柔性表面微织构箔片轴承气体微流动机理及润滑特性研究

The gas foil bearing has many advantages, such as high rotating speed, low friction, impact resistance and favorable stability. For the lubricated medium is low viscosity compressible gas, the main problem existed in gas foil bearing is insufficient of bearing load capacity and wear during starting up. Surface micro-texture is processed micro pits with specific dimension and array on foil surface, which provides a novel way for solving above-mentioned problems. The micro concavo-convex structures generate additional hydrodynamic effect which makes the bearing to obtain extra load capacity. The micro-textured gaps that accommodate more lubricated gas can ease off the wear before lifting off. The squeeze effect of gas in micro-textured uneven gaps can increase the damping and suppress the vibration of the rotor. The dimension of surface micro-texture is small (less than 1 micron), Naiver-Stokes equation based on continuum assumption cannot predict the micro flow in micro structure accurately, so the modeling method of micro flow for micro textured compliant surface based on Boltzmann equation should be developed to reveal the lubrication mechanism. The generalized gas lubricated Reynolds equation for micro flow based on Boltzmann equation is derived and the numerical coupling algrithom for micro-foil elastic deformation based on multi-level method will be proposed, and the lubrication characteristics of micro teuxtured gas foil bearing can be obtained. The experimental study for surface micro textured gas foil bearing will be carried out, which will provide the foundation for the design and optimum of the bearing.

尽管气体箔片轴承具有高转速、低摩擦、抗冲击及稳定性好的优点，但由于润滑介质为低粘度的可压缩气体，因此气体箔片轴承存在的主要问题是承载力不足和启动过程磨损。在箔片表面织构出特定尺寸和排列的微小凹坑可为上述问题的解决提供新的途径: 箔片表面微织结构能产生附加流体动压效果，使轴承获得额外承载力；表面微织构能容纳更多气体，可减少轴颈起飞前的磨损；微织构中气体的挤压效应还可增加轴承阻尼，降低转子振动。箔片表面微织构尺度微小（小于1微米），基于连续介质假设的纳维斯托克斯方程无法准确预测微织构内气体的微流动，需要探索基于玻尔兹曼方程的柔性表面织构气体微流动建模方法，以更好地揭示其润滑机理；由玻尔兹曼方程推导广义气体润滑微流动雷诺方程，研究基于多重网格技术的微流动-箔片弹性变形耦合数值算法，获得表面微织构气体箔片轴承的润滑特性；开展表面微织构气体箔片轴承特性实验研究，为其设计及优化提供基础。

动压气体柔性箔片轴承以其高转速、良好的抗冲击性、温度适应性强、高可靠性等优点在航空航天、低温工程等领域表现出广阔的应用前景。但是气体轴承存在承载力和动态性能弱，气体箔片轴承-转子系统容易出现低频振动等问题。为提高箔片轴承承载力及动态性能，丰富其应用范围，本项目提出了具有表面微槽和微坑两种类型微结构的新型径向和止推箔片轴承，基于线性化玻尔兹曼方程的广义雷诺方程作为压力控制方程，建立了稀薄气体下箔片轴承气热弹耦合模型；针对具有表面微结构气体箔片轴承中微结构尺寸小，计算量巨大的问题，针对气体润滑控制方程建立了多重网格计算格式；在此基础上分析了新型箔片轴承的静动态性能及热特性，验证了新型结构轴承的优越性；针对低频振动现象，研究了箔片轴承-转子系统非线性动力学特性高效的时间序列预测算法，搭建箔片轴承-转子系统试验台，进行了转子系统动力学特性试验验证，为该类型气体箔片轴承的设计、应用提供理论及试验支撑。研究表明：平箔片表面微结构的采用，可减少气体端泄量，提高气膜压力，使径向箔片轴承的承载力及刚度增大约11.8%，粘性摩擦力矩、主阻尼也有所增大；稀薄气体边界滑移效应会使径向箔片轴承的静、动态性能有所减小，且平箔片微槽深度越大，气体边界滑移效应的影响越明显。具有表面微坑的止推箔片轴承在微坑出口处形成额外的收敛楔，有助于气膜压力的进一步升高，使轴承的轴向承载力增大9.5%左右，轴向刚度、主旋转刚度也有所提高，而粘性摩擦力矩是减小的，更加有利于转子的稳定运行。具有表面微结构的新型径向箔片轴承在承载力改善的同时，润滑气膜温度也有所升高，在承载力方面比传统径向箔片轴承增大约12.7%。所采用的时间序列预测算法在求解气体轴承-转子系统耦合动力学中能够加快收敛速度，使计算效率提高20%以上；新型径向箔片轴承的平箔片微槽深度越大，转子系统稳定性提高越显著；止推箔片轴承的旋转刚度作用会使转子低阶临界转速有所增大。