本发明涉及高供气压力下静压气体轴承输入气流的稳定装置，具体地说涉及用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段及其设计方法。
背景技术：
专利号为201610049454.7的发明专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”，通过对轴承结构的流线型设计，实现了轴承间隙的超音速出流，消除供气压力的限制。但是供气管道输送给轴承的高压空气，速度均匀性与轴承过渡段入口截面所要求的速度均匀性差异较大，因此需要一个气流稳定装置来提高气流的均匀性，这种装置称为稳压腔。
公开号为CN106678179的发明专利申请“一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔”，借鉴平面撞击流的工作原理，构造出内环向撞击射流，射流沿径向朝内腔对称轴流动的同时，沿轴线方向从与轴承相联一侧的开孔流出。在内环向撞击射流处于稳定分离流状态时，过中心轴线的任意截面上，流场参数完全一样，稳压腔内的流场是理想的二维柱对称流动，可以与高压圆盘止推气体轴承流道内的二维柱对称流动进行匹配。但由于上述内环向射流稳压腔采用等直径圆筒与等直径轴承过渡段直连的结构形式，从稳压腔到轴承过渡段，流动面积发生突然变化，使得过渡段入口截面上轴线外侧的流速明显大于中心区域的流速,速度均匀性尚不够理想。
为了进一步提高过渡段入口截面上的速度均匀性,需要实现稳压腔的等直径内腔与轴承过渡段入口实现平滑过渡，即要在内腔和轴承过渡段入口之间增设收缩段。目前已有的收缩段曲线包括维氏曲线、三次方曲线和五次方曲线，这些曲线都是高阶的连续曲线。轴承过渡段的直径很小，约为10mm,从机械加工工艺可知，小口径高阶连续曲线的内表面加工十分困难，制造成本很高。
由此可见，现有的曲线收缩段，不适合用于连接内环向射流稳压腔的等直径内腔和轴承过渡段入口；目前的气流稳定装置，尚不能很好地满足向高压圆盘气体轴承提供足够稳定、均匀气流的条件。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用三段相切圆弧形成的轴对称收缩段及其设计方法，有效地降低了采用高阶连续曲线设计时收缩段的加工难度和制造成本。这种将三段相切圆弧轴对称收缩段与内环向射流稳压腔装配在一起后形成的气流稳定装置，向高压圆盘气体轴承供气时，可以使供气管道输送来的不够均匀的气流，变为均匀性极好的轴承过渡段入口气流，进入轴承后使圆盘气体轴承中气膜内部流场平稳和均匀。可与现有专利采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承(专利号为2016100494547)配套使用。
本发明的工作原理为：用三段半径不同但彼此相切的圆弧形成的内曲线，实现从大直径的内环向射流稳压腔内壁，光滑地过渡到小直径的轴承过渡段供气孔内壁。改变三段圆弧在轴线上的投影长度比例，三段相切圆弧形成的曲线的形状也随之发生变化，可以通过调整投影长度比例，来获得某种具体尺寸稳流装置的所需理想流场。
本发明用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段，包括圆柱形收缩段1，圆柱形收缩段1内设有上下开口中心对称的曲面，所述曲面为曲线HA绕圆柱形收缩段1的中心轴旋转360°围成，所述曲线HA由三段两两相切的第一圆弧HG、第二圆弧GN、第三圆弧NA组成。
所述第一圆弧HG与内环向射流稳压腔内圆柱壁面相切，半径R1等于内环向射流稳压腔内圆柱的半径，圆心E点位于圆柱形收缩段的大端端面2的圆心；
所述第三圆弧NA与过渡段供气孔18的内壁面相切，半径为R3，圆心K点位于圆柱形收缩段的小端端面4上；
所述第二圆弧GN的半径为R2，圆心F点位于GE的延长线上；第二圆弧GN与第一圆弧HG相切于端点G，第二圆弧GN与第三圆弧NA相切于端点 N；
第二圆弧GN的半径R2与第三圆弧NA的半径R3满足下列方程：
(1)
(2)
式中，rK 表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标； rF表示F点的径向坐标； zK表示K点的轴向坐标； zN表示N点的轴向坐标； zF表示F点的轴向坐标。
本发明还提出了一种高压圆盘气体轴承稳流装置，包括平行设置的上工作圆盘11和下工作圆盘12，上工作圆盘11和下工作圆盘12之间构成气体润滑膜，上工作圆盘11中心设置有过渡段供气孔18，用于引入气流；上工作圆盘11还与上游的上轴对称收缩段10、上稳压腔腔体5依次相连接；过渡段供气孔18下游设有曲面造型的双对称收缩段，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速或超音速气流；下工作圆盘12上设置有与上工作圆盘11上下对称的过渡段供气孔、下轴对称收缩段13和下稳压腔腔体16；工作圆盘（11、12）的过渡段供气孔与轴对称收缩段（10、13）小端端面4的内腔平滑过渡连接，轴对称收缩段（10、13）大端端面2的内腔与稳压腔腔体（5、16）的内腔平滑过渡连接。
所述上稳压腔腔体5外部同轴设置有环形管道8，上稳压腔腔体5内壁沿周向开设有环槽，环槽用于将环形管道8中的气体引入腔体内部并形成内环向射流；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体5上下对称的环形管道和环槽。
上稳压腔腔体5内部还沿周向均布有圆形通孔，圆形通孔一端与环槽相连通，圆形通孔另一端通过快换接头6与高压管7相连通继而高压管7通过快换接头6与环形管道8相连通；所述下稳压腔腔体16上设置有与上稳压腔腔体5上下对称的圆形通孔、快换接头和高压管。
所述环槽、圆形通孔、快换接头6、高压管7、环形管道8的中心线均位于同一水平面。
所述环形管道8外部还设置有直通式管接头14。
支撑架（9、15）用于将环形管道8分别固定在上稳压腔腔体5、下稳压腔腔体16上。
本发明用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段的设计方法，包括如下步骤：
1、已知内环向射流稳压腔内腔直径为D；在长径比范围L/D=0.5～1中，选择收缩段长径比，进而确定收缩段的长度L；
2、先给定三段圆弧在轴线上的投影长度比例a:b:c，求出三段圆弧各自在轴线上的投影的长度DJ、JP、PM；
3、令第一圆弧半径R1等于内环向射流稳压腔内腔直径D的一半；以收缩段大端端面的圆心E为圆心，使得第一圆弧与稳压腔内壁面相切于H点；以E为圆心作半径为R１的圆弧，过J点作平行于大端端面的直线，与该圆弧相交于G点，得到第一圆弧HG；
4、已知过渡段供气孔的直径为d，第三圆弧的圆心K位于收缩段小端的端面上，K点的坐标为(-R3-d/2,0)，使得第三圆弧与过渡段供气孔内壁面相切于A点；
5、第二圆弧与第一圆弧相切于G点，设第二圆弧的圆心在F点，则G点、F点与E点必在同一条直线上；第二圆弧与第三圆弧相切于N点，则K点、N点与F点也必在同一条直线上；过P点作平行于小端端面的直线，N点在此直线上，故N点的z向坐标等于PM的长度；
6、根据K点到N点的距离等于R3、K点到F点的距离等于R2+R3，可以列出关于未知量R2、R3的两个方程：
(1)
(2)
式中，rK 表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标； rF表示F点的径向坐标； zK表示K点的轴向坐标； zN表示N点的轴向坐标； zF表示F点的轴向坐标；
7、将式(1)代入式(2)，得到一个关于R2的一元方程，采用二分法编程求出未知数R2，进而求出R3；这样就可以确定对应某种投影长度比例a:b:c时的三段相切圆弧曲线的具体形状；
8、改变三段圆弧的投影长度比例为a:b:c，其中a、b、c的取值范围均为[1,3]，经排列组合作出若干条不同形状的曲线；在绘图软件中绘出全部曲线；
9、建立高压圆盘气体轴承、所有三段相切圆弧曲线及高阶连续曲线收缩段、内环向射流稳压腔的一体化几何模型，构建二维计算域；对二维计算域进行网格划分，建立计算流体力学模型，进行定常流场数值模拟；
10、分析不同投影长度比例a:b:c时，收缩段内的流线分布情况；将收缩段小端端面附近流线分布最均匀时对应的投影长度比例，确定为对应某一尺寸内环向射流稳压腔的配对收缩段的三段圆弧在轴线上的投影比例；从而设计出所需的三段相切圆弧的曲线形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、结构新颖，有效地降低了收缩段的加工难度和制造成本。提出的三段彼此相切圆弧的型线设计方案，比传统的高阶连续曲线的型线，加工起来相对容易。可以用精车圆弧代替曲线磨削，加工工艺过程得到明显的简化。
2、使用效果好。这种三段相切圆弧形成的轴对称收缩段，在过中心轴线的任意截面上，流场参数完全一样，可以与稳压腔内的理想二维柱对称流动以及高压圆盘气体轴承流道内的二维柱对称流动实现良好匹配。将三段相切圆弧轴对称收缩段与内环向射流稳压腔装配在一起后形成的气流稳定装置，向高压圆盘气体轴承供气时，可以使供气管道输送来的不够均匀的气流，变为均匀性很好的轴承过渡段入口气流。
3、此方法适应性广，灵活度高。当收缩比(D/d)2达到324时，仍可以设计出三段相切圆弧的型线。在收缩比(D/d)2、收缩段长度L确定的情况下，可以通过调整三段圆弧在轴线上投影的长度比例，获得某种具体尺寸稳流装置的所需理想流场。
附图说明
图1为本发明用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段的结构示意图；
图2为高压圆盘气体轴承稳流装置的结构示意图；
图3为高压圆盘气体轴承稳流装置的气体流动示意图；
图4为计算域组成及边界条件示意图；
图5为维氏曲线、五次方曲线与1:3:1的三段相切圆弧曲线的形状对比图；
图6为分别配用五次方曲线与1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段的稳流装置在收缩段小端端面上的速度分布曲线；
图7为仅有内环向射流稳压腔作稳流装置时的气体流动示意图；
图8为配用1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段的稳流装置和不配用收缩段的内环向射流稳压腔，在轴承过渡段入口截面上速度分布曲线；
图9为仅有内环向射流稳压腔时轴承过渡段入口截面附近的流线分布图；
图10为装配三段相切圆弧收缩段时轴承过渡段入口截面附近的流线分布图，a:b:c=1:3:1；
图11为五次方曲线与不同投影长度比例的三段相切圆弧曲线的形状对比图。
图12为采用五次方曲线收缩段与内环向射流稳压腔装配后的稳流装置的内部流线图；
图13为采用三段相切圆弧收缩段与内环向射流稳压腔装配后的稳流装置的内部流线图，a:b:c=1:3:1；
图14为采用三段相切圆弧收缩段与内环向射流稳压腔装配形成的稳流装置后，轴承间隙出口截面上的速度分布曲线，a:b:c=1:3:1；
图中，1为圆柱形收缩段，3为螺栓；2、4为收缩段的大端端面和小端端面；5为上稳压腔腔体，6为快换接头，7为高压管，8为环形管道，9、15为支撑架，10为上轴对称收缩段，11、12分别为轴承的上、下工作圆盘，13为下轴对称收缩段，14为直通式管接头，16为下稳压腔腔体，17为轴承间隙出口，18为过渡段供气孔。
图中Z方向表示稳压腔或轴承圆盘的轴线方向，r方向表示稳压腔或轴承的径向方向。
与收缩段配合的稳压腔的几何参数是：内腔直径D等于180mm，过渡段供气孔直径d等于10mm。内腔长度L1等于80mm，环槽开在内腔的中心位置，环槽喷口宽度b等于10mm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1示出了用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段的基本结构。收缩段与轴承、稳压腔装配后的系统结构参见图2。由于双对称的高压圆盘气体轴承采用双对称结构,相应的稳流装置也采用上、下对称布置的形式。轴承上圆盘与上收缩段小端端面配合，上收缩段大端端面与上稳压腔的下端面配合，采用螺栓连接固定在一起。根据内环向射流稳压腔的参数设计方法，确定稳压腔内径D为180mm，过渡段供气孔18的直径d为10mm。图2中将收缩段与轴承圆盘、稳压腔固定在一起的方式有很多，这种方案只是其中之一，其它的固定方式皆适用于本发明。
图1所示的收缩段在轴线方向的总长度为L，内表面型线由三段彼此相切的圆弧HG、GN、NA组成。第一圆弧HG和稳压腔的内腔壁面相切，半径R1等于内环向射流稳压腔内腔半径，圆心E点位于收缩段的大端端面2的圆心，第一圆弧HG在轴线上投影的长度等于DJ，G点是第一圆弧与第二圆弧的切点。第三圆弧NA和过渡段供气孔18的内壁面相切，半径为R3，圆心K点位于收缩段的小端端面上，在轴线上投影的长度等于PM，N点是第三圆弧与第二圆弧的切点。第二圆弧GN的半径为R2，圆心F点位于GE的延长线上；第二圆弧GN连接第一、第三圆弧，在轴线上投影的长度等于JP。三段圆弧在轴线上的投影长度比例为DJ:JP:PM。三段相切圆弧连成的曲线绕对称轴旋转360°，形成本发明提出的轴对称收缩段的内腔曲面。
三段相切圆弧曲线的设计过程示例如下：
选择收缩段长径比L/D=2/3，则收缩段长度L可确定为120mm。先给定三段圆弧在轴线上的投影长度比例a:b:c=1:3:1，则可求出三段圆弧各自在轴线上的投影的长度DJ=24mm，JP=72mm,PM=24mm。令第一圆弧半径R1=D/2=90mm，以收缩段大端端面的圆心E点为圆心，作半径为90mm的圆弧，过J点做平行于大端端面的直线，与该圆弧相交于G点，G点是第一圆弧与第二圆弧的切点，得到第一圆弧HG。
采用二分法编程求解关于未知量R2、R3的两个方程：
(1)
(2)
式中，rK 表示K点的径向坐标；rN表示N点的径向坐标； rF表示F点的径向坐标； zK表示K点的轴向坐标； zN表示N点的轴向坐标； zF表示F点的轴向坐标。
可以算出R2=108.04mm，R3=25.72mm。求出R3以后，就可以确定第三圆弧圆心K的位置。以K为圆心，作半径为25.72mm的圆弧，过P点做平行于小端端面的直线，与该圆弧相交于N点，N点是第三圆弧与第二圆弧的切点，NA就是第三圆弧。作线段NG的中垂线，与线段GE的延长线交于F点，F点是第二圆弧的圆心。以F为圆心，作半径为108.04mm的圆弧，圆弧的起点是G，终点是N，得到第二圆弧GN。这样，三段相切的圆弧HG、GN、NA已完整作出。三段相切圆弧连成的曲线绕对称轴旋转360°，形成本发明提出的轴对称收缩段的内腔曲面。
图3是柱对称内环向射流稳压腔与收缩段组成的稳流装置内的气体流动示意图，取稳压腔内腔的长度L1等于80mm，取环槽的宽度b=10mm，环槽在稳压腔中对称布置。图3中可以直观地看到稳流装置中的气体流动情况，是一种二维柱对称流场。环槽流出的内环向射流向对称轴流动的同时，产生撞击，逐渐转变为沿收缩段的大端向小端流动的轴向流。由于收缩比(即(D/d)2=324)很大，可以将大端带入下游的大涡团逐步破碎，流线趋于均匀平行，从而在收缩段小端出口截面上形成均匀度很好的气流。
建立高压圆盘气体轴承、收缩段与内环向射流稳压腔装配在一起形成的一体化几何模型，由于该模型关于圆盘轴线轴对称以及轴承间隙中心截面平面对称，可将计算域简化为原模型的四分之一，如图4所示。轴承几何参数为：间隙高度为0.2mm，圆盘半径为60mm，供气压力10atm。边界条件的设置如图4所示。
图5示出了维氏曲线、五次方曲线与1:3:1的三段相切圆弧曲线的形状对比图。因为三次方曲线与五次方曲线形状很接近，图5中略去了三次方曲线。从图5可知，维氏曲线在大端起始段收缩极快，失去了从大端到小端过渡的平滑性，不适合用于大收缩比的收缩段。
为了比较已有的采用高阶连续曲线作型线的收缩段与本发明提出的三段相切圆弧作型线的收缩段，在出口流场均匀程度上的异同，图6示出了分别配用五次方曲线与1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段的稳流装置在轴承过渡段入口截面(即收缩段小端出口截面)上速度分布曲线的对比。可看出除边界层区域以外，五次方曲线收缩段在轴承过渡段入口截面上的速度分布是一条平坦的直线段，流场均匀度相当理想。对于极度追求气流品质的风洞收缩段，采用五次方曲线收缩段是值得的。1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段在轴承过渡段入口截面上的速度分布的平坦度稍逊于五次方曲线收缩段，但对于高压圆盘气体轴承这种应用场合而言，其速度分布曲线的平坦度是足够的。
稳流装置仅有内环向射流稳压腔时如图7所示(参见公开号为CN106678179的发明专利申请)。图7中，环槽距轴承圆盘外表面的距离H为70mm，距内腔顶部的距离I为40mm。
图8示出了配用1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段的稳流装置和不配用收缩段的内环向射流稳压腔，在轴承过渡段入口截面上速度分布曲线的对比。可看出仅有内环向射流稳压腔时，由于稳压腔出口截面上存在着面积突变，来流流线不平行，导致主流核心区的速度明显小于核心区外层的速度，整个截面上的速度均匀性不够理想。主流核心区的速度约为70m/s，核心区外层的最大速度约为90m/s。而将三段相切圆弧曲线收缩段与内环向射流稳压腔装配成稳流装置后，轴承过渡段入口截面上，边界层外部的核心区流速约为38m/s，且速度分布的均匀性是很好的。这说明了增设三段相切圆弧收缩段的必要性，也充分反映出本发明用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段对轴承正常工作的重要性。
为了更直观地比较装配三段相切圆弧收缩段与否对轴承过渡段入口气流均匀性的影响，图9示出了仅有内环向射流稳压腔时轴承过渡段入口截面附近的流线分布，图10示出了装配1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段时轴承过渡段入口截面附近的流线分布。从图9可看出，轴承过渡段入口截面上(X=40mm处的截面)存在着面积突变，尽管核心区的流线基本上与对称轴平行，但核心区最外侧的流线几乎与对称轴线成90°角进入轴承过渡段入口截面。紧接着过渡段入口截面之后，供气孔壁面附近出现了流动分离。由于分离区的存在，使得流道实际通流面积减小，导致核心区的流动速度增大(约为70m/s)，增加了流动损失。从图10可看出，采用1:3:1的三段相切圆弧曲线收缩段导流后，轴承过渡段入口截面上(X=40mm处的截面)流线平行度很好，消除了可能出现的流动分离，实际通流面积接近过渡段供气孔18的横截面积，使核心区的流动速度显著减小(约为38m/s)，有效地减小了流动损失。
为了从不同的三段圆弧投影长度比例中选择出合理的比例，以获得与图2、3中D=180mm、L1=80mm、b=10mm的内环向射流稳压腔相适宜的三段相切圆弧曲线，图11示出了全部三段相切圆弧曲线与五次方曲线的形状比较。可看出：这16种三段相切圆弧曲线，基本上可分成两类：一类是形状与五次方曲线比较接近的三段相切圆弧曲线，如2:1:3、1:1:2等；另一类是形状偏离五次方曲线的三段相切圆弧曲线，如1:3:1、2:3:1等。形状接近的曲线，流场性质也接近。
图12示出了采用五次方曲线收缩段与内环向射流稳压腔装配后的稳流装置的内部流线图。可看出其内部形成的巨大漩涡占据了内环向射流流线的正常位置，气体从环槽喷口流出后被挤压，偏向壁面，且沿壁面向收缩段出口流动，在收缩段的中部又形成流动分离，直到离收缩段出口不太远的距离时才形成较均匀的流线。这样的漩涡和流线分布表明流动的稳定性不足。因此，不应当选择形状与五次方曲线相接近的三段相切圆弧曲线，而应选择形状偏离五次方曲线的三段相切圆弧曲线。
从图11中可看出，三段相切圆弧投影长度比例为1:3:1时，三段相切圆弧曲线是最为偏离五次方曲线的。从图13可看出其内部形成了稳定的内环向射流，再转变为分布均匀的流线沿平行于对称轴的方向朝收缩段出口流动，这种流线分布是易于稳定的状态。因此可确定设计的三段相切圆弧曲线的投影长度比例为1:3:1。
从图14可以看出，出口截面上除极薄的边界层外，主流区全部处于超音速状态，且马赫数变化较小，气流速度分布较均匀，符合高压圆盘气体轴承的设计要求。
由此可见，采用三段相切圆弧曲线形式的轴对称收缩段，与内环向射流稳压腔装配在一起形成的稳流装置，向采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承供气，能够满足轴承过渡段入口的气流均匀性条件，并且使轴承间隙出口很好地实现了超音速流动，为高压圆盘气体轴承的设计理论研究提供了有利条件。同时，这种三段相切圆弧曲线形式的轴对称收缩段，可以避免采用已有高阶连续曲线作为收缩段型线带来的高成本和高加工难度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。