推力軸承系統流場分析

張培良，張 宏，吳軍令

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

推力軸承系統流場分析

張培良，張 宏，吳軍令

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

建立推力軸承流場有限元模型，對其進行有限元分析，求得流場的流態、速度及壓力分布情況。為推力軸承性能計算提供邊界條件。

推力軸承；FLUENT；流場分析

0 引言

研究推力軸承潤滑及冷卻系統內部的流場參數，對高速重載流體潤滑推力軸承的結構設計和優化，確保電動機的安全運行都具有重要意義。旋轉鏡板與推力瓦之間的流體楔中潤滑流體的內摩擦和流體槽中的流體被激烈攪拌而產生的熱量使流體溫升高，冷卻器與這些熱流體進行熱交換使流體溫度降低，流體槽中的流體流動情況直接影響流體與瓦以及流體與冷卻器的熱交換，進一步影響了瓦的溫度分布，因此研究流體槽內部的流場，對推力軸承潤滑參數的計算，特別是溫度場的計算（最終是計算推力瓦的熱變形）提供可靠的邊界條件，對冷卻器的正確設計和安裝都具有重要意義。

推力軸承設計難度很大，不僅要重視瓦的支撐結構、瓦材料的選擇、鏡板加工精度的控制，同時推力軸承潤滑流體的冷卻方式及結構的研究也同樣重要，推力軸承運行可靠性主要取決于瓦的支撐方式（減少瓦的機械變形）和潤滑流體的冷卻結構，使流體循環合理、散熱效果好，同時降低瓦的熱變形。所以研究軸承周邊內部流場有很重大的意義。

1 軸承流場結構特點及有限元模型

根據機組結構立式布置的需要，整個推力軸承由上、下兩組軸承組成，以便在機組啟動和低速運轉時主要承受方向向下的轉子自重，在正常運轉時主要承受方向向上的流體推力[1]。除此之外，它還要滿足正、反向轉動的要求。

流場結構如圖1所示，流體從上軸承1處流入，沿徑向方向流進飛輪與側壁間隙，再從下軸承2處流出，從軸承間隙和瓦面流出。

圖1 軸承結構

推力軸承內部流體的流動為三維定常不可壓粘性流動。描述其流動的基本方程為質量守恒方程和動量守恒方程。本文計算中將旋轉件表面轉動線速度化為無量綱的單位1，流場最高壓力也化為單位1，其余數值按比例。

推力軸承結構復雜、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、長度和寬度以米來計、厚度卻小于毫米的一個流場，所以間隙和1/6模型的網格直接劃分則無法連接，這就需要進行網格搭接即構建一個間隙和1/6模型的搭接模型進行網格劃分，在網格劃分時對這三部分采用分塊劃分，即對間隙部分和剩余的整體部分采用結構化網格。

網格搭接的結果如圖1所示，圖2中3處為0.1mm厚間隙流場，4處為軸承周邊流場。

圖2 網格處理示意圖

圖3 流場整體網格

圖4 軸承處流場模型網格剖視

邊界條件：進口為速度進口邊界條件用于給定進口的速度及其他相關標量值，進水口速度為0.014。因計算模型是整個流體槽的1/6，故計算模型的出、入口兩側滿足周期性邊界。采用標準模型；在轉動部件與流體接觸的邊界，流體流的角速度是旋轉部件的線速度為1，采用wall；除周期性邊界、拖動邊界外，模型其余邊界為固壁，采用wall。

計算結果及分析整體流場的內表面的速度和軸與飛輪的轉動線速度一致，最高速度為1，軸承周圍流場流動速度在0.051左右[2,3]。

推力軸承高壓區均位于流體進口邊區域，壓力從流體間隙進口處向內逐步遞減，高壓區壓力1，低壓為0.887。流體計算的時候液膜模型的厚度是常數，不同液膜厚度對應的壓力不同。

圖5 流場內壁速度分布

圖6 壓力分布

圖5為流場與轉動部件接觸面的速度分布，圖6為流場整體壓力分布。圖7為上軸承流體的跡線軌跡，圖中4號和5號區域的周向截面速度分布見圖8和圖9。流場徑向截面速度分布分別對應的是圖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（進流體）

由圖9 可見，流體受到瓦身的阻礙，上下軸承均產生速度0.077垂直鏡板運動方向的速度。

上軸承處的渦動速度大于下軸承處，因為上軸承處的離心速度與流體動方向相同為0.02，而下軸承處的離心速度與流體流動方向相反，為0.015。

轉動部件運動產生的周向流碰到軸承阻擋時速度矢量方向改為垂直周向速度，因此形成了瓦面進口流體的旋渦。流體在瓦面出口側由于飛輪的轉速高。流體膜處液速流出，且飛輪面附近一定范圍內流體速度較高，為了使出流體邊的液體及時得到補充，就有液體向出流體邊流動的分量，如圖8所示。

圖8 上軸承左側流場速度分布（截面）

圖9 上軸承右側流場速度分布（截面）

圖10 上推力軸承進流體側

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。

從上推力軸承進流體側和出流體側速度分布圖可見，進流體側由于瓦身的阻礙產生旋渦，上軸承處的速度矢量向下，對于下軸承處的速度矢量則向上。

3 結論

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

圖11 上推力軸承出流體側

圖12 下軸承流體跡線（截面流態略）

（2）研究得出了軸承周邊流場的流態與速度分布，進而可以得出軸承周邊的對流換熱系數。對軸承性能的有限元研究提供邊界條件計算支持。

[1] 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京理工大學出版社, 2004, 6.

[2] 李景惠, 李永海, 向敬忠. 推力軸承流體槽流體流態的可視性研究[D] .哈爾濱理工大學, 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年畢業于哈爾濱工業大學機械工程專業，工學碩士，工程師，主要研究方向為發電機軸承技術。