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《沈阳航空航天大学》 2016年
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旋转机械滑动轴承与密封结构流体动力特性研究

王双  
【摘要】:滑动轴承与密封结构是旋转机械的关键部件。近年来随着旋转机械向高参数方向发展,滑动轴承产生的油膜振荡与密封产生的气流激振会严重影响旋转机械的转子的稳定性。因此开展滑动轴承与密封结构流体动力特性的研究具有重要的理论意义与工程价值。本文首先对滑动轴承与密封结构流体动力特性进行了理论与实验识别方法研究。在滑动轴承理论研究方面,本文分析了滑动轴承的工作原理,推导了Reynolds方程,分析了求解Reynolds方程的边界条件,研究了滑动轴承流体动力特性的理论模型。在密封气流激振理论研究方面,分析了密封气流激振产生的主要原因,研究了密封流体动力特性的理论模型,设计和搭建了密封动力特性实验台,提出了利用不平衡同频激励法实验识别密封流体动力特性系数。本文提出了一种能同时应用于瞬态求解滑动轴承与密封流体动力特性CFD动网格法。滑动轴承的动力特性系数是评价转子稳定性的重要参数。本文建立了基于CFD动网格技术的圆轴承、椭圆轴承与错位轴承动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了椭圆度、错位率、偏心率与转速等因素对滑动轴承动力特性的影响规律。研究结果表明,与圆轴承相比,椭圆轴承与正错位轴承各自具有两个收敛的楔形间隙,能分别形成两个流体动压区,有效增大了滑动轴承的阻尼系数,滑动轴承增加椭圆度或错位率可提高转子稳定性。引起密封失稳的主要原因有流体动压效应、螺旋形流动效应、Alford效应、三维流动效应等。针对高参数下密封流体动压效应增强,气流激振力增大的问题,借鉴错位轴承理论,提出新型负错位密封结构,将传统圆形密封周向水平中分面由圆形设计成交错形式,流体在转子旋转带动下由小间隙流向大间隙,形成两个发散的气楔,消除密封流体动压效应,抑制密封气流激振力。本文建立了基于CFD动网格法的负错位密封流体动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,分析了偏心率、错位率等因素对密封静力与动力特性的影响规律。结果表明,负错位密封能有效降低密封流体动压效应,降低密封交叉刚度,增大密封主阻尼,增大密封等效刚度与等效阻尼,增强密封稳定性。螺旋形流动效应是使密封产生交叉刚度,导致密封失稳的主要原因。反预旋结构能有效减小密封螺旋形流动效应,而现有文献对反预旋密封的动力特性系数的实验研究较少,鲜有关于反预旋密封静力与动力特性综合研究成果报道。本文设计加工了5种无/有阻旋栅结构的密封与4种无/有反旋流结构的密封,从数值分析与实验研究两个方面分析反预旋结构对密封静力与动力特性的影响规律。建立反预旋密封静力特性CFD求解模型,数值分析反预旋结构对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;设计搭建反预旋密封动力特性实验台,实验测量了反预旋密封在不同压比下的泄漏量,应用不平衡同频激励法实验识别了反预旋密封动力特性。研究结果表明,反预旋结构能有效减小密封间隙内流体周向流速,周向压力差;阻旋栅结构会减小密封泄漏量,而反旋流结构会增大密封泄漏量;反预旋结构能有效减小密封交叉刚度,增大密封主阻尼,增加密封等效阻尼,提高密封稳定性。
【学位授予单位】:沈阳航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH133.3

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