激波影响下的气体轴承动力学特性的研究

发布时间：2020-06-02 20:32

【摘要】：本文以气体静压径向轴承为研究对象,通过建立节流孔式气体轴承气膜模型,研究了气体轴承内流场的变化情况,分析出激波在气体轴承中存在形式,以及激波对气体轴承承载特性的影响,并提出控制激波强度提高轴承承载力的方法。首先通过有限差分法建立气体轴承数学模型,将非线性动力学理论与雷诺方程相结合,对气体轴承流场结构进行耦合运算。利用Newton迭代法对Reynolds方程做线性处理,然后通过超松弛迭代法进行数值求解分别得到气体轴承的静态和动态解,再通过对气体静压轴承静、动态特性的分析得出承载力随转速的变化规律。然后针对不考虑气流压缩性的数值计算方法难以明确解释局部流场压力骤降的问题,于是在考虑气体压缩性及粘性的情况下建立三维气体静压轴承模型,划分网格并确定模型的边界条件,利用Fluent对轴承内气膜流场进行仿真计算。得到稳态时气体轴承承载力随转速和偏心率的变化规律,以及瞬态时节流孔附近气体压力、速度、密度和马赫数随时间的变化情况,并分析出节流孔附近流场压力骤降的原因,是节流孔环状区域产生的激波所致,且激波强度随着气膜厚度的增大而增大;并针对激波的形成过程、存在位置以及激波对气体轴承流场结构的影响进行深入研究。研究结果表明,气体静压径向轴承偏心率的增加,会导致局部气膜的压力差增大,从而提高轴承的承载力。且随着供气压力和气膜厚度的增大,轴承承载力也随之增大,但增幅逐渐变小,甚至慢慢降低,是因为节流孔附近马赫数增加,导致流场内激波强度增大,使得局部气体发生紊流,造成大量能量损失。并得到激波产生的充分条件是在流场中存在超音速流,且在气体轴承中激波主要出现在节流孔环状区间附近,于是,通过改变气体轴承节流孔末端开口角度和张角深度来优化气膜内流场结构,达到降低局部气膜马赫数的目的,得到削弱激波强度的方法,从而提高气体轴承在高供气压力下的承载能力。
【图文】：

气体静压轴承,节流器

[10]。图1-1 气体静压轴承的节流器Fig.1-1 Restrictors of the aerostatic bearing1.4 气体轴承研究方法的探索与深入在气体轴承的制造水平与结构类型不断发展的同时，研究气体轴承的方法也在徐徐渐进。基于气体润滑理论，在1961年，Gross and Zachmanaglou[11]利用扰动法提出了提高无限长气膜区间承载力的一种解决方案，并实现计算精度的提高。Lund[12-14]通过实验验证了气体静压径向轴承承载力、转子旋转不稳定性和阻尼系数之间的关系，并通过扫描旋转频率的范围来确定稳定性的极值。Leonard和Rowe[15]在研究轴承不稳定性时发现，当存在偏心时，转子会由于压力的不平衡而引起旋转的不稳定性，进而引出偏心率对气体静压径向轴承稳定性的研究。随后Majumdar[16]采用有限差分法求解连续性方程和修正雷诺数方程，研究参数条件下静止和旋转轴颈的稳态承载性能

示意图,流动空间,中流,气体

相差三个数量级，所以在整个静压气体轴承计算过程气膜厚度方向曲率的尺寸变化可以忽略不计，，因此轴承在气膜厚度方向上的气体速度变化可以忽略不计，气体在三维坐标下的流速示意图如图2-1所示。图2-1 气体在流动空间中流动速度示意图Fig.2-1 Diagram of flow velocity in a flow space2.1.2 气体润滑连续性方程在气体动力学中引入质量守恒定理，即连续性方程如下：( )( )( )=0 + + + zVyVxVtzyxρρρρ(2-3)其中 ρ —气体密度( )3kg m。
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3

【相似文献】