基于CFD方法的滑动轴承多相流油膜稳定性分析

基于CFD方法的滑动轴承多相流油膜稳定性分析
裴振英;张旭
【摘要】The model of multi-phase flow oil film in journal bearing was established with CFD method.The oil film load,maximum pressure and gas-liquid ratio at different rotation speed and eccentric ratio were respectively calculated.The rules of the oil film stability varied with rotation speed and eccentric ratio were obtained and the reasons of these were ana-lyzed.The variation of stability of steam turbine generator unit in accelerating process was illustrated using the rules.The results show that the oil film load and maximum pressure are increased,the ratio and area of vaporization are expanded with increasing rotation speed at constant eccentric ratio condition or with enlarging eccentric ratio at constant speed condition. Consequently,higher rotation speed or larger eccentric ratio will deteriorate the stability of oil film.%应用计算流体力学方法，使用多相流模型，建立滑动轴承中的油膜模型；计算不同的转速和偏心率下油膜的载荷、最大压力和气化比例，分析它们随转速和偏心率的变化规律；利用该规律说明了实际汽轮发电机组在升速过程中的稳定性的变化。

结果表明：在偏心率不变的条件下，随着转速的增加，或在转速不变的条件下，随着偏心率的增加，油膜载荷和最大压力均增加，油膜的气化比例提高，气化面积增加，因此转速过高或过低，偏心率过大或过小都会使油膜的稳定性下降。

【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】5页(P96-100)
【关键词】滑动轴承;多相流;油膜;转速;偏心率
【作者】裴振英;张旭
【作者单位】沈阳工程学院仿真中心辽宁沈阳 110136;沈阳工程学院仿真中心辽宁沈阳 110136
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.6
滑动轴承中的油膜起到支撑转子质量、确定转子径向位置、冷却和润滑转子等作用。

油膜的工作情况直接影响到旋转设备能否安全、稳定运行。

因此国内外学者对滑动轴承中的油膜做了大量的研究。

计算流体力学方法(即CFD方法)是目前普遍采用的一种数值计算方法[1]，该方法
可通过直接求解N-S方程研究滑动轴承中的油膜工作情况。

高庆水等[2]用该方法分析了滑动轴承全周油膜的压力分布，并讨论了上下瓦开槽对油膜压力分布以及载荷的影响。

Guo等[3]用该方法计算了半周油膜的压力和动力特性系数。

而运行中
实际的油膜既非全周油膜又非半周油膜，其完整油膜的范围略大于半周油膜[4]。

谢帆等人[5]用有限差分法计算了径向滑动轴承的压力分布。

本文作者曾用CFD方法研究了滑动轴承实际油膜特性[6]，模拟了油膜的静态特性和气化比例，与油膜
实际情况吻合良好。

本文作者通过建立滑动轴承多相流油膜的数学模型，研究转子转速和偏心率对油膜的静态特性和气化比例的影响；分析汽轮发电机组运行时，滑动轴承转速和偏心率对机组稳定性的影响。

轴瓦与转轴之间的楔形间隙是油膜形成动压的主要几何条件，在圆柱形轴承中顺着
转轴旋转的方向存在着一个收敛的楔形间隙和一个开阔的楔形间隙。

一种假设认为2个楔形间隙中都存在完整的油膜，即全周油膜(Sommerfeld边界条件)，另一种假设认为只有收敛的楔形间隙中存在完整的油膜，即半周油膜(半Sommerfeld边界条件)。

然而实际的油膜并非以上2种形式，其完整油膜的终止边取决于雷诺边界条件：p=pa且=0或=0
式中：pa为大气压力。

此可称为自然破裂边界条件。

由此得出的油膜长度以及压力分布如图1所示。

图1表示一圆柱形轴承，在外载荷F作用下，轴颈中心Oj相对于轴承中心O处在一偏心位置上工作。

偏心距为e，偏心角为θ。

在连心线OOj的延长线上，一端有最大间隙hmax=c+e，另一端有最小间隙hmin=c-e，其中c为半径间隙，c=R-r，R为轴承孔半径，r为轴颈半径。

雷诺边界条件实际上也就是解决了不含负压的最长油膜。

至于z方向(轴向)的边界条件，是轴承两端压力等于环境压力，设原点取在轴承长度中央，则为：
z=±时， p=pa
如果以表压力代替绝对压力作为变量(仍以p表示)，则方程不变而p=pa的边界条件变为p=0。

这样，对于360°圆柱轴承，可用下列边界条件：
轴承两端，z=±,p=0
起始边上，Φ=θ或φ=0,p=0
终止边上，p=0, =0或=0
2.1 控制方程
利用FLUENT流体力学计算软件对多项流油膜采用求解不可压缩N-S方程的方法
进行求解。

方程形式如下：
++=0
式(6)、(7)和(8)分别为流体沿x、y和z方向的不可压缩N-S方程，式(9)为连续性方程。

其中，ρ为流体的密度；t为时间；vx、vy和vz分别为流体沿x、y和z方向的速度；X、Y和Z分别为流体沿x、y和z方向的彻体力(例如重力)；p为压力；μ为流体的动力黏度。

2.2 数学模型的建立
利用FLUENT流体力学计算软件[7]中的多相流[8]模型，模拟雷诺边界条件下的实际油膜，建立的计算模型如图2所示。

图2 为一圆柱轴承的轴向结构示意图，转子绕其中心Oj以角速度ω逆时针旋转，转子半径为r，轴承孔半径为R,偏心距为e，垂直向下。

劣弧12为润滑油入口段。

它的几何尺寸见表1。

多相流油膜的参数设定见参考文献[6]。

3.1 转速和偏心率对多相流油膜载荷和最大压力的影响
在计算模型的几何尺寸、计算网格划分和条件设置不变的条件下，计算了偏心率不变时，转速的改变对多相流油膜最大压力和油膜载荷的影响，以及转速不变时，偏心率的改变对多相流油膜最大压力和油膜载荷的影响。

计算所采用的偏心率ε为0.3、0.4、0.5和0.7，转速ω为1 000、3 000、5 000、7 000、9 000 r/min。

图3示出了偏心率ε=0.3时，多相流油膜的压力分布随转速的变化情况。

如图3所示，偏心率ε=0.3时，在收敛楔形区域内，随着转速的升高，多相流油
膜的最大压力增加，开阔楔形区域内的压力降低，并且压力恒定的区域增加。

用同样的方法求出偏心率ε分别为0.3、0.4和0.7时，多相流油膜载荷和最大压
力随转速的变化，见表2。

可知，在偏心率不变的条件下，多相流油膜载荷和最大压力随转速的增加而加大。

这是因为在偏心率不变的条件下，随着转速的增加，转子表面的切向速度增加，转
子对油膜的切向挤压力加大，随着切向挤压力的加大，转子对油膜的挤压作用加强，所以油膜就会产生更大的动压来抵抗加大的挤压力，油膜载荷和最大压力就会相应的增加。

而在转速不变的条件下，多相流油膜载荷和最大压力随偏心率的增加而加大。

这是因为在转速不变的条件下，随着偏心率的增加，收敛区域的径向间隙减小，油膜被压缩的程度加剧，使油膜产生更大的动压来抵抗更大的径向挤压力，所以全周油膜载荷和最大压力也会相应的增加。

该结论与汽轮发电机组升速过程中的油膜动压变化情况吻合良好。

500 r/min以前，由于转速低，油膜形成的动压较小，不能托起大轴，需借助顶轴油泵。

500 r/min 以后油膜建立起足够的动压，足以独立支撑大轴，此时可停止顶轴油泵运行。

但此时动压仍较小，需较大油量，故油膜厚度大、刚度小，轴心位置高，大轴运行不稳定。

随着转速的提高，油膜动压增加，同时油膜的厚度变小，轴心位置下降，大轴运行越来越稳定。

可见适当的转速有利于机组的稳定运行，但是当机组严重超速时，油膜动压过大，导致油膜过薄，甚至导致油膜破裂，使大轴与轴瓦摩擦，造成弯轴或断轴等恶性事故。

3.2 转速和偏心率对多相流油膜气化比例的影响
选取上述同样的转速和偏心率计算了转速对多相流油膜气化比例的影响。

图4示
出了偏心率ε=0.5时，转速对多相流油膜气化比例的影响。

如图4所示，在偏心率ε=0.5时，随着转速的升高，油膜气化比例随之增加，气
化面积随之加大。

在转速为1 000 r/min时，在开阔的楔形区域内，只有小部分
油膜发生了气化，并且在该气化区域内，最大的油膜气化比例为0.371。

而在转速为9 000 r/min时，在开阔楔形区域内，绝大部分的油膜发生了气化，且在该气
化区域内，最大的油膜气化比例为0.654。

在偏心率ε 分别为0.3、0.4和0.7时，用同样的方法得出汽化比例随转速的变化
关系，见表3。

可知，在偏心率保持不变的条件下，随着转速的升高，多相流油膜的气化比例增加，多相流油膜的气化面积加大。

这是因为在偏心率保持不变的条件下，随着转速的升高，转子对油膜的切向挤压作用加强，所以油膜的最大正压力随之升高，同时油膜的最大负压力的绝对值也是增加的，这就需要开阔楔形区域内有更多的油膜气化来抵消更大的负压，所以油膜的气化比例提高，气化面积增加。

并且在开阔楔形区域内，转速越快，比容增加越快，压力降低也就越快。

可见转速越高，承压的油膜面积越小，单位面积油膜的载荷随之增加。

而在转速不变的条件下，油膜的气化比例和气化面积都随偏心率的增加而加大，但增加的程度不是很大。

(1)在偏心率不变的条件下，多相流油膜载荷和最大压力随转速的增加而加大，并
且在转速不变的条件下，多相流油膜载荷和最大压力随偏心率的增加而加大。

(2)在偏心率保持不变的条件下，随着转速的升高，油膜的气化比例提高，气化面
积增加。

并且在开阔楔形区域内，转速越快，比容增加越快，压力降低也就越快。

可见转速越高，承压的油膜面积越小，单位面积油膜的载荷随之增加。

而在转速不变的条件下，油膜的气化比例和气化面积都随偏心率的增加而加大，但增加的程度不是很大。

(3)转速的过低或多高，偏心率的过大或过小都会使油膜的刚度降低，机组运行的
稳定性下降，实际运行的机组要保证最佳的转速和偏心率是非常重要的。

【相关文献】
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