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典型气动轴承振动特性对比试验研究

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Experimental Study on Low Frequency VibrationCharacteristics of Typical Gas BearingChen Changting ' Yang Jinfu Han Dongjiang ' Zhao Chen , Qi Weijun。

(1.Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;3.North China of Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:Experimental studies of speed-up vibration characteristics were carried out on turbo-expander supposed byhydrodynamic,hydrostatic and hybrid gas bearing.The low-frequency whirl and whip characteristics of rotors were ana-lyzed.Based on the working mechanisms of different bearings,the methods to improving low-frequency were brought up。

The results show that changing the groove structure of dynamic bearings and changing the supply pressure of hydrostaticbearings can postpone or inhibit the low frequency vibration.Combining the advantages of dynamic and hydrostatic bear-ings,hybrid bearing can work at high speed without low frequency vibration。

Keywords:gas bearing;bearing structure;whirl character气体滑动轴承具有适用温度范围广 、工作环境适应性好等特点,在飞机环控系统、低温工程、微型燃气轮机和高速透平膨胀机械等领域应用十分广泛 。

气体静压轴承、动压轴承和动静压轴承为其主要的3种结构形式。静压轴承依靠外部高压气体,通过不同形式的节流口控制高压气体的压力分布;动压轴承通过合理设计的内表面槽型线,控制轴承表面压力分布;动静压轴承结合动压和静压轴承的优点,压力分布由节流口型式和内表面槽型线共同决定 。不同的压力形成原理导致了调节轴承性能的措施不同。

气体轴承-转子系统流固耦合的特性会使转子呈现涡动、振荡和共振等非线性行为,影响转子的稳定基金项目:国家科技支撑计划项目 (2012BAA11B02)。

收稿 日期 :2012-11-12作者简介:陈昌婷 (1986-),女,博士研究生,研究方向为气体轴承润滑技术.E-mail:smutting###yahoo.eom.cn。

性 。针对滑动轴承的涡动、振荡机制及其对稳定性的影响和相关的防治措施,国内外已经有大量理论和试验研究 - 。文献 [8]通过试验呈现了轴系中油膜振荡过程的-阶固有频率和 1/2、1/3次谐波振荡,并探讨了升降速产生次谐波油膜振荡的过程与机制。文献 [9]对高速旋转机械中气体轴承的流嘲转子-轴承耦合系统进行有限元分析,基于非线性动力学理论研究了气体轴承中存在的气膜涡动问题的发生机制。

本文作者通过在动压、静压、动静压3种典型气体轴承支撑下,开展在高速透平膨胀机升速过程中转子低频涡动和低频振荡特性的对比试验研究,同时结合不同结构轴承的作用机制,提出调节轴承性能的措施及方法。

1 试验系统及方案1.1 试验设备及 系统气体轴承-转子系统实验台及测试系统如图1所润滑与密封 第 38卷从以上计算结果可以看出:(1)对于单孔圆盘静压止推轴承,减小气膜间隙是-条提高刚度的有效途径,但须匹配适当的节流孔直径,而增大供气压力和增大气浮面直径也可直接提高刚度。

(2)供气压力和气浮面直径这2个参数与其他参数耦合关系较弱,表现为不同的供气压力和气浮面直径下,最优气膜间隙几乎不变。但是,耦合关系较弱并非完全没有关系,比如从图4可以看出,随气浮面直径增大,最优气膜间隙略微增大;而从图5可以看出,随供气压力增大,最优气膜间隙略微减校(3)相比之下,节流孔径与气膜间隙两者耦合关系非常明显,如图3所示。由于它们与其他参数耦合关系弱,孔径与气膜间隙匹配关系基本上是固定的,从计算结果来看,0.1 mm孔径匹配的最优气膜间隙为8~9 m,0.2 mm孔径匹配的最优气膜间隙约 15 m。以上推论是在中心孔圆盘空气静压止推轴承模型下得到的,并未考虑另-关键因素--节流孔分布,对于多节流孔以及节流孔分布的问题有待进-步研究。

4 结论(1)对于中心孔圆盘形空气静压止推轴承,增大供气压力或增大气浮面积可直接提高刚度,而减小气膜间隙则需要匹配合适的节流孔直径才能保证刚度提高。

(2)供气压力和气浮面直径这2个参数与其他参数耦合关系较弱,表现为不同的供气压力和气浮面直径下,最优气膜间隙几乎不变,而节流孔径与气膜间隙两者耦合关系非常明显,不同节流孔径下的最优气膜间隙不同。

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