采用空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器转子系统设计理论研究及实验验证

Turbochargers (TCs) have become an essential element for improving the power-output performance and fuel efficiency of many internal combustion vehicles. Current TCs normally employ floating ring bearings (FRBs) to support the high-rotational rotors. Because of the use of oil lubrication, FRBs limit the working speed and working temperture of TCs, increase the size and complexity of system, and also suffer from the inherent problem of oil leaking. The best solution to address these shortcomings is to eliminate the oil lubricated bearings. Gas foil bearings, a type of hydrodynamic air bearings, are considered as the idea supporting element for micro turbomachineries. This project will focus on the nonlinear rotordynamic behavior of rotor systems supportted on GFBs. A TC is choosed as the research object. Three aspects of science contents in-depth will be conducted: 1)development of a numerical analyses of GFBs for the nolinear static and dyanmic characteristics; 2)rotordynamic analysis of a rotor-bearing system with the dynamic coefficients from the analysis of the GFBs; 3)development of a prototype of oil-free turbocharger and experimental verification; We expect to establish a theoretical basis and design gaidelines for oil-free turbochargers, including the design of GFBs and the analysis of rotor stabiliby. The successful implementation of this project will also promote the applications of GFBs in high speed turbomachinary, such as micro gas turbine, cruise missile propulsion system, oil-free compressors for fuel cell and high-speed motor etc.

涡轮增压器可以大幅度地提高发动机的功率和燃油经济性，已成为现代汽车不可或缺的重要零部件。空气动压箔片轴承由于不使用润滑油，被认为是涡轮增压器的理想轴承。本课题将围绕空气动压箔片轴承-转子系统非线性动力学问题，以涡轮增压器为研究对象，深入研究三个方面的内容：1）建立基于箔片结构力学分析和动态摩擦力模型的空气动压箔片轴承的非线性性能计算模型；2）建立涡轮增压器轴承-转子系统柔性多体动力学模型，研究轴系非线性振动机理以及轴承-转子系统设计理论；3）试制无油涡轮增压器样机，搭建实验测试平台并验证计算理论和设计方法。课题将建立起从空气动压箔片轴承计算模型到转子系统动力学分析模型的全套分析理论和设计方法，丰富和发展轴承-转子动力学的基础理论。本项目取得的成果将直接为空气动压轴承在如微型燃气轮机、巡航导弹推进系统、燃料电池无油空压机、超低温冷却系统等其他高速机械中的应用提供理论指导和实验经验。

涡轮增压器能够在改善燃油经济性以及减少尾气排放的情况下大幅地提高发动机的输出功率，其已成为越来越多汽车上的重要部件。目前由于大部分涡轮增压器采用的是浮动环油轴承，其漏油、温升过高、功率损失过大、故障率高等缺点严重阻碍了涡轮增压器的发展。空气箔片轴承不需要提供润滑油、结构简单、工作转速高、温度特性好、可靠性高，被认为是涡轮增压器的理想轴承。本项目针对空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器系统存在的问题，深入研究了三个方面内容：1）建立基于箔片结构力学分析和接触动力学的空气动压箔片轴承的非线性性能计算模型；2）建立涡轮增压器轴承-转子系统柔性多体动力学模型，研究轴系非线性振动机理以及轴承-转子系统设计理论；3）试制无油涡轮增压器样机，搭建实验测试平台并验证计算理论和设计方法。项目组已开发一套完整的空气箔片轴承性能预测软件，该软件能够预测径向箔片轴承和推力箔片轴承的静态、动态特性，同时能够预测轴承的温度特以及非线性特性，这对工作在高温大载荷情况下的空气箔片轴承具有重要意义。同时开发了一套空气箔片轴承转子系统动力学分析软件，该软件不仅能够对常规的转子动力学问题如临界转速的计算，不平衡响应等进行分析，还能对轴承转子系统的非线性特性进行分析。所有预测结果均已得到项目组实验测试结果以及国内外公开发表的实验数据的验证。项目组成功搭建了一台空气动润滑涡轮增压器试验台，该实验台最高平稳运行转速达10 krpm，并且已正常工作超过2000小时、启停超过3000次，实验后轴承状况良好，该实验台可验证大部分轴承及转子动力学理论分析结果。通过对本课题的深入研究、刻苦攻关，本项目组已总结了一套完整的空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器的设计、分析及测试方法，掌握了无油涡轮增压器设计的关键技术。本课题的研究成果不仅能够解决无油涡轮增压器应用过程中遇到的问题，还能够推广到其他采用空气动压箔片轴承的高速旋转机械如微型燃气轮机，高速电机，高速空压机等。