Анализ факторов, влияющих на характеристики газовой пленки полусферических двигателей динамического давления

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5860 (2023) Цитировать эту статью

242 доступа

Подробности о метриках

Полусферический двигатель динамического давления (HDPM) обладает такими преимуществами, как высокая скорость, износостойкость и стабильность, что широко используется в инерциальных инструментах для создания гироскопического эффекта. Ультратонкая газовая пленка между статором и ротором двигателя обеспечивает смазку под динамическим давлением и несущую способность, динамические характеристики которых определяют производительность двигателя. Однако механизм влияния некоторых ключевых факторов, таких как межцентровое расстояние шара, на характеристики пленки, не ясен, что стало узким местом, ограничивающим улучшение характеристик HDPM. Таким образом, в этой статье была решена серия моделей подобия газовой пленки при различных геометрических и рабочих параметрах и получен закон влияния межцентрового расстояния шара, смещения ротора и процесса остановки на аэродинамические характеристики. Результаты показывают, что эти основные Параметры оказывают существенное влияние на распределение давления, момент сопротивления и теплоту трения сверхтонкой газовой пленки. Эта работа может не только обеспечить теоретическую основу для оптимизации аэродинамических характеристик HDPM, но также служить эталоном для проектирования других аэродинамических инструментов.

Динамика полушарий — передовая научная область, которая играет важную роль в некоторых приложениях, таких как гироскопы с полусферическим резонатором (HRG)1,2 и двигатели с динамическим давлением полусферы (HDPM)3,4. Сюй и др. активно участвуя в разработке HRG, они предложили метод моделирования полностью замкнутой системы полусферического резонаторного гироскопа и новую динамическую модель несовершенного полусферического резонатора1,2. Благодаря преимуществам высокой скорости, износостойкости и стабильности HDPM (рис. 1) широко используется в высокоточных гироскопических приборах для создания гироскопического эффекта5,6. Когда HDPM работает, обмотка статора генерирует возбуждение, которое заставляет шарик ротора вращаться с высокой скоростью. Газ закачивается в зазор через шаровую камеру или вытравленную спиральную канавку на полусфере, образуя газовую пленку для реализации динамической смазки под давлением. Зазор между полусферой и шаровой чашей напрямую влияет на гидродинамические характеристики смазки двигателя, поэтому, как правило, необходимо разумно выбирать и подбирать его7,8,9. При заданном размере полусферы и чаши шара необходимый зазор можно получить, регулируя расстояние между центрами шаров между ними при сборке. Ниу и др. выдвинули требования к выбору зазора с точки зрения характеристик контактов при пуске и остановке двигателя10. Однако не существует специального исследовательского отчета о характеристиках и правилах изменения жесткости газовой пленки, момента сопротивления и теплоты трения газовой пленки при различных расстояниях между центрами шариков.

Принципиальная схема полусферического двигателя динамического давления.

В нормальных условиях работы шаровая чаша будет иметь небольшое смещение от полусферического ротора под действием силы тяжести, а характеристики газовой пленки левого и правого концов или верхней и нижней сторон одного и того же конца (рис. 1) будут разные, что может повлиять на температуру двигателя и точность прибора. Когда двигатель запускается или останавливается, из-за характеристик газодинамического давления зазор между полусферой и шаровой чашей будет меняться в зависимости от скорости вращения. Получение соответствующего зазора двигателя на разных скоростях имеет большое значение для анализа характеристик запуска и остановки двигателя динамического давления.

В прошлой исследовательской работе11, учитывая особенности межмасштабной структуры сверхтонкой газовой пленки, мы объединили теорию подобия с методом CFD и предложили метод увеличения толщины пленки при сохранении физического состояния газовая пленка. На основе этой теории была создана модель подобия газовой пленки и просто проанализированы динамические характеристики газовой пленки при условии, что структура двигателя и рабочие параметры были фиксированными. Чтобы обеспечить практическое руководство по проектированию и оптимизации HDPM, в этой статье были проведены дальнейшие углубленные исследования на основе предыдущей работы, которые выявили влияние некоторых ключевых факторов, таких как расстояние между центрами шаров и процесс остановки, на характеристики газовой пленки. .