气体动压轴承主动化/智能化及其支承转子动力学分析与控制

Aerodynamic gas bearings are widely accepted as the best alternative in many turbomachinery for their outstanding performance, such as high-speed operation, high efficiency and compact-sized. However, due to the pure passive structure, the bearing performance is unchangeable and largely depends on the bearing structure. Thus, conventional aerodynamic gas bearings are considered to be unable to support flexible rotor system which normally has complex vibrations. The project brings forward a new conception to develop novel active/smart aerodynamic bearings. Active/smart structures including flexure hinge and piezoelectric (PZT) actuator or shape memory alloy (SMA) spring are used in the bearing to sensor or control the vibration of rotor-bearing system. 1) A coupling dynamic model for the flexure hinge and PZT will be introduced to study the lubrication mechanism of the novel bearings. 2) A numerical model for SMA spring by considering the nonlinear frictions forces and the structure stiffness will be presented to describe the relationship between the bearing temperature and bearing stiffness and damping coefficients. 3) This project will also study how the active control affects the dynamic behavior of the rotor system and finally propose related control strategy. 4) The corresponding tests will be conducted to verify the predictions. The research results from this project will enrich and develop the basic theory of fluid lubrication and rotordynamics. This project also provides a new thought and method for the development of high-level bearing technology.

气体动压轴承以其高速、高效、紧凑的特点已被认为是中小型动力设备的理想轴承，然而，作为一种“纯被动式轴承”，其与生俱来的在轴承性能上的“单一性”和“结构依赖性”决定了传统气体动压轴承无法完美匹配动态响应复杂的柔性转子系统。本项目创新性地提出了轴承主动化/智能化的思路，通过引入了柔性铰链-压电陶瓷（PZT）和记忆合金（SMA）弹簧的主动控制结构和智能感知单元，以实现对气体轴承支承转子系统动力学行为的智能感知和主动控制。本项目将1）建立柔性铰链和PZT的耦合动力学模型，研究主动结构和可压缩气体的耦合润滑机理；2）建立考虑SMA弹簧内部非线性摩擦力和结构刚度的耦合动力学模型，揭示轴承温度对其刚度和阻尼的影响规律；3）分析主动控制和转子动力学行为表征之间的关系，并提出控制策略；4）搭建试验台验证理论模型。研究成果将丰富和发展流体润滑和转子动力学的基础理论，为高端轴承的发展提供全新思路。

气体动压轴承以其高速、高效、紧凑的特点已被认为是中小型动力设备的理想轴承，然而，作为一种“纯被动式轴承”，其与生俱来的在轴承性能上的“单一性”和“结构依赖性”决.定了传统气体动压轴承无法完美匹配动态响应复杂的柔性转子系统。本项目创新性地提出了轴承主动化/智能化的思路，通过引入了柔性铰链-压电陶瓷（PZT）和记忆合金（SMA）弹簧的主动控制结构和智能感知单元，以实现对气体轴承支承转子系统动力学行为的智能感知和主动控制。本项目1）建立柔性铰链和PZT的耦合动力学模型，研究主动结构和可压缩气体的耦合润滑机理；2）建立考虑SMA弹簧内部非线性摩擦力和结构刚度的耦合动力学模型，揭示轴承温度对其刚度和阻尼的影响规律；3）分析主动控制和转子动力学行为表征之间的关系，并提出控制策略；4）搭建试验台验证理论模型。研究成果将丰富和发展流体润滑和转子动力学的基础理论，为高端轴承的发展提供全新思路。.通过主动改变控制电压的方法实现了轴承静动态性能的主动控制，进而实现了新型主动气体动压箔片轴承-转子系统大振幅的次同步振动的主动抑制，结合PID控制算法实现了新型主动气体动压箔片轴承及其转子系统振幅在不同转子转速下的转子振幅的区间控制。通过理论计算和实验测量的方法研究了不同的设计参数、工况参数和控制电压对轴承静动态性能和轴承-转子系统的非线性动力学响应的影响。预测结果和实验数据均表明新型主动气体动压箔片轴承能主动有效地抑制轴承-转子系统的振动。.通过将SMA引入到气体轴承中，作为气体轴承的支承结构，可以实现改变轴承性能，调整SMA轴承支承的转子系统的稳定性和承载力。通过实验和理论模型研究不同结构参数和运行参数对轴承静动态特性、非线性运动规律、温度分布及其转子系统动力学响应的影响，证明SMA材料相变可以有效改变转子系统性能，设计的冷却系统可以快速降低轴承的温度和恢复SMA材料初始状态。