空气动压润滑无油涡轮增压器的设计与实验研究

摘要

气体箔片轴承是一种自作用式柔性表面动压轴承，可以利用周围环境中的空气（或者其他气体）作为其润滑剂。利用这种气体箔片轴承，可以实现增压器的“无油化”，消除润滑油对工作转速的限制，并彻底地解决漏油问题，同时在最大程度上降低装置的质量、体积和复杂程度，消除一切因润滑系统而产生的损失。然而，国内对于气体箔片轴承的制作、性能测试研究较少，针对气体箔片轴承的应用研究更是凤毛麟角。因此，本文尝试把气体箔片轴承应用到涡轮增压器当中，探索建立无油透平机械的设计和性能测试方法。本文的主要研究工作和结果如下：
　　在天雁某型增压器的基础上，用气体箔片轴承替换原有的浮动环轴承，对增压器的转子、轴承体和涡轮壳重新进行了设计。
　　对径向气体箔片轴承和推力气体箔片轴承进行了详细的结构参数设计，预测了径向气体箔片轴承和推力气体箔片轴承的承载能力以及静态、动态特性，同时对整个转子系统的转子动力学性能做了初步计算。计算结果表明，箔片气体轴承的承载能力足够，设计的转子系统在正常工作转速范围内可以避开临界转速。
　　在径向气体箔片轴承制作方法的基础上，成功探索出了推力气体箔片轴承的制作方法。制作了两个径向气体箔片轴承和两个推力气体箔片轴承，并且在轴承顶箔表面镀了一层固体润滑剂。
　　针对径向气体箔片轴承，搭建了起飞试验台和静态性能试验台来测量其性能。针对推力气体箔片轴承，搭建了静态特性试验台。实验结果表明，径向气体箔片轴承在加速和平稳运行时没有出现大幅温升，其起飞转速约在11，000rpm，因此可以尝试在增压器实验台上进一步验证其性能；推力气体箔片轴承的箔片具有非线性刚度特性，并且具有一定的阻尼特性。
　　搭建了无油涡轮增压器试验台。三次试运行后径向气体箔片轴承全部损坏，推力气体箔片轴承完好。实验结果证明：箔片温度可以作为判断箔片轴承是否正常工作的非常有效的指标；制作的推力气体箔片轴承具有足够的承载能力，足以承受增压器开机、停机和稳定工作时的轴向力。最后对造成轴承损坏的可能原因进行了分析。

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第1章 绪 论

1.1 气体箔片轴承概述

1.2 研究背景与意义

1.3 本文主要研究内容

第2章 空气动压润滑无油涡轮增压器的设计

2.1 涡轮增压器总体结构设计

2.2 径向气体箔片轴承设计

2.3 推力气体箔片轴承设计

2.4 转子轴转子动力学分析

2.5 本章小结

第3章 气体箔片轴承制作与性能测试

3.1 径向气体箔片轴承的制作

3.2 推力气体箔片轴承的制作

3.3 径向气体箔片轴承静态特性测试

3.4 径向气体箔片轴承起飞实验研究

3.5 推力气体箔片轴承静态特性的实验研究

3.6 本章小结

第4章 无油涡轮增压器的实验研究

4.1 无油涡轮增压器的装配

4.2 测量系统的搭建

4.3 实验结果讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 今后工作展望

参考文献

致谢

附录A 电涡流传感器标定

附录B 转子轴系的固有频率识别

B.1 确定支撑方式

B.2 激励方式的选择

B.3 测试系统组成

B.4 实验结果与讨论

在学期间的研究成果及发表的学术论文