高速透平机械全金属鼓泡箔片动压气体轴承稳定性研究

为了验证高速透平机械中鼓泡箔片轴承完全取代传统静压轴承的可行性,将全金属鼓泡箔片径向轴承和鼓泡箔片止推轴承同时应用在主轴直径为25mm、产量为150m3/h工业制氧机用的高速透平膨胀机上,进行了全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机的实验研究,实验用的鼓泡箔片径向轴承采用周向叉排,鼓泡箔片止推轴承采用径向叉排。实验结果表明:透平转子在全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机上能够稳定运行,表现出良好的动态性能和稳定性;由于良好的柔弹性结构、惯性小等特点,鼓泡箔片轴承能够迅速适应转子运动;随着转子转速的升高,转子轴心轨迹由不规则半圆环状逐渐变成规则的圆环状,在多次重复性实验中轨迹重复性较好;鼓泡箔片轴承可有效抑制转子涡动,转子能够在高转速下持续稳定运行。

鼓泡箔片动压气体径向轴承库仑阻尼耗散的数值分析

为了更好地研究箔片轴承的动态特性和稳定性,提高高速透平机械中轴承转子的系统稳定性,采用能量耗散的方法对单层和双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散能量进行了分析与评价,获得了箔片厚度、周向和轴向鼓泡支承点间距等结构参数以及弹性模量对库仑阻尼耗散能量的影响。数值研究结果表明:随着箔片厚度的减小,周向鼓泡间距减小,库仑阻尼耗散能量增加;轴向鼓泡支承点密度增大以及偏心率和转速的升高也会加强库仑阻尼耗散;在相同工况下,双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散明显大于单层鼓泡箔片轴承,且改变双层鼓泡箔片轴承中层鼓泡箔片厚度耗散能量效果优于改变顶层平箔厚度;高弹性模量材料的硬度高,箔片滑移量小,会减小库仑阻尼耗散能量;相同条件下,鼓泡箔片轴承选用高弹性模量材料时库仑阻尼耗散能量更小。

止推轴承中多层鼓泡箔片支承结构弹性变形的数值研究

针对单层鼓泡箔片动压止推气体轴承在实验中出现的易磨损、承载能力低等缺陷,设计双层和三层鼓泡箔片支承结构。采用ANSYS Workbench有限元软件建立单层、双层和三层3种鼓泡箔片支承结构的数值模型,利用有限差分法和Newton-Raphson迭代法通过MATLAB编程求解得到同等轴承尺寸下的气膜压力分布;将气膜压力施加在3种支承结构的平箔片表面进行数值求解,得到不同支承结构的弹性变形情况。结果表明:平箔片的变形量相对鼓泡箔片要大,因此在对该类轴承分析时不应忽略平箔片的变形作用;在多层鼓泡箔片支承结构中,越靠近轴承间隙的鼓泡箔片的变形量越大,其支承作用也越明显;对于多层鼓泡箔片支承结构,可通过加大平箔片厚度来更好地发挥鼓泡箔片的支承作用;三层鼓泡箔片支承结构具有较好的弹性分布,在鼓泡箔片动压止推轴承的设计中应优先采用。

双层鼓泡箔片动压气体止推轴承性能试验研究

本文提出了双层鼓泡箔片动压气体止推轴承,其中鼓泡箔片采用球冠状凸起阵列作为弹性支承元件。通过调整双层鼓泡箔片厚度,轴承分片张角,可以实现轴承刚度的调节。并将双层鼓泡箔片动压气体止推轴承应用到直径17mm主轴透平膨胀机上,探索和掌握双层鼓泡箔片动压气体轴承的装配特性。对轴承进行多次启停性能试验,整个试验过程中,该新型结构轴承能够提供足够止推力,最大止推力在7.5×10^4r/min至9.5×10^4r/min时可达33.8N(0.05mm,60°张角)。

透平膨胀机中气体动压止推轴承双层鼓泡箔片的结构改进

基于有限差分法和Newton-Raphson迭代法求解止推轴承间隙的润滑气膜压力,根据气膜压力分布特征对常规型双层鼓泡箔片的鼓泡分布进行改进,并采用有限元法求解支承结构各层箔片的弹性变形和应力分布情况。结果表明,随着支承结构轴向均匀柔性系数的增大,气膜压力不断减小,平台区压力分布的均匀性不断增强。平箔片相比于鼓泡箔片具有较大的弹性变形和应力集中,使其更易磨损,第一层鼓泡箔片的弹性支承作用较第二层更显著。改进后的新型支承结构各层箔片的变形量和变形区域均远小于常规型,且在平台区变形均匀,可有效抑制箔片磨损,提高透平膨胀机止推轴承的承载力和稳定性。

多层鼓泡弹性支承箔片动压气体轴承的实验研究

在单层鼓泡箔片动压气体轴承的基础上,提出了多层鼓泡箔片轴承的新型结构.该种新型结构可以通过合理选择上下层鼓泡箔片上鼓泡的结构参数和相对位置,产生不同的刚度和阻尼效果.该种轴承结构弹性支承元件的轴向和周向刚度可调,且具有良好的结构阻尼特性;同时多层鼓泡箔片之间的滑移能够产生附加库仑阻尼,因此提高了轴承的稳定性.实验中透平膨胀机采用25 mm直径的转子时最高转速达到了99 044 r/min.在整个升速和降速过程中低频涡动均较小,验证了此种新型箔片轴承具有优异的抑制不稳定涡动的效果,有望应用在高速透平机械中.

鼓泡型箔片动压止推气体轴承结构变形的数值研究

针对鼓泡型箔片动压止推气体轴承的结构特点,应用ANSYS软件建立弹性支承结构的有限元模型,并对其进行数值求解。在不考虑顶层平箔片变形的情况下,分析单个鼓泡尺寸变化对其支承刚度的影响,建立轴承模型并在对顶层平箔片施加通过有限差分法求解得到的气膜压力后,求解获得平箔片和鼓泡箔片的变形情况。结果表明:通过减小鼓泡半径、跨距以及增大箔片的厚度能够提高鼓泡弹性支承结构的刚度;顶层平箔片在鼓泡型弹性箔片元件的变形中起主要作用,而且弹性箔片元件的变形量能够满足润滑层最小气膜间隙的要求。