超临界二氧化碳箔片推力轴承润滑机理及承载力优化研究

The supercritical CO2 (S-CO2) Brayton power cycle is regarded as the next generation system with the advantages of high efficiency and compact system, however, the strong real gas effects bring challenges to the design of the system component, this project focus on the cycle fluid S-CO2 lubricated bump-type foil thrust bearings. Analytical modelling, numerical simulation and experimental methodology are all utilized. The turbulent model is first modified via the high-fidelity numerical and experimental results, and the complex flow within the bearing chamber is accurately simulated as well as the pressure and temperature distribution. The strong mixing mechanism at the groove region is througly investigated and the groove design guideline to enhance the load capacity is proposed. The optimum pressure and top foil deflection distribution under different load capacity are investigated and the nonlinear model of bump foils including the curvature effect is built. The optimum spatially bump foil distribution is obtained using the inverse design; The static characteristic of the designed bump-type foil thrust bearing is experimentally determined and the corresponding numerical model is validated. The project can provide the insight into the multiphysics characteristics of the operation of S-CO2 lubricated foil thrust bearings and the optimization of foil bearing. The investigation on S-CO2 lubricated foil thrust bearings is beneficial to the development of high-efficiency power cycles.

超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环具有效率高、结构紧凑等特点，被认为是下一代动力系统。但具有强烈真实气体效应的循环工质对系统中主要组件的设计提出新的挑战，本项目研究以S-CO2润滑的箔片推力轴承，拟采用理论分析、数值仿真和试验相结合的方法。通过高精度的数值和试验方法修正现有的湍流模型，精确模拟超临界二氧化碳为介质的推力轴承腔内复杂流动，获得箔片推力轴承腔内压力和温度分布的精确描述；探索轴承凹槽区域的复杂流动混合机理，获得通过流动混合增强承载力的方案；研究推力轴承在不同负载工况下最优压力和平箔片变形量分布，并考虑弯曲效应的波箔结构物理模型，进而反向设计波箔结构的空间分布；最终通过试验评估设计的波箔型箔片推力轴承的性能并对数值模型进行修正。本项目的研究将推动波箔型箔片推力轴承多物理建模和优化的发展，为高负载波箔型箔片推力轴承的设计奠定基础。

超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环具有效率高、结构紧凑等特点，被认为是下一代动力系统。但具有强烈真实气体效应的循环工质对系统中主要组件的设计提出新的挑战，本项目研究以S-CO2润滑的箔片推力轴承，通过高精度的数值和试验方法修正现有的湍流模型，精确模拟超临界二氧化碳为介质的推力轴承腔内复杂流动，获得箔片推力轴承腔内压力和温度分布的精确描述；探索轴承凹槽区域的复杂流动混合机理，获得通过流动混合增强承载力的方案；研究推力轴承在不同负载工况下最优压力和平箔片变形量分布，并考虑弯曲效应的波箔结构物理模型，进而反向设计波箔结构的空间分布；最终通过试验评估设计的波箔型箔片推力轴承的性能并对数值模型进行修正。主要研究工作如下：.1) 针对箔片轴承内的流体流动，对流体求解器Eilmer进行了改进，实现了箔片轴承内的层流流动模拟。为了减少湍流模拟的计算量，采用了可压缩壁面函数。在保持二阶空间精度的同时，采用四阶人工耗散项消除了高纵横比单元的棋盘效应。最终获得了一个快速、稳定的用于仿真超临界二氧化碳箔片推力轴承的求解器，并通过相关算例验证了求解器的仿真结果。.2） 基于开发的箔片轴承流场模拟工具，研究了超临界二氧化碳箔片推力轴承的稳态性能。基于箔片推力轴承结构参数，开展了楔形区域高度、角度等对流动性能的影响研究，着重分析了轴承腔内速度、压力和温度分布，以及结构参数对离心力、粘性力和压力的作用机理。.3）通过实现动网格功能对Eilmer进行了修改，开发了基于Kirchhoff板方程的有限差分程序，用于求解箔片推力轴承的结构变形。采用流-固耦合策略和相应的映射算法进行了稳态和动态仿真，满足了数据传输过程的精度。.4） 针对波箔结构空间分布展开了研究，讨论了箔片推力轴承内固体结构的传热模型，形成了超临界二氧化碳箔片推力轴承的流-热-固多物理场耦合仿真模型。在相同的载荷条件下，对含空气和二氧化碳的箔片推力轴承进行了数值模拟，分析凹槽流动对箔片推力轴承性能的影响规律。.5）针对超临界二氧化碳的箔片推力轴承的动态性能开展了仿真分析，结果表明未固定的箔片结构降低了等效阻尼，并在高负载下增加了结构阻尼。.本项目的研究将推动波箔型箔片推力轴承多物理建模和优化的发展，为高负载波箔型箔片推力轴承的设计奠定基础。