Analyse von Einflussfaktoren auf die Gasfilmeigenschaften für halbkugelförmige Staudruckmotoren

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5860 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der halbkugelförmige dynamische Druckmotor (HDPM) bietet die Vorteile hoher Geschwindigkeit, Verschleißfestigkeit und Stabilität und wird häufig in Trägheitsinstrumenten zur Erzeugung des Kreiseleffekts eingesetzt. Der ultradünne Gasfilm zwischen Stator und Rotor des Motors sorgt für dynamische Druckschmierung und Tragfähigkeit, deren dynamische Eigenschaften die Motorleistung bestimmen. Der Einflussmechanismus einiger Schlüsselfaktoren wie des Ballmittenabstands auf die Filmeigenschaften ist jedoch nicht klar, was zum Engpass geworden ist, der die Leistungsverbesserung von HDPMs einschränkt. Daher wurde in dieser Arbeit eine Reihe von Gasfilm-Ähnlichkeitsmodellen unter verschiedenen geometrischen und Arbeitsparametern gelöst und das Einflussgesetz des Kugelmittenabstands, der Rotorverschiebung und des Stoppvorgangs auf die aerodynamischen Eigenschaften ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass diese primär sind Parameter haben erhebliche Auswirkungen auf die Druckverteilung, das Widerstandsmoment und die Reibungswärme des ultradünnen Gasfilms. Diese Arbeit kann nicht nur eine theoretische Grundlage für die aerodynamische Leistungsoptimierung von HDPMs liefern, sondern auch als Referenz für das Design anderer aerodynamischer Instrumente dienen.

Die Hemisphärendynamik ist ein fortgeschrittenes wissenschaftliches Gebiet, das in einigen Anwendungen eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise bei hemisphärischen Resonatorgyroskopen (HRGs)1,2 und hemisphärendynamischen Druckmotoren (HDPMs)3,4. Xu et al. Da sie stark an HRGs beteiligt sind, schlugen sie eine Modellierungsmethode für das vollständig geschlossene System des halbkugelförmigen Resonatorgyroskops und ein neuartiges dynamisches Modell eines unvollständigen halbkugelförmigen Schalenresonators vor1,2. Mit den Vorteilen hoher Geschwindigkeit, Verschleißfestigkeit und Stabilität wird das HDPM (Abb. 1) häufig in hochpräzisen Gyroskopinstrumenten zur Erzeugung eines Kreiseleffekts eingesetzt5,6. Wenn das HDPM arbeitet, erzeugt die Statorwicklung eine Erregung, die die Rotorkugelschale in eine hohe Rotationsgeschwindigkeit versetzt. Das Gas wird durch die Kugelschale oder die geätzte Spiralnut auf der Halbkugel in den Spalt gepumpt, um einen Gasfilm zu bilden, der eine dynamische Druckschmierung ermöglicht. Der Abstand zwischen der Halbkugel und der Kugelschale wirkt sich direkt auf die hydrodynamische Schmierleistung des Motors aus. Daher ist es im Allgemeinen erforderlich, ihn angemessen auszuwählen und anzupassen7,8,9. Für eine gegebene Größe der Halbkugel und der Kugelschale kann der erforderliche Abstand durch Anpassen des Kugelmittenabstands zwischen ihnen während des Zusammenbaus erreicht werden. Niu et al. legen Anforderungen für die Abstandsauswahl im Hinblick auf die Kontakteigenschaften beim Starten und Stoppen des Motors fest10. Es gibt jedoch keinen speziellen Forschungsbericht über die Eigenschaften und Variationsregeln der Gasfilmsteifigkeit, des Widerstandsdrehmoments und der Reibungswärme des Gasfilms bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen.

Schematische Darstellung eines halbkugelförmigen Staudruckmotors.

Unter normalen Arbeitsbedingungen weist die Kugelschale aufgrund des Schwerkrafteffekts eine leichte Verschiebung gegenüber dem halbkugelförmigen Rotor auf, und die Gasfilmleistung des linken und rechten Endes bzw. der Ober- und Unterseite desselben Endes (Abb. 1) ist gering unterschiedlich sein, was sich auf die Motortemperatur und die Instrumentengenauigkeit auswirken kann. Wenn der Motor startet oder stoppt, ändert sich aufgrund der dynamischen Gasdruckeigenschaften der Abstand zwischen der Halbkugel und der Kugelschale mit der Drehzahl. Die Ermittlung des entsprechenden Motorspiels bei unterschiedlichen Drehzahlen ist für die Analyse der Start- und Stoppleistung des Staudruckmotors von großer Bedeutung.

In früheren Forschungsarbeiten11 haben wir angesichts der Eigenschaften der skalenübergreifenden Struktur des ultradünnen Gasfilms die Ähnlichkeitstheorie mit der CFD-Methode kombiniert und eine Methode zur Vergrößerung der Filmdicke unter Beibehaltung des physikalischen Zustands vorgeschlagen der Gasfilm. Basierend auf dieser Theorie wurde ein Gasfilm-Ähnlichkeitsmodell erstellt und die dynamischen Eigenschaften des Gasfilms einfach unter der Bedingung analysiert, dass die Motorstruktur und die Arbeitsparameter festgelegt waren. Um eine praktische Referenz für das Design und die Optimierung von HDPMs zu bieten, wurden in diesem Artikel weitere eingehende Untersuchungen auf der Grundlage der vorherigen Arbeiten durchgeführt, die den Einfluss einiger Schlüsselfaktoren wie des Ballmittenabstands und des Stoppvorgangs auf die Eigenschaften des Gasfilms aufzeigten .

Der in dieser Studie verwendete halbkugelförmige dynamische Druckmotor weist eine mehrskalige Struktur auf und der Motorabstand zwischen der Halbkugel und der Kugelschale ist sehr gering, was die Erstellung und Berechnung des Motormodells mit offensichtlichen Spieleigenschaften sehr kompliziert macht. Basierend auf dem Ähnlichkeitsprinzip7 wurde daher das Motorspiel um das Hundertfache vergrößert. Auf dieser Grundlage wurde mit der CFD-Methode die Gasfilmcharakteristik des Motors berechnet. Alle in diesem Artikel einbezogenen Berechnungen basieren auf dem unabhängig entwickelten Gasfilm-Ähnlichkeitsmodell des HDPM, das in Referenzen 11 ausführlich beschrieben wurde. Daher werden in diesem Abschnitt nur kurz die grundlegenden Eigenschaften und die primäre Theorie des Modells vorgestellt. Es sollte betont werden, dass die Richtigkeit des Berechnungsmodells durch Experimente in Referenzen 11 überprüft wurde, sodass die relevanten Schlussfolgerungen, die in dieser Arbeit auf der Grundlage der Lösung des Modells gewonnen werden, als zuverlässig angesehen werden können.

Wenn das tatsächliche physikalische Modell aufgrund der Komplexität der Struktur und der Randbedingungen nicht erstellt werden kann, wird das Ähnlichkeitsmodell häufig auf der Grundlage einiger Prinzipien erstellt, sodass die charakteristischen Parameter des tatsächlichen physikalischen Modells und des ähnlichen Modells proportional sind. Basierend auf dem Ähnlichkeitsprinzip12,13 wurde das Ähnlichkeitsmodell des halbkugelförmigen Staudruckmotors erstellt.

Ähnlichkeitskriterium

Dabei ist λh das Spielverhältnis, λp das Druckverhältnis, λμ das Viskositätsverhältnis, λu das Geschwindigkeitsverhältnis, u die Geschwindigkeit, h der Spalt, ρ die Dichte, μ die Viskosität, c die Schallgeschwindigkeit , und das hochgestellte ''' stellt die entsprechende Variable im ähnlichen System dar.

Die obigen Gleichungen sind die Ähnlichkeitskriteriumszahl, die Reynolds-Zahl, die Euler-Zahl und die Mach-Zahl der hydrodynamischen Schmierung. Wenn zwei hydrodynamische Schmiersysteme alle Anforderungen von Gl. (1) Die beiden Systeme sind ähnlich.

Ähnliche Randbedingungen

Ähnlichkeitsmodell

Durch Einsetzen von Gl. (2) in Gl. (1) Das Ähnlichkeitsverhältnis jeder physikalischen Größe in den beiden Systemen wurde wie folgt erhalten:

wobei λt das Drehmomentverhältnis ist.

Es ist ersichtlich, dass das ähnliche Modell das Motorspiel um das 100-fache vergrößerte, die Gasdichte um das 100-fache erhöhte und die Viskosität um das 10.000-fache erhöhte. Die mit dem ähnlichen Modell ermittelten aerodynamischen Parameter wie Druck und Geschwindigkeit sind dieselben wie beim Originalmodell.

Gemäß dem Prinzip der numerischen Strömungsmechanik14,15 lauten die maßgeblichen Gleichungen zur Lösung des Schmiergasfilms des halbkugelförmigen Staudruckmotors wie folgt:

Massenerhaltungsgleichung

Dabei ist t die Zeit, U der Geschwindigkeitsvektor der Flüssigkeit und ∇ der Laplace-Operator.

Impulserhaltungsgleichung

Dabei ist ⊗ der Tensorproduktoperator und τ die innere Scherspannung der Flüssigkeit.

Da die Spaltgröße des Staudruckmotors im Mikrometerbereich liegt und seine Reynolds-Zahl klein ist, wurde im Modell nur laminare Strömung berücksichtigt.

Die Parameter des HDPM wurden angegeben, einschließlich Statorhalbkugelradius rb, Anfangsspiel h und Spiralnuttiefe d. Basierend auf dem CFX-Modul von ANSYS/WB werden die Rotorgeschwindigkeit sowie die axiale und radiale Verschiebung der Halbkugel parametrisch modelliert. Die Flüssigkeitsviskosität und -dichte wurden im Modell angegeben, der Gaseinlass und -auslass wurden als offene Grenzen festgelegt und die anderen Oberflächen wurden als rutschfeste Wandoberflächen festgelegt.

Der durch den Montageprozess des HDPM gebildete Kugelmittenabstand ist in Abb. 2 dargestellt. Die Kugelschale wurde fixiert und durch Anpassen der Position der Halbkugel in Axialrichtung des Motors wurden unterschiedliche Kugelmittenabstände erhalten. Nehmen Sie den Mittelpunkt der Kugelschale Ow als Ursprung. Wenn der halbkugelförmige Mittelpunkt Ob entlang der Pfeilrichtung versetzt ist, ist der Kugelmittelpunktsabstand positiv, andernfalls ist er negativ.

Diagramm des Ballmittenabstands.

Mithilfe der CFX-Software wurden Ähnlichkeitsmodelle mit unterschiedlichen Kugelmittenabständen gelöst und die in Abb. 3 dargestellten grafischen Ergebnisse erzielt.

Eigenschaften des Gasfilms bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen.

Die Gasfilmbelastung von Halbkugeln und Kugelschalen bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen wurde wie in Abb. 4 dargestellt berechnet.

Gasfilmbelastung bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen.

In der Abbildung oben ist die Radialkraft die einseitige Radialkraft einer einzelnen Halbkugel und Kugelschale. Bei zwei Halbkugeln und Schalen beträgt die Radiallast das Doppelte des berechneten Wertes in der Abbildung. Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Kugelmittenabstand (das Radialspiel nimmt zu und das Axialspiel ab) die Axialkraft und die Radialkraft nichtlinear gleichzeitig zunehmen und sich die Hochdruckzone zum kleinen Ende bewegt (Abb. 3a,b).

Das Widerstandsdrehmoment und die Wärmeleistung von Halbkugeln und Kugelschalen bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen wurden wie in Abb. 5 dargestellt berechnet.

Reibungsmoment und -leistung bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen.

Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Kugelmittenabstand (das radiale Spiel nimmt zu und das axiale Spiel ab) das Reibungswiderstandsdrehmoment und die zwischen der Halbkugel und der Kugelschale erzeugte Wärme exponentiell zunehmen.

Die Gasgeschwindigkeit zwischen der Halbkugel und der Kugelschale bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen wurde wie in Abb. 6 dargestellt berechnet.

Gasgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen.

Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Kugelmittenabstand (das radiale Spiel nimmt zu und das axiale Spiel ab) die durchschnittliche Gesamtgeschwindigkeit und die axiale Geschwindigkeit des Gases im Spalt schnell abnehmen. Darüber hinaus betrug die maximale Axialgeschwindigkeit etwa 2,65 m/s.

Bei dem in Abb. 1 gezeigten halbkugelförmigen Staudruckmotor bildet der Gasfilm an beiden Enden eine gewisse Steifigkeit, um das Rotorgewicht im Normalbetrieb auszugleichen. Daher driftet der Rotor aufgrund der Schwerkraftwirkung in axialer und radialer Richtung, was sich auf das Gasreibungsdrehmoment und die Wärmeerzeugung im Spalt auswirkt. Bei der Berechnung wurde das Rotorgewicht eines Staudruckmotors mit F angenommen.

Bei einer Beschleunigung entlang der Axialrichtung des Motors weicht der Rotor entlang der Axialrichtung des Motors aus. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Axialspielraum an einem Ende ab und die Gasfilmlast nimmt zu, während der Axialspielraum am anderen Ende zunimmt und die Gasfilmlast abnimmt. Wenn die Differenz der axialen Gasfilmbelastung gleich der Trägheitskraft des Rotors ist, wird der Gleichgewichtszustand erreicht. Die Verschiebung des Rotors unter Axialkraft steht im Einklang mit dem Modell unterschiedlicher Kugelmittenabstände in „Auswirkung des Kugelmittenabstands auf die Gasfilmeigenschaften“. Aufgrund der nichtlinearen Änderung der Gasfilmbelastung mit dem Kugelmittenabstand (Abb. 4) ist die Rotorverschiebung bei unterschiedlichen Kugelmittenabständen im Normalbetrieb unterschiedlich. Um eine gute Spielanpassung und Reibungsleistung zu erzielen, sollte der Kugelmittenabstand beim Einbau des Motors im Allgemeinen positiv sein6. Daher wurden jeweils die folgenden beiden Fälle analysiert, dh die Halbkugel und die Kugelschale waren konzentrisch und der Kugelmittenabstand betrug 1,5 μm.

Wenn die Halbkugel und die Kugelschale konzentrisch waren, wurde unter Verwendung des Modells „Auswirkung des Kugelmittenabstands auf die Eigenschaften des Gasfilms“ berechnet, dass die axiale Verschiebung des Rotors unter dem Einfluss der Schwerkraft 0,11 μm betrug (das Spiel an einem Ende verringert sich und). am anderen Ende zunimmt), und die axiale resultierende Kraft an beiden Enden betrug F. Zu diesem Zeitpunkt sind die Gasfilmeigenschaften an beiden Enden in Abb. 7 und Tab. dargestellt. 1.

Druckverteilung des Gasfilms bei verschiedenen axialen Verschiebungen.

Es ist ersichtlich, dass bei konzentrischer Halbkugel und Kugelschale die durch den Gasfilm an beiden Enden bereitgestellte Stützkraft das Rotorgewicht ausgleichen kann, wenn der Rotor eine axiale Abweichung von 0,11 μm aufweist, d. h. die axiale Abweichung des Rotors unter Einwirkung der Schwerkraft beträgt etwa 0,11 μm. In diesem Zustand ist die Reibungswärmeleistung des Gasfilms am Ende mit kleinem Abstand um 37,2 mW größer als am Ende mit großem Abstand, was zu Temperaturunterschieden und thermischer Verformung an beiden Enden führen und die Genauigkeit des Instruments beeinträchtigen kann ( Massenschwerpunktänderungen entlang der Motorachse) oder Motorzuverlässigkeit.

Bei einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm betrug die axiale Verschiebung des Rotors unter der Schwerkraft 0,02 μm. Die Eigenschaften des Gasfilms an beiden Enden sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass bei einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm die durch den Gasfilm an beiden Enden bereitgestellte Stützkraft das Gewicht des Rotors ausgleichen kann, nachdem die axiale Abweichung des Rotors 0,02 μm beträgt, d. h Die axiale Abweichung des Rotors unter Einwirkung der Schwerkraft beträgt im Normalbetrieb etwa 0,02 μm. In diesem Zustand ist die Reibungswärmeleistung des Gasfilms am Ende mit kleinem Spiel um 23,5 mW größer als am Ende mit großem Spiel, was ebenfalls zu Temperaturunterschieden und thermischer Verformung an beiden Enden führen kann.

Verglichen mit den Berechnungsergebnissen der konzentrischen Halbkugel und der Kugelschale sowie dem Kugelmittenabstand von 1,5 μm kann geschlossen werden, dass die axiale Verschiebung umso kleiner ist, je größer der Kugelmittenabstand ist (je näher die Halbkugel an der Kugelschale liegt). erforderlich, um den Rotor auszuwuchten, und desto kleiner ist die thermische Leistungsdifferenz zwischen den beiden Enden.

Wenn die Schwerkraft entlang der Radialrichtung des Motors wirkt, bewegt sich der Rotor entlang der Radialrichtung des Motors, unterstützt durch Halbkugeln und Schalen an beiden Enden. Bei Halbkugeln und Schalen an beiden Enden verringert sich der radiale Abstand der Hälfte von ihnen und die Gasfilmbelastung nimmt zu, während der radiale Abstand der anderen Hälfte zunimmt und die Gasfilmbelastung abnimmt. Wenn die Differenz der Radiallast auf den Gasfilm an beiden Enden gleich der Schwerkraft des Rotors ist, ist der Gleichgewichtszustand erreicht.

Das dreidimensionale Modell des Motors mit dem in Abb. 8 gezeigten radialen Rotorversatz wurde erstellt und zwei Fälle mit konzentrischer Halbkugel und Kugelschale sowie einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm analysiert.

Radialversatz des Motors.

Unter der Annahme, dass das Rotorgewicht des Staudruckmotors F beträgt, beträgt die am einzelnen Ende bereitzustellende Stützkraft ebenfalls F/2.

Wenn die Halbkugel und die Kugelschale konzentrisch waren, wurden die Gasfilmeigenschaften der beiden Halbseiten berechnet. Die radiale Verschiebung des Rotors unter dem Einfluss der Schwerkraft betrug 0,08 μm (das halbe Spiel nimmt ab und das andere halbe Spiel nimmt zu), und die entsprechenden Gasfilmeigenschaften sind in Abb. 9 und Tabelle 3 dargestellt.

Druckverteilung des Gasfilms bei verschiedenen radialen Versätzen.

Aus Abb. 9 und Tabelle 3 ist ersichtlich, dass bei konzentrischer Halbkugel und Kugelschale die durch den einseitigen Gasfilm bereitgestellte Stützkraft die Hälfte des Gewichts des Rotors beträgt, nachdem der radiale Versatz des Rotors 0,08 beträgt μm unter Einwirkung der Schwerkraft. In diesem Zustand ist die Reibungswärmeleistung einer Seite des kleinen Zwischenraums um 15,7 mW größer als die der anderen Seite, was zu Temperatur- und thermischen Verformungsunterschieden zwischen derselben Halbkugel und der Kugelschale in radialer Richtung führen kann Der Massenschwerpunkt ändert sich entlang der Radialrichtung des Motors.

Bei einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm betrug die radiale Verschiebung des Rotors unter der Schwerkraft 0,02 μm, und die Gasfilmeigenschaften der beiden Halbseiten sind in Tabelle 4 dargestellt.

Aus der Analyse in der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass bei einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm die durch den Gasfilm auf beiden Seiten bereitgestellte Stützkraft die Hälfte des Gewichts des Rotors beträgt, nachdem der radiale Versatz des Rotors 0,02 μm beträgt . Unter dieser Bedingung ist die Reibungswärmeleistung des Gasfilms auf der Seite mit kleinem Spiel um 9,5 mW größer als die auf der anderen Seite, was auch zu Temperatur- und thermischen Verformungsunterschieden zwischen derselben Halbkugel und der Kugelschale führen kann.

Durch Vergleich der Berechnungsergebnisse der konzentrischen Halbkugel und der Kugelschale sowie des Kugelmittenabstands von 1,5 μm kann eine ähnliche Schlussfolgerung wie bei der Axialkraftanalyse in der „Axialverschiebung des Rotors“ gezogen werden: Je größer der Kugelmittenabstand, desto kleiner ist der zum Auswuchten des Rotors erforderliche Axialversatz und desto kleiner ist die thermische Leistungsdifferenz zwischen den beiden Halbseiten desselben Endes.

Während des Stopps des Staudruckmotors verringert sich der Gasfilmspalt mit abnehmender Drehzahl, um das Gewicht des Rotors auszugleichen, bis sich Stator und Rotor bei minimalem Spalt berühren. Unter den Bedingungen einer konzentrischen Halbkugel und Kugelschale und einem Kugelmittenabstand von 1,5 μm werden die Änderungen des Spiels und des Widerstandsdrehmoments sowie die Nahkontaktgeschwindigkeit des Motors beim Abwürgen diskutiert.

Wenn der Motor stoppt, nimmt das Spiel an einem Ende (axial) oder einer Seite (radial) allmählich ab, während es am anderen Ende (axial) oder einer Seite (radial) allmählich zunimmt. Das entsprechende Spiel und Widerstandsmoment wurden iterativ berechnet, wenn der Motor vertikal und horizontal stoppt, wie in Abb. 10 dargestellt.

Änderungen des Spiels und des Widerstandsmoments beim Stoppen des Motors.

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist:

Mit abnehmender Drehzahl nimmt das Spiel ab. Wenn die Drehzahl des Motors im vertikalen Zustand auf 2000 U/min sinkt, verringert sich das Spiel um 0,55 μm (Kugelmittenabstand 1,5 μm) bzw. 1,25 μm (konzentrisch). Wenn die Motordrehzahl im horizontalen Zustand auf 2000 U/min sinkt, verringert sich das Spiel um 0,49 μm (Kugelmittenabstand 1,5 μm) bzw. 0,85 μm (konzentrisch).

Das Widerstandsdrehmoment ist direkt proportional zur Drehzahl des Motors und hat nichts mit dem vertikalen oder horizontalen Zustand des Motors zu tun; Je größer der Kugelmittenabstand ist, desto größer ist das Widerstandsmoment und desto schneller ändert es sich mit der Geschwindigkeit.

Gemäß der Methode in Ref.6 betragen die minimalen axialen und radialen Abstände 2,3 μm und 2,0 μm, wenn die Halbkugel und die Kugelschale konzentrisch sind, und 0,8 μm und 1,3 μm, wenn der Kugelmittenabstand 1,5 μm beträgt. Als kritische Kontaktgeschwindigkeit wurde die Motordrehzahl mit einem Mindestspiel von 0,01 μm betrachtet. Auf dieser Grundlage konnten die kritische Kontaktgeschwindigkeit und das Widerstandsdrehmoment unter verschiedenen Bedingungen berechnet werden, wie in Tabelle 5 und Abb. 11 dargestellt.

Druckverteilung des Gasfilms im kritischen Kontaktzustand.

Unter der Bedingung der angenommenen Strukturparameter ist die kritische Kontaktgeschwindigkeit des Horizontalmotors größer als die des Vertikalmotors, aber mit zunehmendem Ballmittenabstand nimmt die kritische Kontaktgeschwindigkeit des Vertikalmotors deutlich zu und die Änderung von Der horizontale Motor ist klein und der Unterschied zwischen ihnen nimmt ab. Darüber hinaus ist das Gaswiderstandsdrehmoment beim vertikalen Motorstopp kleiner als das beim horizontalen Motorstopp. Darüber hinaus ist das Gaswiderstandsdrehmoment umso größer, je größer der Kugelmittenabstand ist.

Basierend auf dem unabhängig entwickelten Gasfilm-Ähnlichkeitsmodell des HDPM analysierte dieser Artikel die Gasfilmeigenschaften unter verschiedenen Struktur- und Betriebsparametern, also die Einflussregeln des Kugelmittenabstands, der Rotorverschiebung, des Stoppvorgangs und anderer Schlüsselfaktoren auf die Gasfilmeigenschaften Es werden Ergebnisse erhalten, die eine praktische Referenz für das Design und die Optimierung von HDPMs darstellen könnten. Durch das Studium dieses Papiers können die folgenden vorteilhaften Schlussfolgerungen gezogen werden:

Mit zunehmendem Kugelmittenabstand (d. h. das Radialspiel nimmt zu und das Axialspiel ab) nehmen die Gasfilmlast, das Widerstandsdrehmoment und die Wärmeleistung des Motors exponentiell zu, die Hochdruckzone bewegt sich zum kleinen Ende und die mittlere Gasgeschwindigkeit nimmt ab.

Je größer der Kugelmittenabstand ist, desto geringer sind die axialen und radialen Versätze und desto geringer ist die thermische Leistungsdifferenz zwischen den beiden Enden.

Das Gaswiderstandsmoment im Spalt ist direkt proportional zur Drehzahl und hat nichts mit der vertikalen oder horizontalen Lage des Motors zu tun; Je größer der Kugelmittenabstand ist, desto größer ist das Widerstandsmoment und desto schneller ändert es sich mit der Geschwindigkeit.

Die kritische Kontaktgeschwindigkeit des Horizontalmotors ist größer als die des Vertikalmotors, aber mit zunehmendem Ballmittenabstand nimmt die kritische Kontaktgeschwindigkeit des Vertikalmotors deutlich zu und die Änderung der kritischen Kontaktgeschwindigkeit des Horizontalmotors ist gering.

Während des Stoppvorgangs ist das Gaswiderstandsdrehmoment des Vertikalmotors kleiner als das des Horizontalmotors, und je größer der Kugelmittenabstand ist, desto größer ist das Gaswiderstandsdrehmoment.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von einer National Natural Science Foundation of China (Grant No. U1937603) und einem National Key Research and Development Program of China (No. 2019YFB2004400) unterstützt.

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Fuli Zhang & Wentao Niu

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Yang Kai

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Korrespondenz mit Yaping Zhang oder Yanzhong Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Y., Wang, Y., Zhang, F. et al. Analyse von Einflussfaktoren auf die Gasfilmeigenschaften für halbkugelförmige Staudruckmotoren. Sci Rep 13, 5860 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33189-w

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Eingegangen: 21. Mai 2022

Angenommen: 08. April 2023

Veröffentlicht: 11. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33189-w

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