滑动轴承油膜厚度对转子稳定性的影响

滑动轴承油膜厚度对转子稳定性的影响张艾萍 , 林圣强（东北电力大学成教学院，吉林省 吉林市132012）摘要：近几年来，随着大型旋转机械的广泛应用，对滑动轴承的稳定性提出了更高的要求。传统研究是通过计算Reynolds方程、或者基于Reynolds方程提出更好的计算，但都忽略很多因素，如剪切力、沿厚度方向的压力梯度等。而直接通过CFD软件计算N-S方程的方法来研究滑动轴承的油膜特性，更能真实反映实际运转中的油膜特性。通过数值模拟可以看出，不同油膜厚度对旋转机械转子稳定性起着非常重要的作用。当最小油膜为0.02mm时，油膜负压区的压力为-73kPa。当最小油膜厚度为0.03mm时，油膜负压区的压力为-33kPa。当最小油膜厚度为0.04mm时，油膜负压区的压力为-21kPa，但是此时油膜已经不是很稳定。当油膜厚度为0.08mm时，负压区很小，也就基本形成不了油楔。数值计算结果表明油膜厚度对转子稳定性起着关键的作用。关键字：油膜厚度 滑动轴承 转子稳定性 数值模拟Sliding bearing oil film thickness influence the stability of rotorZhang ai-ping Lin sheng-qiang(Northeast Dianli University ,Jilin 132012)Abstract: In recent years,Along with the wide application of large rotating machinery, the stability of sliding bearings put forward higher request.Traditional research is calculated for Reynolds equation, or based on calculated Reynolds equation developed better,but ignore many factors, such as shear force, the thickness of the direction of the pressure gradient through thickness direction, etc.And directly through the CFD software calculation N-S equations method to study the characteristics of oil film bearing, can more really reflect the actual operation of the oil film properties.through numerical simulation can realize,different oil film thickness for rotating mechanical rotor stability plays significant important role.When the minimum oil film is 0.02 mm, the pressure of the oil film negative pressure for -73 kPa.the pressure of the oil film negative pressure for-33 kPa while the minimum oil film thickness of 0.03 mm. The pressure of the oil film negative pressure for-21 kPa when the minimum oil film thickness of 0.04 mm,but this time the oil film is not stable.When oil film thickness of 0.08 mm, negative pressure area is small,and can not easy form oil wedge.Numerical results show that the oil film thickness of the rotor stability playing the key role.Key words: oil film thickness;sliding bearing;rotor stability; numerical simulation大型旋转机械广泛使用滑动轴承，而机械旋转稳定主要取决于油膜的特性。国内外许多旋转机械油膜失稳引起的故障表明，线性化雷诺方程油膜力模型有许多局限性，线性化的油膜力与实际已经有很大的偏差，实际运行中油膜特性存在许多的非线性，而且不能被忽略。所以从八十年代起，人们开始关注非线性油膜力解析，现在很多学者研究求解Reynolds方程非线性来反映真实的油膜运动特性，提出很多的分析方法如经典方法有摄动法、平均法，KBM法等；研究参数激励的非线性系统的响应如广义谐波平衡法，L-S法，奇异理论等。学者提出许多非线性求解的方法，但目前还无法找到适应的方法来研究1-3。 另一方面基于Reynolds方程非线性求解有很多的弊端。随着汽轮机的大型化和高速化，对油膜特性研究提出了更高的要求，非线性仍然满足不了高速旋转机械转子稳定性发展的需求。现在很多学者计算N-S方程来研究滑动轴承的油膜特性，文献4用RNG k-s模型修正了湍动黏度,但是不能很好的考虑好狭小通道的剪切应力。文献5计算的网格数目不足以精确表示油膜压力特性，也没有提出合适的湍流计算模型。文献6特意的应用气液两相流原理计算油膜特性，并不能很好的放映流体本身的流动特性。文献4-6都只用一种模型计算，没有提出最好的轴承的间隙比，不能很好的反映实际应用当中的油膜特性。随着CFD软件日益成熟和计算机的发展，在求解三维流体复杂的湍流流动已经很简便了，计算遵循流体本身的流动特性。在求解滑动轴承特性油膜特性的主要问题是选择合适的湍流模型，现在发展起来的CFD有限元软件，根据实际确定难解问题，提供许多计算不同湍流特性的模型，本文考虑了不可忽略的油膜剪切应力，用Shear Stress Transport湍流模型来计算。它可以很有考虑到狭小通道的剪切应力，而且不会过分估算漩涡的强度，可以很好的表示出油膜的实际特性。考虑到温度对油膜的影响，本文采用温度压力耦合计算，并结合转子稳定性，合理的分析油膜对转子稳定性的影响。不同的油膜厚度对油膜的稳定性有很大的关联，厚度小容易产生油膜震荡，厚度大也可能产生油膜失稳。所以油膜厚度的对转子稳定性有很重要的意义。通过对比发现Reynolds方程非线性的计算与实际之间的差异，以便更深刻了解油膜的实际特性。1 数值计算物理模型 考虑到计算机的计算能力和便于网格无关性的讨论，设计参数为：取轴颈直径D=25mm来建立模型。汽轮机轴承的宽径比B=0.8，偏心率e=5%，转子的转速n=3000r/min，汽轮机润滑油牌号L-TSA22,汽轮机润滑油密度为890 kg/m3,动力粘度=0.0185Pas，根据汽轮机常用的间隙比和偏心率来确定最小油膜厚度建立三维模型。为了不影响油膜的特性把开口设置在油膜最大处。用三维软件ug建立模型在导入icem CFD里画网格。模拟计算的油膜的最小油膜厚度分别为0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.06mm。因油膜间隙相对于轴颈的直径小很多，画合理计算的网格很困难，运用最新的最先进画网格软件iecm CFD。画网格的方法为Delaunay来生成六面体非结构化网格，网格总数为6080万，最小网格长度为0.005mm，最大网格长度为0.01mm。 图1 物理模型Fig.1 Physical model2 数值计算数学模型 油膜运动状态是处于高速旋转和狭小的间隙中，由于偏心的存在，转子对润滑油膜的扰动是激烈的，因此湍流程度大，采用湍流模型计算。其中连续性方程为：式中：是流体密度；是时间；是速度； 假设润滑油在流动过程中，黏性力不随温度的变化，那么不压缩粘性流体的N-S方程简化为： 当润滑油的惯心力相对于黏性力不可忽略时，湍流就会发现，湍流是一个三维、非稳态且具有较大规模的复杂流动过程，对计算过程影响很大。考虑到湍流的剪切应力不可忽视，运用SST(Shear Stress Transport)模型，它可以精确预测流动的开始和负压梯度条件下的流动的分离量。SST最大优点在于它考虑到湍流的剪切应力，从而不会对涡流黏度造成过度预测。其中涡流的粘度方程为：式中：是一个混合函数，是应变的一个估算，单位体积湍动能。混合函数对模型起至关重要的重要，其公式对流体变量和到壁面距离有关，它的值可以表示为：其中 式中：y为到最近壁面的距离，为运动黏度，代表方程，代表方程。3 圆柱轴承润滑油膜压力特性数值计算结果不同的油膜厚度分别导入CFD软件中计算，进口压力为0.2Mp，出口设置为自然出口（opening），用SST湍流模型，选择热量方程（Thermal Energy）传热模型。计算采用先用一阶格式去得到初场，在用高阶格式继续计算，以便节约时间和获得精确的结果。高阶计算时收敛残差设置为1e-6，在模拟中1e-4的残差可以获得比较稳定的分布图，1e-5是可以获得工业上接受的积分数量值，1e-6是非常精确的，只在科研上运动，残差设置高，求解时间增加。模拟结果如图2所示： a)油膜厚度为0.02mm b)油膜厚度为0.03mm a)Oil film thickness of 0.02 mm b)Oil film thickness of 0.03 mm c) 油膜厚度为0.04mm d) 油膜厚度为0.08mm c)Oil film thickness of 0.04 mm d)Oil film thickness of 0.08 mm图2 不同油膜厚度时的油膜压力特性 Fig.2 Pressure characteristics of different oil film thickness油膜厚度不同，但进口的润滑油压力都是0.2Mp，转子的转速都是3000r/min，油膜厚度增加时，可看出负压区有着明显的不同。油膜厚度为0.02mm和0.03mm，转子的和轴承之间可以形成稳定的油膜，保证了转子旋转的稳定性。当油膜厚度为0.04mm和0.08mm时，虽然能形成油膜，但是此时油膜开始变形，很不稳定，当转受到外部激励时，就很难保证运行的稳定性。油膜厚度增加时，负压区的区域基本是不变的，都是在最小油膜厚度的左边，但负压区的压力梯度明显的减小。油膜厚度分别为0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.08mm时，负压区最小值分为-73kpa、-33kpa、-21kpa、-4.3kpa。厚度达到0.08mm，负压区很小，压力梯度小，油膜能传递给转子的力也很小。当油膜厚度变大，间隙大，漏油多，负压区区域变小，油膜正压区的压力梯度小也随之减小，为转子提供的压力也减小。油膜压力分布如图2所示。图3 不同油膜厚度压力曲线图Fig.3 Pressure curve of different oil film thickness4 油膜厚度对转子稳定性的影响分析汽轮机转子的稳定性是指汽轮机转子受到微小扰动后保持恢复原来状态的能力或属性。转子运行的前提是它可以得到稳定性的保证，但是转子运动状态是收到外界扰动干扰的，只有转子运行的稳定，才能保证整个系统运行的稳定性，这就需要转子要有较强的抗干扰和抗外界激励的能力。在研究汽轮机转子稳定性时，油膜厚度对转子稳定性起着关键性的作用。 在汽轮机运行中，存在最佳的油膜厚度，油膜小，油膜提供给转子的压力大，容易产生油膜震荡和振动发生。根据机械设计手册对汽轮机滑动轴承的设计，可以得到实际中宽径比0.8、偏心率为0.5、转子转速为3000r/min的压力供油的径向轴承，它最佳最小油膜厚度为0.03mm2。此时的油膜厚度对转子运行是最可靠的，抗外界干扰能力也是最强的。当转子受到外部激励时，如转子负荷加大，振动等因素，可能厚度减小，但此时油膜力大，且油膜也稳定，不偏离中心，比较容易恢复到原来的状态，不会造成轴颈对轴承的摩擦，而引起更大的振动，从而保证转子运行的稳定性。当外界负荷减小时，油膜厚度增加，提供的油膜力减小，也容易时转子稳定的运行，但如果油膜太厚，负荷减小，就很容易使油膜不稳定，发生失稳，产生摩擦。对于轴瓦磨损严重的地方是承载压力的油楔，所以轴瓦磨损严重是形成油楔的那一半。温度分布如图4所示。图4 轴瓦温度分布Fig.4 Bearings temperature distribution汽轮机机组启机时，要合理控制好油膜的厚度，特别是升速度过程和并网时候，要很好的处理油膜厚度，可以避免振动和油膜震荡，保证转子和机组运行的稳定性。平常处理和观察汽轮机轴承厚度有一定的必要性，可有效和防范机组的振动，油膜震荡和失稳。从模拟中也能看出，最小油膜厚度为0.03mm时，压力油膜基本是椭圆形状，处在轴承中心，向外平行扩散，油膜比其他情况更加的稳定，抵抗外界扰动能力是最强，也就是转子和机组稳定性是最好的。运用N-S方程计算的结果与Reynolds方程计算结果还是有些区别。本文N-S方程计算结果与文献4Reynolds方程非线性计算结果进行比较。在N-S方程计算的结果上，截取轴承圆周中心和1/3处的油膜压力分布，读取它们的压力与文献4计算比较。可以看出由于进油口的存在，它压力始终影响着油膜的整个过程，在油膜压力处于1/2处时，最大压力应该是接近0.2Mpa，显然Reynolds方程理论计算忽略了这一点，如图5所示。Reynolds方程计算油膜的最大压力是0.05Mp左右，显然是不对的。在有压力进油口的影响下，整体的油膜压力高于Reynolds方程计算的压力。而实际上也应该是这样。在对转子稳定性分析时，油口是不可忽略的，或者说滑动轴承供油槽的形式影响油膜压力的分布，从而影响转子的稳定性。N-S方程计算的正压区与负压区之间的压力梯度基本等于Reynolds方程计算的压力梯度，也就是它们都反映油膜能提供给转子的压力，而且它们数值也是一样的。在不同圆周角度110、95、65上读取切向油膜压力如图6所示，越靠近进油口，压力变化越大，正压区和负压区交界处有不变的压力0pa，在，轴颈的轴向分布成抛物线分布的形式。轴承瓦块中间部分受力大。从图4和图6中可以看出，当转子不稳定发生时，最容易磨损的地方是油楔。所以实际转子运行中确定合理的油膜厚度是很有必要，防止轴瓦受损，影响转子和机组的稳定性。图5 理论与实际比较Fig.5 Theory and practical comparison图6 不同圆周角度切向压力分布 Fig.6 Tangential stress distribution of different Angle circular5 结论在汽轮机转子运行过程中，存在最佳的油膜厚度，油膜形成的压力供转子稳定的旋转，油膜厚度大小对转子稳定性有着显著的影响。基于N-S方程计算克服很多Reynolds方程理论计算的弊端，更加准确提供油膜实际状况。数值计算结果表明：（1）油膜越薄，油膜正压力区从油膜破裂到负压区的压力梯度大，从而油膜就更能承受轴颈的压力。但如果轴颈给油膜的压力不足时，油膜提供的压力大于轴颈对油膜的压力，就容易产生半速涡动和油膜震荡。（2）油膜厚度增加，压力梯度减小，油膜能承受的轴颈压力降低，造成旋转机械的振动和摩擦。在实际旋转机械启停和运行中，确定合理的油膜厚度是很必要的。参考文献1 吴超三维油膜动特性试验研究J轴承，2005，( 10)： 35-37 2 杨金福流体动力润滑及轴承转子系统的稳定性研究D （博士学位论文）河北：华北电力大学2006Yang Jinfu.Study on Stability of fluid dynamic lubricates and bearing rotor systemD. 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