为了发展微型气体轴承高速透平,在优化设计的基础上,研制了国内首台轴径为6 mm、叶轮直径为9 mm、设计转速为300 000 r/min的微型气体轴承透平膨胀机.对研制样机进行了全面介绍,阐述了该研制样机的结构设计特点,并对研制样机进行了初步的机械性能和热力性能考核.通过转子起浮试验,系统机械性能、热力性能的连续运转及超速试验考核,结果显示：所研制的样机振动小、运转平稳、效率高,最高转速超过342 000 r/min,满足超速15%的要求;在室温为23℃、无回热器的情况下,当进气压力从0升到0.27 MPa的45 min升速时间内,温降就达42℃,具有降温速度快,降温效果显著的特点.由于其机械及热力性能均达到预期要求,因此为今后进一步发展我国微型高速气体轴承透平机械奠定了坚实基础.

气体轴承是回热式热机的一项关键技术,它是利用气体代替润滑油作为润滑剂,在轴与轴承套之间构成气膜,是避免运动面与静止面直接接触的较为理想支撑元件。将间隙密封与气体轴承相结合,可以在实现密封的同时消除接触磨损。本文利用ANSYS Fluent对具有77 kW(声功)设计输出能力的活塞进行其气体轴承与间隙密封耦合特性的数值模拟与分析,指导该新型气路结构的优化设计,并验证其在大功率自由活塞斯特林发动机中应用的可行性。

基于超薄气膜润滑理论,通过引入微尺度条件下气体稀薄效应流量因子,推导考虑稀薄效应的气体润滑轴承雷诺方程,并采用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了不同偏心率、半径间隙以及转速对气膜压力分布、承载力的影响规律,并与未考虑稀薄效应的数值结果进行比较。结果表明：稀薄效应的存在并不会影响压力分布规律,其中气膜压力分布具有非线性,并沿着轴向呈抛物线状;最大压力及承载力随转速和偏心率的增大而增大,随着半径间隙的增大而减小;当考虑气体稀薄效应时,气膜各点压力水平及承载力相比于未考虑时有所下降;当半径间隙越小,偏心率越大时,气体稀薄效应越显著,最大压力及承载力的变化幅度也越明显。