螺旋槽动压径向气体轴承承载特性研究

为研究螺旋槽动压径向气体轴承承载特性,运用SolidWorks软件建立其物理模型。基于气体润滑基本方程Navier-Stokes方程,推导出可压缩非定常雷诺方程式。应用CFD技术和流体动力学Fluent软件对气体润滑基本方程Navier-Stokes方程直接求解,得到轴承在不同转速条件下的压力分布,以及轴承承载能力随螺旋槽动压径向轴承结构参数和运行参数的变化规律。结果表明;螺旋槽气体动压轴承在偏心方向气膜厚度最小,压力相对其他区域较大,随着转速的提高,轴承的动压效应更加显著,使得最大压力值逐渐增大;随着槽长、槽深比、槽数等结构参数的增加,以及偏心率、转速等运行参数的增加,轴承承载能力增大;而随着半径间隙的增大承载力减小。研究结果为螺旋槽动压径向气体轴承的设计及优化提供理论依据。     

加工及装配误差对气体轴承运动状态的影响规律

以螺旋槽动静压气体轴承气膜为研究对象，基于计算流体力学与六自由度耦合方法，模拟支撑气膜的流动以及刚体转子的运动，通过分析轴心轨迹及其频谱特征，研究定子轴线偏移、倾斜、定子尺寸误差以及粗糙度等加工及装配特征对动静压气体轴承运动状态的影响规律。结果表明：装配误差对轴承稳定性影响较大，当转速达到30 000 r/min，定子轴线偏移误差以及定子轴线倾斜误差分别达到2 μm以及2°时，转子振幅明显增加，轴承运动状态均为极限环运动，处于临界稳定状态，因此为保证气体轴承运动稳定性，应确保气体轴承的轴线装配精度；而在轴承对中稳定情况下，加工误差对轴承稳定性影响不大。研究结果为球面螺旋槽动静压气体轴承的加工及装配工艺提供了理论参考。     

螺旋槽狭缝节流动静压气体止推轴承静态特性

为优化动静压气体止推轴承的承载特性,设计一种具有螺旋槽和狭缝节流器结构的动静压气体止推轴承,采用Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力,研究气膜厚度、螺旋槽宽度、狭缝厚度等参数对轴承静态特性的影响。结果表明:相对狭缝节流止推轴承,增加螺旋槽结构可以提升轴承的动压效应增强,从而提升轴承的承载力和刚度;相同条件下,气膜厚度越大,轴承的承载力和刚度越小;主轴转速和供气压力增加,承载力和刚度均提升明显;螺旋槽宽度增加,轴承的承载力和刚度先增大后减小;狭缝厚度增大,轴承的承载力先增大后不变,刚度先增加后减小;狭缝深度提升,轴承的承载力减小,刚度先增大后减小。     

泵入型平面螺旋槽气体止推轴承气膜特性的研究

采用CFD数值模拟方法研究气体润滑泵入型螺旋槽止推轴承内气膜的压力场和承载力等静态特性参数,分析台槽宽度比、气膜厚度和转速变化等参数对气膜承载能力的影响。数值计算结果表明,槽端密封区域的压力明显高于气膜内的其他区域,密封区的设计参数对承载力具有很大影响;随着气膜厚度的减小和转速的升高,气膜的承载能力逐渐增大,同时台槽宽度比在0.6~0.8范围内时承载力最大,最佳槽深与气膜厚度比接近于3.0,与经验设计值一致。     

泵入型平面螺旋槽气体止推轴承气膜特性研究

采用CFD数值模拟方法研究气体润滑泵入型螺旋槽止推轴承内气膜的压力场和承载力等静态特性参数,分析台槽宽度比、气膜厚度和转速变化等参数对气膜承载能力的影响。数值计算结果表明,槽端密封区域的压力明显高于气膜内的其他区域,密封区的设计参数对承载力具有很大影响;随着气膜厚度的减小和转速的升高,气膜的承载能力逐渐增大,同时台槽宽度比在0.6~0.8范围内时承载力最大,最佳槽深与气膜厚度比接近于3.0,与经验设计值一致。     

变高度螺旋倾斜槽气体轴承的微尺度数值模拟

基于平面螺旋槽气体止推轴承结构,结合以对数螺旋线为素线的空间螺旋曲面结构,提出一种新型气体止推轴承模型。通过坐标变换推导出适应对数螺旋线轨迹的流量方程,引入一阶滑移和新滑移边界条件修正流量方程,应用数值方法迭代求解了连续型模型和2种滑移模型下新型气体止推轴承的气膜压力分布。结果表明:微尺度下随着气膜厚度减小,边界速度滑移效应会对轴承承载力特性产生很大影响;当Knudsen数增大到过渡区时,一阶滑移和新滑移模型之间的偏差明显增大;在相对较低的转速下,新型轴承的承载力相较于传统轴承明显增大。     

人字槽径向气体动压润滑轴承特性分析

建立人字槽径向气体动压润滑轴承的数学模型,采用局部积分有限差分法在不连续求解域内推导出气体润滑Reynolds方程的差分形式,通过求解获得轴承间隙内的气膜厚度、气膜压力、轴承承载力等状态特性,并分析径向间隙、螺旋角、槽深比、槽宽比和槽数等轴承几何结构参数以及转速等工况条件变化对轴承承载能力的影响规律。结果表明:人字槽轴承的压力在圆周方向呈锯齿形分布,人字形压力带环抱在轴颈上,使轴承在各个方向上均能承载,从而提高了轴承的抗振性和平稳性;增大偏心率,减小气膜间隙,增大螺旋角,减小槽深,增加槽宽比,适当增加槽数,均可提高轴承承载力;人字槽结构能够更好地实现气体动压润滑轴承动压效应,提高了轴承的承载能力和稳定性能。     

动静压气体径向轴承的静态性能转速效应

通过仿真与试验对纯动压、纯静压、动静压气体径向轴承的静态性能进行了对比分析,得到了轴颈转速、偏心率、气膜的动压效应和静压效应对轴承静态承载力和静态刚度的影响规律。随着转子转速或轴承偏心率的增大,动静压轴承的径向承载力逐渐增大;当转子转速较小时,气膜的静压效应起主导作用,静态刚度随动静压轴承偏心率增大而减小;当转子转速较大时,气膜的动压效应起主导作用,静态刚度随动静压轴承偏心率的增大而增大。     

气体轴承特性模拟及实验验证

针对某30 kW微型燃气轮机用静压气体轴承,开展轴承刚度、承载力及轴系临界转速特征的数值与实验研究。通过离散化可压缩雷诺方程,采用数值迭代方法,获取轴承内气膜压力分布和气膜刚度特性;采用有限元方法,研究转子-轴承系统的模态特性与临界转速;在气体轴承支撑的微型燃气轮机试验台上,采用时域振动信号和不平衡响应曲线等振动测试分析方法,获取轴系的气膜临界转速特性。研究结果表明:研究的该静压气体轴承,其转速在30 000 r/min内动压效应相对于静压效应可以忽略;轴承气膜刚度随着偏心率增大而增大,但当偏心率超过0. 8时,由于出现"静态不稳定区域"导致气膜刚度下降。数值模拟和实验都证实了转子在6 000 r/min和9 000 r/min附近出现了由气膜刚度引起的锥动临界特征。     

轴颈倾斜对人字槽径向气体轴承性能影响的数值研究

由于制造误差、偏斜力矩及弹性变形等原因会导致轴颈在轴承中倾斜,使轴承气膜厚度和压力分布发生变化,会对轴承的工作性能产生影响。为研究轴颈偏斜对轴承性能的影响,通过有限元摄动法求解雷诺方程,研究轴颈偏斜角度和偏斜距离对人字槽气体轴承气膜厚度、压力场、静态和动态特性的影响,并分析轴颈倾斜对人字槽径向轴承临界质量等参数的影响规律。结果表明:轴颈偏斜距离变化对轴承静态和动态性能影响较大,偏斜角度对轴承性能影响较小;随着偏斜距离增大,量纲一承载力和临界质量均大幅减小、量纲一摩擦力矩呈现小幅下降趋势。     

制冷压缩机径向气浮轴承的静态特性分析*

为研究以R134a为润滑工质的制冷压缩机径向气浮轴承的静态性能,基于流体润滑的雷诺方程,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对三维气膜流场进行分析,得到动压轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、稳定性等特性,并与以空气为工质的径向气浮轴承进行比较。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力比以空气为工质的小,两者的承载力都随着偏心率、轴承间隙、转速的增大而增大,所以在设计以R134a为工质的气浮轴承时,偏心率和轴承间隙都要比以空气为工质时偏大;以R134a为工质的转子系统的稳定性比以空气为工质的差,两者系统的稳定性都随着偏心率、转速的增大而趋于稳定,这表明要使转子系统获得相同的稳定性,以R134a为工质的气浮轴承要设计较大的偏心率。     

人字槽小孔节流动静压气体轴承承载特性研究

为提高动静压气体轴承的承载特性,以人字槽小孔节流动静压气体轴承为研究对象,运用流体力学理论对气体轴承的气膜流场特性和承载特性进行分析,研究不同转速时人字槽小孔节流动静压气体轴承承载力的变化规律,分析不同偏心率下人字槽槽数及几何参数对轴承承载特性的影响。结果表明:随转速的增加,人字槽产生的动压效应不断增强,轴承承载力不断提高;偏心率的增大可以提高轴承的承载力;同一偏心率下轴承的承载力随人字槽槽数的增多逐渐增大,当人字槽槽数小于10时,承载力增加较快,当人字槽槽数大于10时,承载力增加缓慢;随人字槽槽深比和槽宽比的增大承载力先升高后降低,在槽深比为2.4、槽宽比为0.55时承载力达到最高值。     

变工况运行中结构参数对螺旋槽动压推力气体轴承承载力的影响

基于纳维-斯托克斯(N-S)方程建立了泵入型螺旋槽动压推力气体轴承仿真三维模型,分析了在变工况运行中不同的结构参数对螺旋槽动压气体推力轴承气膜承载力的影响,结果表明:槽深为30~50μm,螺旋角为18°~36°,台区轴承间隙为4~10μm,槽内径比为0.6~0.8,槽宽比为0.7~0.9,槽数为12~25时,该轴承的气膜承载力达到最大;轴承结构不同时,轴承的气膜承载力由大到小排序为凸型槽、平底槽、凹型槽,且泵入型大于泵出型。     

以制冷剂为工作介质的止推气体轴承静态特性分析*

针对离心式压缩机润滑问题,提出以R134a为润滑工质的动压气浮轴承,基于流体润滑的雷诺方程,从制冷剂与空气的流动对比出发,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对气膜流场进行三维设计计算分析,得到动压止推轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、功率损耗等特性。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力是空气的50%左右,两者的承载力都随着扇形瓦张角、转速的增大而增大,随倾斜面高度和节距比的增大而先增大后减小,随最小初始气膜厚度的增大而减小;在相同的情况下以R134a为工质的系统的功率损耗是空气的60%左右,两者系统的功率损耗受最小初始气膜厚度和速度的影响最大,转速越高、最小初始气膜厚度越小,两者的功率损耗越大。     

球面螺旋槽动静压气体轴承稳态承载力分析

建立半球螺旋槽气体动静压轴承润滑分析数学模型;通过建立广义坐标系并进行保角变换简化数学模型,利用广义斜坐标变换划分求解域球面网格,提高数值计算精度;采用有限差分法对控制方程离散,建立控制方程的差分表达式,并采用VC++6.0编程计算三维微气膜稳态气膜厚度和压力分布;通过对微气膜周向和径向压力积分,求得轴承稳态的承载能力;研究动压和静压的耦合效应,分析螺旋槽结构参数、节流孔的数量对轴承承载力的影响规律。结果表明:随着小孔个数的增加,静压效应显著增加,轴承的承载力明显增加;随着螺旋角、槽深比、槽宽比的增大,轴承的承载力均先增大后减小,表明通过轴承优化设计参数可改善气体的润滑特性,提高承载力。     

可倾瓦径向气体轴承间隙对其静态性能的影响

采用有限差分法求解三可倾瓦径向气体轴承静态气体润滑方程,得到了稳态时轴瓦与转子表面间的气膜压力分布;在一定静载荷下,计算了不同轴承间隙对应的转子起飞转速及相同工作转速下的最高气膜压力;分析了不同轴承间隙时,转速从起飞转速上升至工作转速过程中转子偏心率和瓦块摆角的变化。结果表明:在一定静载荷下,轴承间隙越大,轴承的最高气膜压力越小,转子的起飞转速越高,偏心率及各瓦块的摆动幅度越大。     

交错式波箔型气体动压轴承静态特性研究

为进一步提高箔片轴承性能,提出了交错式箔片轴承结构,并建立交错式波箔型气体动压轴承模型;应用有限元法和松弛迭代法对雷诺方程与气膜厚度方程进行差分迭代求解,通过控制气膜压力的收敛,得到交错式箔片轴承气膜厚度和压力分布,并计算相关的静态特性。结果表明:与传统波箔构型轴承相比,交错式波箔型气体动压轴承的承载力明显提升,而摩擦力矩有所增加,尤其在转速与长径比增大的情况下更为明显;随转速与长径比的增大,交错式波箔型气体动压轴承与传统轴承的偏位角大小与变化基本相同,气膜压力三维分布也相一致。     

螺旋槽止推气体轴承承载能力的数值分析

运用Fluent流体计算软件,求解螺旋槽止推气体轴承气膜压力分布,将计算得到的承载力与文献结果进行比较,验证计算方法的正确性。分析螺旋槽槽数、螺旋角、槽深、槽长比及槽宽比对轴承承载力的影响。结果表明:在槽区气体因受到压缩存在高压区并因此形成承载力;随着槽数的增加承载力逐渐增大并趋于定值;而对于螺旋角、槽深、槽长比和槽宽比,均存在最佳值使承载力最大。     

螺旋槽小孔节流动静压气体轴承静态特性研究*

以螺旋槽小孔节流动静压气体轴承为研究对象,运用变分法求解雷诺方程,利用Fluent软件对轴承静态特性进行仿真分析,研究供气压力、偏心率、转速以及节流孔直径、螺旋槽宽度和深度对轴承静态特性的影响规律。结果表明:相同偏心率下,随供气压力的升高,轴承静态特性增强;相同供气压力下,偏心率越大,承载能力越高,刚度越小;螺旋槽能够显著提高轴承静态特性,且转速越大,螺旋槽对轴承的动压效应越好;保证其他结构参数不变,轴承静态特性随螺旋槽宽度的增加先增大后减小,螺旋槽深度和节流孔直径越小越有利。     

稀薄效应对径向气体轴承承载性能的影响

基于超薄气膜润滑理论,通过引入微尺度条件下气体稀薄效应流量因子,推导考虑稀薄效应的气体润滑轴承雷诺方程,并采用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了不同偏心率、半径间隙以及转速对气膜压力分布、承载力的影响规律,并与未考虑稀薄效应的数值结果进行比较。结果表明:稀薄效应的存在并不会影响压力分布规律,其中气膜压力分布具有非线性,并沿着轴向呈抛物线状;最大压力及承载力随转速和偏心率的增大而增大,随着半径间隙的增大而减小;当考虑气体稀薄效应时,气膜各点压力水平及承载力相比于未考虑时有所下降;当半径间隙越小,偏心率越大时,气体稀薄效应越显著,最大压力及承载力的变化幅度也越明显。