發(fā)布時間：2016-05-13 08:37

第 1 章  緒  論

1.1  課題研究的目的及意義
透平膨脹機多用于低溫制冷領域，常見于氣液分離裝置，當設備需要在低溫環(huán)境運行時，就需要用透平膨脹機來滿足其要求。其主要工作原理是對在封閉空間內(nèi)的氣體進行絕熱膨脹，使氣體自身快速冷卻，進而達到制冷的目的。近年來，隨著核物理和超導技術的進一步開發(fā)應用，人們越來越迫切的需求開發(fā)出高性能氦制冷(或液化)設備。因為在超低溫度下，大部分金屬和合金的電阻會變得很小，甚至變成超導體。在氨氣的凝點溫度-195.8  ℃附近，空氣中占最大比例的氧氣已經(jīng)液化，其他氣體也大都固化，因此可形成真空度很高的真空，基于氦的這個物理特性，人們把氦液化制冷技術應用到國防工業(yè)和國民經(jīng)濟的眾多領域中去。在種類繁多的氦制冷設備當中，低溫氦透平膨脹機的應用最為普遍，其工作效率高、運轉穩(wěn)定的優(yōu)良性能保證了裝置的經(jīng)濟性和長期連續(xù)工作的可靠性，因此吸引了各國投入大量資源進行研究[1]。 隨著工業(yè)和科技技術的發(fā)展需要，傳統(tǒng)的滾動軸承由于在運轉過程中出現(xiàn)零部件之間的干摩擦，導致軸承磨損嚴重、發(fā)熱量大、使用壽命低，極大限制了軸承轉速和運轉穩(wěn)定性的提升，越來越難以滿足日益增多的高速旋轉機械的性能要求[2,3]。此時流體懸浮軸承因其高速、穩(wěn)定、污染小、壽命長以及適應多種惡劣的工作環(huán)境而應用廣泛，其重要性也不斷提高[4]。人們普遍期待高速透平膨脹機能具有良好的熱效率和運轉穩(wěn)定性，以保證所配套的動力裝置或低溫裝置能達到預期的動力或制冷效果，因此研制穩(wěn)定可靠的流體懸浮軸承也成為開發(fā)低溫制冷機等裝置的關注焦點[5]。 動靜壓軸承的潤滑介質可以是氣體，也可以是液體，其中氣體軸承在具有其獨特優(yōu)越性能的同時[6]，也存在一些問題：因為氣體具有可壓縮性，而且粘度極小，因此設計時，只能取用較低的供氣壓力（很少有超過 0.7 MPa），導致氣體軸承的承載力普遍很小，同時氣膜吸收振動能力較差，容易失穩(wěn)。相比于氣體支撐，液體支撐有如下優(yōu)點：（1）載荷范圍和工作速度更寬；（2）可以產(chǎn)生剛度大阻尼大的油膜，通過設計節(jié)流器，可以使軸承在受到變載荷時，軸心的位置變化很��；（3）驅動功率和摩擦系數(shù)較低，啟動和回轉時的摩擦阻力很�。唬�4）工作壽命長，有更好的吸振性能、靜動剛度和穩(wěn)定性，可以保證更高的主軸回轉精度，同時消除了啟動、停止時的剛性磨損[7]。 
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1.2  透平膨脹機研究現(xiàn)狀
透平膨脹機在國外已有一百多年的發(fā)展歷史，在 1898 年，英國人 Lauder riley就提出了透平膨脹機的概念設計；1930 年，德國學者 Delin 首次制造出透平膨脹機樣機，并試驗成功。此后，歐美各國相繼發(fā)展和應用了面向不用領域的多樣化的透平膨脹機。在結構上，現(xiàn)階段的透平膨脹機主要有軸流式和向心徑—軸流式兩種，大部分采用的是向心徑—軸流式結構，只有在大功率、大流量以及高溫條件下采用軸流式。國外一些膨脹機制造商在開發(fā)產(chǎn)品的過程中，順應技術發(fā)展潮流的使用了有限元分析軟件（ANSYS、ADINA 等）和粘性流場分析軟件（CFD 等），以此為技術基礎，極大發(fā)展和推動了透平膨脹機的研究進程。從概念設計、細節(jié)完善、工藝設計、材料選取、加工制造和裝配測試等各個方面著手研發(fā)，在葉片設計和轉子穩(wěn)定性研究等核心技術上都取得了巨大突破[9]。以下簡單介紹國外幾個著名透平膨脹機制造商在相關方面的研究現(xiàn)狀。美國的 Rotoflow 公司推出了世界上首個天然氣壓縮機，之后也一直在氣體帶液技術上處于全球領先地位，該公司制造的透平膨脹機主要采用向心透平式，在某些高溫環(huán)境下也會采用軸流式結構[10]；美國的 Dresser-Rand 公司所制造的透平膨脹機側重于能量回收領域的應用，是該領域的頂級供應商[11]；德國 Siemens 公司開發(fā)了 PRT 機型透平膨脹機，在中高溫領域占有很大市場份額[12]；日本的三井造船同樣在高爐爐頂能量回收裝置有很強的設計和制造水平，它制造的透平膨脹機可以適應干式和濕式兩種不同的工藝[13]；此外，國外一些其他的透平膨脹機供應商也應用了一些先進技術，在各自的領域開發(fā)了很多優(yōu)秀的產(chǎn)品，例如日本的三菱重工、美國埃理奧特公司等。 概因本文來源于 EAST，旨在開發(fā)和利用核聚變能，進而解決日益緊張的能源危機[14-16]，因此以下表格只簡列國內(nèi)外數(shù)個核聚變裝置中氦透平膨脹機的類型。 
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第 2 章  液體動靜壓軸承靜態(tài)特性理論

本章首先分析了液體軸承工作原理，然后從基本潤滑理論出發(fā)，對本文研究的液體動靜壓軸承進行建模分析，提出假設條件，重點定義約束情況，選取合適的邊界條件，在此基礎上去推導液體潤滑的基本方程并做簡化處理，可以得到無量綱化的雷諾方程，為第三章和第四章進行編程計算打下基礎。

2.1  液體動靜壓軸承的基本工作原理
取沿周向均勻分布的四油腔液體靜壓軸承為例，各油腔的包角、節(jié)流孔、封油邊、回油槽的結構參數(shù)都相等，由節(jié)流孔供應等流量或等壓力的潤滑油，流經(jīng)油腔，再經(jīng)過封油邊流入大氣或者回油槽中。當軸承轉子有一定偏心的時候，油膜上各壓力點的厚度發(fā)生變化，進而引起圖 2-1 中所示的油腔壓力 P1 和 P2 不相等，各油腔相對應的封油邊油膜各點壓力也不在相等，軸承承載力由此壓力差提供，對壓力差沿軸承面積積分即可求得。 動壓工作原理基于流體動力學的楔形效應。既在一定的假設條件下，當粘性流體以一定速度通過楔形截面，并且由間隙大的一側流入間隙小的一側，會產(chǎn)生沿速度方向漸變的流體壓力[41]，速度分布和壓力分布如圖 2-2 所示，這就是楔形效應原理。 動靜壓軸承則是結合了靜壓軸承和動壓軸承的工作原理。當轉速為零的時候，是一個純靜壓軸承，提供承載的是靜壓效應，有了一定轉速之后，則動壓效應與靜壓效應耦合疊加，共同提供承載，但是需要注意的是，動靜壓軸承運轉情況不是動壓和靜壓的線性疊加，而是耦合，是一個復雜的過程。 
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2.2  液體潤滑基本理論
納維-斯托克斯方程是研究粘性流體力學最基本的方程，概括了加速度、摩擦力和壓力之間的平衡關系，但是除了在強加邊界條件和特定的初始條件下，很難求得精確通解。因此，在工程計算中往往在對結果影響不大的情況下對此方程做簡化處理，得到雷諾方程（文獻[33]），簡化條件[42]如下： （1）液體為層流，忽略流動過程中的漩渦和紊流； （2）相較于粘性力和剪切力，忽略質量力和體積力； （3）運動過程為等溫過程； （4）油膜厚度相對于軸承直徑是小量，忽略其曲率，且在油膜厚度方向忽略 流速，不考慮密度? 、油膜壓力P 和粘度的變化； （5）軸承表面與流體無相對滑動； （6）液體為牛頓流體。上文提到在等壓力供油的情況下，無論是靜壓效果還是動壓效果，都依賴于楔形油膜，若軸承軸心與轉子軸心重合，則每處油膜厚度相等，不能滿足形成楔形效應的前提條件。
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第 3 章  液體動靜壓軸承靜態(tài)特性分析 ....... 18 
3.1  液體動靜壓軸承靜態(tài)基本性能參數(shù)計算 ......... 18 
3.1.1  建立求解流程 .......... 18 
3.1.2  承載力 ........ 20 
3.1.3  姿態(tài)角 ........ 21 
3.2  計算結果與實驗值比較 ......... 22 
3.3  靜態(tài)特性分析 .... 23 
3.4  本章小結 ..... 33 
第 4 章  液體動靜壓軸承動態(tài)特性分析 ....... 34 
4.1  小擾動法求解擾動方程 ......... 34 
4.1.1  任意擾動量下油膜力和油膜厚度 ...... 34 
4.1.2  擾動方程推導 .......... 35 
4.1.3  差分法求解雷諾方程 ..... 37 
4.2  求解動態(tài)特性系數(shù) .......... 39 
4.2.1  動態(tài)特性系數(shù)的積分 ..... 39 
4.2.2  坐標系轉換和有量綱化處理 ....... 40
4.2.3  積分求解動態(tài)特性系數(shù) ........ 40
4.3  計算結果與分析 ....... 41
4.4  本章小結 ..... 47 

第 4 章  液體動靜壓軸承動態(tài)特性分析

在轉子—軸承系統(tǒng)中，軸承油膜無疑起著至關重要的作用，不僅有著前文所說的提供負載、消除磨損和減小摩擦等作用，從整個系統(tǒng)來看，它也對動力特性有著很大的影響，例如轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、不平衡引起的振幅和共振等。因此，計算軸承油膜的動力系數(shù)精確值對于系統(tǒng)動力學的設計和研究是很有必要的。 在上述問題中，油膜具有粘性，可以吸收振動和能量，起著彈簧和阻尼器的作用�？紤]到軸承運轉過程中，油膜厚度變化較小，，因此可以將油膜近似看做是具有剛度和阻尼等特性的線性化彈簧，其動態(tài)特性通常由八個動力系數(shù)來表示，四個是剛度系數(shù)，另外四個是阻尼系數(shù)。本章在計算得到的靜態(tài)特性的基礎上，采用小擾動法和有限差分法求解雷諾方程，使用 MATLAB 編程，求得穩(wěn)態(tài)時候的壓力分布和擾動壓力，進而完成動態(tài)特性系數(shù)計算[49]，研究了軸承油膜初始厚度、偏心率和軸承轉速對動態(tài)特性的影響。

4.1  小擾動法求解擾動方程

上文求得油膜節(jié)點壓力后可以采用多種積分方法求得油膜壓力，本文采用Simpson 復化積分法對式（4-23）和式（4-24）分別進行軸向和周向進行兩次數(shù)值積分[52]，求得剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，Simpson 復化積分法過程簡單，比較適用于本文中對離散節(jié)點的數(shù)值積分，求解低次冪多項式的時候，可以得到精確解，具體過程不在一一詳述。由式（4-2）、式（4-23）和式（4-24）可知，液體動靜壓軸承的動態(tài)特性系數(shù)都是與渦動比無關的[53]，所以只研究剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)隨軸承轉速、偏心率和軸承油膜初始厚度的變化。 為驗證液體動靜壓軸承動態(tài)特性求解程序的正確性，本文與文獻[48]中進行了對比，軸承結構參數(shù)如表 3-1，長徑比變?yōu)?1，經(jīng)比較，在偏心率 0.4，軸承轉速10  000  rpm 時，軸承豎直方向主剛度為 574  N/μm（實驗數(shù)據(jù)約 600  N/μm），誤差4.33%，證明程序可靠。 本文計算的液體動靜壓軸承的計算參數(shù)如表 4-1 所示，其他未注明參數(shù)參考表3-1。下面內(nèi)容對軸承的八個動態(tài)特性性能參數(shù)進行研究，分析了偏心率、軸承轉速和油膜初始厚度對這些參數(shù)的影響。 

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結   論

液體動靜壓軸承雖然已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，已經(jīng)相當成熟，但是在某些工程應用中大都采用一些簡單的基礎理論和原始的計算公式，因此開發(fā)精細務實的算法來完善計算理論，指導工程實踐是很有必要的。鑒于此，本文針對液體動靜壓軸承進行了系統(tǒng)的研究，基于流體潤滑理論推導了適用于計算液體動靜壓軸承動靜特性的 Reynolds 方程，研究了其穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)時的軸承性能，分析了軸承在不同參數(shù)下對動靜特性的影響規(guī)律，并與實驗數(shù)據(jù)做了比較驗證。主要取得以下幾個研究成果：
（1）建立了液體動靜壓軸承力學計算模型，提出在迭代過程中持續(xù)更新邊界條件，進而求解 Reynolds 方程，通過與其他文獻中的實驗對比驗證了新的算法的正確性。
（2）求解得到了穩(wěn)態(tài)時軸承承載力、姿態(tài)角、軸承流量和各油腔節(jié)流比等靜態(tài)特性參數(shù)，研究了油膜初始厚度和轉速在不同偏心率下對以上參數(shù)的影響，得知選取合適的結構參數(shù)和運行參數(shù)有利于提高軸承的承載特性，可以依據(jù)不同設計準則來選取最佳油膜厚度和定義合適的工作轉速范圍。
（3）小擾動法推導了動態(tài) Reynolds 方程，求解了軸承的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，分析了油膜初始厚度和轉速在不同偏心率下對軸承動特性的影響。研究表明：小的油膜間隙可以提高軸承的運轉穩(wěn)定性，提高轉速也可以提高軸承的剛度和阻尼。
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參考文獻(略)  

本文編號：44478