基于流固耦合的柱面气膜密封支撑结构性能研究

发布时间：2020-11-08 11:28

　　 利用流固耦合分析方法,研究一种波箔结构柔性支撑柱面气膜密封,探讨气膜厚度、浮环与转子的偏心率以及柔性支撑结构的泊松比、弹性模量、波箔数量等参数对支撑结构等效应力及变形量的影响。结果表明:柔性支承结构满足柱面气膜密封的正常运作,不会造成因为气膜刚度过大而使得浮环与波箔发生破坏性变形,并且变形量远小于波箔高度;柔性支撑的等效应力和变形量随平均气膜厚度的增大而减小,随偏心率的增加而增大,随支撑材料泊松比的增大而增大;弹性模量的增加并不影响柔性支撑结构的等效应力,但是会使变形量减小;增加波箔数量,柔性支撑的等效应力略有减小,变形量显著减小。
【部分图文】：

柔性支承柱面气膜密封结构包括浮环(静环)、轴套(动环)、转轴以及波箔等结构,如图1所示。当轴套(动环)跟随转轴做高速旋转时,因为密封腔内的气体在高压侧,所以气体会被带进一字槽内的间隙内,气体因为有槽型结构及偏心结构的存在不断被压缩并产生高压,在浮环与轴套之间生成一层微米级别刚度较大的气膜间隙。同时,转轴与浮环之间因为偏心的安装设计,轴套和浮环之间形成收敛形楔形间隙,因为有楔形间隙的存在所以增强了柱面气膜密封的流体动压效应,使得气膜的刚度与承载力加强。对于开槽的设计,当转轴转动时,密封流体沿周向被泵吸入槽内,产生动压效应。

柔性支撑柱面气膜密封的原理是:通过转子高速旋转让轴套和浮环之间形成动压密封气膜;浮环和波箔之间形成一定的柔性,从而使得密封系统可以有柔性支撑特征,确保在工作过程中达到稳定的气膜;气膜和柔性支撑共同作用,可以避免出现浮环和轴套因表面变形而造成接触摩擦和磨损,进而达到良好的密封性能。如图2所示。金属橡胶外环柔性支承结构如图3所示,结构材料为金属橡胶,以此当作弹性外环。一旦气膜密封阻尼结构开始工作的时候,这三者(气膜、转子和弹性外环)就会形成一个流固耦合系统。区别于刚性外环,弹性外环对气膜压力场的分布具有自动调节功能,以尽可能地减少发生碰磨。在气膜和弹性外环双重作用下可以让转子形成阻尼,而与此同时弹性外环也可以和转子的轴颈形成较小的间隙,从而起到节流功效,可以有效地限制气体的轴向泄漏。设计出的气膜密封阻尼结构可以确保非接触润滑的稳定性,达到阻尼和密封的共同效用[12]。

金属橡胶外环柔性支承结构如图3所示,结构材料为金属橡胶,以此当作弹性外环。一旦气膜密封阻尼结构开始工作的时候,这三者(气膜、转子和弹性外环)就会形成一个流固耦合系统。区别于刚性外环,弹性外环对气膜压力场的分布具有自动调节功能,以尽可能地减少发生碰磨。在气膜和弹性外环双重作用下可以让转子形成阻尼,而与此同时弹性外环也可以和转子的轴颈形成较小的间隙,从而起到节流功效,可以有效地限制气体的轴向泄漏。设计出的气膜密封阻尼结构可以确保非接触润滑的稳定性,达到阻尼和密封的共同效用[12]。柔性支承柱面气膜密封的设计原理与箔片气体轴承具有相似性,只是箔片气体轴承是利用波箔、平箔结构作为其柔性支承。其主要原理在于转子相对于波箔、平箔结构进行高速旋转时,高速旋转的转子与箔片内壁面的偏心安装产生动压效应,从而使得转子起浮并承载了施加给轴承的载荷[13]。文中就是以这种箔片式气体轴承为参考设计了柔性支承柱面气膜密封结构。
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本文编号：2874723