利用流固耦合分析方法,研究一種波箔結構柔性支撐柱面氣膜密封,探討氣膜厚度、浮環(huán)與轉子的偏心率以及柔性支撐結構的泊松比、彈性模量、波箔數(shù)量等參數(shù)對支撐結構等效應力及變形量的影響。結果表明:柔性支承結構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,并且變形量遠小于波箔高度;柔性支撐的等效應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構的等效應力,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構包括浮環(huán)(靜環(huán))、軸套(動環(huán))、轉軸以及波箔等結構,如圖1所示。當軸套(動環(huán))跟隨轉軸做高速旋轉時,因為密封腔內的氣體在高壓側,所以氣體會被帶進一字槽內的間隙內,氣體因為有槽型結構及偏心結構的存在不斷被壓縮并產生高壓,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,轉軸與浮環(huán)之間因為偏心的安裝設計,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了柱面氣膜密封的流體動壓效應,使得氣膜的剛度與承載力加強。對于開槽的設計,當轉軸轉動時,密封流體沿周向被泵吸入槽內,產生動壓效應。

柔性支撐柱面氣膜密封的原理是:通過轉子高速旋轉讓軸套和浮環(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,進而達到良好的密封性能。如圖2所示。金屬橡膠外環(huán)柔性支承結構如圖3所示,結構材料為金屬橡膠,以此當作彈性外環(huán)。一旦氣膜密封阻尼結構開始工作的時候,這三者(氣膜、轉子和彈性外環(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子形成阻尼,而與此同時彈性外環(huán)也可以和轉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。設計出的氣膜密封阻尼結構可以確保非接觸潤滑的穩(wěn)定性,達到阻尼和密封的共同效用[12]。

金屬橡膠外環(huán)柔性支承結構如圖3所示,結構材料為金屬橡膠,以此當作彈性外環(huán)。一旦氣膜密封阻尼結構開始工作的時候,這三者(氣膜、轉子和彈性外環(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子形成阻尼,而與此同時彈性外環(huán)也可以和轉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。設計出的氣膜密封阻尼結構可以確保非接觸潤滑的穩(wěn)定性,達到阻尼和密封的共同效用[12]。柔性支承柱面氣膜密封的設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、平箔結構作為其柔性支承。其主要原理在于轉子相對于波箔、平箔結構進行高速旋轉時,高速旋轉的轉子與箔片內壁面的偏心安裝產生動壓效應,從而使得轉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計了柔性支承柱面氣膜密封結構。
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