高溫微氣體動(dòng)壓軸承非等溫氣膜動(dòng)力特性及箔片固體潤(rùn)滑涂層研究.pdf

1、近年來(lái)，研制高能量密度、高功率密度的微小型動(dòng)力系統(tǒng)成為能源動(dòng)力科學(xué)和工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。其中，更多地集中于小尺寸、大功率、高轉(zhuǎn)速和高工作溫度微燃?xì)馔钙降纳钊胙芯亢屯茝V應(yīng)用。高速微氣體軸承作為高速微燃?xì)馔钙降闹饕С胁考鋭?dòng)力特性的研究和固體潤(rùn)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(rùn)滑氣膜等溫假設(shè)不再成立。另外，冷噴涂法制備固體潤(rùn)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(shí)用性差

2、，且未考慮涂層耐磨組分。本文主要針對(duì)以上兩個(gè)方面展開了深入的研究。
　　首先，針對(duì)楔形潤(rùn)滑氣膜這一典型結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比無(wú)滑移Reynolds方程（RE）、一階修正Reynolds方程（MRE）、無(wú)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(jì)算結(jié)果，研究了楔形潤(rùn)滑氣膜動(dòng)力特性，闡明了氣體回流、

3、粘性耗散、稀薄效應(yīng)以及非對(duì)稱壁面溫度對(duì)氣膜動(dòng)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(duì)楔形氣膜動(dòng)力特性幾乎不產(chǎn)生影響?；赗eynolds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(jìn)而可以增大氣膜壓力，但氣體回流卻會(huì)極大地減小氣膜壓力。氣體回流未發(fā)生時(shí)，垂直流動(dòng)減小氣膜壓力；氣體回流發(fā)生后，垂直流動(dòng)增

4、大氣膜壓力。非對(duì)稱壁溫使氣膜擠壓呈減小趨勢(shì)，進(jìn)而減小了氣膜壓力。當(dāng)傾斜壁面恒溫且水平壁面絕熱時(shí)，熱量積累增大了稀薄效應(yīng)且減小了氣體可壓縮性，進(jìn)而降低了氣膜壓力。通過(guò)研究恒定熱物性和變化熱物性對(duì)非等溫楔形氣膜動(dòng)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(jì)算的氣膜壓力偏小，而基于恒定導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算的氣膜壓力偏大。
　　其次，借助有限差分格子Boltzmann方法計(jì)算了氣膜跨越滑移流區(qū)域進(jìn)入過(guò)渡流區(qū)域過(guò)程中的動(dòng)力特性，并且與宏觀方法和文

5、獻(xiàn)結(jié)果做了對(duì)比，為下一步實(shí)現(xiàn)多尺度方法模擬高速潤(rùn)滑氣膜流動(dòng)做了準(zhǔn)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?yàn)镸REE和NSE方法中的連續(xù)性假設(shè)高估了氣膜可壓縮性，進(jìn)而高估了氣膜壓力。
　　再次，針對(duì)高速微氣體徑向軸承，推導(dǎo)了考慮軸向熱蠕動(dòng)效應(yīng)的一階修正Reynolds方程，研究了轉(zhuǎn)子端部大溫差工況對(duì)軸承性能的影響，并且討論了高溫工況下不同種類潤(rùn)滑氣體的軸承載荷和穩(wěn)定性。研究表明，潤(rùn)滑氣體的粘滯系數(shù)和稀薄效

6、應(yīng)共同決定著軸承載荷，且 CO2氣體最適合作為氣體潤(rùn)滑劑使用。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)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(zhǎng)度變短可以增大熱蠕動(dòng)作用，但轉(zhuǎn)速和離心率變化卻不影響熱蠕動(dòng)的大小。盡管熱蠕動(dòng)可增大軸承載荷，但效果并不明顯，同時(shí)熱蠕動(dòng)嚴(yán)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(jié)材料的固體潤(rùn)滑涂層，并且觀察了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布情況。采用Al2O3（70