气体轴承—转子系统动力学特性初步研究
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摘要
对于外径为60毫米微型发动机,转子系统所采用的轴承为氮化硅微型陶瓷滚珠轴承,工作转速可以达到20万转/分。对于更小的,比如外径40毫米的微型发动机,转子的工作转速约为40万转/分左右,在这样的超高转速下,氮化硅微型陶瓷滚珠轴承已经远远无法满足,因此考虑用气体轴承来支承。
本文首先研究了气体轴承的原理,然后建立了两个光滑圆柱型动压气体轴承支承的Jeffcott转子模型,开展了以下工作:
(1)气体轴承稳态性能计算。阐述了气体动压润滑机理,给出了气体轴承稳态润滑的雷诺方程,利用有限差分法,计算了单个气体轴承的承载力及等效气膜刚度随转速的变化关系,并研究了气体轴承的参数偏心率,径向间隙和长径比对承载力和等效气膜刚度的影响。
(2)气体轴承—转子系统临界转速分析。针对两个气体轴承支承的Jeffcott转子模型,根据等效气膜刚度,利用传递矩阵法,对转子的临界转速进行了计算,得到了转子的一、二阶临界转速,并且研究了气体轴承的参数偏心率、径向间隙和长径比对临界转速的影响。
(3)气体轴承的动态润滑分析。给出了气体轴承动态润滑问题的一般方程,并利用有限差分法进行求解。在给定的设计参数下,求出了气体轴承动态润滑问题的八个刚度系数和阻尼系数。
(4)气体轴承—转子系统稳定性分析。对于两个气体轴承支承的Jeffcott转子模型,给出了系统的运动方程,并利用八个刚度系数和阻尼系数,对轴承—转子系统的稳定性进行了分析,并研究了气体轴承的参数偏心率、径向间隙和长径比对稳定性的影响。
(5)气体轴承试验台的设计。设计了一台气体轴承试验台,给出了设计方案和图纸,并且阐述了设计过程中需要注意和解决的一系列问题。
综上说述,本文首先对光滑圆柱型动压气体轴承的原理及性能作了初步研究,进而对气体轴承—转子系统的动力特性进行了初步分析,希望为未来微型发动机的气体轴承支承技术提供一定的参考依据。
The micro turbine engine, whose maximal diameter is 60mm, is mounted by two micro ceramic ball bearings and it can works at the speed of 20,000 rounds per minute(PRM). But for the smaller engine whose maximal diameter is 40mm, its working speed is about 40,000RPM. It is too high for micro ceramic ball bearing to work at this speed,so the gas bearing is considered to be used at the speed.
In this paper, the theory of gas bearing is expounded, and a Jeffcott rotor model is established. The main contents of this paper are as following:
(1) The steady performances of self-acting gas bearing are calculated by solving the Reynolds equation with the method of finite difference, including force and equivalent stiffness of gas bearing. Meanwhile the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on force and equivalent stiffness are researched.
(2) The critical speeds of the gas bearing-rotor system are researched by solving the motion equation and the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on critical speed are researched.
(3) The dynamical lubrication equation of gas bearing is analyzed by the method of finite difference, giving eight stiffness coefficients and damping coefficients.
(4) Referring to eight stiffness and damping coefficients, the stability of the system is studied on Routh-Hurwitz Criterion and the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on the stability of this system are researched.
(5) A test-bed supported by gas bearing is designed. The design drawings and some of problems during the design are given.
本文首先研究了气体轴承的原理,然后建立了两个光滑圆柱型动压气体轴承支承的Jeffcott转子模型,开展了以下工作:
(1)气体轴承稳态性能计算。阐述了气体动压润滑机理,给出了气体轴承稳态润滑的雷诺方程,利用有限差分法,计算了单个气体轴承的承载力及等效气膜刚度随转速的变化关系,并研究了气体轴承的参数偏心率,径向间隙和长径比对承载力和等效气膜刚度的影响。
(2)气体轴承—转子系统临界转速分析。针对两个气体轴承支承的Jeffcott转子模型,根据等效气膜刚度,利用传递矩阵法,对转子的临界转速进行了计算,得到了转子的一、二阶临界转速,并且研究了气体轴承的参数偏心率、径向间隙和长径比对临界转速的影响。
(3)气体轴承的动态润滑分析。给出了气体轴承动态润滑问题的一般方程,并利用有限差分法进行求解。在给定的设计参数下,求出了气体轴承动态润滑问题的八个刚度系数和阻尼系数。
(4)气体轴承—转子系统稳定性分析。对于两个气体轴承支承的Jeffcott转子模型,给出了系统的运动方程,并利用八个刚度系数和阻尼系数,对轴承—转子系统的稳定性进行了分析,并研究了气体轴承的参数偏心率、径向间隙和长径比对稳定性的影响。
(5)气体轴承试验台的设计。设计了一台气体轴承试验台,给出了设计方案和图纸,并且阐述了设计过程中需要注意和解决的一系列问题。
综上说述,本文首先对光滑圆柱型动压气体轴承的原理及性能作了初步研究,进而对气体轴承—转子系统的动力特性进行了初步分析,希望为未来微型发动机的气体轴承支承技术提供一定的参考依据。
The micro turbine engine, whose maximal diameter is 60mm, is mounted by two micro ceramic ball bearings and it can works at the speed of 20,000 rounds per minute(PRM). But for the smaller engine whose maximal diameter is 40mm, its working speed is about 40,000RPM. It is too high for micro ceramic ball bearing to work at this speed,so the gas bearing is considered to be used at the speed.
In this paper, the theory of gas bearing is expounded, and a Jeffcott rotor model is established. The main contents of this paper are as following:
(1) The steady performances of self-acting gas bearing are calculated by solving the Reynolds equation with the method of finite difference, including force and equivalent stiffness of gas bearing. Meanwhile the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on force and equivalent stiffness are researched.
(2) The critical speeds of the gas bearing-rotor system are researched by solving the motion equation and the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on critical speed are researched.
(3) The dynamical lubrication equation of gas bearing is analyzed by the method of finite difference, giving eight stiffness coefficients and damping coefficients.
(4) Referring to eight stiffness and damping coefficients, the stability of the system is studied on Routh-Hurwitz Criterion and the gas bearing’s structure parameters including eccentricity, length and clearance effects on the stability of this system are researched.
(5) A test-bed supported by gas bearing is designed. The design drawings and some of problems during the design are given.
引文
[1] 梁德旺, 黄国平. 厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展.燃气涡轮试验与研究,2004,17(2):9~13.
[2] 黄国平,温泉,李博.微型涡喷发动机顶层设计研究.航空动力学报,2003,18(6):832~838.
[3] 黄治国,单鹏,王延荣.微型涡喷发动机结构设计研究.北京航空航天大学学报,2004,30(3):206~209.
[4] 张力,徐宗俊,王英章.微型涡轮发动机设计与制造的若干关键技术.重庆大学学报,2003,26(11):23~26.
[5] 王云飞.气体浮环动静压轴承高速稳定性研究.博士学位论文.北京:北京航空航天大学,1989:39~49.
[6] 王云飞.气体润滑理论与气体轴承设计.北京:机械工业出版社,1999.
[7] 周恒,刘延柱.气体动压轴承的原理及计算.北京:国防工业出版社,1981.
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[12] 顾家柳等.转子动力学.北京:国防工业出版社,1985.
[13] Krzysztof Czolczynski. Rotordynamics of Gas-Lubricated Journal Bearing Systems. New York:Springer-Verlag New York, Inc,1999.
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