高速推力軸承的功耗與設(shè)計(jì)
來源：博高科技發(fā)布時(shí)間：2021/6/26
高速汽輪機(jī)泵推力軸承的設(shè)計(jì)與功耗問題
錢續(xù)鵬（中國石油化工股份有限公司安慶分公司機(jī)動(dòng)部 郵編246001）
朱禮進(jìn)（上海大學(xué)軸承研究室 郵編200072 ）
摘要：本文討論高速汽輪機(jī)泵的滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的功耗問題。以推力可傾瓦軸承為例，在各種參數(shù)下，計(jì)算了軸承的最高油溫、最小油膜厚度以及軸承的功耗。從分析結(jié)果可知，無論怎樣改變軸承外直徑do、支點(diǎn)位置半徑rp和位置角β都難以有效地降低軸承的功耗。當(dāng)軸承的瓦塊數(shù)量減少時(shí)，軸承的功耗才能得到有效的降低。
關(guān)鍵詞： 軸承功耗 軸承 油膜 溫度 汽輪機(jī)泵
一、前言
高速汽輪機(jī)泵是一種將汽輪機(jī)和高速泵一體化設(shè)計(jì)，具有體積小結(jié)構(gòu)緊湊
的特點(diǎn)，用于給大型汽輪機(jī)及壓縮機(jī)的供油系統(tǒng)中?？紤]到高速汽輪機(jī)泵高速度高、小功率、有一定的軸向推力，所以在設(shè)計(jì)支撐轉(zhuǎn)子的徑向軸承和推力軸承時(shí)采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的可傾瓦軸承。我們以一種高速汽輪機(jī)泵為例，其功率為 22KW、轉(zhuǎn)速為15000轉(zhuǎn)/分，推力載荷為300kg，汽輪機(jī)的進(jìn)氣溫度為300C0，工況對(duì)推力軸承的要求比較高，對(duì)此我們采用均載可傾瓦軸承的結(jié)構(gòu)形式。其優(yōu)點(diǎn)有：一、點(diǎn)支撐。單塊瓦可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，可以得到最佳油楔面。二、各瓦塊采用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體微調(diào)，可以消除由于制造、安裝誤差引起的推力面和推力盤之間的平行差，使得各瓦塊可以均勻承載。三、可以保證足夠大的潤(rùn)滑流量帶走汽輪機(jī)傳導(dǎo)給軸承的熱量。四、安裝方便。五、維修便利經(jīng)濟(jì)，如軸承有磨損只需更換瓦塊即可。
二、高速汽輪機(jī)泵推力軸承的功耗問題
22KW高速汽輪機(jī)泵，由于功率小、速度高、且有不小的軸向力，所以在推
力軸承設(shè)計(jì)中要特別考慮到軸承的承載能力和軸承的功耗問題。加大推力軸承的外徑可以減小軸承比壓及增大油膜厚度，軸承可較安全地工作，但隨著外徑的加大，推力盤與軸承的相對(duì)速度也增大，因而軸承的磨擦功耗也會(huì)增大。高速汽輪機(jī)泵為小功率高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，軸承的功耗直接影響到高速汽輪機(jī)泵工作效力。
為了保證軸承的安全工作，應(yīng)在最高瓦溫不太高，最小膜厚不太小，最高比壓不太大的前提下，確定軸承外直徑do、支點(diǎn)位置半徑rp和位置角β，使軸承的摩擦功耗N最小。
三、推力軸承的計(jì)算參數(shù)
軸的直徑尺寸為50mm，
推力軸承內(nèi)徑最小可以定為55mm；
瓦塊數(shù)取為8；
瓦張角α取為400；
瓦背用點(diǎn)支撐；
用ISO#30汽輪機(jī)油潤(rùn)滑；
進(jìn)油溫度Ta=40℃；
軸承載荷300kg；
軸承采用均載機(jī)構(gòu)，瓦塊數(shù)為S；
則每塊瓦的載荷Fa=3000/S（N）。
四、推力軸承功耗的計(jì)算
在各種do、rp、β數(shù)值下，試取瓦的進(jìn)油溫度Tin、支點(diǎn)處油膜厚度h0、瓦在支點(diǎn)上的傾角δ和偏角τ，聯(lián)立解出圓柱坐標(biāo)系中的雷諾方程、絕熱流動(dòng)能量方程和Glienicke-Han溫-粘關(guān)系：
求出壓力分布、溫度分布、粘度分布。由此積分求出一塊瓦的承載合力、以及該合力所處的徑向位置和角位置；同時(shí)計(jì)算油膜的柔度矩陣、及瓦的進(jìn)油量、側(cè)泄量、出油量、摩擦力和功耗。根據(jù)合力與載荷的差值、合力位置與支點(diǎn)位置在徑向和角向的差值，判斷三個(gè)平衡關(guān)系（力平衡；傾轉(zhuǎn)力矩等于零；偏轉(zhuǎn)力矩等于零）是否滿足。如果平衡關(guān)系的相對(duì)誤差超過萬分之一，則根據(jù)差值和柔度矩陣推算出do、rp、β的新值，重新計(jì)算，直到足夠精確地滿足三個(gè)平衡關(guān)系。
根據(jù)瓦的進(jìn)油量、側(cè)泄量、出油量、出油溫度和供油溫度等，計(jì)算瓦前空間內(nèi)冷油和熱油混合成的溫度（應(yīng)當(dāng)?shù)扔谕叩倪M(jìn)油溫度）。根據(jù)它，修改假設(shè)的進(jìn)油溫度，重新全部計(jì)算，直到混成溫度與設(shè)定的進(jìn)油溫度足夠接近為止（二者差別不大于0.1℃）。
此時(shí)即認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂，計(jì)算得的各項(xiàng)性能數(shù)值為有效結(jié)果。如單塊瓦的摩擦功耗為N,則推力軸承總的摩擦功耗應(yīng)為SxN。
五、用Thrust程序計(jì)算所得的結(jié)果。
下表為各方案計(jì)算所得的結(jié)果：方案001-方案032 為8瓦塊，方案029-6、
029-5、029-4的瓦塊數(shù)分別為6、5、4個(gè)瓦塊。
六、確定推力軸承參數(shù)。
從以上各方案的計(jì)算結(jié)果可以知道，001方案的瓦溫只有61.6℃，最小膜
厚0.0377mm比壓為1.68 Mpa，軸承可以非常安全地運(yùn)行，但軸承的功耗卻達(dá)到3.582KW，如果考慮到兩副徑向滑動(dòng)軸承的功耗，則機(jī)組軸承總的功耗將達(dá)到功率的20%以上，對(duì)這樣的小機(jī)組來說是無法接受的。
方案010的功耗雖然只有1.648KW，功耗相對(duì)較小，但瓦溫卻高達(dá)131℃，最小膜厚只有0.00871mm，軸承是不能夠安全運(yùn)行的。
如果限定軸瓦的最高溫度Tmax不超過85℃，最小油膜厚度hmin不小于0.015mm，則軸承的工作安全性很高。以這種要求從方案001到方案032 來看，方案Q029看來最為合適，瓦溫為64.9℃，最小膜厚0.0208mm， 功耗為2.464KW，功耗仍然比較大。
從方案001到方案032可知，無論怎樣改變軸承外直徑do、支點(diǎn)位置半徑rp和位置角β，都不能使軸承的摩擦功耗達(dá)到比較理想的結(jié)果。
如果需要進(jìn)一步降低功耗，我們可以在方案Q029的基礎(chǔ)上減少瓦塊數(shù)量。方案029-6、029-5、029-4的瓦塊數(shù)分別為6、5、4個(gè)瓦塊，從計(jì)算結(jié)果
來看，隨著瓦塊數(shù)量的減少，軸承的功耗可以大大的減小。方案029-5最為理想，瓦溫76.8℃，最小膜厚0.0142mm,比壓為5.23 Mpa，軸承可以安全地運(yùn)行，而且軸承的功耗為1.67KW，可很好地降低軸承的功耗。這對(duì)提高高速汽輪機(jī)泵的效率是非常有意義的。