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挤压油膜阻尼器(SFD)因其结构简单,可靠性高在航空发动机及工业透平领域得到了广泛的应用。为了改善传统SFD油膜的非线性特性并减小阻尼器的尺寸,俄罗斯技术人员将弹性环式支承结构设计在SFD油膜间隙的内部,提出了弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)。作为一种新型的挤压油膜阻尼器,ERSFD的结构更为紧凑,且集调频和减振功能于一体,具有良好的应用前景。目前国内外关于ERSFD的研究较少,尤其缺少对ERSFD动力学特性系数的计算和测试,使得工程设计人员难以准确地评估和应用该种SFD。
本文根据ERSFD的结构特点,提出了其内外油膜压力的短轴承解析表达式,分析了内外油膜压力、油膜力的特性并研究了ERSFD油膜动力学特性系数的变化规律;建立了包含气穴效应的ERSFD流固耦合模型,研究了气穴效应对ERSFD油膜动力学特性系数的影响;针对传统方法中仅利用内油膜力计算ERSFD油膜动力学特性系数这一缺陷,建立了包含凸台接触作用的ERSFD数值模型从而完善了ERSFD动力学特性系数的计算方法;在此基础上搭建了ERSFD动力学特性系数测试试验台,通过实验测试了ERSFD动力学特性系数,验证了理论计算结果;同时开展了ERSFD-转子动力学特性试验,验证了ERSFD在转子系统上的减振效果,为ERSFD的设计和应用提供了有力的支撑。
针对数值方法计算ERSFD油膜力过程复杂,耗时极长,无法有效分析ERSFD-转子系统非线性动力学特性这一问题,本文在短轴承假设以及忽略弹性环高阶振型的前提下,提出了ERSFD内外油膜压力解析解。与数值结果的对比表明该解析解适用于长径比小于0.5,弹性环厚度大于1mm,工作频率低于200Hz的ERSFD;分析了ERSFD内外油膜力的特性并在油膜力频谱中发现了与凸台数N相关的特征频率(iN±1)f。
针对已有ERSFD模型边界条件不准确,计算结果不可靠这一问题,基于雷诺方程以及厚板单元的运动微分方程建立了完善的ERSFD流固耦合模型,利用分时迭代方法实现了流-固控制方程的耦合求解;计算了ERSFD油膜的动力学特性系数并与传统SFD进行了对比。结果表明:相比传统SFD,ERSFD的油膜动力学特性系数可以在更大的涡动半径比?范围内保持相对稳定;弹性环厚度对油膜阻尼系数以及惯性系数影响较小但在较高的涡动频率下,减小弹性环厚度可以有效降低ERSFD油膜刚度;ERSFD油膜动力学特性系数随着凸台数N以及凸台宽度WB的增大呈现出先增大后减小的趋势。
针对具有双层油膜结构的ERSFD中更加突出的气穴问题,基于Zwart-Gerber-Belamri提出的假设建立了包含气穴效应的ERSFD流固耦合计算模型。对比无气穴模型的结果研究了气穴对ERSFD油膜动力学特性系数的影响。研究中发现气穴所引起的空化现象主要发生在ERSFD内油膜;考虑气穴效应时,油膜阻尼系数将显著减小而油膜动刚度将显著增大;气穴效应所引起的油膜阻尼系数的减小与内油膜中空气的体积分数近似成正比。
针对传统方法仅利用内油膜力计算ERSFD油膜动力学特性系数这一缺陷,基于Greenwood-Williamson模型(G-W模型)建立了包含凸台接触作用的ERSFD数值模型,从而完善了ERSFD动力学特性系数的计算方法。利用改进后计算方法可以同时计算弹性环与油膜的动力学特性系数,其计算结果与试验数据一致;ERSFD油膜阻尼系数随着内外油膜间隙c1,c2的增大均显著减小,忽略凸台处的接触力将大大减小外油膜对于ERSFD油膜动力学特性系数的影响;ERSFD油膜阻尼与刚度系数的无量纲比值ηK在c1=c2附近达到最大值。
搭建了ERSFD动力学特性系数测试试验台,通过实验验证了涡动半径比,供油压力,弹性环厚度以及内外油膜间隙对ERSFD动力学特性系数的影响;搭建了ERSFD-转子系统试验台,验证了ERSFD在转子上的减振效果;试验结果表明:ERSFD可以有效地减小转子系统过临界时的振幅,且ERSFD的减振效果与振幅以及阻尼器供油压力正相关。
本文根据ERSFD的结构特点,提出了其内外油膜压力的短轴承解析表达式,分析了内外油膜压力、油膜力的特性并研究了ERSFD油膜动力学特性系数的变化规律;建立了包含气穴效应的ERSFD流固耦合模型,研究了气穴效应对ERSFD油膜动力学特性系数的影响;针对传统方法中仅利用内油膜力计算ERSFD油膜动力学特性系数这一缺陷,建立了包含凸台接触作用的ERSFD数值模型从而完善了ERSFD动力学特性系数的计算方法;在此基础上搭建了ERSFD动力学特性系数测试试验台,通过实验测试了ERSFD动力学特性系数,验证了理论计算结果;同时开展了ERSFD-转子动力学特性试验,验证了ERSFD在转子系统上的减振效果,为ERSFD的设计和应用提供了有力的支撑。
针对数值方法计算ERSFD油膜力过程复杂,耗时极长,无法有效分析ERSFD-转子系统非线性动力学特性这一问题,本文在短轴承假设以及忽略弹性环高阶振型的前提下,提出了ERSFD内外油膜压力解析解。与数值结果的对比表明该解析解适用于长径比小于0.5,弹性环厚度大于1mm,工作频率低于200Hz的ERSFD;分析了ERSFD内外油膜力的特性并在油膜力频谱中发现了与凸台数N相关的特征频率(iN±1)f。
针对已有ERSFD模型边界条件不准确,计算结果不可靠这一问题,基于雷诺方程以及厚板单元的运动微分方程建立了完善的ERSFD流固耦合模型,利用分时迭代方法实现了流-固控制方程的耦合求解;计算了ERSFD油膜的动力学特性系数并与传统SFD进行了对比。结果表明:相比传统SFD,ERSFD的油膜动力学特性系数可以在更大的涡动半径比?范围内保持相对稳定;弹性环厚度对油膜阻尼系数以及惯性系数影响较小但在较高的涡动频率下,减小弹性环厚度可以有效降低ERSFD油膜刚度;ERSFD油膜动力学特性系数随着凸台数N以及凸台宽度WB的增大呈现出先增大后减小的趋势。
针对具有双层油膜结构的ERSFD中更加突出的气穴问题,基于Zwart-Gerber-Belamri提出的假设建立了包含气穴效应的ERSFD流固耦合计算模型。对比无气穴模型的结果研究了气穴对ERSFD油膜动力学特性系数的影响。研究中发现气穴所引起的空化现象主要发生在ERSFD内油膜;考虑气穴效应时,油膜阻尼系数将显著减小而油膜动刚度将显著增大;气穴效应所引起的油膜阻尼系数的减小与内油膜中空气的体积分数近似成正比。
针对传统方法仅利用内油膜力计算ERSFD油膜动力学特性系数这一缺陷,基于Greenwood-Williamson模型(G-W模型)建立了包含凸台接触作用的ERSFD数值模型,从而完善了ERSFD动力学特性系数的计算方法。利用改进后计算方法可以同时计算弹性环与油膜的动力学特性系数,其计算结果与试验数据一致;ERSFD油膜阻尼系数随着内外油膜间隙c1,c2的增大均显著减小,忽略凸台处的接触力将大大减小外油膜对于ERSFD油膜动力学特性系数的影响;ERSFD油膜阻尼与刚度系数的无量纲比值ηK在c1=c2附近达到最大值。
搭建了ERSFD动力学特性系数测试试验台,通过实验验证了涡动半径比,供油压力,弹性环厚度以及内外油膜间隙对ERSFD动力学特性系数的影响;搭建了ERSFD-转子系统试验台,验证了ERSFD在转子上的减振效果;试验结果表明:ERSFD可以有效地减小转子系统过临界时的振幅,且ERSFD的减振效果与振幅以及阻尼器供油压力正相关。