基于透平膨胀机的径向气体轴承流场数值分析及结构优化设计.docx

基于透平膨胀机的径向气体轴承流场数值分析及结构优化设计
引言
在工业生产中，气体轴承是一种广泛应用的重要设备。它通过在高速旋转的转子和静止的定子之间通过气体薄膜提供稳定的支撑力和阻尼力，从而实现转子的平衡旋转。传统的气体轴承通常采用孔径型轴承和槽型轴承，但这些传统的轴承结构存在着一些缺陷，如易受污染、易磨损等。
透平膨胀机式轴承采用透平膨胀机的工作原理，将气体压缩后通过喷嘴使其在叶轮导叶槽中膨胀，形成一种类似于涡轮的气体流场，从而产生气体动压力，提供轴承支撑力和阻尼力。透平膨胀机式轴承具有结构简单、工作稳定、容易维护等优点，因此在工业领域中得到了广泛的应用。
本文将基于透平膨胀机的径向气体轴承进行流场数值分析和结构优化设计，以期实现更加优良的轴承性能和更高的工作效率。本文将从流场数值计算和结构优化设计两个方面展开论述。
1.流场数值计算
采用计算流体力学的方法对透平膨胀机式轴承进行流场数值计算，其中关键的计算内容包括气体流场分析、动态叶轮流场分析和气体流动特性分析等。
1.1气体流场分析
在透平膨胀机式轴承中，气体由喷嘴进入膨胀室，然后进入导叶槽，最后形成气体薄膜提供轴承支撑力和阻尼力。因此气体流场分析是流场数值计算的关键内容。
气体流场的主要特点是非稳定性、非线性性和扰动性等，这使得气体流场的计算非常困难。采用数值计算方法对气体流场进行模拟计算，可以通过构建基于Navier-Stokes方程的数学模型来实现。
基于“高尔吉·丹尼利(JorgiDaneli)流法”等数值计算方法，可以对透平膨胀机式轴承中的气体流场进行精确计算，这样可以更加准确地预测轴承的性能和工作效率。
1.2动态叶轮流场分析
动态叶轮流场是透平膨胀机式轴承中的另一个重要因素。动态叶轮流场的特点是非常复杂，具有二次流、脱落涡等现象。这些现象对气体传输、转子与静子间的接触等问题都有着重要的影响。
采用计算流体力学的方法对动态叶轮流场进行计算模拟，可以在理论模型的基础上提高计算结果的准确度，从而更好地预测轴承的性能和工作效率，为结构优化设计奠定坚实的理论基础。
1.3气体流动特性分析
气体流动特性分析是透平膨胀机式轴承流场数值计算的另一个关键内容。在气体流场中，压强、温度、密度等物理参数的变化对气体的流动特性有着重要影响。
通过对气体流场的数值计算和分析，可以掌握气体流动特性的变化规律，预测气体在轴承中的流动状态，进而实现轴承的流动性能和工作效率的优化。
2.结构优化设计
在气体轴承的设计过程中，流场数值计算是十分重要的一步，但是优化设计也是不可或缺的。透平膨胀机式轴承的结构优化设计可以通过改变叶轮结构、喷嘴设计、导叶槽形状等来实现。通过结构优化设计，可以实现更加优良的轴承性能和更高的工作效率。
2.1叶轮结构优化设计
透平膨胀机式轴承的叶轮通常采用静止导叶叶轮和动态导叶叶轮两种结构。静止导叶叶轮的主要优点是结构简单、工作稳定，但其性能较低，不适合高速转子应用。动态导叶叶轮则具有叶片受力均匀、气体流场稳定等优点，但结构复杂，不适合制造成本较低的中低端轴承。
通过对透平膨胀机式轴承的叶轮结构进行优化设计，可以实现叶轮的性能和压气机的适应性。同时，改善叶轮的结构和性能还可以减少能耗和减少噪音等问题，提高了轴承的整体性能。
2.2喷嘴设计优化
喷嘴是透平膨胀机式轴承中的关键部件，其设计对整个轴承的力学性能具有非常重要的影响。喷嘴的形状和尺寸直接影响气体的压缩和膨胀过程，进而影响轴承的支撑力和阻尼力。
通过优化设计喷嘴的结构，可以实现更加均匀的气体压力分布和更强的气体压缩效果，从而提高轴承的工作效率和整体性能。
2.3导叶槽形状优化设计
导叶槽是透平膨胀机式轴承的另一个关键部件，其作用是将进入轴承的气体分配到相应的位置，从而实现轴承的支撑和阻尼功能。导叶槽的形状和尺寸直接影响气体流场，进而影响轴承的性能和工作效率。
通过优化设计导叶槽的形状，可以实现更加均匀的气体压力分布和更强的气体压缩效果，从而提高轴承的工作效率和整体性能。
结论
透平膨胀机式轴承是一种新型的气体轴承，具有结构简单、工作稳定、能耗低等优点。本文在流场数值计算和结构优化设计两个方面对透平膨胀机式轴承进行了研究，并得出以下结论：
1.采用计算流体力学的方法对透平膨胀机式轴承进行流场数值计算，可以提高轴承的工作效率和整体性能。
2.通过对叶轮结构、喷嘴设计、导叶槽形状等进行优化设计，可以实现更加优良的轴承性能和更高的工作效率。
通过对透平膨胀机式轴承的流场计算和结构优化设计，可以实现轴承的性能和工作效率的提高，进而提高整个生产系统的效率和效益。