透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性.pdf
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1、 年 月 第 卷 第 期 郎涛透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性郎涛,敬睿,李岩,潘文翊,胡敬宁,张德胜(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 )收稿日期:;修回日期:;网络出版时间:网络出版地址:基金项目:国家重点研发计划课题();国家自然科学基金资助项目();江苏省高校优秀科技创新团队项目()第一作者简介:郎涛(),男,浙江余杭人,副研究员,博士(),主要从事流体机械测控技术研究通信作者简介:张德胜(),男,江苏如皋人,研究员,博士生导师(),主要从事流体机械及工程研究摘要:为研究水润滑轴承转子系统运行时转子受载不平衡导致轴颈产生倾斜的问题,针对透平式能量回收一体
2、机转子系统以轴承在中间支撑、载荷在两端的结构特点,提出了一种通过联立转子动力学方程与雷诺方程并基于有限差分法求解滑动轴承四自由度非线性轴心轨迹的数值计算方法 采用四阶龙格库塔法迭代求解转子运动方程,系统分析了加载在轴两端的周期性载荷对转子轴心轨迹的影响 研究结果表明,叶轮受到水力激振力产生力矩,使主轴发生倾斜,主轴两端的轴心轨迹振幅明显大于中间位置;水力激振力相位差可影响转子系统的稳定性,当激振力相位差为 时,轴颈不发生倾斜;随着水力激振力相位差增大,轴颈倾斜角度增大,轴两端的轴心轨迹振幅增大,转子系统运行稳定性变差;在主轴两端安装叶轮时应保持叶片相位角相同,可提高转子稳定性 研究成果可为高速
3、水润滑轴承转子系统的设计提供理论指导关键词:水润滑轴承;四自由度;数值计算;转子系统;轴心轨迹中图分类号:;文献标志码:文章编号:():郎涛,敬睿,李岩,等 透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性 排灌机械工程学报,():,(),():(),(,):,排灌机械工程学报第 卷 ,:;水润滑轴承以水为润滑介质,具有无污染、成本低廉、易维修等特点 目前水润滑轴承广泛应用于船舶、泵等机械中 水润滑轴承作为转子系统的主要支撑部件,其性能直接影响转子系统的稳定性 当转子运行时,由于受到不平衡载荷的作用,将导致轴承与轴颈形成微小的角度 转子在转动的过程中除了水润滑轴承间隙产生的平动,还有转子两端径向
4、力使转子发生倾斜,所以转子系统的稳定性由转子平动与倾斜共同决定,因此研究时考虑轴颈倾斜的轴心轨迹是非常有必要的关于考虑轴颈倾斜的水润滑轴承动静特性,前人已做了大量的研究 等 提出了不对中轴承润滑性能的数值模型,研究了在不同的模型中,轴承参数对流体压力、油膜厚度、承载能力及其倾斜角、不对中力矩及端面泄漏流量和摩擦系数等的影响 等 分析了倾斜角度和粗糙度对薄膜厚度和压力分布的影响 尹文锋等 分析了不同轴颈倾斜角对滑动轴承的压力分布、最小油膜厚度、油膜最大压力、轴承的承载能力、摩擦系数以及空穴分布的影响,认为较大的倾斜角可能会引起轴瓦磨损和振动,对轴承稳定运行有害 等 研究了轴颈倾斜角对四自由度空气
5、轴承静态特性的影响,比较不同倾角下空气轴承的静态性能,考虑了不同的偏心率和转速,发现角偏差对气膜厚度、承载能力、刚度、载荷力矩、姿态角和体积流量有很大影响 朱少禹等 分析了轴颈倾斜状态下径向滑动轴承的湍流润滑性能,结果表明随着轴颈倾斜度的增大,轴承最大油膜压力、最高油膜温度、承载力和稳定工作力矩的增量随轴承中央截面偏心率的增大而增大,径向滑动轴承湍流润滑分析中有必要考虑轴颈倾斜因素的影响 等 研究了在不同倾斜角下轴承的静刚度、摩擦系数、质量流量和角刚度等轴承静态特性与轴颈倾斜角的相关性 等 提出了一个考虑平移和倾斜运动的四自由度转子模型,研究了倾斜比、转速和偏心率对轴承静态和动态性能的影响 叶
6、晓琰等 研究了海水淡化高压泵水润滑轴承半径间隙对转子系统稳定性的影响 等 通过求解运动方程,研究了滑动轴承的非线性稳定性问题 等 研究了不同偏心率下轴承间隙对临界质量和临界转速的影响 通过用四阶龙格库塔迭代法求解运动方程来计算线性和非线性轴颈运动轨迹,得出非线性运动轨迹比线性运动轨迹有更高的稳定裕度 杨彦涛等 研究了轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态性能的影响规律 等 研究了有限长气体轴承的非线性稳定性李彪等 分析了轴颈轴向运动和倾斜状态下,不同的轴颈倾角、转速、偏心率和轴承间隙对滑动轴承的润滑性能的影响规律 等 采用非线性瞬态分析的方法探讨了速度滑移和设计参数对临界质量数值的影响 潘慧山等 研究
7、了海水淡化液力透平增压泵的高速运转稳定性问题,结果表明,当给透平叶轮与增压泵叶轮同时施加不平衡质量激励时,透平端较泵端瞬态响应更明显,振动位移幅值更大为深入探究动载荷对水润滑轴承转子系统运行轨迹的影响,文中针对能量回收一体机轴承转子系统的结构,提出一种四自由度滑动轴承转子的非线性轴心轨迹计算方法,通过联立雷诺方程与转子动力学方程,采用四阶龙格库塔法计算出转子的非线性轴心轨迹,并深入研究不平衡载荷对转子系统稳定性的影响规律 数值方法 流体控制方程文中研究的水润滑轴承主要应用于海水淡化 第 期郎涛,等透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性能量回收一体机中 该轴承转子系统结构中,叶轮安装于轴
8、两端,滑动轴承处于轴中间位置用于支撑转子转动 其转子结构左端为透平叶轮,右端为泵叶轮,中间部分由水润滑轴承支撑,水从泵端叶轮流出,透平端叶轮流入,透平叶轮转动带动轴转动,达到能量回收的目的 由于转子系统轴承在中间支撑,载荷在两端,在转子运行时,会使转子系统发生倾斜 当泵端与透平端叶轮转动时,会产生与叶频相同的径向力,所以对转子的稳定性产生较大影响 当两端叶轮产生的径向力相位差较大时会使转子在运行过程中轴颈发生倾斜图 为海水淡化能量回收一体机水润滑轴承转子结构示意图 转子为一根阶梯轴,轴两端安装有透平叶轮与增压泵叶轮,中间部分为水润滑轴承 以一体机转子系统左端为原点 ,以转子的中心轴线为 轴,轴
9、竖直向上,轴水平向右 图中 为透平叶轮,为泵叶轮,为水润滑轴承,为转子主轴图 一体机轴承 转子示意图 将滑动轴承润滑液膜视为不可压缩的流体,由于轴承间隙一般为 ,故可以忽略轴承在径向的压力梯度,通过简化 方程得到二维形式的雷诺方程 其雷诺方程的有量纲 方程形式为 ()(),()式中:为水膜厚度;为水膜压力;为轴承半径;为水的动力黏度,忽略黏度 随温度和压力的变化,将其视为常数;为轴向坐标;为转子角速度;为时间步长;为周向坐标 引入以下量纲为一的变量,可得 ,()式中:为轴承长度;为半径间隙;为压力,其量纲为一将式()代入式()得 ()()()()考虑轴颈倾斜的水膜厚度方程由于轴承的轴两端分别安
10、装有透平叶轮与增压泵叶轮,在转子运行过程中由于叶轮的径向力会产生力矩,从而影响转子在轴向上的平衡 所以转子不仅有径向的偏移,还有轴向的倾斜运动 水膜厚度 的分布由转子与轴承的相对位置决定 当同时考虑转子的平移与倾斜时,其运动共有 个自由度 用(,)表示轴心坐标,分别表示轴颈绕 轴与绕 轴的转角,则水膜厚度方程为(),()式中:(,)(,),其中,为轴向坐标;(,);(,),其中 为轴颈在 方向的运行速度,为轴颈在 方向的运行速度;(,)通过计算得到水膜厚度方程为()()()载荷方程记水平方向的水膜力为,竖直方向的水膜力为,则轴承在水平与竖直方向上的承载力为 ,()则轴承承载力为 槡保持轴颈稳定
11、工作的力矩在 和 坐标轴上的分量为 (),(),()轴两端叶轮作用于轴上的力矩为 槡 滑动轴承非线性轴心轨迹计算轴颈运动的非线性运动方程为,()式中:为轴承部分所承受的轴的质量;,分别为轴心在水平与竖直方向上的加速度;,分别为作用于轴上的动载荷;为直径转动惯量;为 排灌机械工程学报第 卷极转动惯量;,分别为轴在绕 ,轴的角加速度;,分别为轴在绕 ,轴方向上的角速度;为转子角速度;,分别为轴两端叶轮作用于轴的力矩在求解转子轴颈中心运动轨迹时,从初始位置释放转子,考虑转子在初始位置受到自身重力以及不平衡载荷的作用力 在第一时间增量 中,计算出转子在外力作用下产生的线加速度 ,及角加速度 ,然后通过
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