推力軸承系統(tǒng)流場(chǎng)分析

張培良，張 宏，吳軍令

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

推力軸承系統(tǒng)流場(chǎng)分析

張培良，張 宏，吳軍令

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

建立推力軸承流場(chǎng)有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，求得流場(chǎng)的流態(tài)、速度及壓力分布情況。為推力軸承性能計(jì)算提供邊界條件。

推力軸承；FLUENT；流場(chǎng)分析

0 引言

研究推力軸承潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)參數(shù)，對(duì)高速重載流體潤(rùn)滑推力軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，確保電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行都具有重要意義。旋轉(zhuǎn)鏡板與推力瓦之間的流體楔中潤(rùn)滑流體的內(nèi)摩擦和流體槽中的流體被激烈攪拌而產(chǎn)生的熱量使流體溫升高，冷卻器與這些熱流體進(jìn)行熱交換使流體溫度降低，流體槽中的流體流動(dòng)情況直接影響流體與瓦以及流體與冷卻器的熱交換，進(jìn)一步影響了瓦的溫度分布，因此研究流體槽內(nèi)部的流場(chǎng)，對(duì)推力軸承潤(rùn)滑參數(shù)的計(jì)算，特別是溫度場(chǎng)的計(jì)算（最終是計(jì)算推力瓦的熱變形）提供可靠的邊界條件，對(duì)冷卻器的正確設(shè)計(jì)和安裝都具有重要意義。

推力軸承設(shè)計(jì)難度很大，不僅要重視瓦的支撐結(jié)構(gòu)、瓦材料的選擇、鏡板加工精度的控制，同時(shí)推力軸承潤(rùn)滑流體的冷卻方式及結(jié)構(gòu)的研究也同樣重要，推力軸承運(yùn)行可靠性主要取決于瓦的支撐方式（減少瓦的機(jī)械變形）和潤(rùn)滑流體的冷卻結(jié)構(gòu)，使流體循環(huán)合理、散熱效果好，同時(shí)降低瓦的熱變形。所以研究軸承周邊內(nèi)部流場(chǎng)有很重大的意義。

1 軸承流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及有限元模型

根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)立式布置的需要，整個(gè)推力軸承由上、下兩組軸承組成，以便在機(jī)組啟動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要承受方向向下的轉(zhuǎn)子自重，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要承受方向向上的流體推力[1]。除此之外，它還要滿足正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。

流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，流體從上軸承1處流入，沿徑向方向流進(jìn)飛輪與側(cè)壁間隙，再?gòu)南螺S承2處流出，從軸承間隙和瓦面流出。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)

推力軸承內(nèi)部流體的流動(dòng)為三維定常不可壓粘性流動(dòng)。描述其流動(dòng)的基本方程為質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。本文計(jì)算中將旋轉(zhuǎn)件表面轉(zhuǎn)動(dòng)線速度化為無(wú)量綱的單位1，流場(chǎng)最高壓力也化為單位1，其余數(shù)值按比例。

推力軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，而推力軸承的流體膜是存在于推力軸承的鏡板和瓦之間、長(zhǎng)度和寬度以米來(lái)計(jì)、厚度卻小于毫米的一個(gè)流場(chǎng)，所以間隙和1/6模型的網(wǎng)格直接劃分則無(wú)法連接，這就需要進(jìn)行網(wǎng)格搭接即構(gòu)建一個(gè)間隙和1/6模型的搭接模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)這三部分采用分塊劃分，即對(duì)間隙部分和剩余的整體部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

網(wǎng)格搭接的結(jié)果如圖1所示，圖2中3處為0.1mm厚間隙流場(chǎng)，4處為軸承周邊流場(chǎng)。

圖2 網(wǎng)格處理示意圖

圖3 流場(chǎng)整體網(wǎng)格

圖4 軸承處流場(chǎng)模型網(wǎng)格剖視

邊界條件：進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界條件用于給定進(jìn)口的速度及其他相關(guān)標(biāo)量值，進(jìn)水口速度為0.014。因計(jì)算模型是整個(gè)流體槽的1/6，故計(jì)算模型的出、入口兩側(cè)滿足周期性邊界。采用標(biāo)準(zhǔn)模型；在轉(zhuǎn)動(dòng)部件與流體接觸的邊界，流體流的角速度是旋轉(zhuǎn)部件的線速度為1，采用wall；除周期性邊界、拖動(dòng)邊界外，模型其余邊界為固壁，采用wall。

計(jì)算結(jié)果及分析整體流場(chǎng)的內(nèi)表面的速度和軸與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度一致，最高速度為1，軸承周圍流場(chǎng)流動(dòng)速度在0.051左右[2,3]。

推力軸承高壓區(qū)均位于流體進(jìn)口邊區(qū)域，壓力從流體間隙進(jìn)口處向內(nèi)逐步遞減，高壓區(qū)壓力1，低壓為0.887。流體計(jì)算的時(shí)候液膜模型的厚度是常數(shù)，不同液膜厚度對(duì)應(yīng)的壓力不同。

圖5 流場(chǎng)內(nèi)壁速度分布

圖6 壓力分布

圖5為流場(chǎng)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件接觸面的速度分布，圖6為流場(chǎng)整體壓力分布。圖7為上軸承流體的跡線軌跡，圖中4號(hào)和5號(hào)區(qū)域的周向截面速度分布見(jiàn)圖8和圖9。流場(chǎng)徑向截面速度分布分別對(duì)應(yīng)的是圖10和圖11。圖12為下軸承流體的跡線軌跡。

圖7 上軸承流體跡線（進(jìn)流體）

由圖9 可見(jiàn)，流體受到瓦身的阻礙，上下軸承均產(chǎn)生速度0.077垂直鏡板運(yùn)動(dòng)方向的速度。

上軸承處的渦動(dòng)速度大于下軸承處，因?yàn)樯陷S承處的離心速度與流體動(dòng)方向相同為0.02，而下軸承處的離心速度與流體流動(dòng)方向相反，為0.015。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的周向流碰到軸承阻擋時(shí)速度矢量方向改為垂直周向速度，因此形成了瓦面進(jìn)口流體的旋渦。流體在瓦面出口側(cè)由于飛輪的轉(zhuǎn)速高。流體膜處液速流出，且飛輪面附近一定范圍內(nèi)流體速度較高，為了使出流體邊的液體及時(shí)得到補(bǔ)充，就有液體向出流體邊流動(dòng)的分量，如圖8所示。

圖8 上軸承左側(cè)流場(chǎng)速度分布（截面）

圖9 上軸承右側(cè)流場(chǎng)速度分布（截面）

圖10 上推力軸承進(jìn)流體側(cè)

液體由很大的垂直分量，沿徑向向外垂直速度增大到6m/s左右。

從上推力軸承進(jìn)流體側(cè)和出流體側(cè)速度分布圖可見(jiàn)，進(jìn)流體側(cè)由于瓦身的阻礙產(chǎn)生旋渦，上軸承處的速度矢量向下，對(duì)于下軸承處的速度矢量則向上。

3 結(jié)論

（1）建立了間隙流體潤(rùn)滑膜和軸承周邊流場(chǎng)的全流場(chǎng)模型，并利用有限元軟件求得了流場(chǎng)的壓力、速度和流態(tài)。

圖11 上推力軸承出流體側(cè)

圖12 下軸承流體跡線（截面流態(tài)略）

（2）研究得出了軸承周邊流場(chǎng)的流態(tài)與速度分布，進(jìn)而可以得出軸承周邊的對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)軸承性能的有限元研究提供邊界條件計(jì)算支持。

[1] 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]. 北京理工大學(xué)出版社, 2004, 6.

[2] 李景惠, 李永海, 向敬忠. 推力軸承流體槽流體流態(tài)的可視性研究[D] .哈爾濱理工大學(xué), 2000, 5(2): 5558.

[3] 張兆順, 崔桂香, 許春曉. 湍流理論與模擬[M].清華大學(xué)出版社, 2005.

審稿人：武中德

FlowFieldAnalysisofThrustBearing System

ZHANG Peiliang, ZHANG Hong, WU Junling
(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

Flow field of thrust bearing finite element model was established and the finite element analysis was executed, get the flow regime, velocity and pressure distribution of the flow field, providing boundary condition for thrust bearing performance calculation.

thrust bearing; FLUENT; flow field analysis

TM39

A

1000-3983(2016)02-0012-03

2015-07-11

張培良(1985-)，男，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)軸承技術(shù)。