Параметрическое исследование упругих свойств осевого газодинамического лепесткового подшипника на основе одномерной модели течения смазки

Разработана методика расчета характеристик осевого газодинамического лепесткового подшипника, учитывающая контактное взаимодействие вала, газовой смазки и упругих элементов опоры. Она основана на решении одномерной нелинейной задачи упругогазодинамического контакта, определяющего параметры смазки и деформации рабочих элементов опоры. Расчет течения газовой смазки в подшипнике базируется на решении одномерного нелинейного уравнения Рейнольдса для сжимаемой жидкости. Напряженно-деформированное состояние упругих элементов подшипника исследовано с помощью конечно-элементной модели на основе теории плоского деформированного состояния, учитывающей контактное взаимодействие гладкого лепестка, гофрированного элемента и колодки. Для осевого подшипника с жесткими рабочими поверхностями оценено влияние основных конструктивных параметров, задающих геометрию подшипника, на его рабочие характеристики. По результатам расчетов выявлены диапазоны варьирования параметров подшипника с упругими рабочими элементами (лепестками). Распределение давления и размер зазора в подшипнике определены в шаговом процессе последовательными приближениями при решении совместной проблемы течения смазки и деформирования лепестков в подшипнике. На каждом шаге уравнение Рейнольдса для газовой смазки решалось с использованием самокорректирующегося шагового метода. Получена зависимость подъемной силы в подшипнике от исходной геометрии лепестков и способа их монтажа. Исследовано влияние деформации упругих элементов подшипника на его грузоподъемность. Дана оценка напряженно-деформированного состояния лепестков в подшипнике.

Литература

[1] Struziak R. Bump foil hydrodynamic thrust bearing. Patent US no. 8147143B2. 2012.

[2] Alston L., Nadjafi R.H. Foil thrust bearing with varying radial and circum-ferential stiffness. Patent no. US5248205A. 1993.

[3] Heshmat H. High load capacity compliant foil hydrodynamic thrust bearing. Patent no. US5961217A. 1999.

[4] Heshmat H., Ren Z., Hunsberger A., Walton J., Jahanmir S. The emer-gence of compliant foil bearing and seal technologies in support of 21-st century compressors and turbine engines. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings, 2010, vol. 5, iss. parts A and B, pp. 95–103, doi: 10.1115/IMECE2010-40598

[5] Xu F., Kim D., Yazdi B.Z. Theoretical study of top foil sagging effect on the performance of air thrust foil bearing. Proceedings of the ASME Turbo, 2016, vol. 7B-2016, doi: 10.1115/GT2016-56493

[6] Dykas B., Bruckner R., DellaCorte C., Edmonds B., Prahl J. Design, fabrication and performance of foil thrust bearing for micro turbomachinery application. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2008, vol. 1, pp. 629–639, doi: 10.1115/GT2008-50377

[7] Dykas B. Factors Influencing the Performance of Foil Gas Thrust Bearings for Oil-free Turbomachinery Applications. PhD thesis, Case Western Reserve University, 2006. 150 p.

[8] Gad A.M., Kaneko S. Tailoring of the bearing stiffness to enhance the performance of gas-lubricated bump-type foil thrust bearing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2015, vol. 230(5), pp. 541–560, doi: 10.1177/1350650115606482

[9] Gad A.M., Kaneko S. A new structural stiffness model for bump-type foil bearings: application to generation ii gas lubricated foil thrust bearing. Journal of Tribology, 2014, vol. 136, no. art. 041701, doi: 10.1115/1.4027601

[10] Samanta P., Khonsari M.M. The limiting load-carrying capacity of foil thrust bearings. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2018, vol. 232(8), pp. 1046–1052, doi: 10.1177/1350650117747160

[11] Lee D., Kim D. Design and performance prediction of hybrid air foil thrust bearings. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2011, vol. 133(4), p. 042501, doi: 10.1115/1.4002249

[12] Temis J.M., Temis M.J., Mescheryakov A.B. Elastohydrodynamic Contact Theory in Foil Gas Bearing. Proc. 4rd Int. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery, 27–30 August 2007, Calgary, Canada.

[13] Темис Ю.М., Темис М.Ю., Мещеряков А.Б. Модель газодинамического лепесткового подшипника. Трение и износ, 2011, вып. 32, № 3, c. 212–220.

[14] Темис Ю.М. Самокорректирующийся шаговый метод в нелинейных задачах теории упругости и пластичности. Труды ЦИАМ, 1980, № 918, 24 с.

[15] Темис Ю.М. Метод последовательных нагружений с коррекцией погрешности в геометрически нелинейных упругих задачах. Прикладные проблемы прочности и пластичности: Алгоритмизация и автоматизация решения задач упругости и пластичности. Всесоюзный межвуз. сб., Горький, Изд-во Горьковского университета, 1980, вып. 16, с. 3–10.