大幅角搖擺傾斜背景下柴油機(jī)油底殼滑油流動(dòng)仿真

黃曄暉，王正祎，李建，路勇

1. 中船重工集團(tuán)公司第711研究所，上海 201108

2. 哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性提出了更高的要求。對(duì)于柴油機(jī)來(lái)講，良好的潤(rùn)滑效果是達(dá)到更好經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的有效手段之一[1]。保證潤(rùn)滑系統(tǒng)工作可靠的最基本要求是：及時(shí)為柴油機(jī)各潤(rùn)滑及冷卻點(diǎn)輸送足夠的機(jī)油，同時(shí)需要保證整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)中不能存在較大的連片空氣。

現(xiàn)代復(fù)雜工作條件下，柴油機(jī)的工作環(huán)境往往伴隨著大幅度的搖擺和傾斜，例如復(fù)雜海況下的船舶復(fù)雜路況下的大型農(nóng)用設(shè)備等[2]。這些情況下柴油機(jī)油底殼極易產(chǎn)生晃動(dòng)，油底殼中機(jī)油液面非常不穩(wěn)定。如果吸油盤布置和液面高度不合理，容易使吸油盤露出油面，部分空氣被吸入到潤(rùn)滑油路，對(duì)柴油機(jī)工作產(chǎn)生重大影響[3]。為評(píng)估能否產(chǎn)生這一影響，對(duì)不同工作環(huán)境下油底殼內(nèi)機(jī)油晃動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析與評(píng)估。

隨著計(jì)算機(jī)性能及分析軟件的日趨成熟，與試驗(yàn)相比，流體仿真分析具有可預(yù)先研究、成本低、周期短以及可視性等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)[4]。尤其是對(duì)于先驗(yàn)設(shè)計(jì)而言，模擬仿真更是有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[5]。故本研究采用該仿真技術(shù)對(duì)油底殼機(jī)油晃動(dòng)進(jìn)行研究，直接觀察油面晃動(dòng)情況，最后對(duì)油底殼的現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)以及提出改進(jìn)方案。

1 幾何模型建立

所需的幾何模型根據(jù)TBD620系列柴油機(jī)油底殼建立，為2.2 m×0.46 m×0.45 m的不規(guī)則濕式柴油機(jī)油底殼。

由于柴油機(jī)幾何三維模型較為復(fù)雜，包含許多非流體計(jì)算區(qū)域的其他機(jī)構(gòu)，對(duì)油底殼內(nèi)流體的仿真沒有影響，故對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化[6]。

整個(gè)油底殼部分的細(xì)節(jié)較多，在計(jì)算時(shí)僅抽出包含有效流動(dòng)的流體區(qū)域和會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的固體區(qū)域，其余諸如壁厚、螺紋孔等細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。曲軸在柴油機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中保持旋轉(zhuǎn)，無(wú)法確定其特定時(shí)刻位置，故需對(duì)曲軸部分進(jìn)行化簡(jiǎn)[7]。

圖1 曲軸三維幾何模型

對(duì)于曲軸的化簡(jiǎn)采用將曲軸的旋轉(zhuǎn)過(guò)程抽象為圓柱體的策略，以曲軸最大半徑為基準(zhǔn)畫圓，生成圓柱體，此圓柱體即為曲軸的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。曲軸簡(jiǎn)化模型如圖1所示。可以認(rèn)為，在柴油機(jī)橫搖或縱搖過(guò)程中，有滑油碰到曲軸運(yùn)動(dòng)區(qū)域，即為有幾率發(fā)生攪油情況，將此作為無(wú)法達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之一。將所有應(yīng)用的三維幾何模型裝配，如圖2所示。

圖2 整體三維模型

2 油底殼液面仿真分析

采用ANSYS公司的Fluent軟件對(duì)油底殼內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬油底殼在固定頻率下橫搖和縱搖的過(guò)程，觀察整個(gè)液面由晃動(dòng)到平穩(wěn)的過(guò)程，評(píng)估油底殼及液位設(shè)計(jì)是否存在不合理的情況。

2.1 網(wǎng)格劃分

將整體模型分為2部分，油底殼、機(jī)殼和前后端蓋包圍的部分為流體區(qū)域；曲軸的運(yùn)動(dòng)區(qū)域、吸油盤、油泵和進(jìn)油管為固體區(qū)域。流體區(qū)域劃分體網(wǎng)格，固體區(qū)域僅劃分面網(wǎng)格。整體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 整體網(wǎng)格劃分

2.2 仿真方案

油底殼的設(shè)計(jì)包括油底殼中液面位置以及吸油盤布置兩方面。根據(jù)可能出現(xiàn)的情況，油底殼在晃動(dòng)過(guò)程中的幅度和頻率如表1所示

表1 油底殼晃動(dòng)要求

需驗(yàn)證的油底殼設(shè)計(jì)合理性標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)機(jī)油油量最大時(shí)(200 L)，滿足連桿、曲軸不產(chǎn)生可能會(huì)引起吸油盤附近出現(xiàn)空穴、造成空吸的攪油；當(dāng)機(jī)油油量最小時(shí)(150 L)，滿足吸油盤的位置在機(jī)油液面以下。

所有搖擺情況的過(guò)程無(wú)法完全模擬，故選取油底殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程的極限狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)幅角上采用最可能產(chǎn)生空吸現(xiàn)象的最大幅角；在周期上,根據(jù)目標(biāo)柴油機(jī)運(yùn)行條件，選用橫搖和縱搖最短周期、滑油受慣性力影響最大的3 s和4 s進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)最可能出現(xiàn)違反先驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的狀態(tài)[8]。若在此邊界條件下計(jì)算結(jié)果符合油底殼判斷標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為油底殼在任意周期，任意單自由度幅角角度內(nèi)的搖擺都符合標(biāo)準(zhǔn)。

共需進(jìn)行4組方案的計(jì)算：

圖4 橫搖縱搖方向示意

2.3 仿真結(jié)果及分析

計(jì)算分別模擬在200 L和150 L情況下油底殼中油相由0°傾斜到橫搖45°以及縱搖15°的過(guò)程。

兩相流采用流體體積函數(shù)(volume of fluid, VOF)模型。分別匹配200 L和150 L液相，液相流體為滑油；其余為氣相，流體為空氣。采用變重力方式來(lái)模擬油底殼搖動(dòng)過(guò)程。

在建立計(jì)算模型的過(guò)程中，流體的物性參數(shù)設(shè)置較為重要。本文僅對(duì)柴油機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下進(jìn)行仿真，在此情況下，油底殼工作環(huán)境溫度為80～120 ℃。由于空氣和滑油的物性參數(shù)，如動(dòng)力粘度系數(shù)等在此范圍內(nèi)變化幅度較小，且無(wú)法準(zhǔn)確模擬運(yùn)行時(shí)油底殼工作環(huán)境溫度變化規(guī)律，故采用平均溫度100 ℃下的物性參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的模擬仿真計(jì)算。經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)在橫搖到45°情況下攪油風(fēng)險(xiǎn)極低，主要可能風(fēng)險(xiǎn)在于吸油盤空吸；在縱搖到15°情況下吸油盤空吸風(fēng)險(xiǎn)極低，主要可能風(fēng)險(xiǎn)在于曲軸攪油。下文只針對(duì)可能存在風(fēng)險(xiǎn)的角度做截面分析。圖5～8中(a)～(c)分別為搖動(dòng)過(guò)程中的0.5、1、1.5 s截圖，(d)為運(yùn)行10 s液面穩(wěn)定后的截圖。在1.5～10 s內(nèi)，油底殼內(nèi)滑油液面呈現(xiàn)不規(guī)律晃動(dòng)趨勢(shì)，在圖中不一一列出，若其中存在不符合規(guī)則的情況，會(huì)在圖中單獨(dú)列出進(jìn)行說(shuō)明。

圖5 油量200 L縱搖過(guò)程截面液面分布

圖6 油量200 L橫搖過(guò)程截面相位分布

2.3.1 油量200 L搖動(dòng)結(jié)果分析

縱搖過(guò)程和極限傾角下持續(xù)工作過(guò)程如圖5所示，圖中紅色部分為液相，藍(lán)色部分為氣相。在整個(gè)縱搖過(guò)程中，油底殼中滑油在慣性作用下沖擊壁面，會(huì)有一部分飛濺到配重塊上，但這部分滑油量較少，不會(huì)引起曲軸攪油現(xiàn)象，同時(shí)可以為曲軸在一定程度上提供潤(rùn)滑效果，可以認(rèn)為原設(shè)計(jì)在200 L油量縱搖情況下合理。

橫搖過(guò)程和極限傾角下工作過(guò)程如圖6所示。圖6可看出，盡管橫搖過(guò)程幅角較大，橫搖過(guò)程中滑油液面位置非常不穩(wěn)定，但由于油量較大，滑油液面始終位于吸油盤上，不會(huì)出現(xiàn)吸油盤空吸風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，在200 L油量的狀態(tài)下，不管橫搖或是縱搖，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的油底殼中滑油可以完全沒過(guò)吸油盤，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不觸及到曲軸的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，未發(fā)生大面積攪油現(xiàn)象，現(xiàn)有油底殼設(shè)計(jì)符合要求。

縱搖過(guò)程和極限傾角下工作過(guò)程如圖7所示。

圖7 油量150 L縱搖過(guò)程截面相位分布

2.3.2 油量150 L搖動(dòng)結(jié)果分析

在150 L的狀態(tài)下，由于油底殼中滑油油量減少，曲軸大面積攪油的風(fēng)險(xiǎn)減小，如上圖6所示，在晃動(dòng)過(guò)程中只有較少體積滑油接觸到曲軸的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，且接觸部分液相占比集中在20%～40%，進(jìn)一步降低了攪油風(fēng)險(xiǎn)。

橫搖過(guò)程和極限傾角下工作過(guò)程如圖8所示。由于在這種工作條件下油量較小，橫搖傾角又偏大，在運(yùn)動(dòng)周期最小的情況下滑油隨著油底殼運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較大，慣性作用帶來(lái)的影響隨之增強(qiáng)，在2.3 s會(huì)出現(xiàn)液面未完全覆蓋吸油盤，吸油盤空吸的現(xiàn)象。雖然空吸現(xiàn)象時(shí)間很短，但也會(huì)造成油壓降低，潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

圖8 油量150 L橫搖過(guò)程截面相位分布圖

綜上，在150 L油量的狀態(tài)下，現(xiàn)有油底殼的布置設(shè)計(jì)可以滿足縱搖狀態(tài)下的安全運(yùn)行要求，但在橫搖45°的情況下，會(huì)出現(xiàn)空吸的風(fēng)險(xiǎn)[10]。故綜合200 L油量和150 L油量的極限運(yùn)行情況，現(xiàn)有柴油機(jī)油底殼布置設(shè)計(jì)不合理，需要改進(jìn)。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)情況，對(duì)油底殼設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)?？紤]到改進(jìn)方案的實(shí)用性，以不改變油底殼固定結(jié)構(gòu)和部件配合參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)[11]，計(jì)劃從兩方面提出改進(jìn)方案。其一為改變油底殼中滑油量，在油底殼中補(bǔ)油；其二為在吸油盤周圍增加擋板，使之附近存油量上升。

3.1 補(bǔ)油方案

補(bǔ)油方案較為簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但若補(bǔ)油量過(guò)高可能引起液位報(bào)警，這種方案下可能存在的風(fēng)險(xiǎn)僅由液位過(guò)高或過(guò)低造成，需驗(yàn)證最小和最大補(bǔ)油量下液面位置來(lái)判斷方案是否合理。根據(jù)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在大搖擺工況下油底殼液位傳感器工作量程一直保持正常的液位范圍確定補(bǔ)油量，最小和最大的補(bǔ)油量分別為40和70 L。

圖9所示為補(bǔ)油40 L情況下橫搖過(guò)程中最低液面位置。經(jīng)過(guò)補(bǔ)油后，在油底殼整個(gè)橫搖到最大傾角過(guò)程中，并未出現(xiàn)吸油盤空吸現(xiàn)象以及曲軸攪油現(xiàn)象，最小補(bǔ)油量合理。

圖9 補(bǔ)油40 L最低液位

由于在補(bǔ)油的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)偏差，根據(jù)最容易發(fā)生曲軸攪油現(xiàn)象的情況，即縱搖15°時(shí)的液面位置計(jì)算最大補(bǔ)油量。圖10所示為補(bǔ)油量70 L情況下縱搖到最大傾角過(guò)程中最高液面位置。在補(bǔ)油70 L縱搖時(shí)，最高液位處出現(xiàn)了滑油與曲軸運(yùn)動(dòng)區(qū)域接觸的現(xiàn)象，這是正常的攪油現(xiàn)象，輕度攪油有利于機(jī)體中曲軸等部位的飛濺潤(rùn)滑需要。從模擬結(jié)果來(lái)看，滑油液位與曲軸運(yùn)動(dòng)區(qū)域接觸面積較小，說(shuō)明滑油與曲軸僅少量接觸，不會(huì)引起空穴導(dǎo)致吸油盤空吸的風(fēng)險(xiǎn)，可以看作是正常攪油現(xiàn)象。

圖10 補(bǔ)油70 L最高液位

3.2 擋板方案

在吸油盤可能空吸的情況下，通過(guò)添加擋板的方式提高吸油盤附近的存油量也是防止空吸的有效手段[12]。這種方案下可能存在的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于2個(gè)方面：1)最短周期內(nèi)劇烈搖擺帶來(lái)的液位變化使得最高液面在吸油盤之下；2)最長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)緩慢搖擺時(shí)，擋板過(guò)高，擋住低液位側(cè)滑油進(jìn)入吸油盤區(qū)域，造成吸油盤空吸。以下針對(duì)這兩點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

由于擋板添加于油底殼內(nèi)，只與滑油接觸，不易銹蝕，故選用螺栓連接。這種連接方式相對(duì)焊接有著便于拆卸以及連接質(zhì)量較高的優(yōu)勢(shì)。考慮到吸油盤邊緣與相鄰的橫向肋板的距離以及與回油管的位置關(guān)系，建立主要擋板尺寸為495 mm×5 mm×40 mm；擋板連接處的尺寸為20 mm×5 mm×40 mm，縱向擋板的設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 縱向擋板示意

添加縱向擋板后，最短周期(3 s)滑油量150 L橫搖到45°過(guò)程中與未添加擋板前最易空吸液面位置如圖12所示。添加擋板后，當(dāng)油底殼隨著船體快速晃動(dòng)時(shí)，吸油盤吸油口附近的油液會(huì)在向油底殼側(cè)壁運(yùn)動(dòng)之前沖擊擋板，此部分滑油在慣性作用下沖擊油底殼側(cè)壁流動(dòng)阻力明顯增大，起到了存油效果[13]。同時(shí)由于擋板的高度在吸油盤吸油口之上，能保證其附近的滑油在油底殼橫搖過(guò)程中吸油口附近始終有沒過(guò)吸油口的滑油。添加擋板后，由于擋板的存油作用，吸油盤不存在空吸的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 最短周期內(nèi)最低液位

隨著周期的延長(zhǎng)，擋板的存油作用逐漸變小，同時(shí)滑油受慣性力作用也逐漸減小。對(duì)最長(zhǎng)周期(14 s)油量150 L橫搖到45°的過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，過(guò)程中最低液位和未添加擋板的最低液位如圖13所示，在運(yùn)動(dòng)中液面位置始終在吸油盤之上。

圖13 最長(zhǎng)周期內(nèi)最低液位

在最長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的情況下?lián)醢遄饔弥饾u減小，在液面緩慢的運(yùn)動(dòng)中，因?yàn)閾醢甯叨扔?jì)算較為合理，并沒有出現(xiàn)低液位側(cè)滑油被擋在吸油盤之外從而造成空吸的情況。但此時(shí)空吸的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于擋板附近產(chǎn)生的空穴。圖14所示為運(yùn)動(dòng)周期中距離吸油盤最近的、規(guī)模最大的空穴，認(rèn)為此時(shí)是最易空吸的時(shí)刻?？昭ㄖ饕遣糠只驮谶\(yùn)動(dòng)時(shí)沖擊擋板，形成小范圍的回流時(shí)卷入空氣造成的。這種空穴主要出現(xiàn)在擋板的外側(cè)，持續(xù)時(shí)間短、尺度較小，不會(huì)對(duì)吸油盤造成空吸的風(fēng)險(xiǎn)，故認(rèn)為擋板策略在最長(zhǎng)周期內(nèi)也可滿足要求。

圖14 空穴示意

經(jīng)過(guò)以上分析研究，添加擋板的方案可以有效消除吸油盤空吸的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文提出一種有效的油底殼簡(jiǎn)化方式，在油底殼相關(guān)計(jì)算中可以在不影響精度的前提下大幅減少計(jì)算量。在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有油底殼布置設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，得到如下結(jié)論：

1)在設(shè)計(jì)滑油量最高(200 L)的情況下，單獨(dú)橫搖45°或縱搖15°的過(guò)程中，現(xiàn)有油底殼布置設(shè)計(jì)均滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)攪油空吸的風(fēng)險(xiǎn)。

2)在設(shè)計(jì)滑油量最低(150 L)的情況下，單獨(dú)縱搖15°的過(guò)程中，現(xiàn)有油底殼布置設(shè)計(jì)均滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)攪油空吸的風(fēng)險(xiǎn)。

3)在設(shè)計(jì)滑油量最低(150 L)的情況下，單獨(dú)橫搖45°的過(guò)程中，現(xiàn)有油底殼布置設(shè)計(jì)不滿足要求，會(huì)出現(xiàn)空吸的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出兩種改進(jìn)方式，在不改變油底殼固定結(jié)構(gòu)和部件配合參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的情況下有效消除風(fēng)險(xiǎn)：

1)補(bǔ)油方式，通過(guò)驗(yàn)證吸油盤不會(huì)空吸條件得出最小補(bǔ)油量為40 L，即總滑油量190 L；通過(guò)驗(yàn)證曲軸不會(huì)攪油條件得出最大補(bǔ)油量為70 L，即總滑油量為270 L；

2)通過(guò)螺栓連接方式在吸油盤兩側(cè)的橫向肋板之間添加縱向擋板，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，設(shè)計(jì)高為4 mm的擋板為可消除風(fēng)險(xiǎn)。