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.     

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。     

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．     

箔片动压止推气体轴承流固耦合数值模拟

针对鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构,在假设内部流体为层流、沿气膜厚度方向压力不变、忽略流体体积力和惯性力的基础上,建立了可压缩性流体Reynolds方程;采用有限差分法,在考虑流场为等温过程的条件下,对Reynolds方程进行了数值求解,得出轴承内部的压力分布。充分考虑鼓泡结构在压力作用下的弯曲变形,采用双向流固耦合模型,分析了顶层箔片的变形与压力场之间的相互作用,结合薄板弯曲模型得出的轴承顶层箔片的变形和气膜间隙分布,分析了轴承数、箔片结构对轴承性能的影响。研究结果表明:支承结构位置不当会直接影响气膜压力的分布,造成承载能力下降;提高轴承数、增大进出口气膜间隙比和轴承内外径之比,可以提高轴承的承载性能;节距比为0.5时承载性能最佳。该结果可为鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构设计提供参考。     

高速透平机械全金属鼓泡箔片动压气体轴承稳定性研究

为了验证高速透平机械中鼓泡箔片轴承完全取代传统静压轴承的可行性,将全金属鼓泡箔片径向轴承和鼓泡箔片止推轴承同时应用在主轴直径为25mm、产量为150m3/h工业制氧机用的高速透平膨胀机上,进行了全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机的实验研究,实验用的鼓泡箔片径向轴承采用周向叉排,鼓泡箔片止推轴承采用径向叉排。实验结果表明:透平转子在全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机上能够稳定运行,表现出良好的动态性能和稳定性;由于良好的柔弹性结构、惯性小等特点,鼓泡箔片轴承能够迅速适应转子运动;随着转子转速的升高,转子轴心轨迹由不规则半圆环状逐渐变成规则的圆环状,在多次重复性实验中轨迹重复性较好;鼓泡箔片轴承可有效抑制转子涡动,转子能够在高转速下持续稳定运行。     

全动压气体轴承透平膨胀机机械性能的试验研究

在一台额定转速为10 64×104 r/min的高速透平膨胀机(轴径为25 00 mm,转子质量为891 g)上,采用新型弹性支承箔片动压径向轴承和螺旋槽动压止推轴承对全动压气体轴承透平膨胀机的机械性能进行了试验研究,达到了转速为12 16×104 r/min、超速14%稳定运转的良好效果.还对全动压气体轴承副的性能进行了研究,验证了全动压气体轴承高速透平转子失稳的主要因素是动压止推轴承承载力丧失而造成的止推轴承失稳,并对止推间隙的影响因素和变化规律进行了探讨.试验结果表明,在高速透平机械中采用国产全动压气体轴承是完全可行的.     

多层弹性支承箔片动压气体径向轴承稳定性的实验研究

为了保证轴承支承高速转子的稳定运行,提出了一种具有多层弹性支承结构的新型箔片动压气体轴承。该轴承采用两层或多层具有鼓泡状凸起阵列的金属箔片作为弹性支承结构,通过调整鼓泡阵列的周向和轴向截距或调整上下层弹性箔片布置,可以实现轴承支承刚度特性和阻尼特性的调节。在直径为25mm主轴的高速(10万r/min)透平膨胀机上,实验研究了这种箔片轴承支承高速转子的运转特性,详细分析了3种典型排列方式下转速与压力的关系,以及高速转子升速及降速特性。结果表明:采用不同的多层结构排列方式,可以有效调整和改善弹性箔片轴承支承高速透平转子的刚度和阻尼特性,抑制高速转子的不稳定涡动;多层弹性箔片轴承能够产生多重刚度及多重阻尼,从而改进了传统箔片轴承刚度和阻尼的影响,改善了弹性箔片动压气体轴承的稳定性和可靠性。     

鼓泡箔片动压气体径向轴承库仑阻尼耗散的数值分析

为了更好地研究箔片轴承的动态特性和稳定性,提高高速透平机械中轴承转子的系统稳定性,采用能量耗散的方法对单层和双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散能量进行了分析与评价,获得了箔片厚度、周向和轴向鼓泡支承点间距等结构参数以及弹性模量对库仑阻尼耗散能量的影响。数值研究结果表明:随着箔片厚度的减小,周向鼓泡间距减小,库仑阻尼耗散能量增加;轴向鼓泡支承点密度增大以及偏心率和转速的升高也会加强库仑阻尼耗散;在相同工况下,双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散明显大于单层鼓泡箔片轴承,且改变双层鼓泡箔片轴承中层鼓泡箔片厚度耗散能量效果优于改变顶层平箔厚度;高弹性模量材料的硬度高,箔片滑移量小,会减小库仑阻尼耗散能量;相同条件下,鼓泡箔片轴承选用高弹性模量材料时库仑阻尼耗散能量更小。     

多层鼓泡弹性支承箔片动压气体轴承的实验研究

在单层鼓泡箔片动压气体轴承的基础上,提出了多层鼓泡箔片轴承的新型结构.该种新型结构可以通过合理选择上下层鼓泡箔片上鼓泡的结构参数和相对位置,产生不同的刚度和阻尼效果.该种轴承结构弹性支承元件的轴向和周向刚度可调,且具有良好的结构阻尼特性;同时多层鼓泡箔片之间的滑移能够产生附加库仑阻尼,因此提高了轴承的稳定性.实验中透平膨胀机采用25mm直径的转子时最高转速达到了99044r/min.在整个升速和降速过程中低频涡动均较小,验证了此种新型箔片轴承具有优异的抑制不稳定涡动的效果,有望应用在高速透平机械中.     

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。