低温透平膨胀机轴承-转子系统静、动特性研究

发布时间：2020-10-22 13:26

　　 透平膨胀机作为大型低温系统的其核心的部件,其安全稳定高效率的运行是整个系统安全稳定高效运行的必要条件。透平膨胀机的支撑部分主要为气体轴承,气体轴承可以采用与低温系统相同的气体工质,避免系统产生交叉污染。并且,由于气体的粘度相对比较低,轴承在高速运转时产生的摩擦热极少,可以适应高转速旋转设备的需要。但是,由于粘性低导致气体轴承的刚度、阻尼较小,在高转速下容易发生旋转失稳。本文分析气体槽型动压轴承结构的静特性与几何结构参数间的关联关系,提出了以承载刚度为优化目标进行动压轴承槽型优化的目标与方法;并建立耦合弹性支撑的转子动力学模型,提出了阻尼调节对弹性支撑轴系系统运动轨迹的分析思路,结果为设计与工程实施优化高稳定性调节提供理论支撑;并基于加工实际,建立表面波动模型,深化分析了表面波形对系统稳定性的影响,为高速气体轴承的加工与质量控制提供了理论支持。基于上述研究内容,本文主要得到的结论如下:(1)动压槽能够有效的改善气膜内流体的分布,能够提升轴承的静动态性能。由于π槽的直槽段具有保压作用,使得π槽的动压效果优于螺旋槽轴承。通过设计变螺旋角槽型结构使得动压效果进一步提升。(2)基于摄动假设条件,推导气体润滑的扰动方程,并采用偏导数方法求得气体轴承的8个动力学特征参数。分析动压、静压气体轴承的结构以及运行参数对其动力学性能的影响规律。并基于线性稳定性分析方法,以系统阻尼作为考察因素,分析参数对稳定性的影响。(3)通过将弹性支撑的作用耦合到转子的振动中,分析弹性支撑的刚度特性以阻尼特性对系统振动行为的影响规律,低刚度的支撑以及小阻尼指数的阻尼力模型能够提高系统的稳定性,分析结果为选择合适的支撑材料提供理论基础。(4)考虑到转子的加工表面波形对系统振动的影响,周向波纹能够提高系统的动压效应,显著的提高系统的稳定性,而轴向的波纹减小系统最小气膜间隙,对系统的稳定性有害,在加工时应避免。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB653
【部分图文】：

气体轴承的数值计算方法主要有有限元法，有限差分法以及有限元体积要通过假设忽略气膜厚度方向，将三维流动，模型简化为二维雷诺方程元或者有限差分算法求解在气膜间隙中的压力分布，从而获得其承载以体积法就是直接建立三维模型，通过 CFD 软件（Ansys Fluent 或者 CFX的流动特征。两种算法互有优缺点：有限元和有限差分算法适用于简单建模困难，但是计算迅速，一劳永逸。有限元体积算法需要对每个模型绘，耗时长，但是能够得出间隙内的流动特性，对复杂模型适用性高。的这一章节主要采用有限差分算法求解静压、动压气体轴承的静态特征、工质种类、运行工况对其性能的影响规律；采用 CFD 软件计算带槽的采用大纵横比的结构化网格进行计算，以承载为准则优化轴承的动压槽动将槽型进行改进，使得承载更佳。体轴承的工作原理

22 266 12xxa azza ap h x z VV RP H X Z tp Cr R R R Cr pV R VRCr p Cr p ， ， ， ， ， ，，eynolds 方程为：3 3) ( ) ( ) ( ) ( )x zP P P H P PH PH PHX Z Z X Z x z ， 为轴承数， 为挤压数。体轴承 Reynolds 方程轴承与动压气体轴承的主要区别是存在外部供气，因此对于非动压气体轴承一致，因此本节主要针对静压气体轴承的节流孔

假设其流通截面面积为 A ，流速为V ，密度为 ，则从mQ VA与式（2-12）带入到上式，可以得到从小孔流出的气流质12 1 22( ) ( )1kd k dkm s ss skp pQ A pk p p 进行分析，对于 0d sp p 或者 1 两种极限情况，mQ 都为 口的压力一致，故而流量为 0；当 0d sp p 时，表示小孔 0，显然很不合理。事实上，针对00sp p 这一情况，式气体扰动传播速度为音速，当小孔出口流速已达到音速后力，则出口压力就不再对气流流量产生影响。
【参考文献】

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本文编号：2851657