涡轮机械模拟实验台的设计与实验研究

摘要

箔片式气体动压润滑轴承隶属于滑动轴承，采用单层或多层弹性结构箔片作为支撑部分，光滑项箔片作为轴承内表面边界，共同支撑转子转动。箔片式气体动压润滑轴承在高温、高转速工况下具有极好的工作性能，因此被广泛应用到高速涡轮机械当中。由于该轴承利用环境中的空气（或其他气体介质）作为润滑剂，便可实现机械系统的无油化，大大降低了设计、制造、维护成本，解决了因油润滑系统带来的漏油问题，同时也更为环保。目前，国内对气体箔片动压轴承的研究主要集中在轴承弹性结构建模、轴承重要参数仿真以及转子动力学分析计算等理论研究方面，对该类轴承的加工制造、实验研究相对较少，针对箔片轴承的应用研究更是极度缺乏。因此，本文设计并搭建了高速无油涡轮机械模拟实验台，并利用该实验台对气体箔片轴承——转子系统进行了深入的实验研究，为轴承的设计加工以及轴承的实际应用提供重要的工程经验。本文主要的研究工作以及成果如下:
　　(1)参考目前气体箔片轴承应用的涡轮机械，设计并搭建了高速无油涡轮机械模拟实验台。根据模拟的工况，对径向箔片轴承和推力箔片轴承进行了结构参数设计，预测了径向箔片轴承和推力箔片轴承的承载能力及动态、静态特性，并对转子系统进行了转子动力学分析。通过结构的调整和优化，最终使轴承承载能力满足设计要求，且转子系统在稳定工作转速范围能避开临界转速。
　　(2)利用搭建的转动实验台，针对不同轴承间隙对转子系统动态特性的影响进行实验研究。利用轴承分析软件和转子动力学分析软件对系统动态特性进行分析计算。对比理论和实验结果，得出结论:随着径向间隙减小，气体箔片轴承的直接动态系数和交叉耦合阻尼系数增大，从而使得系统临界转速和次同步振动起始转速均提高。对比同步响应的振动特性表明较小的径向间隙将有效降低转子过临界转速时的幅值放大系数。
　　(3)利用搭建的转动实验台，针对不平衡量对转子系统的影响进行实验研究。实验结果表明，随着不平衡量的增大，系统的临界转速降低，次同步振动的频率变得丰富，轴承表现出很强的非线性特征。在研究不同加载方式对系统影响的实验中，发现同相加载引起的次同步振动更剧烈，而异相加载引起的同步振动幅值更大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 气体箔片轴承概述及其应用研究

1．2．1 气体箔片轴承工作原理及分类

1．2．2 波箔型气体动压轴承的研发历程

1．2．3 气体箔片轴承应用研究

1．3 本文主要研究内容

第2章 涡轮机械模拟实验台的设计

2．1 整机概念性设计及评估

2．1．1 涡轮机械模拟实验台总体结构设计方案的确定

2．1．2 转子结构设计及各部分的细节分析

2．1．3 驱动部分的设计

2．2 波箔型气体箔片轴承的设计制造及测试

2．2．1 气体箔片径向轴承总体设计

2．2．2 气体箔片径向轴承参数设计及分析

2．2．3 气体箔片径向轴承的加工及测试

2．2．4 气体箔片推力轴承的设计及制造

2．3 转子动力学分析

2．3．1 转子系统建模

2．3．2 动力学分析及评估

2．4 本章小结

第3章 径向间隙对转子系统动态特性的影响

3．1 气体箔片轴承径向间隙的介绍及研究方案的确定

3．2 实验轴承的准备及测试

3．3 实验测试系统搭建及实验安排

3．3．1 传感器的选择及布置

3．3．2 数据采集系统的搭建

3．3．3 实验安排

3．4 理论计算及实验结果分析

3．4．1 径向间隙对轴承动态特性系数的影响

3．4．2 径向间隙对系统动态特性的影响

3．4．3 实验结果分析

3．5 本章小结

第4章 不平衡量对系统的影响

4．1 实验台转子动平衡

4．2 不平衡量加载实验

4．2．1 不平衡量加载的实验方案

4．2．2 不同大小不平衡量对系统的影响

4．2．3 不平衡量的不同加载方式对系统的影响

4．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录

附录