利用流固耦合分析方法,研究一種波箔結(jié)構(gòu)柔性支撐柱面氣膜密封,探討氣膜厚度、浮環(huán)與轉(zhuǎn)子的偏心率以及柔性支撐結(jié)構(gòu)的泊松比、彈性模量、波箔數(shù)量等參數(shù)對支撐結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力及變形量的影響。結(jié)果表明:柔性支承結(jié)構(gòu)滿足柱面氣膜密封的正常運作,不會造成因為氣膜剛度過大而使得浮環(huán)與波箔發(fā)生破壞性變形,并且變形量遠(yuǎn)小于波箔高度;柔性支撐的等效應(yīng)力和變形量隨平均氣膜厚度的增大而減小,隨偏心率的增加而增大,隨支撐材料泊松比的增大而增大;彈性模量的增加并不影響柔性支撐結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力,但是會使變形量減小;增加波箔數(shù)量,柔性支撐的等效應(yīng)力略有減小,變形量顯著減小。
【部分圖文】：

柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)包括浮環(huán)(靜環(huán))、軸套(動環(huán))、轉(zhuǎn)軸以及波箔等結(jié)構(gòu),如圖1所示。當(dāng)軸套(動環(huán))跟隨轉(zhuǎn)軸做高速旋轉(zhuǎn)時,因為密封腔內(nèi)的氣體在高壓側(cè),所以氣體會被帶進(jìn)一字槽內(nèi)的間隙內(nèi),氣體因為有槽型結(jié)構(gòu)及偏心結(jié)構(gòu)的存在不斷被壓縮并產(chǎn)生高壓,在浮環(huán)與軸套之間生成一層微米級別剛度較大的氣膜間隙。同時,轉(zhuǎn)軸與浮環(huán)之間因為偏心的安裝設(shè)計,軸套和浮環(huán)之間形成收斂形楔形間隙,因為有楔形間隙的存在所以增強(qiáng)了柱面氣膜密封的流體動壓效應(yīng),使得氣膜的剛度與承載力加強(qiáng)。對于開槽的設(shè)計,當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,密封流體沿周向被泵吸入槽內(nèi),產(chǎn)生動壓效應(yīng)。

柔性支撐柱面氣膜密封的原理是:通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)讓軸套和浮環(huán)之間形成動壓密封氣膜;浮環(huán)和波箔之間形成一定的柔性,從而使得密封系統(tǒng)可以有柔性支撐特征,確保在工作過程中達(dá)到穩(wěn)定的氣膜;氣膜和柔性支撐共同作用,可以避免出現(xiàn)浮環(huán)和軸套因表面變形而造成接觸摩擦和磨損,進(jìn)而達(dá)到良好的密封性能。如圖2所示。金屬橡膠外環(huán)柔性支承結(jié)構(gòu)如圖3所示,結(jié)構(gòu)材料為金屬橡膠,以此當(dāng)作彈性外環(huán)。一旦氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)開始工作的時候,這三者(氣膜、轉(zhuǎn)子和彈性外環(huán))就會形成一個流固耦合系統(tǒng)。區(qū)別于剛性外環(huán),彈性外環(huán)對氣膜壓力場的分布具有自動調(diào)節(jié)功能,以盡可能地減少發(fā)生碰磨。在氣膜和彈性外環(huán)雙重作用下可以讓轉(zhuǎn)子形成阻尼,而與此同時彈性外環(huán)也可以和轉(zhuǎn)子的軸頸形成較小的間隙,從而起到節(jié)流功效,可以有效地限制氣體的軸向泄漏。設(shè)計出的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)可以確保非接觸潤滑的穩(wěn)定性,達(dá)到阻尼和密封的共同效用[12]。

金屬橡膠外環(huán)柔性支承結(jié)構(gòu)如圖3所示,結(jié)構(gòu)材料為金屬橡膠,以此當(dāng)作彈性外環(huán)。一旦氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)開始工作的時候,這三者(氣膜、轉(zhuǎn)子和彈性外環(huán))就會形成一個流固耦合系統(tǒng)。區(qū)別于剛性外環(huán),彈性外環(huán)對氣膜壓力場的分布具有自動調(diào)節(jié)功能,以盡可能地減少發(fā)生碰磨。在氣膜和彈性外環(huán)雙重作用下可以讓轉(zhuǎn)子形成阻尼,而與此同時彈性外環(huán)也可以和轉(zhuǎn)子的軸頸形成較小的間隙,從而起到節(jié)流功效,可以有效地限制氣體的軸向泄漏。設(shè)計出的氣膜密封阻尼結(jié)構(gòu)可以確保非接觸潤滑的穩(wěn)定性,達(dá)到阻尼和密封的共同效用[12]。柔性支承柱面氣膜密封的設(shè)計原理與箔片氣體軸承具有相似性,只是箔片氣體軸承是利用波箔、平箔結(jié)構(gòu)作為其柔性支承。其主要原理在于轉(zhuǎn)子相對于波箔、平箔結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時,高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與箔片內(nèi)壁面的偏心安裝產(chǎn)生動壓效應(yīng),從而使得轉(zhuǎn)子起浮并承載了施加給軸承的載荷[13]。文中就是以這種箔片式氣體軸承為參考設(shè)計了柔性支承柱面氣膜密封結(jié)構(gòu)。
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