应用于高速透平膨胀机的箔片动压气体止推轴承的试验研究

针对现有箔片动压气体轴承结构较为复杂、理论分析比较困难,以及难以应用于高速旋转机械等问题,提出了改进的平箔型、黏弹性支承型、鼓泡型等箔片动压气体止推轴承.在高速透平机械气体轴承试验台上,采用透平驱动转子-轴承系统以及静压轴承支承活塞杆施加轴向力等试验方法,对箔片动压气体止推轴承在不同转速下的承载性能进行了试验研究.同时,利用快速傅里叶变换方法,分析轴承-转子系统在空间3个方向的振动信号,对箔片动压气体止推轴承的运转稳定性进行了探讨.试验结果表明:平箔型动压气体止推轴承具有较高的轴向承载力,约为44N,而鼓泡型动压气体止推轴承的性能非常稳定,轴承-转子系统的轴心轨迹十分清晰,轴向振动信号中低频和高频涡动可忽略不计,其振动频率以1倍频为主.     

透平膨胀机气体动压可倾瓦止推轴承承载特性的研究

为探讨几何参数对可倾压动止推气机轴承承载能力的影响，在自行设计的止推轴承实验台上进行了大量的实验研究，提出了一睦几何参数取值的最佳范围，应用有限元法对平面扇形可倾瓦及曲面扇形可倾瓦时进行了理论计算，并将计算结果与实验数据进行了对比，得出曲面瓦优于平面瓦等一些有益的结论。     

掌上透平弹性箔片动压气体轴承的试验研究

为了满足微小型高速透平稳定、可靠运转的要求,设计研制了一种以精密机加工制作为目的的微小型箔片气体轴承,提出了以弹性鼓泡支承的新型波箔结构,其中箔片元件由表面光滑的平箔和半球型鼓泡突起体的弹性底箔组成,鼓泡箔片可采用单层鼓泡或多层鼓泡,多层鼓泡的第一层鼓泡在第二层鼓泡的跨距中央。在一台主轴轴径为6mm的掌上高速透平上首次进行了振动特性及稳定性试验,结果表明:新型鼓泡箔片轴承具有良好的阻尼特性,对转子不稳定涡动的抑制能力较强;鼓泡自身变形具有调节刚度和阻尼的特点;在全动压条件下,试验透平稳定运转达到近36万r/min。     

波箔箔片动压气体轴承的实验研究

为满足透平机械高速可靠运转的需求,设计了一种波箔型箔片轴承,其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承-高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验,实验中采用压缩空气驱动透平转子,以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源,从而获得了0.1~1.15MPa、标准工况下最高流量为600m3/h的压缩空气。将波箔厚度为0.05mm及0.07mm的2种箔片动压气体径向轴承,应用于主轴Φ25mm的标准工况下150m3/h制氧机用高速透平膨胀机,研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明:波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一,0.05mm波箔刚度小,柔性变形裕度较大,可以抑制转子不稳定涡动,透平膨胀机转子最高转速达93 366r/min;0.07mm波箔刚度较大,柔性变形裕度相对较小,当最高转速达到93 161r/min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9.3万r/min时转子的最大振幅均小于20μm,波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性,可有效抑制Φ25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。     

微型气浮轴承高速透平膨胀机的研制

为了发展微型气体轴承高速透平,在优化设计的基础上,研制了国内首台轴径为6 mm、叶轮直径为9 mm、设计转速为300 000 r/min的微型气体轴承透平膨胀机.对研制样机进行了全面介绍,阐述了该研制样机的结构设计特点,并对研制样机进行了初步的机械性能和热力性能考核.通过转子起浮试验,系统机械性能、热力性能的连续运转及超速试验考核,结果显示:所研制的样机振动小、运转平稳、效率高,最高转速超过342 000 r/min,满足超速15%的要求;在室温为23℃、无回热器的情况下,当进气压力从0升到0.27 MPa的45 min升速时间内,温降就达42℃,具有降温速度快,降温效果显著的特点.由于其机械及热力性能均达到预期要求,因此为今后进一步发展我国微型高速气体轴承透平机械奠定了坚实基础.     

平箔式箔片径向气体轴承的试验研究

对一种用于高速低温透平膨胀机的新型平箔式箔片径向气体轴承进行了试验研究,试验箔片径向轴承的直径为２５．０ｍｍ。试验结果表明,轴承的结构参数决定了轴承的性能;通过选取合适的轴承半径间隙和刚度,此种结构的箔片轴承上有较好的稳定性及启停性能。因此,该型轴承在小型高速低温透平膨胀机中具有广阔的应用前景。文中还就轴承结构参数对轴承－转子系统稳定性的影响进行了讨论。     

低温透平制冷机的静压气体润滑轴承研究

对西安交通大学在研发低温装置的关键产冷机械——透平膨胀机的静压气体轴承时所取得的经验，进行了简要的回顾及总结．特别是对所研制的几种型式小孔供气静压气体轴承（双排径向、双排切向、多排切向等）进行了讨论，得出了小孔供气轴承间隙与失稳转速之间的关系以及最佳轴承间隙规律．研究发现：由普通的径向小孔供气轴承改为切向小孔供气轴承后，最佳轴承间隙增大75%，相应地失稳转速可提高30％．     

新型弹性箔片动压气体止推轴承的试验研究

对新开发的一种弹性支承箔片动压气体止推轴承进行了理论分析和数值计算，并在多功能气体轴承试验台上对轴承的稳定性、承载力、振动特性和启停性能等进行了深入的试验研究．在轴承的弹性材料厚度为0．25mm、箔片厚度为0．07mm、节距比为0．7、转速为108398r／min时，试验获得了25．9N的最高轴向承载力．试验结果表明：复合弹性支承材料具有良好的阻尼特性，能有效地抑制转子的振动和限制涡动振幅的增加；金属箔片的柔性表面刚度均匀，能有效地降低转子及轴承表面的损伤；新型弹性箔片动压气体止推轴承具有良好的稳定性、运转性能和启停性能，具有很好的发展潜力和实用前景．     

悬臂型径向气体动压轴承温度场分析

由于气动轴承在工作中产生大量的热量,从而对轴承的性能产生显著影响,因此与其他类型的轴承相比,气动轴承温度场的分析显得尤为重要.建立了悬臂型气动轴承气膜的温度场模型,将温度场的影响引入轴承静特性计算程序,得到了轴承工作区内的温度分布.     

新型箔片动压止推气体轴承承载特性的试验研究

根据箔片轴承的结构特点,首次提出了一种具有鼓泡弹性支承的箔片轴承新结构,并在止推轴承试验台上对新型鼓泡弹性支承止推气体轴承开展了试验研究,对该轴承的稳定性及承载能力进行了初步测试和分析.与通常具有弹性支承的波箔箔片轴承结构相比较,该新型箔片止推轴承具有结构简单、加工方便的特点.基于弹性力学的考虑,通过改变半球型鼓泡的高度、直径及鼓泡的排列分布等一系列的参数来适应载荷的需要.承载特性的试验研究显示,所开发的止推气体轴承可通过鼓泡自身弹性变形很好地调节刚度和阻尼,并具有较好的稳定性和承载能力.     

低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析

针对我国航天领域某重点项目的研制任务，设计了一台氦气体轴承低温透平膨胀机，并对其热力性能进行了分析和讨论。提出了一种考虑膨胀机整体热力性能及机械性能的透平膨胀机系统多目标优化方法。解决了透平膨胀机使用不同工质时相似准则的选取方法，进而在自行开发的较为完善的透平膨胀机一元流动性能预测程序的基础上，获得了模化时所应遵循的相似准则数。以人工神经网络为基础实现了透平膨胀机的性能转换问题。试验结果表明，所研制的氦气体轴承透平膨胀机的绝热效率大于71％；在出口温度为12.8K时，膨胀机效率已达到75％；膨胀机的最大制冷量接近2kW。     

叶片数对SCPPVC空气涡轮机气动性能影响的试验研究

立式集热板太阳能热气流发电系统(SCPPVC)空气涡轮机叶片数与其气动性能密切相关,利用Wilson设计方法,对该系统涡轮机叶片进行了初步设计,利用3D打印技术完成了叶片制样,简介了风洞方法。据此,试验研究了叶片数对SCPPVC系统空气涡轮机气动性能的影响。结果表明:以功率和风能利用系数为指标,涡轮机最佳叶片数以7片为宜;涡轮机输出功率与入口风速增加呈指数变化趋势,与涡轮机前后压差增大呈近似成线性关系。     

后加载和高负荷前加载叶型气动性能的试验研究

采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究.在平面叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的压力系数分布,研究了攻角、相对栅距、安装角和马赫数的变化对叶型能量损失系数的影响规律.在环形叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的近叶顶、中叶高和近叶根处的压力系数分布以及能量损失系数沿叶高的变化规律.对后加载和高负荷前加载叶型的三维成型规律进行了讨论.试验结果表明:高负荷前加载叶型相对于后加载叶型具有更大的负荷特性;高负荷前加载叶型在采用较大的切向弯曲后可以抑制二次流的发展和减少二次流损失;前加载叶型和后加载叶型均具有优良的气动性能.研究结果对于拓宽高性能叶型在汽轮机中的应用提供了理论基础和技术支持.     

大焓降汽轮机静叶栅气动性能实验研究

在环形叶栅风洞上,对亚临界600 MW汽轮机中间级大焓降静叶栅进行了吹风试验。对三个冲角条件下叶栅流道内气流参数进行了详细测量。结果表明,该大焓降静叶叶片负荷沿叶高变化,同时采用了叶片弯曲设计,能够满足汽轮机叶栅的高负荷要求;并可以有效抑制边界层低能流体的积聚甚至分离。大焓降静叶在叶展中部为前加载叶型,可以承担较高负荷。叶片两端采用后部加载叶型,结合叶片正弯降低了端区的气动负荷,显著降低了端壁区域的叶栅损失。研究的大焓降叶栅具有良好的冲角适应性。     

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比.结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16％;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大.     

大学生方程式赛车过弯非稳态气动问题的数值与试验研究

以大学生方程式赛车为研究对象,采用非稳态来流仿真方法对其过弯时的气动性能展开了研究。采用非稳态来流方法,将仿真来流速度设置为随时间变化的场函数以精准模拟入弯情形,并与稳态来流的弯道仿真结果进行了对比;配合仿真结果,在道路试验中使用表面压力测量对扩散器和尾翼的局部流场进行了量化。结果表明：赛车前轮以及前翼在非稳态过弯时会对下游底部流场产生较大影响,底部扩散器的非稳态气动鲁棒性将是整车气动设计的重点。     

基于自由尾迹法小翼气动特性分析

基于(势流)涡方法开发了水平轴风力机叶片设计优化程序,采用自由尾迹模型对增加小翼后的叶片气动设计性能进行初步分析,研究了风力机设计工况下,小翼对气流涡位置及诱导速度分布等气动性能参数的影响,对比分析了增加小翼后功率输出情况。结果表明,增加小翼后风力机叶片在设计工况下功率系数有明显增加,可以考虑将叶尖小翼作为已安装风机功率提升的解决方案之一。     

应用单向法的气冷涡轮气热弹耦合数值研究

对采用径向对流冷却的NASA C3X叶片进行了单向气热弹耦合数值模拟。气热耦合计算比较了在考虑转捩现象的对于计算结果的影响,同时考虑了温度变化引起的气体属性变化对气热耦合计算的影响,并与NASA报告中的实验结果进行了对比。结果表明,雷诺应力模型对于转捩过程的捕捉能力有限。应用气热耦合的计算结果作为有限元的输入条件,使用ANSYS研究了外部流体冲击场叠加叶片温度场后的总应力和总变形,使用单向法实现了气动、热应力场的多场耦合研究,对于涡轮设计以及寿命预测有一定的借鉴意义。     

末级透平对低压缸气动和凝结特性的影响

采用湿蒸汽非平衡凝结流动模型对某300 MW汽轮机末级透平改型的气动性能及低压缸总体气动和湿蒸汽凝结特性进行了对比研究,末级透平的单独计算结果表明:改型后末级透平的通流能力、功率和效率均有明显提高,余速损失明显降低.改型后的未级透平置于低压缸多级透平环境中的计算结果表明:低压缸的功率和效率分别提高了0.53％和0.47％,末级余速损失降低是低压缸性能提高的主要因素;末级透平改型不仅会影响末级的气动性能,而且会影响次末级的总焓降;改型后末级动叶沿叶高的过冷度降低了3～5 K,成核范围和成核率均明显减小,其余各级凝结特性的改变可以忽略;在低压透平改型中,末级可以独立对待,单独优化.