考虑速度滑移的多孔质静压气体轴承静特性

对于多孔质材料内的气体流动,基于Darcy定律建立其理论模型,并建立气膜间隙流场的雷诺方程,考虑速度滑移修正方程;将上述2个区域的压力分布方程进行耦合,通过有限元方法对耦合后的压力分布方程进行离散化,用超松弛迭代求解出气膜内各节点的压力分布,分析速度滑移对多孔质静压气体轴承静特性的影响。结果表明,考虑速度滑移所计算的气膜压力分布变化平稳过渡,没有较大的突变。计算轴承的承载力及刚度,结果显示在气密间隙小于15μm时,随着气膜厚度的增大偏心导致的压差增大使承载力不断增大;且当速度滑移系数小于0.1时,速度滑移对轴承承载力及刚度有较大的影响。     

可倾瓦径向气体轴承间隙对其静态性能的影响

采用有限差分法求解三可倾瓦径向气体轴承静态气体润滑方程,得到了稳态时轴瓦与转子表面间的气膜压力分布;在一定静载荷下,计算了不同轴承间隙对应的转子起飞转速及相同工作转速下的最高气膜压力;分析了不同轴承间隙时,转速从起飞转速上升至工作转速过程中转子偏心率和瓦块摆角的变化。结果表明:在一定静载荷下,轴承间隙越大,轴承的最高气膜压力越小,转子的起飞转速越高,偏心率及各瓦块的摆动幅度越大。     

多因素影响下空气静压轴承静态特性分析及实验研究

由于空气静压主轴气膜厚度处于微米级别,而主轴中的不平衡现象会影响轴承内的气膜厚度变化,因而需要对各微尺度影响因素综合考虑,并对影响主轴不平衡的各因素进行充分考虑才能真实反映主轴内的气膜流动状态,仿真出轴承的静态性能。充分考虑影响主轴不平衡的各因素并对传统雷诺方程进行修正,研究黏度、流量因子、速度滑移3个微尺度因子及转子偏心和制造误差对轴承静态性能的影响,并通过实验验证从而实现对空气静压主轴静态特性的真实预测和分析。结果表明：3个微尺度因子中,速度滑移对轴承气体压力分布影响最大,同时考虑3个微尺度因子时更能反映轴承气膜流动真实状态;转子偏心与制造误差耦合时,随转子偏心率增大,轴承中各节流孔附近的气膜压力分布与气膜刚度差异越来越大,将严重影响轴承气膜刚度。     

超临界二氧化碳涡轮机主轴静压轴承承载特性分析

以超临界CO 2涡轮机主轴支承静压轴承为研究对象,基于Fluent软件建立静压轴承气膜的三维分析模型,分析了轴承结构、偏心率、气膜间隙对气膜压力、承载力和刚度的影响。结果表明:双排进气结构静压轴承的气膜压力、承载力和刚度均高于单排进气结构;偏心率对承载力有显著的影响,承载力和偏心率呈非线性正相关;在偏心率一定的条件下,平均气膜间隙较小的静压轴承承载力和刚度更高;刚度和偏心率呈现高度的非线性关系,刚度随偏心率的增大先增大后减小,偏心率为0.32时出现极值,且极值前刚度的增长梯度明显高于极值后刚度的减小梯度。     

制冷压缩机径向气浮轴承的静态特性分析*

为研究以R134a为润滑工质的制冷压缩机径向气浮轴承的静态性能,基于流体润滑的雷诺方程,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对三维气膜流场进行分析,得到动压轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、稳定性等特性,并与以空气为工质的径向气浮轴承进行比较。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力比以空气为工质的小,两者的承载力都随着偏心率、轴承间隙、转速的增大而增大,所以在设计以R134a为工质的气浮轴承时,偏心率和轴承间隙都要比以空气为工质时偏大;以R134a为工质的转子系统的稳定性比以空气为工质的差,两者系统的稳定性都随着偏心率、转速的增大而趋于稳定,这表明要使转子系统获得相同的稳定性,以R134a为工质的气浮轴承要设计较大的偏心率。     

基于CFD的球面动静压气体轴承稳态性能及动态特性分析

基于CFD建立球面螺旋槽动静压气体轴承气膜的有限元模型,数值计算气膜网格点上的压力分布,模拟气膜瞬态流场中复杂的气体流动,得到气膜的压力分布、承载力以及动态特性系数。结果表明:增加供气压力可以有效地增强静压效应,减小气膜厚度和增加转速有助于增强动压效应,动静压效应耦合可以提高轴承承载性能,偏心率为0.4～0.5,平均气膜厚度为8～12μm,供气压力为0.5～0.6 MPa时,产生的动静压耦合效应明显,从而可增加气膜的承载性能和轴承高速运行的稳定性;轴承刚度系数随着气膜厚度的增大呈先增加后减小的趋势,随着偏心率的增加而增加;轴承阻尼系数随着气膜厚度和偏心率的增加变化较为复杂,但整体上呈增大的趋势,因此,合理地选取气膜厚度和偏心率能够提高轴承承载性能,改善其动态特性,提高球面动静压气体轴承运行稳定性。     

基于CFX的气体静压轴承数值研究

利用流体动力学软件CFX对不同偏心率下的轴承间隙内部流体进行研究,得到了压力、速度分布图和偏心率对轴承流量及承载力的影响规律。分析结果表明,随着偏心率ε的增大,气膜上的压力分布不再对称,气膜区域速度峰值和速度差值越来越大,承载力呈非线性增大趋势,流量呈非线性减小趋势。研究结果为进一步改进固定孔节流气体静压径向轴承的设计提供了理论依据。     

考虑空穴压力的滑移表面径向滑动轴承性能研究

以给定转速的复合滑移表面径向滑动轴承为研究对象,基于二元滑移模型,利用质量守恒算法研究量纲一滑移长度(轴承滑移长度与半径间隙的比值)、偏心率和空穴压力对径向轴承的承载力、偏位角、摩擦因数的影响,并和非滑移表面径向轴承进行比较。研究表明:量纲一滑移长度增大,承载力增大、摩擦因数减小,当量纲一滑移长度超过10后,这些变化趋于饱和;偏心率为0时复合滑移表面轴承仍具有一定的承载力,适当提高偏心率,承载力增加、摩擦因数减小、稳定性提高;空穴压力对复合滑移表面径向滑动轴承静态性能影响明显。     

UHMWPE基水润滑尾轴承润滑特性仿真及试验研究

针对UHMWPE基高分子复合材料水润滑轴承的润滑特性开展研究。采用双向流固耦合算法研究弹性模量和泊松比等材料参数以及转速、负载等工况参数对水润滑轴承偏心率、最大水膜压力、轴承最大变形量、最小水膜厚度、摩擦因数等润滑特性的影响。基于改性UHMWPE高分子复合材料轴承的试验,验证了仿真方法的正确性。研究表明:计入弹性变形的流固耦合算法在研究高分子复合材料轴承性能方面具有更高的精度;随轴瓦材料弹性模量和泊松比的增大,轴承承载力逐渐增大、弹性变形量逐渐减小;随负载增大,轴承最大水膜压力和最大变形量基本呈线性增长;随转速增大,轴承最大水膜压力和轴承最大变形量显著减小;对于高分子复合材料轴承,低速、重载工况下不计入弹性变形的算法误差更大。     

考虑滑移流影响的新型弹性支承微型箔片动压气浮轴承的性能分析

针对新型弹性支承微型箔片动压轴承的弹性结构,提出了刚度预测模型,并搭载静态刚度测试试验台,验证了计算模型的正确性。通过耦合弹性结构刚度模型和考虑一阶滑移流的雷诺方程,研究了在滑移流影响下的轴承的静、动态特性。发现在定转速下,随着载荷的增加,滑移流对于轴承的偏心率和最小气膜厚度的影响逐渐增大;随着转速的增加轴承刚度逐渐增加,阻尼则逐渐减小;在滑移流影响下轴承刚度减小,阻尼增加。弹性支承结构的厚度和单元个数对于静动态结果影响明显。     

波箔式气体轴承气膜流场分析

模拟在压力远场条件下,考虑气体可压缩性、平箔变形和端泄效应的箔片轴承三维气膜流场,得到轴承气膜压力和速度分布。刚性气体轴承的压力分布结果与文献结果吻合很好。研究考虑平箔变形情况下的承载力、端部泄漏流量等随转速和偏心率的变化关系,结果发现:在轴承端部存在出气的正压区和进气的负压区,与之前的文献端部为大气压的模拟结果不同;轴承两端的进气、出气是独立的,中心截面的流量为0;平箔变形使箔片轴承端部泄漏质量流量变大,承载力变小。     

基于箔片非线性刚度模型的气体箔片轴承静特性研究*

基于箔片轴承结构刚度试验结果推导单个波纹箔片非线性刚度模型,通过有限差分法耦合求解气体Reynolds方程、气膜厚度方程和单个波纹箔片非线性刚度方程得到了轴承静态特性,研究波纹箔片非线性刚度对轴承静态特性的影响。通过对波纹箔片非线性模型和文献中的波纹箔片等刚度模型仿真结果进行对比分析,结果表明：单个波纹箔片刚度具有很强的非线性,轴承气膜压力分布不均使得轴承承载区波纹箔片的刚度要远远大于非承载区的刚度,并且轴承轻载时非线性刚度模型刚度值较小导致仿真得到的轴颈偏心率和非承载区的气膜厚度都明显大于文献恒定刚度模型的结果。此外,通过分析得出了一种先进行刚度试验得到单个箔片非线性刚度模型后利用数值方法进行求解的箔片轴承静特性分析方法。     

Minimum Film Thickness in a Gas Foil Journal Bearing with an Unbalanced Rotor

A gas-lubricated foil journal bearing consists of a compliant metal shell structure that supports a rigid journal or rotor by means of a gas film. The response of this system to the periodic forces of an unbalanced rotor supported by a single bearing is predicted using perturbation analysis. The foil structure and the gas film are modeled with an analytically perturbed finite element approach to predict the rotor dynamic coefficients. A dynamic model of the rotor is used to predict periodic journal motion. The perturbation analysis is then used with the periodic response of the rotor to calculate periodic changes in the gas film thickness. Other quantities such as the gas film pressure and the foil deflection can also be calculated. The model includes bending and membrane effects in the top foil, coupled radial and circumferential deflections in the corrugated sub-foil, and the equivalent viscous dissipation of Coulomb friction effects in the foil structure. The approach is used to investigate the effects of top-foil thickness on minimum film thickness in a bearing.     

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数（Ec）、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。     

Analysis of advanced gas foil bearings with piecewise linear elastic supports

Gas foil bearings (GFBs) rely on their underlying elastic foundation to support radial loads at high rotor speeds. The bump foil strip compliance determines the maximum load capacity with large rotor excursions, well in excess of the bearing nominal clearance. GFBs must be designed properly to permit their reliable (predictable) usage in aircraft engines and other heavy load applications since a too soft elastic foundation results in a bearing with limited load capacity. Configurations in practical use include a second bump strip layer or stop pins underneath the original bumps which become active above a certain load threshold. In these last configurations, the overall stiffness of the support structure has piecewise load versus deflection characteristics. Presently, a simple physical model for GFBs with a double bump strip layer follows. The analysis couples the Reynolds equation for the thin film flow of an ideal gas to the elastic supports deflections. An exact flow advection model is adopted to solve the partial differential equations for the zeroth- and first-order pressure fields, thus rendering the GFB load capacity and frequency-dependent rotordynamic force coefficients. Predictions show that heavily loaded GFBs comprising two bump layers in series and including stop pins prevent too large bump deflections which may induce permanent plastic deformations. The structural damping in a GFB with a two bump strip layer enhances the bearing direct damping force coefficients.     

挠性气体动压径向轴承的理论分析

本文对挠性气体动压径向轴承提出了一种新的理论分析方法。用等参有限元法分析二维动压润滑，借助于约束矩阵和简化递推算法求解弹性体变形，得到了一定转速和偏心距下的气膜厚度和压力分布，计算了轴承的承载能力，刚度和起动力矩等性能参数。     

Analysis of Foil Journal Bearings with Backing Springs

Gas-lubricated foil journal bearings are simple, in construction, lightweight and well suited for high-temperature applications in turbomachinery. Hearing stiffness is governed primarily by the foil flexural stiffness. The bearing consists essentially of thin overlapping circular metal foils, one end of which is cantilevered to the bearing housing and. the other end rests on an adjacent foil.

An analysis of gas-lubricated foil bearings is presented with a specific type of backing spring used under the foils to control bearing preload, and stiffness. The backing spring acts like, an elastic foundation tinder the foil and radically changes the hydrodynamic pressure distribution generated in the gas film. The pressure distribution is obtained by simultaneously solving the compressible Reynolds equation and. the elasticity equations governing the compliant bearing surface, consisting of foils and backing springs. An iterative scheme is used, to obtain pressure distributions for heavily loaded cases, involving extensive computation, because of the sensitivity of pressure solution to small changes in film thickness distributions attributable to the compliant bearing surface. Pressure distribution, film thickness, bearing load capacity, iterative solution convergence characteristics and bearing power dissipation are presented as a function of journal eccentricity.     

以超临界二氧化碳为介质的径向箔片轴承静特性分析

以超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环所用压缩机中的径向箔片气体轴承为研究对象,考虑S-CO2在近临界区的实际物性,运用有限差分法数值求解变密度变黏度湍流雷诺方程,耦合弹性箔片变形方程,计算以S-CO2为润滑介质的径向气体轴承的气膜压力分布规律,并分析近临界区S-CO2物性变化对轴承承载力、摩擦力矩的影响.计算结果表...     

浮环弹性变形对浮环动静压轴承润滑特性的影响

浮环轴承在高速工况下运行时,浮环表面在油膜压力作用下会发生弹性变形,影响轴承润滑性能。针对带有深浅腔的浮环动静压轴承,采用有限元法和有限差分法耦合求解油膜Reynolds方程、能量方程和温黏关系式,采用变形矩阵法求解弹性变形方程,计算浮环弹性变形分布;在浮环平衡的基础上,分析浮环变形对环速比、油膜承载力、端泄流量等润滑特性参数的影响。结果表明：浮环弹性变形分布与油膜压力分布呈现一致性,转速越高,偏心越大,变形越明显;考虑浮环弹性变形,浮环达到平衡状态时,内膜偏心率增加,环速比减小,轴承承载力与摩擦力矩均有所增加;由于浮环变形对内、外膜间隙及流动液阻的不同影响,使得内膜端泄流量增加,外膜端泄流量减少。