[发明专利]高速水润滑动压螺旋槽径向轴承静动态性能设计方法

权利要求书

1.一种高速水润滑动压螺旋槽径向轴承静动态性能设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：考虑多因素的耦合作用，包括空化效应、流体对流惯性效应、紊流效应和热效应，建立高速水润滑动压螺旋槽径向轴承润滑模型；

步骤2：高速水润滑动压螺旋槽径向轴承静动态性能分析计算；

步骤3：高速水润滑动压螺旋槽径向轴承静动态性能设计，以获得尽可能高的承载力、直接刚度和稳定性，尽可能低的摩擦功耗和温升。

2.根据权利要求1所述的一种高速水润滑动压螺旋槽径向轴承静动态性能设计方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1a：坐标系的建立与转换

槽型是由固连在刻槽面的坐标系来描述，空间坐标系与旋转的轴颈固连，坐标垂直于坐标z和θ；惯性坐标系(x,y,z)与静止的轴瓦固连，周向角坐标Θ是从x轴正向计起，绕z轴逆时针为正；

采用边界拟合坐标系对径向轴承的几何形状进行转换，物理平面(z,θ)和计算平面(ξ,η)之间的转换关系为：

式中：R为轴承半径；β为螺旋角；L_g为槽部长度；

步骤1b：液相静动态广义雷诺方程的建立

液相静态广义雷诺方程为：

式中：下标1-4表示控制体积中的区域；p₀为稳态水膜压力；和为瞬时质量流量的稳态分量，其可表示为：

式中：α_l为液相体积分数；ρ_l为液相密度；t为时间；h₀为轴承处于稳态时的水膜厚度；Ω_j,i为以节点(j,i)为中心的控制体；A₀～E_M0为瞬时质量流量稳态分量和的流量系数，其中

J＝z_ξ(Rθ_η)-z_η(Rθ_ξ)；

式中：ω为角速度；α_b为空泡体积分数；μ_l为液相动力粘度；k_θ和k_z分别为周向和轴向紊流系数；M_i为周向动量传递项；I_θ和I_z分别为周向和轴向平均惯性力项；

液相动态广义雷诺方程为：

式中：p_γ为扰动水膜压力；和为瞬时质量流量的扰动分量，均为复数，其可表示为：

式中：为瞬时质量流量扰动分量和的流量系数；

υ为小扰动频率；为扰动膜厚，其可表示为：

式中：z_c为轴颈倾斜运动中心的z轴坐标；

步骤1c：液相能量方程的建立

式中：h为水膜厚度；为通过膜厚的液相平均温度；和分别为液相的周向和轴向平均速度；T_b和T_j分别为轴瓦和轴颈温度；c_v为液相定容比热；Re_h为当地雷诺数；E_i为两相之间的能量传递项；k_b和k_j分别为液相与轴瓦、液相与轴颈之间的传热系数；

步骤1d：空泡体积分数输运方程的建立

式中：和分别为空泡相的周向和轴向平均速度；R_v和R_c分别为空泡生长和溃灭的源项，其可表示为：

式中：p_c为空化压力；F_vap和F_cond分别为调节空泡生长率和溃灭率的经验系数；

步骤1e：单个空泡运动方程的建立

F_P+F_D＝0 (10)

式中：F_p为压差力，F_D为阻力，可分别近似表示为：

式中：为空泡平均半径；

步骤1f：联立方程(2)、(4)、(7)、(8)和(10)，设置边界条件，采用有限差分法离散方程组，运用超松弛迭代法求解方程(2)和(4)，运用低松弛迭代法求解方程(7)和(8)，解得稳态压力和扰动压力，从而获得轴承的静动态性能参数；

轴承承载力：

式中：F_x、F_y分别为沿x轴和y轴的液膜力分量，M_x、M_y分别为绕x轴和y轴的液膜力矩分量；

径向合力和偏位角：

轴承液相沿轴向的质量流量：

式中：L为轴承的长度；

轴承摩擦功耗：

将扰动压力在轴承圆柱表面积分，可得由径向轴承刚度和阻尼系数组成的复阻抗：

临界无量纲转子质量：

式中：

式中：μ_l0为环境温度下液相动力粘度。