高速浮环轴承油膜热力学失稳机理及主动控制研究

With the speed increase of machinery such as exhaust-driven turbo-charge and turbo expander, etc., problems due to thermal generation in bearings become more and more severe. Thermal effect not only affect the bearing characteristics and rotor stability directly, but also cause oil film rupure and efficacy lose. At present, study on the temperature field of high-speed floating ring bearings is restricted to initial solution and numerical simulation. Investigation on the mechanism of thermal effect on floating ring balance and oil film characteristics, especially thermal instability has not been carried out systematically. .This proposal is proposed by means of experiment and numerical simulation, including: 1) To develop a measuring system for the inner and outer film temperature field and film thickness of floating ring bearing; 2) To set up a temperature analysis and thermal instability model of high-speed floating ring bearing coupled with multi-factors of the mix flow, elastic deformation of floating ring, surface micro-characteristic, and cavitation, etc.; 3) Overall analyzing the numerical calculation and experimental results, determine the critical temperature for film rupture and the critical speed for rotor instability; 4) To conduct the theory model and active control device in order to adjust the temperature and performance of floating ring bearing-rotor system . Upon succsee of this project, realistic temperature field of floating ring bearing will combined with thermal instability and vibration instability for the first time, useful data will be provided for failure analysis in high-speed floating ring bearing.

随着废气涡轮增压器、透平膨胀机等设备的速度越来越高，其引起的热效应不仅直接对浮环轴承性能及转子稳定性产生重大影响，而且可能导致油膜破裂而失效。目前对高速浮环轴承温升问题的研究仅限于温度场的初步求解与数值模拟，对于热效应对浮环轴承平衡运转及内、外层油膜特性的影响，特别是对于油膜热失稳的影响机理尚未深入进行。.本项目拟通过实验手段和数值模拟，1) 研制浮环轴承内、外膜温度及油膜厚度测量系统；2) 综合考虑混合流态、浮环弹性变形、表面形貌和气穴等多因素耦合时，浮环轴承润滑膜温度场及静态、动态特性物理和数学模型；3) 综合分析数值计算和实验结果，确定油膜破裂的临界温度和转子失稳的临界转速；4) 建立在线主动控制高速浮环轴承温度及转子性能的理论模型并研制相应装置。本项目首次将浮环轴承温度场与油膜热失稳和转子失稳相结合，可为高速浮环轴承的失效分析、转子系统的稳定性及主动控制研究提供依据。

涡轮增压器、透平膨胀机等高速运转设备很多采用浮环轴承支撑，热效应使得润滑油膜内部存在分布不均匀的温度场、粘度场，会造成浮环轴承油膜破裂、润滑失效及转子系统失稳。本项目探讨了热效应对高速浮环轴承平衡运转及内、外层油膜特性的影响，分析了油膜热失稳的机理及影响因素，主要研究内容及重要结果分为以下三个部分。. 首先建立了计入不同流态、气穴和表面粗糙度等多因素耦合的圆柱浮环轴承和圆锥动静压轴承压力场、温度场控制方程及边界条件，用差分法和有限元方法离散基本微分方程组及压力、温度边界条件，通过计算得到了不同工况下动压、动静压浮环轴承油膜的热力学特性参数及随流态、气穴和表面粗糙度等因素的变化规律，探讨了温度对最小油膜厚度的影响及油膜不发生破裂的条件。. 其次建立了“浮环-轴颈-轴承”系统统一的动力学方程，在保证油膜不破裂基础上，计算了不同工况下动压、动静压浮环轴承-转子系统界限涡动比、失稳转速等稳定性参数，制定了计入热效应的高速浮环轴承-转子系统多因素耦合振动稳定性条件。. 最后在试验研究及应用方面，制备并测量了不同温度、含气率的气油两相流粘度，得到了“温度-含气率-黏度”关系式并用于轴承仿真计算中；设计加工不同材料、不同表 面粗糙度和硬度的轴瓦试件，分别在M2000摩擦磨损试验机上测定试件摩擦力和摩擦因数随转速、温度和载荷的变化数据，以此判别摩擦副不同的润滑状态并通过Stribeck曲线等方法分析各因素对油膜润滑状态转化的影响；同时采用红外热像仪实时观测了轴承进油、出油位置的温度场分布。. 在理论计算及实验验证的基础上，对某型号涡轮增压器的浮环轴承-转子系统进行了热力学和动力学计算，建立了热效应下浮环轴承油膜不破裂条件和转子系统不失稳条件，为高速浮环轴承的失效分析、转子系统的稳定性及主动控制研究提供了依据。