动压箔片轴承气体-弹性动力学研究

针对高速箔片动压气体轴承-转子系统的静特性、稳定性机理与动力学特性进行理论分析和试验研究，分析箔片动压气体轴承弹性箔片元件力学特性及其结构刚度、结构阻尼和库仑阻尼，考虑径向轴承与止推轴承在高速运转过程中振动的耦合作用及非线性气膜力，轴向涡动、圆周平行涡动、锥形涡动等因素对轴承性能的影响，建立转子－空气－平箔－波箔－定子间相互作用动力学模型，数值求解气体－弹性动力学耦合问题，获得轴承静态特性及转子系统动态性能和稳定性参数。完成箔片动压气体轴承结构研究，确定设计准则，在此基础上进行高速转子－轴承静、动特性、稳定性以及启停性能的试验研究。通过理论与实验相结合，进一步改进和完善数理模型，最终确立高速箔片动压气体轴承机理研究、理论设计、性能分析的完善方法，探明轴承－转子系统振动耦合传递过程的基本规律和影响关系，为我国发展高速气体润滑箔片轴承奠定基础，形成具有自主知识产权和鲜明特色的研究成果。

本项目是针对NSAF联合基金中的“明确目标课题”-32.动压箔片轴承气体-弹性动力学研究，其目标要求的研究内容为：1.研究空气动压箔片轴承的几何模型建立方法；2.研究并建立转子－空气－平箔－波箔－定子间相互作用动力学模型；3.研究气弹耦合问题的数值求解方法，研究轴承承载力、刚度、起飞转速与箔片轴承结构、材料性能与几何参数、气隙、摩擦副表面特性等因素间的关系；4.研究并建立动压箔片轴承理论分析与设计的实验验证方法。.本项目针对动压箔片气体轴承的关键技术拟定了新型高速箔片动压气体轴承－转子系统静特性、稳定性机理与动力学特性的基础理论和试验研究方案。研制、开发出了支承结构在三个空间方向（轴向、周向和径向）都具有可控刚度和良好阻尼特性的箔片元件，对新型高速箔片动压气体轴承进行了分析，并确定了新型箔片CFB高速动压气体轴承型式和结构参数范围；进而从机理上对新型可控刚度动压气体轴承箔片元件的特性进行研究，建立了箔片元件的力学特性、结构刚度、结构阻尼和库仑阻尼的数理描述；在可控刚度弹性支承箔片元件分析的基础上，考虑箔片刚度与气膜刚度的耦合作用，建立了转子－空气－平箔－波箔－定子间相互作用可压缩流体动力学模型；研究了气弹流－固耦合问题的数值求解方法，获得了轴承承载力、刚度、起停转速与箔片轴承结构、材料性能与几何参数、气隙、摩擦副表面特性等因素间的关系；进一步开展了高速透平轴承－转子系统动力学特性及稳定性研究，分析了新型高速箔片动压气体轴承非线性气膜力、轴向涡动、圆周平行涡动、锥形涡动等对气体轴承性能的影响；探索了箔片动压气体轴承副径向轴承与止推轴承在高速运转过程中振动的耦合作用和失稳机理。项目还建设了高速透平驱动的气体轴承－转子系统实验台，开展了轴承静、动特性、稳定性以及启停性能的试验，通过改变箔片元件的结构形式、切开方式、材质、尺寸、配合间隙等关键因素，得出了影响箔片轴承性能的关系，揭示了箔片动压气体轴承静刚度、结构刚度，静态间隙，转子起浮转速、临界转速，轴承启动力矩、摩擦力矩，轴承承载力及高速转子振幅、频域-时域特征，转子轴心轨迹等振动特性和变工况性能等，为箔片动压气体轴承的设计、应用奠定了基础。最终解决了高速（10万rpm）透平箔片动压气体轴承－转子系统稳定运转的基础理论问题，确立了高速轴承－转子系统振动特性、稳定性机理研究、理论设计、性能分析和实验验证的完善方法。