Анализ траектории движения ротора на лепестковом газодинамическом подшипнике

С. В. Суровцев
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск

Е. А. Задорожная
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск

В. Я. Киесш
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск


Аннотация


Возрастающие требования к надежности и эффективности высокоскоростных роторных систем, применяемых в турбомашиностроении, авиационных двигателях и энергетическом оборудовании, напрямую связаны с процессами, происходящими в газовых опорах. В этой связи лепестковые газодинамические подшипники представляют собой перспективную альтернативу традиционным масляным опорам благодаря отсутствию смазки, низким потерям на трение и способности работать в экстремальных температурных условиях. Несмотря на указанные преимущества, нелинейная природа газовой пленки и сложная
динамика взаимодействия ротора с деформируемой лепестковой структурой создают серьезные трудности при прогнозировании траекторий движения ротора, что может приводить к нестабильности и резонансным явлениям.
Целью работы является анализ траекторий движения ротора на лепестковых газовых подшипниках при различных частотах вращения. Для определения жесткости упругого пакета лепестков в работе реализован комбинированный подход: численное моделирование нестационарных процессов в газовой смазке выполнено в программном комплексе ANSYS с применением модели упругой деформации лепестков. Параллельно с расчетной частью
проведена серия экспериментов на установке с использованием двух взаимно перпендикулярных проксиметров, что позволило восстановить орбиты движения ротора и выполнить спектральный анализ сигналов. Для обработки экспериментальных данных применялось разложение сигналов на гармонические составляющие с последующим сопоставлением частотных компонентов и восстановлением траекторий движения.
В качестве основного результата представлено сравнение амплитуд орбит, полученных численно и экспериментальным путем. Установлено, что относительное расхождение амплитуд не превышает 7 %, при этом наблюдается совпадение основных частот и доминирующих гармоник. Полученные результаты подтверждают адекватность разработанной модели и возможность ее применения для анализа динамики лепестковых газодинамических
подшипников, оценки устойчивости роторных систем и прогнозирования вибрационных режимов работы оборудования.

Ключевые слова


лепестковый подшипник, газодинамический подшипник, газовая смазка, эксперимент, динамика ротора, спектральный анализ, орбита ротора

Полный текст:

PDF

Литература


Темис М.Ю., Гаврилов В.В. Тенденции применения лепестковых газовых подшипников в опорах ГТУ и ГТД (обзор) // Авиационные двигатели. 2019. № 1(6). С. 71–79. [Temis M.Yu., Gavrilov V.V. Trends in Application of Foil Gas Bearings in GTU and GTE Supports (review). Aviation Engines, 2019, no. 1(6), pp. 71–79. (In Russ.)]

Темис М.Ю. Влияние конструкции лепестков радиального газового подшипника на характеристики жесткости и демпфирования в опоре (обзор) // Авиационные двигатели. 2020. № 2(7). С. 57–77. [Temis M.Yu. Influence of the foil design in radial foil gas bearings on characteristics of stiffness and damping in the support (review). Aviation Engines, 2020, no. 2(7), pp. 57–77. (In Russ.)]

Pattnayak M.R., Ganai P., Pandey R.K., Dutt J.K., Fillon M. An overview and assessment on

aerodynamic journal bearings with important findings and scope for explorations. Tribology International, 2022, vol. 174. DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107766

Yazdi B.Z., Kim D. Rotordynamic Performance of Hybrid Air Foil Bearings with Regulated Hydrostatic Injection. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2018, vol. 140, no. 1,

art. 012506. DOI: 10.1115/1.4037667

Li C., Du J., Yao Y. Study of load carrying mechanism of a novel three-pad gas foil bearing with multiple sliding beams. Mechanical Systems and Signal Processing, 2020, vol. 135, art. 106372. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106372

Li C., Du J., Zhu J., Yao Y. Effects of structural parameters on the load carrying capacity of the multi-leaf gas foil journal bearing based on contact mechanics. Tribology International, 2019, vol. 131, pp. 318–331. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.10.040

Zhao X., Xiao S. A three-dimensional model of gas foil bearings and the effect of misalignment on the static performance of the first and second generation foil bearings. Tribology International, 2021, vol. 156, art. 106821. DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106821

Zhao X., Xiao S. A Finite Element Model for Static Performance Analysis of Gas Foil Bearings

Based on Frictional Contacts. Tribology Transactions, 2021, vol. 64, no. 2, pp. 275–286. DOI:

1080/10402004.2020.1828042

Swanson E.E., O’Meara P.S. The Wing Foil: A Novel Compliant Radial Foil Bearing Design.

Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2018, vol. 140, no. 8, pp. 082701.1–082701.7. DOI: 10.1115/1.4039222

Gu Y., Ren G., Zhou M. A novel method for calculating the dynamic force coefficients of Gas

Foil Bearings and its application in the rotordynamic analysis. Journal of Sound and Vibration, 2021, vol. 515, art. 116466. DOI: 10.1016/j.jsv.2021.116466

Larsen J.S., Santos I.F., von Osmanski S. Stability of rigid rotors supported by air foil bearings: Comparison of two fundamental approaches. Journal of Sound and Vibration, 2016, vol. 381, pp. 179– 191. DOI: 10.1016/j.jsv.2016.06.027

Bonello P. The effects of air film pressure constraints and top foil detachment on the static equilibrium, stability and modal characteristics of a foil-air bearing rotor model. Journal of Sound and Vibration, 2020, vol. 485, art. 115590. DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115590

Khamari D.S., Behera S.K. Numerical and experimental studies on feasibility of a cryogenic

turbo-expander rotor supported on gas foil bearings. Sadhana, 2023, 48(224). DOI: 10.1007/s12046- 023-02262-z

Jin C., Li C., Du J. A Review on the Dynamic Performance Studies of Gas Foil Bearings. Lubricants, 2024, vol. 12, no. 7, art. 262. DOI: 10.3390/lubricants12070262

Li C., Du J., Li J., Xu Z. Investigations on the Frictional Hysteresis Effect of Multi-Leaf Journal Foil Bearing: Modeling, Predictions and Validations. Lubricants, 2022, vol. 10, no. 10, art. 261. DOI: 10.3390/lubricants10100261

Samanta P., Murmu N.C., Khonsari M.M. The evolution of foil bearing technology. Tribology

International, 2019, vol. 135, pp. 305–323. DOI: 10.1016/j.triboint.2019.03.021

Khamari D.S., Kumar J., Behera S.K. A Review on Modeling and Stability Aspects of Gas Foil

Bearing Supported Rotors. Tribology in Industry, 2023, vol. 45, no. 1, pp. 12–33. DOI:

24874/ti.1381.09.22.01

Zhou R., Gu Y., Ren G., Yu S. Alternative linear dynamic analysis method for gas foil bearing

rotor systems using bearings-domain impedance. Mechanical Systems and Signal Processing, 2023, vol. 205, art. 110844. DOI: 10.1016/j.ymssp.2023.110844

Feng K., Zhu P., Wu Y., Guan Y., Li W. A novel gas foil bearing with negative Poisson’s ratio

structure and embedded damping materials: Numerical and experimental investigations. Mechanical Systems and Signal Processing, 2023, vol. 198, art. 110419. DOI: 10.1016/j.ymssp.2023.110419

Surovtcev S., Zadorozhnaya E., Khozenyuk N., Mashkov O. Building of a Mathematical Model for Solving the Elastic–Gas-Dynamic Task of the Gas Lubrication Theory for Petal Bearings. Mathematics, 2023, vol. 11, no. 13, art. 2901. DOI: 10.3390/math11132901


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.