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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(jì)算

2024年10月26日

1. 問題描述


可傾瓦徑向軸承由多個(gè)能繞支點(diǎn)自適應(yīng)擺動(dòng)的徑向瓦塊組成（圖1），與轉(zhuǎn)子形成的動(dòng)壓油楔在高速運(yùn)行時(shí)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性及適應(yīng)性，如不考慮瓦塊質(zhì)量慣性和支點(diǎn)摩擦阻尼等作用時(shí)具有極高的穩(wěn)定性能，因此廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)以及齒輪箱等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械?？蓛A瓦軸承流場分析計(jì)算屬于復(fù)雜多物理場問題，同時(shí)由于制造和裝配誤差及高負(fù)載影響下，轉(zhuǎn)子在實(shí)際運(yùn)行工況中多處于偏斜狀態(tài)（圖2），增加了計(jì)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(jì)算參數(shù)和模型


設(shè)計(jì)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(fù)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(jìn)油溫度T=45℃。


差分法求解雷諾方程在早期滑動(dòng)軸承的潤滑性能計(jì)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)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(jì)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(jì)算油膜流場，設(shè)定入口壓力0.2Mpa、進(jìn)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(dòng)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(jì)算結(jié)果


圖4為轉(zhuǎn)子偏斜角度θ=0°、0.02°、0.03°時(shí)的油膜壓力分布，采用單向流熱耦合計(jì)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(yùn)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(jìn)行計(jì)算，采用低雷諾數(shù)修正的湍流模型進(jìn)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。