Analisi dei fattori che influenzano le caratteristiche del film di gas per motori emisferici a pressione dinamica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5860 (2023) Citare questo articolo

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Il motore emisferico a pressione dinamica (HDPM) presenta i vantaggi di alta velocità, resistenza all'usura e stabilità, ampiamente utilizzato negli strumenti inerziali per produrre l'effetto giroscopico. Il film di gas ultrasottile tra lo statore e il rotore del motore fornisce lubrificazione a pressione dinamica e capacità portante, le cui caratteristiche dinamiche determinano le prestazioni del motore. Tuttavia, non è chiaro il meccanismo di influenza di alcuni fattori chiave, come la distanza del centro delle sfere, sulle caratteristiche della pellicola, che è diventato il collo di bottiglia che limita il miglioramento delle prestazioni degli HDPM. Pertanto, in questo articolo, una serie di modelli di similarità del film di gas sono stati risolti con diversi parametri geometrici e di lavoro, ed è stata ottenuta la legge di influenza della distanza del centro della sfera, dello spostamento del rotore e del processo di arresto sulle caratteristiche aerodinamiche. I risultati mostrano che questi primari i parametri hanno effetti significativi sulla distribuzione della pressione, sul momento di resistenza e sul calore di attrito del film di gas ultrasottile. Questo lavoro non solo può fornire una base teorica per l'ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche degli HDPM, ma può anche servire come riferimento per la progettazione di altri strumenti aerodinamici.

La dinamica dell'emisfero è un campo scientifico avanzato, che svolge un ruolo importante in alcune applicazioni, come i giroscopi a risonatore emisferico (HRG)1,2 e i motori a pressione dinamica emisferica (HDPM)3,4. Xu et al. sono molto coinvolti negli HRG, hanno proposto un metodo di modellazione per il sistema a circuito completamente chiuso del giroscopio risonatore emisferico e un nuovo modello dinamico di un risonatore a guscio emisferico imperfetto1,2. Con i vantaggi dell'alta velocità, della resistenza all'usura e della stabilità, l'HDPM (Fig. 1) è ampiamente utilizzato negli strumenti giroscopici ad alta precisione per produrre effetti giroscopici5,6. Quando l'HDPM funziona, l'avvolgimento dello statore genera eccitazione, che fa ruotare la sfera del rotore ad alta velocità. Il gas viene pompato nello spazio attraverso la vaschetta della sfera o la scanalatura a spirale incisa sull'emisfero per formare una pellicola di gas e realizzare una lubrificazione a pressione dinamica. Il gioco tra l'emisfero e la vaschetta della sfera influisce direttamente sulle prestazioni di lubrificazione idrodinamica del motore, quindi è generalmente necessario selezionarlo e abbinarlo in modo ragionevole7,8,9. Per una determinata dimensione della semisfera e della vasca a sfera, il gioco richiesto può essere ottenuto regolando la distanza del centro della sfera tra loro durante il montaggio. Niu et al. proporre requisiti per la selezione del gioco dal punto di vista delle caratteristiche del contatto durante l'avviamento e l'arresto del motore10. Tuttavia, non esiste un rapporto di ricerca speciale sulle caratteristiche e sulle regole di variazione della rigidità del film di gas, della coppia di resistenza e del calore di attrito del film di gas a diverse distanze dal centro della sfera.

Diagramma schematico del motore a pressione dinamica emisferica.

In condizioni di lavoro normali, la vaschetta della sfera avrà un leggero spostamento dal rotore emisferico per effetto della gravità, e le prestazioni del film di gas delle estremità sinistra e destra o dei lati superiore e inferiore della stessa estremità (Fig. 1) saranno diversi, che potrebbero influenzare la temperatura del motore e la precisione dello strumento. Quando il motore si avvia o si arresta, a causa delle caratteristiche di pressione dinamica del gas, la distanza tra la semisfera e la vaschetta della sfera cambierà con la velocità di rotazione. Ottenere il gioco del motore corrispondente a velocità diverse è di grande importanza per analizzare le prestazioni di avvio e arresto del motore a pressione dinamica.

Nel passato lavoro di ricerca11, in considerazione delle caratteristiche della struttura a scala incrociata del film di gas ultrasottile, abbiamo combinato la teoria della similarità con il metodo CFD e proposto un metodo per ingrandire lo spessore del film mantenendo lo stato fisico di il film di gas. Sulla base di questa teoria, è stato stabilito un modello di somiglianza del film di gas e le caratteristiche dinamiche del film di gas sono state semplicemente analizzate a condizione che la struttura del motore e i parametri di funzionamento fossero fissati. Per fornire un riferimento pratico per la progettazione e l’ottimizzazione degli HDPM, questo documento ha effettuato ulteriori ricerche approfondite basate sul lavoro precedente, che hanno rivelato l’influenza di alcuni fattori chiave come l’interasse delle sfere e il processo di arresto sulle caratteristiche del film di gas. .