动静压混合气体箔片止推轴承静态特性研究.pdf
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1、第 52 卷 第 10 期 Vol.52 No.10 2023 年 10 月 THERMAL POWER GENERATION Oct.2023 修 回 日 期:2022-12-31 网络首发日期:2023-02-17 基 金 项 目:国家科技重大专项(HT-J2019-I-0003-0004);中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ-H42)Supported by:National Science and Technology Major Project(HT-J2019-I-0003-0004);Science and Technology Project China Huaneng
2、 Group(HNKJ-H42)第一作者简介:孟令海(1986),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为电厂节能环保和轴承转子稳定性,。DOI:10.19666/j.rlfd.202212287 动静压混合气体箔片止推轴承 静态特性研究 孟令海,鲁 浩,鲁晓宇,李园园(西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710054)摘要动静压混合气体箔片止推轴承具有优良性能,但目前针对其研究报道较少。对此,提出了该轴承的模型,并针对其静态特性和流弹特性开展了数值研究。基于 MATLAB 软件建立了动静压混合气体箔片止推轴承静态特性的双向流固耦合数值预测方法。计算分析了不同转速、供气压力、供气孔布置位置下的箔片
3、变形,静态载荷和摩擦力矩,获得了运行参数和供气孔位置对动静压混合气体箔片止推轴承静态特性的影响规律。结果表明:增大供气压力对摩擦力矩的影响较小,但会增大轴承轴向载荷,升高转速会导致轴承摩擦力矩明显增大;供气孔布置位置对动静压混合气体箔片止推轴承的静态特性影响较大,应合理选择供气孔的布置位置,在满足轴承载荷要求的基础上优先考虑将供气孔布置在倾斜区域。相关研究结论对动静压混合气体箔片止推轴承设计和应用具有指导意义。关键词动静压混合气体箔片止推轴承;流固耦合;静态特性 引用本文格式孟令海,鲁浩,鲁晓宇,等.动静压混合气体箔片止推轴承静态特性研究J.热力发电,2023,52(10):153-161.M
4、ENG Linghai,LU Hao,LU Xiaoyu,et al.Investigation on the static characteristics of hybrid gas foil thrust bearingsJ.Thermal Power Generation,2023,52(10):153-161.Investigation on the static characteristics of hybrid gas foil thrust bearings MENG Linghai,LU Hao,LU Xiaoyu,LI Yuanyuan(Xian Thermal Power
5、Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China)Abstract:The hybrid gas foil thrust bearings have excellent performance,but few studies have been reported on them.In this regard,a model of this bearings is proposed and a numerical research is carried out for the static and elasto-hydrodynamic characte
6、ristics.Based on MATLAB software,a steady fluid-structure interaction method was proposed for the numerical prediction of hybrid gas foil thrust bearings.The foil deformation,static load and frictional torque were calculated and analyzed at various rotating speeds,supply gas pressures and locations
7、of air supply holes.The influences of operating parameters and locations of air supply holes on the static performance of hybrid gas foil thrust bearings were presented.The results show that:increasing the gas pressure has a small effect on the frictional torque,but increases the axial load of the b
8、earing,and increasing the speed will lead to a significant increase in the frictional torque of the bearing.The location of the gas supply hole arrangement has a large effect on the static characteristics of the hybrid gas foil thrust bearings,so the location arrangement should be reasonably selecte
9、d.The priority is given to the arrangement of the gas supply hole in the tilted area on the basis of meeting the bearing load requirements.The conclusions are of guidance for the design and application of hybrid gas foil thrust bearings.Key words:hybrid gas foil thrust bearing;fluid-structure intera
10、ction;static characteristics 传统的油润滑轴承由于润滑油的高黏性而具有较高的承载能力,因此被广泛应用于旋转机械中。但油润滑轴承不仅需要复杂的供油系统,还存在润滑油泄漏、高温下热损耗大、高转速下摩擦损154 2023 年 http:/ 失大等问题。油润滑轴承的上述局限性使其不适用于超高速、超精密的技术领域,因此亟需研发高性能的气体润滑轴承技术。气体轴承作为近几十年迅猛发展的、直接依靠工质气体的新型无油润滑技术,具有高转速、耐高温高压、磨损小、无污染等优良性能。其中,动压气体箔片轴承是气体轴承技术中的一个重要分支,其出现使得早期气体轴承的稳定性得到提升1。箔片结构通过变
11、形的方式提供轴承所需的刚度和阻尼,还可以通过改变气膜内部的压力分布来改善轴承的承载能力和稳定性。然而,由于气体本身黏性小,承载能力较低,因此动压气体箔片轴承常用于高转速、小功率的微型旋转机械中。另外,低转速下气膜承载力低、转子与箔片之间的磨损也是动压气体箔片轴承亟待解决的问题2。针对以上不足,有学者3-5通过外部供气的方式将静压效应与动压气体箔片轴承结合起来,提出了动静压混合气体箔片轴承的概念。由于外部高压供气,动静压混合气体箔片轴承的承载能力较高,同时低速下的磨损也较小,可完美契合旋转机械轴承系统的需求。针对动静压混合气体轴承的静动特性,国内外的一些学者展开了一系列实验和数值研究。针对理论研
12、究方法的改进,2007 年,Kim 等人3将小孔通流流量与供气压力建立关系,在连续方程中增加流量的源项,改写了雷诺方程使其适用于动静压混合气体箔片轴承。后来,Kumar 等人4使用小扰动法,基于先前对于动静压混合气体箔片轴承静态特性的研究,使用数值方法计算该种轴承刚度和阻尼,并给出了供气参数对轴承动态特性的影响规律。2011 年,Lee 等人5设计出了一种动静压混合气体箔片止推轴承:扇形平箔的中心附近有供气节流孔,在轴承启停过程中,静压气体可提供部分轴向承载力,减弱转子与箔片间的干摩擦,保证轴承的高承载力和高稳定性;朱建军6进一步得出正常工况下,静压气体可起到冷却的作用。对于实验研究,2008
13、 年,Kim 等人7求解出了动静压混合气体轴承的静态载荷和力矩,并通过实验验证了其结果。他们指出:相比于使用传统冷却方式的动压气体轴承,动静压混合气体轴承具有更高的承载能力和较小的摩擦力矩。为了确定动静压混合气体箔片轴承的承载能力,Kumar 等人8在不同转速下进行了实验并与动压气体箔片轴承进行对比。结果表明:低转速下动静压混合气体箔片轴承具有较好的性能,但在较高转速下动压效应起主要作用。动静压混合气体箔片止推轴承具有承载能力强、启停阶段磨损小的优良性能,同时外部供气还可以起到轴承冷却的作用,因此其可应用在高转速、高载荷的压气机和涡轮中作为动压气体箔片止推轴承的完美替代。但目前学者们对动静压混
14、合气体箔片止推轴承的研究还较少。因此本文提出了一种动静压混合气体箔片止推轴承模型,并基于MATLAB 自编程方法建立了轴承静态特性的双向流固耦合数值预测方法,以探究供气参数和供气孔布置位置对轴承静态特性的影响规律。1 几何模型与求解方法 1.1 几何模型 由于目前针对动静压混合气体箔片止推轴承的研究还较少,因此本文在动压气体箔片止推轴承的基础上进行改进,提出了动静压混合气体箔片止推轴承的结构。二者主要的区别在于供气孔的存在。图 1 给出了动压气体箔片止推轴承的实物图。此结构与 Dickman9实验所采用的轴承结构一致。动静压气体箔片止推轴承在动压气体箔片止推轴承的基础上增加了供气孔,供气孔穿过
15、箔片结构直接与气膜相连,使高压气体通过供气孔进入气膜内部。表 1 给出了其具体的几何参数、箔片材料物性和边界条件。图 1 动压气体箔片止推轴承实物 Fig.1 Physical diagram of hydrodynamic gas foil thrust bearing 1.2 求解方法 1.2.1 基本控制方程 动静压混合气体箔片止推轴承气膜内部的流动受到雷诺方程的控制。如不考虑气膜内部温度变化,其控制方程的基本形式如方程(1)所示:第 10 期 孟令海 等 动静压混合气体箔片止推轴承静态特性研究 155 http:/ 33gs2c1212112phphph r ptr rrR Tmphp
16、rA (1)式中:sm为通过供气孔的质量流量;Ac为通过计算网格点定义的供气孔通流面积;Rg为空气的气体常数;r 和分别为径向及周向坐标;为旋转角速度;T 为供气温度,同时本文推导时采用的等温假设,取供气温度和环境温度相同。表 1 几何尺寸和边界条件 Tab.1 Geometric dimensions and boundary conditions 项目 数值 项目 数值 内半径/mm 25.4 顶箔片角度范围/()45 外半径/mm 50.8 波箔平行部分/()30 波箔片角度范围/()45 波箔倾斜部分/()15 波箔片厚度/mm 0.102 楔形高度/mm 0.05 波箔半长/mm 1
17、.6 流体域温度/K 300 波箔单元长度/mm 0.5 环境压力 p0 顶箔片厚度/mm 0.15 顶箔、波箔泊松比 0.29 顶箔、波箔弹性模量/GPa 214 小孔内直径/mm 0.97 供气压力 2p0、3p0、4p0、5p0、6p0 注:p0为标准大气压,其值为 101 325 Pa。方程(1)与动压气体箔片止推轴承的基本方程的区别仅在于方程最右端项的有无,即在动静压混合气体箔片止推轴承中,外部高压气体带来了一部分流量,使得控制方程的形式发生变化。对于供气孔而言,由于气体的黏性较小且流速较快,其内部的流动过程可以看作绝热的无黏节流过程,因此供气孔的质量流量可用公式(2)计算:assa
18、2mAp (2)式中:为供气孔的流量系数,本文取固定值 0.83;A 为节流面积,由于本文中气膜厚度远小于小孔内径,同时考虑到当地气膜厚度的不同对节流面积的影响,取节流面积 A=doh,h 为当地气膜厚度;pa和a分别为环境压力和环境压力下的空气密度;为小孔流量的速度系数,其表达式见式(3)。1/22/1/11/21112 1122 211kkkkkssskkkkskpppkpppkkpkpk,(3)箔片的结构与变形密切相关,不同型式的箔片结构引起的变形也不尽相同。本文研究的箔片结构如图 2 所示。将顶箔与波箔结构等效为具有一定刚度和阻尼的模型,其等效模型如图 3 所示。图 3 中包含波箔片单
19、元横向刚度 kb,顶箔片单位横向刚度kp以及它们之间的阻尼 Cf 3 个参数。其中波箔的 单元横向刚度可由式(4)计算10:3bbb2b2 1Etkl (4)图 2 箔片结构示意 Fig.2 Schematic diagram of foil structure 图 3 箔片等效模型示意 Fig.3 Schematic diagram of foil equivalent model 对于顶箔,可近似认为其为厚度为 tp的薄板,且满足薄板的小变形假设。由于顶箔片周向不同位置距固定端的距离为R,因此其单位横向刚度可表示为11:3ppp2p12 1EtkR (5)式中:Ep和 Eb为分别为顶箔和波
20、箔材料的弹性模量;p和b为顶箔和波箔材料的泊松比;tp和 tb为顶箔和波箔的厚度;l 为波箔半长。综合考虑箔片的刚度和阻尼,可得到箔片变形与所受压力之间的关系:bpafkkuppuCst (6)式中:s 为波箔单元长度;u 为箔片变形;t 为时间。对于动静压混合气体箔片止推轴承而言,平行156 2023 年 http:/ 区域和倾斜区域差异的存在,使气膜厚度在不同区域的表达式不尽相同。气膜厚度的示意如图 4 所示,其气膜厚度分布表达式可由公式(7)来表示:图 4 气膜厚度分布示意 Fig.4 Distribution diagram of gas film thickness h2210,hu
21、bbhhub,(7)式中:为箔片的张角;b 为倾斜区域在周向占箔片的比例,本文取为 1/3;h2为平行区域的初始气膜厚度;h为倾斜区域的高度。1.2.2 方程无量纲化方法 分别对雷诺方程与箔片变形方程进行无量纲化,再考虑到静态特性的计算为定常计算,因此雷诺方程与箔片变形方程中的时间导数项均为 0。假设气膜内部的流动为等温过程,/a=p/pa,因此无量纲的雷诺方程可以写成如下形式:332s11 1212 hh rphprrrrMr r(8)式中:无量纲密度a/;无量纲压力a/p pp;无量纲动力黏度a/,由于气体的动力黏度随压力的变化很小且温度不变,因此可认为气膜内的气体动力黏度不变,均为a,即
22、无量纲动力黏度a/1;无量纲气膜厚度2/h hh;无量纲半径2/r rr,r2为轴承外半径;2a2a26rph 定义为轴承数,是一个与转速密切相关的无量纲参数;无量纲供气孔流量agass23a212R T mMp h;r和分别为径向和周向相邻网格点距离(图 5)。公式(9)给出了针对箔片变形方程的无量纲化结果:11pu (9)式中:无量纲箔片综合柔度abp21=p skkh;无量纲箔片变形2/uu h。气膜厚度的无量纲表达式由公式(10)给出:h2110,1,ubbhhub ,(10)图 5 网格结构示意 Fig.5 Schematic diagram of grid structure 1.
23、2.3 求解过程概述 采用有限差分法求解雷诺方程,其具体求解过程为:1)赋予初场,计算得到气膜厚度分布,全场的初始压力赋为环境压力;2)根据供气孔所在位置的压力计算出对应供气流量;3)根据差分格式,计算出流场内部每一个网格点的压力值,计算压力场时所需的相邻节点的压力值均使用上一步计算得到的压力值;4)根据计算得到的压力分布求出箔片变形分布以及气膜厚度分布;5)遍历流场内的所有点;6)重复以上操作直到 2 次压力相对变化量小于所要求的误差为止。1.3 数值方法验证 目前对于动静压混合气体箔片止推轴承的实验研究较少,因此以 Dickman9实验中给出的动压气体箔片止推轴承实验数据作为参照,验证了数
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