基于3D瞬态流场计算的滑动轴承动力性能研究

Journal bearings are important parts to keep the high dynamic performance of rotor machinery. Most of our journal bearings are manufactured with imported technology. There is quite lack of the ability of independent design and innovation in our country. The most important reason for it is short of understanding in the interaction between the transient flow within the journal bearing and the stability of the rotor system. A new mesh movement approach is presented in the application to calculate the 3D transient flow of journal bearings. When the journal moves, the movement distance of every grid in the flow field can be calculated based on the structured mesh. Then the update of the volume mesh can be handled by user defined function (UDF). The journal displacement at each time step is obtained by solving the moving equations of the rotor-bearing system under the known oil film force condition. The data exchange between fluid dynamics and rotor dynamics is realized through data files. The fluid-fluid-structure coupled calculation is realized by monitoring the state of the exchange data files.This technique makes possible to study the dynamic behavior of journal bearing with complicated geometry. By 3D transient flow calculation it was found that small variation of the bearing geometry will cause significant difference on dynamic behavior. Based on the large amount of calculation, a journal bearing of good dynamic behavior which has the shape of multi arc curve could be developed. A set of bearing test rig will be established with variable static and dynamic external loads. Different type of bearings will be experimented in the test rig.

滑动轴承是旋转机械保持优良动力学品质的最关键部件，目前我国大型高速旋转机械使用的滑动轴承大部分是通过引进国外技术或仿照国外产品进行生产的，自主设计和创新能力不足。本项目提出了一种全新的适用于滑动轴承变流域流场计算的结构化动网格技术，通过自编程序和FLUENT用户接口实现了重新定义新网格及轴颈表面各节点的转动速度，同时通过自编程序对数据文件的实时监控，实现了流场-流场-转子的多重流固耦合计算，该技术为滑动轴承的三维瞬态流场分析及转子-轴承系统耦合动态特性研究奠定了扎实基础。本项目将建立一套高速转子-滑动轴承试验台，并通过动、静载荷的施加，使大型滑动轴承的试验条件与实际工况基本一致。然后通过大量的理论计算和实验研究揭示滑动轴承内部流场与转子系统稳定性之间的内在关系，研究影响轴承动力性能的关键因素，进而开发一种类似于椭圆轴承的多弧线滑动轴承，使其具有更高的稳定性,并为滑动轴承的工程设计提供依据。

滑动轴承是旋转机械保持优良动力学品质的最关键部件，目前我国大型高速旋转机械使用的滑动轴承大部分是通过引进国外技术或仿照国外产品进行生产的，自主设计和创新能力不足。本项目提出了一种适用于可倾瓦滑动轴承变流域瞬态流场计算的结构化动网格技术，并对可倾瓦滑动轴承全三维非线性油膜力模型进行了拓展，计算中引入了热因素的影响，通过位置矩阵将三维瞬态流场计算得到的油膜力耦合到挠性转子的运动方程中，建立了可倾瓦滑动轴承-挠性转子系统的流固耦合计算分析模型。. 本项目研究了不同转速、不平衡量以及不同轴瓦结构滑动轴承-转子系统轴心轨迹和轴颈涡动过程中瞬态油膜力的变化情况，从油膜承载（油膜收敛楔的数量、位置以及形态）和瓦块转动特性等角度进行了研究，揭示了滑动轴承内部流场与转子系统稳定性之间的内在关系以及影响轴承动力性能的关键因素。在此基础上提出了多弧线固定瓦滑动轴承的设计方法，并对其稳定性进行了研究。 .本项目进行了可倾瓦滑动轴承-多圆盘转子系统的动力性能试验研究，测试了圆柱、椭圆和可倾瓦滑动轴承在不同转速下的工作性能，在相同工况条件下，与圆柱轴承的测试结果相比，采用可倾瓦轴承和多弧线固定瓦轴承进行支撑时，转子系统轴心轨迹具有很好的圆度，轴颈振动频谱上几乎只有工频成分，表现出非常优越的稳定性，系统的失稳转速大幅度提高，由圆柱轴承支撑时在5800 r/min即出现半频涡动，现在在超过10000 r/min时仍能保持稳定运行。在试验转速升高的过程中，轴颈振动幅值的变化以及轴颈涡动中心的偏移规律与理论模型的结果基本吻合，验证了本项目所建的滑动轴承-挠性转子系统耦合计算模型的准确性。. 本项目完成SCI、EI收录论文8篇，获得授权发明专利2项，培养博士生和硕士生各2名。