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波箱式气体轴承气膜流场分析

时间:2017-7-11 9:24:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  波箔式气体轴承由于采用空气润滑,具有高转速、低功耗的特点;同时由于弹性箔片的自适应性,设计合理的气体轴承具有很好的稳定性;此外气体轴承还具有耐高低温等特点,但承载力有限仍然是限制其应用的重要原因。

  为了提升波箱式气体轴承的承载力,研究人员对轴承内部结构进行了改进。现有的波箱式气体轴承大致可划分为三代:在第一代通过求解二维Reynolds方程和气膜厚度方程,给出了考虑气体可压缩性和箱片变形时的气膜压力分布及承载力。由于假定将轴承端部气膜压力设为大气压,得到的端部结果与真实压力情况相违背;而在处理箱片变形时,假定平箱只随波箱刚性运动,没有自身局部变形。6认为在评估箱片轴承的性能时,需要考虑平箱变形带来的影响;轴承的动态特性。因此,在研究箱片气体轴承的静、动态特性时,需要考虑平箱的变形。

  本文作者建立应用压力远场条件的三维箱片轴承模型,在考虑气体可压缩性和平箔变形的情况下,模拟轴承内外部流场,得到了三维气膜的压力、速度等分布;模拟了端泄效应一端部的进气和出气情况,并分析了考虑平箔变形情况下的轴承参数对流场的影响。

  1理论模型本文作者建立了三维轴承计算模型,见,为了模拟轴承端部进气与出气的情况,将轴承置于一个较大范围的空间中,如所示,利用Fluent的压力远场边界,将空间的边界设置为压力远场边界条件,通过计算整个空间和轴承内部气膜流场,得到轴承端部的进气与出气情况。选用Fluent中基于压力的求解器求解N-S方程和能量方程,选用标准的湍流模型,轴颈和轴承内壁面第一层网格厚度取8pm,保证y +在1左右;气膜气体为空气,且设为可压缩的理想气体,空气的比热容、导热系数、动力黏度假定为常数,不随温度变化;远场边界的压力取大气压,速度为,温度取恒温300K;轴承内壁、轴颈表面温度取恒温300K;求解的收敛准则取1X10―4. 2求解结果分析图丨三维轴承网格模型带有远场边界的三维轴承网格模型Fig是刚性轴承轴颈表面在转速为30偏心率为0.84时轴向中截面的压力分布数值计算结果和数值模拟结果的比较图。可见低压区符合得很好,高压区的部分区域压力分布有较小偏差,但最大压力偏差为2%,模拟结果与结果符合得很好。

  转速为30000 r/min、偏心率为0. 84的刚性轴承压力分布模拟结果与结果对比Fig压力分布给出了刚性轴承轴颈表面在转速为30 000r/min、偏心率为0.84时的三维气膜压力分布,可以轴承参数及气体参数见表1表1轴承参数和气体参数Table轴颈直径D/mm轴承长度L/mm半径间隙C/m波箔片厚度tB/m波箔片高度hB/mm波箔片单位长度s/mm波箔片波纹长度21/mm波箔片弹性模量E/GPa波箔片泊松比V气体动力黏度n/(Pas)环境大气压/Pa圆柱形外场直径d/mm圆柱形外场高度h/mm看出:存在一个正压区和一个负压区,正压区的最大压力相对环境压力较大,负压区压力低于环境压力,但负压区与环境压力的最大压差差值比正压区与环境压力的最大压差差值小;整个轴承气膜中,正压区范围比负压区范围小;同时正、负压区的存在使得在轴承端部气膜边界处,分别存在出气区和进气区。

  转速为30 000r/min、偏心率为0.5的刚性轴承轴颈表面沿轴向和周向展开的压力分布Fig4Pressuredistributionofarigid 6分别给出了偏心率为0.5的刚性轴承和平箔变形3pm的箔片轴承的端部半径为50. 08mm的圆形气膜截面的量纲一表压、轴向速度周向分布对比,可以看出:在端部存在出气区和进气区,出气区压力比环境压力大,进气区压力比环境压力小,而且出气区的端部压力与环境压力相差较大,最大达到20%,但负压区的端部压力与环境压力相差较小,这与之前的数值模拟中将轴承端部边界压力设为大气压是不一样的,因此该模型较好地模拟了端部气体的流动情况;同时平箔变形影响了轴承端部压力与速度分布:平箔变形使端部进气、出气速度增加;端部正压区压力减小,但负压区压力基本不变。

  刚性轴承与平箔变形3 pm的箔片轴承端部气体量纲一表压周向分布Fig5Endingpressuredistribution刚性轴承与平箔变形3 pm的箔片轴承端部气体轴向速度周向分布(正号代表出气)2.2承载力给出了不同偏心率情况下承载力随转速的变化情况,可以看出:(1)在偏心率一定的情况下,随着转速提高,承载力不断提高,而且在偏心率较大时,转速的提高对承载力的提升更明显;(2)对比同一转速、不同偏心率情况下的承载力,可以看出偏心率在低转速到高转速范围内对承载力影响都很大,转子在大偏心率下运行时所受到的承载力更大。

  不同偏心率情况下承载力随转速的变化Fig7Influenceofbearingspeedon给出了不同平箔变形时承载力随转速的变化情况,可以看出:(1)在平箔变形一定的情况下,随着转速提高,不考虑平箔变形和考虑平箔变形的箔片轴承的承载力都不断提高;(2)平箔变形为3pm和7pm时,承载力相对不考虑平箔变形的承载力要小。例如转速为80000r/min时,平箔变形为3pm时的承载力相对于不考虑平箔变形的承载力减小36.4%.因此平箔变形将会减小轴承承载力,但平箔变形为7pm时的承载力相对平箔变形为3pm时减少很小,因此当平箔变形较大时,平箔变形的程度对承载力的影响不大。

  不同平箔变形情况下承载力随转速的变化2.3最大气膜压力给出了不同偏心率情况下最大气膜压力随转速的变化情况,可以看出:(1)在偏心率一定的情况下,随着转速提高,最大压力将不断提高,而且在偏心率较大时,转速的提高对最大压力的影响更明显;(2)对比同一转速、不同偏心率情况下的最大压力,可以看出偏心率在低转速到高转速范围内对最大压力影响都很大,转子在大偏心率下运行时,气膜内的最大压力较大。

  不同偏心率情况下最大气膜压力随转速的变化Fig9Influenceofbearingspeedon图io给出了不同平箔变形时最大气膜压力随转速的变化情况,可以看出:(1)随着转速提高,不考虑平箔变形和考虑平箔变形的箔片轴承的最大气膜压力都不断提高;(2)平箔变形为3pm和7pm时,最大气膜压力相对不考虑平箔变形的最大气膜压力小,因此平箔变形将会减小轴承最大气膜压力。

  0不同平箔变形下最大气膜压力随转速的变化Fig10Influenceofbearingspeedon 2.4端部泄漏质量流量1给出了不同平箔变形时端部泄漏质量流量随转速的变化情况,可以看出:(1)考虑平箔变形相对于不考虑平箔变形时轴承端部的泄漏质量流量变大,转速越大,泄漏质量流量增大越明显;(2)结合和1,考虑平箔变形时,轴承承载力降低,且端部泄漏质量流量增加越多,承载力下降得越多,因为平箔有变形时,沿轴向形成沟槽,导致更多的高压气体泄漏,从而承载力下降;(3)当平箔变形较大时,端部泄漏质量流量增加不明显,对承载力影响较小。

  1不同平箔变形下端部泄漏流量随转速变化情况Fig11Influenceofbearingspeedon 2给出了不同偏心率情况下端部泄漏质量流量随转速的变化情况,可以看出:(1)偏心率一定时,随着转速的提高,端部泄漏质量流量不断提高;(2)转速一定时,偏心率越大时端部泄漏质量流量越大,这是因为在大偏心率情况下,中心气膜压力增大,从而造成端部泄漏质量流量增大。同时还发现:轴承气膜中间截面的气体净流量为0,而端部的进气流量和出气流量相等,因此轴承两端的气膜是相互独立的,进气、出气是在轴承的同一端发生。

  2不同偏心率下端部泄漏流量随转速的变化情况2.5端部最大轴向速度3给出了不同平箔变形大小情况下端部最大轴向速度随转速的变化情况,可以看出:(1)随着转速提高,端部泄漏气体的最大轴向速度增大:转速提高时,中心气膜压力提高,中心气膜压力与环境压差增大,从而端部气体泄漏速度增大;(2)在较低转速时,考虑平箔变形的端部最大轴向速度与不考虑平箔变形的结果相差较小。在较高转速时,考虑平箔变形的端部最大轴向速度相对不考虑平箔变形的端部最大轴向速度大。因为较高转速时,平箔变形使泄漏流量增大,而通道面积增加有限,从而导致考虑平箔变形的轴向泄漏速度相对不考虑平箔变形的速度较大。

  3不同平箔变形情况下端部最大轴向速度随转速的变化情况Fig 3结论(1)在轴承端部存在出气的正压区和进气的负压区,与之前的的端部为大气压的模拟结果不同;轴承两端的进气、出气过程是相互独立的,轴承中间处截面的净流量为,轴承一端的出气流量与这一端的进气流量相等,端部净流量为;转速、偏心率对承载力的影响较大;在偏心率较大时,转速的提升使承载力提升更明显;平箔变形形成的沟槽对箔片轴承内部及端部的流场产生影响:平箔变形时端部进气、出气速度增加;端部泄流流量变大,承载力变小;平箔变形量进一步增大对承载力影响不大。