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轉(zhuǎn)子偏斜影響下的可傾瓦徑向軸承油膜特性計算

2024年10月26日

1. 問題描述


可傾瓦徑向軸承由多個能繞支點自適應(yīng)擺動的徑向瓦塊組成（圖1），與轉(zhuǎn)子形成的動壓油楔在高速運行時具有較強穩(wěn)定性及適應(yīng)性，如不考慮瓦塊質(zhì)量慣性和支點摩擦阻尼等作用時具有極高的穩(wěn)定性能，因此廣泛應(yīng)用于燃氣輪機、壓縮機、汽輪機以及齒輪箱等高速旋轉(zhuǎn)機械?？蓛A瓦軸承流場分析計算屬于復(fù)雜多物理場問題，同時由于制造和裝配誤差及高負載影響下，轉(zhuǎn)子在實際運行工況中多處于偏斜狀態(tài)（圖2），增加了計算分析難度。因此，本文采用CFD方法探究轉(zhuǎn)子偏斜對可傾瓦徑向軸承潤滑性能的影響。


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圖1 可傾瓦徑向軸承結(jié)構(gòu)示意


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圖2 轉(zhuǎn)子偏斜示意


2. 計算參數(shù)和模型


設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)子名義尺寸D=140mm，瓦寬B=70mm，直徑間隙比ψ=1.5‰，預(yù)負荷系數(shù)m=0.6，偏支系數(shù)0.5，5瓦可傾瓦，瓦間支承；

工況參數(shù)：載荷Fw=13700N，轉(zhuǎn)速n=11000rpm；

潤滑參數(shù)：滑油牌號VG32，供油壓力：0.2Mpa，進油溫度T=45℃。


差分法求解雷諾方程在早期滑動軸承的潤滑性能計算中得到了廣泛使用，但對模型做出了較多假設(shè)。CFD方法可以充分考慮流體慣性力、體積力等影響，實現(xiàn)更精準的求解。油膜幾何模型及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示。
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圖3 油膜幾何模型及網(wǎng)格劃分
3. 流場仿真計算
3.1 邊界條件


采用壓力基求解器，采用SIMPLE算法求解穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的油膜流場，開啟能量方程計算油膜流場，設(shè)定入口壓力0.2Mpa、進油溫度45°，出口壓力為大氣壓。在高速旋轉(zhuǎn)工況下，軸承腔內(nèi)油膜流動已出現(xiàn)超層流，因此采用低雷諾數(shù)修正的k-ω SST湍流模型，不考慮空化影響。


3.2 計算結(jié)果


圖4為轉(zhuǎn)子偏斜角度θ=0°、0.02°、0.03°時的油膜壓力分布，采用單向流熱耦合計算油膜及瓦塊和軸承溫度，結(jié)果如圖5所示。

據(jù)圖4、5：

（1）隨著轉(zhuǎn)子偏斜角度的增加，最大油膜壓力逐漸增大，高壓區(qū)也逐漸向前端遷移；

（2）承載瓦溫度較高，瓦塊表面溫度沿轉(zhuǎn)子旋向逐漸升高，轉(zhuǎn)子偏斜狀態(tài)下最高溫度均出現(xiàn)在瓦塊末端，并位于最小膜厚區(qū)域；轉(zhuǎn)子偏斜程度增加瓦溫將超過安全運行溫度。


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a) θ=0°          b) θ=0.02°          c) θ=0.03°
圖4 不同轉(zhuǎn)子偏斜角度下油膜的壓力分布
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a) θ=0°          b) θ=0.02°          c) θ=0.03°


圖5 不同轉(zhuǎn)子偏斜角度下軸承及瓦塊溫度分布


4. 總結(jié)


對轉(zhuǎn)子不同偏斜角度下可傾瓦徑向軸承油膜特性進行計算，采用低雷諾數(shù)修正的湍流模型進行求解，探討和分析不同偏斜角度下油膜壓力場、溫度場分布以及相應(yīng)的變化趨勢。