动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析_乔湘云.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0860-10doi：10.13224/ki.jasp.20210541动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析乔湘云1，张镜洋2，陈卫东1，2，吕元伟2，罗欣洋3（1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016；2.南京航空航天大学航天学院，南京211106；3.中国航空工业集团有限公司金城南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室，南京211106）摘要：以波箔型动压气体止推轴承为研究对象，建立变截面气膜间隙润滑模型，研究了有无黏性耗散时动压气体止推轴承间隙压力场及温度场分布，获得几何参数以及转速对轴承间隙气膜压力和温度的影响规律。结果表明：考虑黏性耗散时，在收敛段末端和平直段外缘形成高温区；无黏性耗散时，轴承气膜高温区位于收敛间隙末端；轴承气膜温升随转速线性增加；考虑黏性耗散时，气膜温升随楔形因子的增加而减小，无黏性耗散热时则与之相反；气膜厚度越大，温升越小，厚度对轴承气膜温度分布无影响。本文参数范围内，黏性耗散产生的温升占比达 90%。该研究证实了黏性耗散对动压气体止推轴承热流动物理机制有重要的影响，可为动压气体轴承设计和高效运行提供理论基础。关键词：气体止推轴承；黏性耗散；温度场；转速；楔形因子中图分类号：V229+.2；TH133.37文献标志码：AAnalysisofthermo-aerodynamicheatandflowcharacteristicsinclearanceofdynamicpressuregasthrustbearingQIAOXiangyun1，ZHANGJingyang2，CHENWeidong1，2，LYuanwei2，LUOXinyang3（1.StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2.CollegeofAstronautics，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing211106，China；3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAeroElectromechanicalSystemIntegration，JinchengNanjingEngineeringInstituteofAircraftSystems，AviationIndustryCorporationofChina,Limited，Nanjing211106，China）Abstract:Inordertorevealthethermo-aerodynamiccharacteristicsoffoil-typedynamicpressuregasthrustbearingsinthepresenceorabsenceofviscositydissipation，thelubricationmodelsinthecross-sectionairfilmgapwerebuilt，andthetermofviscositydissipationandpressurevariationtermintheenergy equations were decoupled and discussed respectively.The effects of wedge factor，air filmthicknessandrotationspeedonflowfieldoftheairfilmwereobtained.Thetemperaturedistributionsinairfilmbetweenthepresenceandabsenceofviscositydissipationwerepresentedandcompared.Results收稿日期：2021-09-25基金项目：航空基金（201928052008）；中央高校基本科研业务费专项资金（NT2020021）作者简介：乔湘云（1997），女，硕士生，主要研究方向为传热与传质。通信作者：张镜洋（1981），男，副教授，博士，主要研究方向为传热与传质。E-mail：引用格式：乔湘云,张镜洋,陈卫东,等.动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析J.航空动力学报,2023,38（4）：860-869.QIAOXiangy-un,ZHANGJingyang,CHENWeidong,etal.Analysisofthermo-aerodynamicheatandflowcharacteristicsinclearanceofdynamicpres-suregasthrustbearingJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：860-869.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023showedthatthepeaktemperatureintheairfilmwaslocatednearthecircumferentialairoutletandthesideofouterdiameterinthepresenceofviscositydissipation，whilethepeakvaluetookplaceneartheendoftheconvergencechannelintheabsenceofviscositydissipation.Contrarytothecasewithoutviscositydissipation，themagnitudeoftemperatureriseintheairfilmincreasedwiththeincreaseofwedgefactorinthepresenceofviscositydissipation.Themagnitudeoftemperatureriseincreasedwiththeincreaseoftherotational speed，and had no effect on the variation of air film thickness.This study confirmed thatviscosity dissipation played a significant role in the temperature rise and flow field of the foil-typedynamic pressure gas thrust bearings.In high-speed working conditions，the temperature rise in thepresenceofviscositydissipationaccountedformorethan90%.Theresultsareofsignificantimportancebyprovidingbasicdesignguidelinesfortemperatureriseoftheairfilm.Keywords:gasthrustbearing；viscousdissipation；temperaturefield；rotationalspeed；wedgefactor动压气体轴承是一种非接触式自润滑结构轴承，与传统接触式轴承相比具有极限转速高、结构简单、无复杂油路供给系统等优点，在机载高速旋转机械领域有着广阔的应用前景1-3。高转速下轴承间隙内强剪切流动会产生强气动热效应，过高的气膜温度会导致轴承箔片烧蚀和失效4。因此，强剪切气动热所诱导的轴承间隙流场及温度场复杂变化机理受到了国内外学者广泛关注。部分学者对动压气体轴承温度场的分布规律进行了探索，发现气动热影响下轴承间隙气膜温度呈抛物线状分布，气膜周向末端在半径较大处产热明显温度较高5-7。轴承间隙剪切流气动热效应高度依赖间隙内的气流流动状态，且与转速、最小气膜厚度、入口气膜厚度和箔片变形等参数紧密相关，同时，热动热效应造成的温度和压力变化反而对间隙内流动参数衍变规律造成影响8-11。同样，间隙气膜与转轴和箔片的对流换热也将显著影响轴承间隙热流动特征12-13。例如，Salehi等14在大间隙尺度下忽略能量方程中的压力梯度项，并耦合雷诺方程建立动压气体轴承气动热场分析模型，但仅分析了圆周方向的一维温度分布特征。随后，Salehi 等15通过实验研究了转速为 3104r/min、承载力为 1.5kN 的轴承温度场分布，并与非等温雷诺方程耦合能量方程分析方法进行比较，结果显示该方法分析结果可靠。值得注意的是，动压气体止推轴承间隙涉及微尺度通道下强剪切流动，近几年来，研究者在微尺度通道内气动热研究上取得了一些成果。譬如，Nonino 等16和 Aydin 等17-18研究了黏性耗散对微通道中层流流动与传热的影响，结果表明由于微通道内高速度梯度，黏性耗散对通道内的温度分布影响显著。另外，在大间隙尺度的研究中可忽略压力功效应，然而对于微尺度流动，这一因素的影响则不可忽略。Ramadan19研究了微通道内压力功和黏性耗散对气体流动和换热的影响，数值结果表明，入口区域压力功的影响大于剪切功，而通道后缘黏性耗散效应影响更加显著。因此，微尺度通道下压力功和黏性耗散对流场和温度场的影响均十分显著。现有动压气体轴承研究尚未细致探究气膜的气动热效应中黏性耗散和压缩温升的占比及其对轴承压力和温度分布的影响。因此，研究两者对轴承压力和温度分布的影响规律，有利于揭示气动热效应对动压气体轴承间隙热流动的物理机制。基于此，本文以波箔型动压气体止推轴承为研究对象，拟建立动压气体止推轴承间隙气动热分析模型，耦合非等温 Reynolds 方程、气膜厚度方程以及能量方程，形成气膜间隙流场和温度场的分析方法。数值研究了转速、轴承几何参数对轴承气膜间隙无量纲压力和温度分布的影响，重点分析了不同参数下压缩温升和黏性耗散温升变化规律，以及其对轴承气膜间隙温度场和流场的影响程度，本文工作可为动压气体轴承设计和高效运行提供理论基础和技术指导。1数值计算方法1.1物理模型图 1（a）为波箔型动压气体止推轴承结构示意图，定义 为圆周方向，r 为径向，z 为气膜厚度方向。顶箔表面和止推盘表面形成变截面气膜间隙，其气膜间隙如图 1（b）所示，其中 h1为初始最第4期乔湘云等：动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析861大气膜厚度，h2为初始最小气膜厚度，h3为楔形间隙高度。单个扇形瓦结构如图 1（c）所示，其中节距比 b 为楔形区域所占扇形瓦比例，为扇形瓦张角。止推盘转速为 n，由于黏性作用，带动间隙内气体沿周向流动，在气膜间隙内产生动压效应，为轴承提供承载力。轴承的基本参数如表 1所示。波箔顶箔止推盘n旋转方向r(a)压气体止推轴承结构示意图止推盘轴承基座h1zn变截面气膜间隙顶箔波箔(b)气膜间隙结构(c)扇形瓦结构h2h3R2R1b图1动压气体止推轴承结构Fig.1Structureofdynamicpressuregasthrustbearing表1计算工况Table1Parametersofthecalculationoperatingcondition参数数值初始最小气膜厚度 h2/m836楔形因子 hf=h3/h228转速 n/104（r/min）210轴承外半径 R2/mm21.5轴承内半径 R1/mm12扇形瓦张角/（）60节距比 b0.5箔片数 N61.2数值模型1.2.1气膜非等温 Reynolds 方程进行轴承热分析时，气膜温度的变化会对气体黏度和密度产生影响。因此，稳态条件下，计算气膜间隙内压力分布采用可压缩气体非等温Reynolds 方程，具体表达如下