球面螺旋槽动静压气体轴承的动态特性分析及稳定性预测

以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象，建立以轴心瞬时位置和瞬时变位速度为参数，球面螺旋槽动静压气体轴承的非线性动态润滑分析计算数学模型.采用导数积分法和有限差分法相结合，数值计算出三维气膜的瞬态扰动压力分布、气膜刚度和阻尼系数.研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律.研究结果表明:随着供气压力、转速以及偏心率的增大，气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化.建立球面螺旋槽动静压气体轴承转子系统稳定性预测模型，根据劳斯稳定性判据预测轴承的稳定性，并将稳定性与主动控制轴承运行时的刚度和阻尼相关联，为遏制轴承失稳提供理论基础.      

小孔节流气体静压球轴承动静压混合润滑承载性能分析

针对一种小孔节流多孔供气闭式结构的高速静压球轴承,采用有限元方法,分析了动静压混合润滑承载性能,得到气膜上的压力分布规律。在此基础上,求解并分析了转子旋转速度以及轴承设计气膜间隙、供气压力等对径向和轴向承载能力、刚度、润滑姿态角的影响规律,并比较了动静压混合润滑和纯静压润滑的不同。     

用于微型涡轮机的节流孔式静压气浮轴承实验

对用于厘米级微型涡轮发动机的径向静压气浮轴承展开了实验研究,分析了长径比、节流孔径、气膜间隙及供气压力等对承载力、刚度和耗气量的影响.提出了这些设计参数的优选方法,并结合直径11 cm的某微型喷气发动机,给出了与之匹配的径向静压气浮轴承设计方案:工作面直径15 mm、长度17.5 mm、节流孔径0.35 mm、气膜间隙25μm.此方案在供气绝对压力2.5 kPa时,双轴承支撑能力为13.72 N,耗气量小于1.0 g/s,有效地满足了微型涡轮发动机要求.      

考虑热变形影响的主轴轴承动态特性

针对角接触球轴承高速工况下内部易产生大量的热量、温升过高而引起轴承零件热变形,导致轴承内部沟道曲率中心与球中心几何位置关系发生变化,进而影响动力学状态的问题,基于轴承分析的拟静力学理论,考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形。利用热网络法划分主轴单元热网络节点,定义节点之间的热阻抗,建立了稳态热网络模型。分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形,得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型,并分析研究了轴承内部的动力学特性。结果表明:随着轴承工作转速和载荷的变化,考虑热变形和不考虑热变形时的轴承接触载荷和接触角有显著不同,高速条件下轴承内部的热变形对轴承的动态特性影响巨大,是轴承在正常使用期间出现故障的主要原因之一。      

考虑间隙变化的旋转篦齿流动特性实验

对台阶型封严篦齿流动特性进行了实验研究。考虑齿顶间隙变化,研究了不同压比(1.1~1.6),不同转速(0~8 100r/min)对篦齿泄漏流量、流量系数、风阻温升的影响。通过测量转盘和静止机匣的径向变形来获得篦齿工作间隙。利用插值法保证间隙一定,研究了转速这一个单一变量对篦齿封严流动特性的影响。结果表明:随着压比增大,泄漏流量增大,流量系数增大,小压比(压比为1.3)时增长较快,齿顶间隙微弱降低,风阻温升减小。随着转速的增加,泄漏流量和流量系数降低,齿顶间隙减小,风阻温升增大。间隙一定时,转速增加有利于提高篦齿密封特性。     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

液体静压导轨小孔节流器结构对承载特性的影响研究

采用计算流体力学方法,建立支承油膜流场模型,对静压导轨支承油膜的承载机理及承载特性进行了研究,分析了小孔节流器孔径、孔长对承载特性影响,研究结果表明节流器孔径对油膜承载特性及刚度影响最大,而节流器孔长的影响次之,并通过实验进行了验证..     

小流量下转静系盘腔传热特性

采用热敏液晶(TLC)瞬态传热实验技术对小流量下的中心进气转静系盘腔传热特性进行研究,介绍了同步触发拍摄系统,考察了流量与转速变化对动盘面传热的影响.结果表明:在所研究工况范围内,流量变化对动盘面中低半径处传热影响较大,对高半径处影响较小;转速升高使动盘面传热效果整体增强;当湍流流动参数较小时,动盘面中高半径区域努塞尔数随半径增大而增大;采用湍流流动参数对动盘面平均努塞尔数进行归纳,实验结果与雷诺相似分析结果的偏差小于15%,一定程度上验证了雷诺相似对转静盘腔传热问题的适用性.      

高转速下台阶篦齿流动特性的实验与计算

对航空发动机压气机级间台阶篦齿封严进行了实验与计算研究。在不同压比(1.05~1.3)下,研究了转速(1.5~7.2kr/min)对篦齿的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响,并选取典型实验工况进行了数值模拟。研究表明实验结果与数值计算结果符合良好。随转速的增大,工作间隙减小,泄漏流量降低,两者最大降幅在40%左右;较小压比时流量系数微弱降低,较大压比时流量系数微弱增大。系统风阻温升随转速的增大而增大,且转速越大温升越快,最大温升为36K。另外,出口旋转盘腔同一径向位置的旋转比随转速的增大而增大,最大可达0.398;同一转速下,随出口旋转盘腔径向位置的增大,旋转比降低。     

小孔节流动静压混合式浮动环密封承载与泄漏特性分析

为了解决传统浮动环密封存在的摩擦磨损问题,提出一种采用小孔节流的动静压混合式浮动环密封(HFRS)。核心是通过创新设计将密封介质从径向节流孔引入密封界面,使密封间隙内的流体膜同时具有静压和动压承载效应,显著提升浮动环密封承载性能而不需要外部条件。为了研究其承载和泄漏特性,建立了考虑入口压力损失和节流孔影响的HFRS承载力模型和泄漏量计算方法。采用有限差分法(FDM)及数值迭代程序计算流场压力分布,并分析获得转速、偏心率和密封介质压力对承载力、刚度、偏位角和泄漏量的影响规律。与传统直孔式浮动环密封(FRS)对比,在典型工况下（偏心率ε=0.5、转速Ω=20000r/min）,HFRS的承载力是FRS的2.53倍,且在低速甚至转速为零时HFRS仍具有较大的承载力,另一方面HFRS的泄漏量比FRS大5.4%。与FRS对比结果表明,HFRS的承载力显著提升,而泄漏量略有增大。     

边界滑移对波箔型动压气体轴承静特性的影响

为获得流固边界滑移状态对动压轴承性能的影响,以波箔型动压气体轴承为研究对象,建立极限切应力模型下不同滑移状态的气膜压力及厚度方程,利用差分迭代法耦合求解,分析不同边界滑移状态时轴承静特性随滑移相关参数的变化规律。研究结果表明:与无滑移状态相比,轴面侧滑移对轴承静特性不利,箔片侧滑移对轴承静特性有利,滑移对承载力额最大影响幅度可达20%,对偏位角的最大影响幅度可达10°;两侧均存在滑移时轴承静特性下降,影响幅度小于前两者。当轴承转速、偏心率以及润滑气体动力粘度增大时或者轴承间隙减小时,均会使滑移对承载力的影响增大、对偏位角的影响减小。     

转静系盘腔转盘风阻温升实验

采用红外测温技术对转静系盘腔转盘风阻温升特性进行了实验研究,利用高速旋转实验台测量了不同流动参数以及转静间隙比下转盘各半径处的壁面温升,并研究了径向出流处增加封严环对于转盘温升量的影响.同时通过CFD数值模拟得到转静系盘腔内流动特点.结果表明:由于风阻引起转盘温升量实际上就是转盘的绝热壁温与环境温度之差,并能通过红外热像仪准确测量.针对无封严开式转静系,转盘温升量主要受到旋转影响,仅在小转静间隙比时,通流的变化才会影响风阻温升.总体上,转静间隙比的改变对转盘温升影响不大.与封严转静系对比可知,在湍流参数较小的情况,封严环的引入会使转盘温度有所升高.      

制造误差对气体静压圆柱轴承静态特性的FEM分析

在考虑轴承的制造误差情况下,采用Galerkin有限元方法（FEM）对小孔节流型气体静压圆柱轴承的静态特性,即承载能力和刚度,进行了理论计算和分析。所考虑的制造误差为典型的几何形状误差和位置误差。计算结果表明,几何形状误差和位置误差对该种轴承的静态特性有着不同程度的影响。     

箔片气体轴承静态特性和温度特性实验

建立箔片气体径向轴承静态特性和温度特性测试实验台,通过变载荷和变转速两种实验方式对轴承起飞转速、摩擦阻力矩和轴承温升进行测量，研究分析轴承静态特性、温度特性与载荷、转速之间的关系.实验结果表明:在启停阶段，由于没有形成气膜，箔片气体轴承的摩擦阻力矩会出现较大的峰值，但当达到某一特定转速（起飞转速）后，摩擦阻力矩会迅速下降到某一极小值,并且起飞后的稳态轴承转矩会随载荷和转速的增大而增加.稳定状态下的轴承温度会稳定在某一值且相对于室温的温升极小，而且随着转速、载荷的增加近似于线性增大.      

动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析

以波箔型动压气体止推轴承为研究对象,建立变截面气膜间隙润滑模型,研究了有无黏性耗散时动压气体止推轴承间隙压力场及温度场分布,获得几何参数以及转速对轴承间隙气膜压力和温度的影响规律。结果表明：考虑黏性耗散时,在收敛段末端和平直段外缘形成高温区;无黏性耗散时,轴承气膜高温区位于收敛间隙末端;轴承气膜温升随转速线性增加;考虑黏性耗散时,气膜温升随楔形因子的增加而减小,无黏性耗散热时则与之相反;气膜厚度越大,温升越小,厚度对轴承气膜温度分布无影响。本文参数范围内,黏性耗散产生的温升占比达90%。该研究证实了黏性耗散对动压气体止推轴承热流动物理机制有重要的影响,可为动压气体轴承设计和高效运行提供理论基础。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

极端工况静压推力轴承承载性能动压补偿

为了研究极端工况条件下静压推力轴承承载性能损失及动压补偿,提出一种新型油垫可倾式静压推力轴承结构,利用动压补偿静压承载力的不足,实现高速重载工况条件下静压推力轴承高精度稳定运行。依据润滑理论和摩擦学原理,采用动静压混合润滑方法,分析缝隙节流双矩形腔静压推力轴承由于剪切和挤压耦合作用承载性能损失值及影响权重。通过优化可倾式油垫底部结构参数及连接方式,控制油垫变形并产生相当量动压,以适应旋转工作台的变形,补偿静压承载力不足,并进行实验验证。结果表明:可倾式油垫底部支承长度为油垫长度,宽度为35mm,高度为1.5mm,与底座采用双销0.25mm间隙连接时动压效应较为明显,并且动压增量能够很好地补偿静压损失量,实验值与模拟值误差为5.2%,达到了增加极端工况静压推力轴承运行精度和稳定性的效果。     

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6，二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时，隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近，100～500 Hz范围内随频率增加，流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂，以凹腔中部为界，其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低，其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压，但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关，工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

引入弹性箔片对动压轴承静动态特性影响数值研究

随着高速透平机械的快速发展，应用其中的动压轴承也在不断与时俱进。但刚性表面动压轴承和弹性箔片动压轴承的轴承特性对比尚不充分，所以本文系统性地比较了两种轴承的静动态特性并总结各自的优劣及其适用环境。基于中心差分法将可压缩Reynolds方程离散化后，分别与两种动压轴承的气膜厚度方程进行耦合迭代，求解获得静态特性结果。在静态特性的基础上，应用小扰动法求解各自的动态特性参数。将这两种动压轴承的静动态特性参数进行对比研究发现，刚性表面动压轴承的承载特性要优于弹性箔片动压轴承，但影响轴承稳定性的偏位角却不如后者；且刚性表面动压轴承的动态特性参数在大偏心、高转速的工况下均要优于弹性箔片动压轴承，但由于没有弹性箔片的保护，在启停过程中磨损较为严重。     

旋转封严篦齿风阻温升的试验研究与数值分析

选取具有典型封严结构的真实尺寸台阶型封严篦齿,通过高速旋转条件下的风阻温升特性试验,进行了进出口压比(1.05~2.8)、封严间隙与齿尖厚度比(相对封严间隙)(2.4~4.0)、雷诺数(1900~28000)及转速(0~12000r/min)等参数对篦齿泄漏流风阻温升的影响研究.并基于试验条件,采用renormalization group(RNG)k-ε湍流模型,对同一篦齿的风阻温升特性进行了数值计算.结果表明:篦齿泄漏流温升随进出口压比、雷诺数、封严间隙与齿尖厚度比的增加而减小,但随转速的增加而增大.数值计算结果与试验数据吻合 良好,台阶型封严篦齿第1道和第2道封严齿内的风阻温升最为显著,前两道封严齿内的温升占总温升的60%. 根据试验结果,提出了计算台阶型篦齿泄漏流温升的经验公式,其计算结果与试验数据具有较好的符合性.