴承支承的质量为0.458kg的转子进行转速为0~8 000r/min的运行试验,对比分析了波纹箔片与轴承壳内壁之间的摩擦效应对系统转子动力学特性的影响.结果表明：直径为19.98mm的波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处的振动幅值一直维持在20μm附近,并且降低轴承壳内表面粗糙度（摩擦因数）能够让波纹箔片相对容易地在平箔片和轴承壳之间周向滑移,使其吸收并消除转子高频振动,提高转子系统运行稳定性.

基于库伦摩擦效应的箔片轴承极限承载力理论与试验

基于有限单元法建立了考虑库伦摩擦的波箔型径向气体箔片轴承的箔片结构模型,采用有限差分法和有限单元法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,通过求解轴颈达到极限偏心率时的轴承极限承载力,研究了箔片结构库伦摩擦效应对轴承极限承载力的影响规律,并搭建了轴承极限承载力测试试验台,利用温度法测量了两个具有不同轴承壳内表面粗糙度的波箔型径向气体箔片轴承的轴承极限承载力.通过对比分析仿真结果与试验结果表明:轴承壳圆柱孔内表面粗糙度为0.4μm的轴承在10000r/min和20000r/min下,轴承极限承载力分别为15.5N和42.3N;而表面粗糙度为1.6μm的轴承极限承载力为10.9N和29.6N,这是由于波纹箔片和轴承壳体之间的库伦摩擦力增大了波纹箔片的刚度,因此增大箔片结构摩擦因数使得轴承极限承载力降低,并且仿真结果变化趋势和试验结果变化趋势吻合.