高溫微氣體動壓軸承非等溫氣膜動力特性及箔片固體潤滑涂層研究.pdf

1、近年來，研制高能量密度、高功率密度的微小型動力系統(tǒng)成為能源動力科學和工程領域關注的熱點問題之一。其中，更多地集中于小尺寸、大功率、高轉速和高工作溫度微燃氣透平的深入研究和推廣應用。高速微氣體軸承作為高速微燃氣透平的主要支承部件，其動力特性的研究和固體潤滑涂層的制備具有重大意義。然而，氣膜間隙微小且工作速度和溫度極高，使得現(xiàn)有研究中潤滑氣膜等溫假設不再成立。另外，冷噴涂法制備固體潤滑涂層仍處于嘗試階段，已有的研究不僅成本高而且工程實用性差

2、，且未考慮涂層耐磨組分。本文主要針對以上兩個方面展開了深入的研究。
　　首先，針對楔形潤滑氣膜這一典型結構，通過對比無滑移Reynolds方程（RE）、一階修正Reynolds方程（MRE）、無滑移Reynolds方程耦合能量方程（REE）、一階修正Reynolds方程耦合能量方程（MREE）以及Navier-Stokes方程耦合能量方程（NSE）五種不同控制方程在高溫工況下的計算結果，研究了楔形潤滑氣膜動力特性，闡明了氣體回流、

3、粘性耗散、稀薄效應以及非對稱壁面溫度對氣膜動力特性的影響。研究表明，氣膜截面溫度呈拋物線分布，且能量方程對楔形氣膜動力特性幾乎不產生影響。基于Reynolds方程和修正Reynolds方程的氣膜載荷隨壁面溫度升高而升高，但基于 Navier-Stokes方程的載荷卻隨壁面溫度升高而下降。增大楔形因子可以增大氣膜擠壓，進而可以增大氣膜壓力，但氣體回流卻會極大地減小氣膜壓力。氣體回流未發(fā)生時，垂直流動減小氣膜壓力；氣體回流發(fā)生后，垂直流動增

4、大氣膜壓力。非對稱壁溫使氣膜擠壓呈減小趨勢，進而減小了氣膜壓力。當傾斜壁面恒溫且水平壁面絕熱時，熱量積累增大了稀薄效應且減小了氣體可壓縮性，進而降低了氣膜壓力。通過研究恒定熱物性和變化熱物性對非等溫楔形氣膜動力特性的影響可發(fā)現(xiàn)基于恒定粘滯系數(shù)和比熱容所計算的氣膜壓力偏小，而基于恒定導熱系數(shù)計算的氣膜壓力偏大。
　　其次，借助有限差分格子Boltzmann方法計算了氣膜跨越滑移流區(qū)域進入過渡流區(qū)域過程中的動力特性，并且與宏觀方法和文

5、獻結果做了對比，為下一步實現(xiàn)多尺度方法模擬高速潤滑氣膜流動做了準備。研究表明，F(xiàn)DLBM方法所得的水平速度更大，氣膜壓力更小，這是因為MREE和NSE方法中的連續(xù)性假設高估了氣膜可壓縮性，進而高估了氣膜壓力。
　　再次，針對高速微氣體徑向軸承，推導了考慮軸向熱蠕動效應的一階修正Reynolds方程，研究了轉子端部大溫差工況對軸承性能的影響，并且討論了高溫工況下不同種類潤滑氣體的軸承載荷和穩(wěn)定性。研究表明，潤滑氣體的粘滯系數(shù)和稀薄效

6、應共同決定著軸承載荷，且 CO2氣體最適合作為氣體潤滑劑使用。壓縮機和膨脹機之間的軸向極端溫差可以降低軸承載荷和穩(wěn)定性。軸承長度變短可以增大熱蠕動作用，但轉速和離心率變化卻不影響熱蠕動的大小。盡管熱蠕動可增大軸承載荷，但效果并不明顯，同時熱蠕動嚴重破壞了氣體軸承的穩(wěn)定性。
　　最后，利用冷噴涂方法成功制備了以Al2O3作為耐磨材料、以Ni和Cu作為粘結材料的固體潤滑涂層，并且觀察了涂層的微觀結構和元素分布情況。采用Al2O3（70