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微涡轮发动机气体轴承—转子系统非线性动力学研究

张小青  
【摘要】:气体润滑轴承是支撑高功率密度微涡轮发动机超高速转子的最佳选择。超小宽径比及气膜间隙、超高转子转速及工作温度以及不可避免的硅微加工缺陷是微涡轮发动机气体轴承系统面临的特殊挑战,然而目前对上述因素如何影响微气体轴承的性能还缺乏系统研究。本文综合考虑了稀薄气体效应、工作气体温度、黏性摩擦力以及硅微加工缺陷等影响因素,研究了微涡轮发动机气体轴承-转子系统的刚度及阻尼系数、涡动稳定界限以及非线性动力学行为。主要内容如下: 从适用于任意逆努森数的超薄气膜润滑Reynolds方程出发,建立气膜刚度及阻尼系数、转子涡动稳定界限及分岔特性的求解模型,发展高效的数值方法,研究了稀薄气体效应对微轴承性能的影响。 将侧壁Taper及Bow型硅微加工缺陷的膜厚方程与超薄气膜润滑理论相结合,推导了同时考虑硅微加工缺陷及稀薄气体效应的微气体轴承润滑方程,研究了硅微加工缺陷对轴承润滑特性及动力学特性的影响。结果表明:硅微加工缺陷的存在会降低气体轴承系统的承载能力,影响其动力学稳定性,缩小稳定运转范围,增大碰磨失效发生的几率。 微涡轮发动机气体轴承温度高达1300~1700K。随着温度的升高,稀薄气体效应更加明显,而与此同时气体的动力黏度也随之增大,因此需要考察高温对微气体轴承润滑性能和动力学性能所产生的最终影响。研究表明:温度对微气体推力轴承性能的影响可以分为黏度效应占优和稀薄效应占优两个区域。在黏度效应占优区,温度对气体黏度的影响占主导地位,从而承载力随温度的升高而增大;在稀薄效应占优区则相反。温度对微气体径向轴承-转子系统的非线性动力学特性影响非常复杂,总体来说,系统在高温时的振动幅度更大。 研究发现:在微气体径向轴承所处的宽径比范围内,黏性摩擦力与气膜承载力在同一量级。建立了计入黏性摩擦力的超小宽径比气体径向轴承系统的运动学方程,计算了考虑黏性摩擦力情形下系统的轴心轨迹、相图、Poincaré图、频率谱图以及升速频率瀑布图。结果表明:当计入黏性摩擦力时,转子的非线性运动状态比忽略黏性摩擦力时得到的结果更为稳定;当转子质量较大、轴承数较大时,低频、大幅度自激振动比不考虑黏性摩擦力时出现的概率低。这是因为黏性摩擦力吸收了转子涡动的能量,使得转子振动幅度减小,因而运动状态更为稳定。 对影响硅微涡轮发动机转子平衡的微透平及微密封流场进行了CFD数值仿真,研究了其压力分布、速度分布和质量流量等性能,探讨了供气压力对气体质量流量、转子受力的影响规律,为各流场的协调供气、转子的稳定运转提供了可靠的理论依据。 提出了将圆锥气体轴承应用于金属材料微型涡轮发动机的设想,设计并制作了能给微型转子提供径向及轴向联合支撑的圆锥轴承,实现了高功率密度微涡轮发动机对于轴承系统的紧凑性的要求;发展了迭代求解微型圆锥气体轴承润滑方程与供气孔流量方程的数值方法,探讨了圆锥气体轴承的承载力及耗气规律,发现减小气膜间隙是提高轴承承载力及节约耗气量的有效手段。 自主研发了一套可在线监测转子转速、气体压力和质量流量的测试平台,实现了对轴承的质量流量——供气压力曲线的测试;实验测试了升速过程中的流量及压力曲线,该结果与理论计算结果取得了良好的一致。


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