噴油潤滑工況下可傾瓦推力軸承推力瓦熱變形研究

李永海，沈 健，孫向志，馬 珅，武鼎超

(1.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080； 2.中國船舶重工集團公司第703研究所，哈爾濱 150078 )

0 引 言

可傾瓦推力軸承在船舶推進軸系中具有廣泛的應用，其需要完成將船舶推進器產(chǎn)生的軸向力傳遞給船體的工作，作為機組的“心臟”部件，其工作性能的優(yōu)劣，直接影響它的效率及可靠性[1]。隨著船舶總體性能的提高，推進軸系的推力負載隨之增大，推力軸承的結(jié)構(gòu)尺寸也將顯著增大[2]。

可傾瓦推力軸承穩(wěn)定運行過程中，鏡板會帶動潤滑油運動，當潤滑油流經(jīng)由鏡板和推力瓦面形成的楔形間隙時會產(chǎn)生動壓效應，對軸系起到軸向支承作用[3]。由于鏡板的高速運動會使油膜產(chǎn)生大量的摩擦熱，這些熱量會導致推力瓦產(chǎn)生熱變形[4]。實驗表明，推力瓦的熱變形會達到與油膜厚度同一個數(shù)量級，嚴重時會導致油膜難以維持，產(chǎn)生油膜破裂現(xiàn)象使得推力瓦與鏡板直接接觸并產(chǎn)生燒瓦事件[5-8]。

可傾瓦推力軸承的潤滑方式分為浸油潤滑和噴油潤滑。浸油潤滑工況下，推力軸承的推力瓦始終浸沒在油池內(nèi)，靠鏡板將油池內(nèi)潤滑油帶入楔形間隙從而形成有效潤滑油膜；噴油潤滑工況下，噴油嘴將潤滑油直接噴射在鏡板上，再由鏡板帶入楔形間隙。目前對推力瓦的研究大多基于浸油潤滑工況，對噴油潤滑工況下的推力瓦研究較少，本文將分析噴油潤滑工況下推力瓦的熱變形情況。為此，作者先用Fortran語言編寫的潤滑計算程序?qū)τ湍囟葓鲞M行數(shù)值求解，再利用ANSYS進行推力瓦三維建模并對推力瓦熱變形進行數(shù)值仿真求解。

1 數(shù)學模型建立

可傾瓦推力軸承實際運行時，有諸多因素會對其工作性能產(chǎn)生影響且情況復雜，若全部考慮會使得計算量增加并導致模型可求解性降低，因此本文做出如下假設(shè)：

1)潤滑油的流動為層流且其與推力瓦表面不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象；

2)推力軸承在穩(wěn)定運行時，油膜厚度在幾十微米范圍內(nèi)，可認為在膜厚方向上壓力值、溫度值保持不變，這樣可以將數(shù)值求解得到的油膜壓力場和溫度場施加在推力瓦模型表面；

3)推力瓦材料為鋼基，表層澆鑄有巴氏合金，為簡化計算，將推力瓦看作理想彈性體，即推力瓦滿足連續(xù)性、完全彈性、各向同性、均勻性4個條件；

4)忽略推力瓦表面粗糙度以及平面度的影響；

5)不考慮鏡板的受熱變形以及受力變形；

6)潤滑油的比熱容、體積膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)均為常數(shù)；

7)忽略推力軸承安裝誤差，即各個推力瓦均勻受力。

1.1 油膜溫度場計算

油膜溫度來源于油膜的剪切和壓縮產(chǎn)生的摩擦熱，通過聯(lián)立雷諾方程、能量方程、油膜形狀方程、熱油攜帶方程、粘溫方程并對其進行數(shù)值求解來確定某一工況下推力瓦瓦面的油膜溫度場[9-12]。

1.2 導熱方程

與推力瓦上表面相對運動的鏡板做勻速圓周運動，在推力瓦內(nèi)無其他熱源，可視作穩(wěn)態(tài)導熱，根據(jù)傅里葉定律可建立導熱微分方程：

(1)

式中：a為導溫系數(shù)，m2/s。

推力瓦上表面與油膜相接觸，有穩(wěn)定的熱源；推力瓦另五個面則為對流換熱邊界。

1.3 固體熱彈性變形方程

固體的熱彈性變形采用有限元法進行數(shù)值分析；通過運用ANSYS軟件對推力瓦三維結(jié)構(gòu)進行靜力分析；然后基于彈性力學理論，通過求解平衡方程組來求解推力瓦各節(jié)點位移量，以下為平衡方程組：

[K]{U}={R}

(2)

式中：[K]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；{U}為節(jié)點位移向量；{R}為溫度載荷向量。

2 推力瓦建模及其邊界條件處理

2.1 推力瓦三維建模

本文的研究對象為中心點支承扇形可傾瓦推力軸承，并在workbench DM模塊中進行三維建模，推力瓦表面劃分印記面用來對推力瓦施加溫度載荷，如圖1所示。

2.2 油膜溫度場處理

本文需要將Fortran語言程序聯(lián)立方程求解所得的溫度場施加在推力瓦瓦面，用來計算推力瓦體的溫度分布以及熱變形。而Fortran程序輸出49個節(jié)點的溫度值，會降低求解精度，因此使用三次樣條插值的方法人為加密網(wǎng)格節(jié)點，使之成為169個節(jié)點，如圖2所示。

圖1 推力瓦三維模型Fig.1 model of thrust tile

圖2 網(wǎng)格節(jié)點Fig.2 grid nodes

2.3 邊界條件

熱傳遞的方式有熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式。可傾瓦推力軸承在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中屬于穩(wěn)態(tài)導熱問題。穩(wěn)態(tài)導熱問題的邊界條件有3種，分別為第一類邊界條件、第二類邊界條件、第三類邊界條件。第一類邊界條件規(guī)定了邊界上的溫度值；第二類邊界條件對邊界上的熱流密度做了規(guī)定；第三類邊界條件則對物體邊界上和周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和溫度等進行規(guī)定[13-16]。

推力瓦瓦面與油膜相接觸，穩(wěn)態(tài)運行時油膜溫度場恒定并直接作用于推力瓦瓦面，屬于第一類邊界條件。推力瓦四側(cè)表面上附有一層從上瓦面溢出向下流動的潤滑油，其溫度由上瓦面邊緣溫度決定并與推力瓦側(cè)表面進行對流換熱；推力瓦底部表面則看作與空氣進行自然對流換熱，這些表面都屬于第三類邊界條件。

對流換熱系數(shù)可以通過努謝爾數(shù)來進行計算，其中的公式可表示為：

(3)

式中：h為表面換熱系數(shù)；Nμ為努謝爾數(shù)；λ為流體導溫系數(shù)；L為對流換熱面積，m2。

經(jīng)實驗研究，自然對流換熱的努謝爾準則數(shù)方程為：

Nμ=C(GrPr)n

(4)

可傾瓦推力軸承在噴油潤滑方式下其四周邊界可看作豎壁面對流換熱情況，上述公式中的常數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式取值為C=0.59、n=0.25，根據(jù)曉格拉夫數(shù)和普朗特數(shù)計算公式，上述公式又可寫作：

(5)

式中：μ為流體流速，m/s；Cp為流體的比熱容，kJ/(kg·℃)；av為流體的體積熱膨脹系數(shù)；ν為流體運動黏度，m2/s。

3 推力瓦熱變形仿真及結(jié)果分析

仿真所用參數(shù)：推力瓦內(nèi)徑320 mm、推力瓦外徑620 mm、瓦張角為40°、支承位于推力瓦中心、瓦厚為40 mm、平均周向線速度為22.88 m/s、潤滑油型號為46#透平油，且保持噴嘴處入油溫度恒定。本文將分析噴油潤滑條件下2、3、4、5、6 MPa不同比壓工況時推力瓦的受熱變形，并與相同結(jié)構(gòu)、相同工況、浸油潤滑條件下推力瓦的受熱變形進行比較。

推力瓦穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時其溫度場穩(wěn)定，為了將溫度場施加在推力瓦表面上，須將計算出來的169個節(jié)點換算成144個面溫度并設(shè)置為推力瓦上表面印記面上，如圖3所示，其中推力瓦的左邊為入油邊，右邊為出油邊。

圖3 推力瓦表面溫度施加Fig.3 surface temperature applied

推力瓦側(cè)表面施加由計算努謝爾數(shù)所得的對流換熱系數(shù)，底面則設(shè)置為與空氣進行對流換熱。

利用ANSYS軟件對推力瓦進行有限元分析，得到結(jié)果為推力瓦的整體變形情況，而要得到推力瓦的撓度變形，需要對仿真結(jié)果進行一定的后處理，忽略周向和徑向的變形，僅保留推力瓦瓦面沿瓦厚方向的變形情況，最終得到推力瓦變形云圖，如圖4所示。

圖4 噴油潤滑工況下推力瓦熱變形量云圖Fig.4 thermal deformation cloud diagram

由圖4可以看出噴油潤滑工況下推力瓦變形為中間凸起的凸變形，沿瓦厚方向變形從左到右逐漸增大，變形最大處靠近出油邊。隨著比壓從2 MPa增大到6 MPa，推力瓦的熱變形也隨之增大，總體變形趨勢保持不變。

在浸油潤滑工況下，推力瓦整體浸沒在油池中并且保持油池的溫度恒定為22°。利用ANSYS軟件對推力瓦進行有限元分析，得到浸油潤滑工況下推力瓦上表面沿瓦厚方向的變形云圖，如圖5所示。

圖5 浸油潤滑工況下推力瓦熱變形量云圖Fig.5 thermal deformation cloud diagram

由圖5可以看出浸油潤滑工況下推力瓦由熱變形產(chǎn)生的撓變形形狀與噴油潤滑工況的變形相似，整體為四邊向下彎曲變形。隨著比壓從2 MPa到6 MPa，推力瓦的變形也隨之增大。

推力瓦的撓度變形量為推力瓦沿瓦厚方向變形最高點與最低點之間的差值，兩種不同潤滑方式工況下最大撓度變形量如圖6所示。

圖6 兩種不同工況推力瓦撓度變形Fig.6 deflect deformation of thrust tile under two different working conditions

比較噴油潤滑和浸油潤滑下推力瓦的熱變形，噴油潤滑工況的推力瓦其沿瓦厚方向的變形量比浸油潤滑的推力瓦小。分析可知，在噴油潤滑工況下由于瓦周邊溫度高，與瓦體的溫差小、瓦體的溫度梯度小，故瓦體凸變形小；而浸油潤滑工況下油池油溫恒定且較低，油池與推力瓦直接接觸，兩者之間溫差較大，瓦體的溫度梯度大，故推力瓦的凸變形也大。

4 結(jié) 論

本文以點支承可傾瓦推力軸承推力瓦為研究對象，在ANSYS DM模塊中建立推力瓦的三維模型，分析并確定對推力瓦表面溫度以及對流換熱系數(shù)的施加方法，并在Mechanical模塊中建立推力瓦有限元分析模型，對瓦的溫度場進行求解計算，最終得出推力瓦的熱變形分布。

結(jié)果表明，在相同結(jié)構(gòu)、相同轉(zhuǎn)速情況下，兩種供油潤滑方式的推力瓦均隨比壓的增大，油膜內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱增多，瓦表面的溫度升高并使得推力瓦的變形增大；噴油潤滑工況下推力瓦的撓度變形相對于浸油潤滑工況下推力瓦的撓度變形偏小，但變形量均達到了與油膜厚度同一數(shù)量級。上述結(jié)論可為此類推力軸承的設(shè)計、應用提供參考依據(jù)。