动压箔片轴承气体－弹性动力学研究

随着离心机对功率密度要求的提高，需要转子工作在更高转速下，动压箔片气体轴承具备高转速、高稳定性和低摩擦损失等特点而成为提高转速的关键。箔片轴承中转子与润滑气体间、润滑气体与平箔间存在流固耦合作用，平箔与波箔间、波箔与定子间存在接触摩擦作用，表现出复杂的非线性特性；如何设计箔片的几何结构并在制造过程中保证所设计的几何形状，是箔片轴承应用中亟待解决的问题。本课题针对低转速时转子与平箔间存在接触摩擦、气体流动存在间断的问题，研究非全膜气体润滑的建模及数值算法以更准确获得起飞转速；针对气体瞬态雷诺方程、转子运动方程、箔片变形方程在流固耦合求解过程中时间上无法同步的问题，研究基于轨迹法的时间序列预测-校正流固耦合数值算法； 研究动压箔片轴承理论分析与设计的实验验证方法。

本项目以动压气体箔片轴承为研究对象，研究了该类型轴承的气体-弹性动力学特性，给出了空气动压箔片轴承几何建模方法及转子－空气－平箔－波箔－定子耦合作用建模方法，在研究空气动压箔片轴承气弹流固耦合算法的基础上，开展了动压箔片轴承理论分析及实验验证。本项目按照课题申请书的研究计划开展相应的研究工作，完成了研究计划规定的研究内容。. 课题取得如下研究成果：针对典型的波箔型气体径向箔片轴承，给出了轴承气膜间隙厚度函数，完成了轴承几何建模；完成了箔片结构弹性力学建模、转子动力学建模、气体润滑动力学建模，给出了转子-气体-平箔-波箔-定子气弹流固耦合模型，获得了摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响，结果表明箔片结构的库伦摩擦效应在一定程度上增大了波纹箔片的刚度。研究了空气动压箔片轴承气弹流固耦合算法，通过数值仿真获得了轴承的承载能力、动力学特性系数等特性，进而获得了箔片轴承—转子系统的动力学特性，给出了研究了平箔片剪切刚度以及箔片结构库伦摩擦效应对轴承静态及动态特性的影响。设计并建立了波箔型径向气体箔片轴承特性测试试验台，通过改变轴承壳圆柱孔内表面粗糙度，提出了一种研究箔片结构摩擦效应对波箔型径向气体箔片轴承特性影响的试验方法，并对箔片轴承静刚度、起飞转速、极限承载力和轴承动力学特性系数进行了测试，结果表明降低轴承壳圆柱孔内表面粗糙度能够减小轴承静刚度，使得箔片轴承的悬浮转速降低，减少了轴承启停时表面磨损，延长了轴承寿命，同时还能够有效提高轴承极限承载力。设计并搭建了波箔型径向气体箔片轴承-转子系统试验台，基于振动频率和平箔片温度测量准确判断了转子起飞转速，重点分析了波纹箔片和轴承壳之间摩擦效应对转子系统动力学特性的影响。通过降低轴承壳内表面粗糙度有效消除了转子高频振动，提高了转子系统运行稳定性，为提高箔片轴承-转子系统运行稳定性提供了新的方法。