（化工过程机械专业论文）离心压缩机推力轴承故障机理研究.pdf

中图分类号 t h 4 5 2 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号1 0 0 1 0 2 0 11 0 6 7 7密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名辛争秋学号2 0 0 8 0 0 0 6 7 7 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源国家自然科学基金研究方向 推力轴承故障模拟研究 论文题目离心压缩机推力轴承故障机理研究 关键词离心压缩机、推力轴承、流固耦合、c f x a n s y s 、故障机理、试验台 论文答辩曰期2 0 1 0 年5 月2 6 日爿c 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师王维民副研究员北京化工大学转子诊断及数值模拟 评阅人1何立东研究员北京化工大学振动控制及密封研究 评阅人2杨国安教授北京化工大学故障诊断 评阅人3 评阅人4 答辩委员会主席何立东研究员北京化工大学振动控制及密封研究 答辩委员1 高金吉教授北京化工大学 故障诊断 答辩委员2 杨国安教授北京化工大学故障诊断 北京昆仑天辰仪 答辩委员3吴海琦 高工 仪器仪表 表科技有限公司 答辩委员4江志农研究员北京化工大学故障诊断 答辩委员5杨剑锋研究员北京化工大学故障诊断 答辩委员6马波副研究员北京化工大学故障诊断 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在 查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 j 摘要 离心压缩机推力轴承故障机理研究 摘要 离心压缩机广泛应用于石油石化、水利水电、化工冶金等流程工业， 离心压缩机的安全运行对氽业稳定、安全生产至关重要。离心压缩机故障 受到人们广泛关注和研究，离心压缩机推力轴承故障是限制压缩机长时间 运行的重要原因。典型的推力轴承故障是推力轴承由于轴向载倚过大，产 生较大轴向位移，油膜破裂发生烧瓦，轴承破坏，压缩机被迫停机。基于 以上原因，本文利用c f x a n s y s 流同耦合软件对离心压缩机推力轴承的 故障机理进行研究，主要研究推力轴承的性能参数! z l l - 推力轴承的润滑油 膜压力、润滑油膜温度及推力轴承的承载力与轴位移的关系。 首先，本文建立了离心压缩机推力轴承的数学模型，其中包括其润滑 油膜的雷诺方程、粘温方程、能量方程及膜厚方程等，了解了推力轴承的 润滑机理。对所提出的数学模型列举了计算方法，最终本文选用流同耦合 软件c f x a n s y s 的数值模拟计算方法对其进行分析。 其次，本文采用流固耦合的方法计算离心压缩机推力轴承在不同转速 下、不同油膜厚度下的性能参数，其中包括润滑油膜作用于轴承的的压力 分布、润滑油膜的温度分布、推力瓦块的变形情况以及推力轴承的轴向承 载能力和轴位移之间的关系。 然后，利用实验室现有的透平压缩机进行了推力轴承的实验研究。在 实验过程中，积极研究实验机理，然后搭建离心压缩机推力轴承试验台， 详细制定实验步骤进行试验。实验研究了不同载荷工况下的推力轴承轴向 载荷与轴向位移之间的关系。 最后，基于原有实验台设计了多功能新型透平压缩机调控实验台。在 设计新型试验台时，引入了电磁轴承、改进了注油腔室并对压缩机叶轮叶 片进行了高效设计。 关键词：离心压缩机，推力轴承，流固耦合，c f x a n s y s ，故障机理， 压缩机实验台 北京化工大学硕士学位论文 j a b s t r a c t s t u d y0 nf a u l tm e c h a n i s mo fc e n t r i f u g a l c o m p r e s s o rt h r u s tb e a 鼬n g a bs t r a c t c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r sa r ew i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，p e t r o c h e m i c a l ， w a t e ru t i l i t i e s ，c h e m i c a la n dm e t a l l u r g i c a lp r o c e s si n d u s t r y , t h es a f eo p e r a t i o n o ft h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri se s s e n t i a lt os t a b i l i t ya n ds a f e t yo fe n t e r p r i s e s c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rf a i l u r ew a sw i d e s p r e a da t t e n t i o na n ds t u d i e db yu s ，t h e t h r u s tb e a r i n gf a i l u r ei si m p o r t a n tf a c t o rt ol i m i tl o n g - r u n n i n go fc e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r t h et y p i c a lt h r u s tb e a r i n gf a u l ti sd u et oe x c e s s i v ea x i a ll o a d ， p r o d u c e dl a r g e ra x i a ld i s p l a c e m e n t ，o i lf i l mr u p t u r eo c c u r r e d ，t h eb e a r i n gp a d b u r n t ，t h r u s tb e a r i n gd a m a g e d ，c o m p r e s s o rw a sf o r c e dt os t o p b a s e do nt h e s e r e a s o n s ，i nt h i sp a p e r , f s is o f t w a r ec f x a n s y sw a su s e dt os t u d yf a i l u r e m e c h a n i s mo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s tb e a r i n g t h em a i nr e s e a r c h e s w e r ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h r u s tb e a r i n g ，s u c ha s ：o i lf i l mp r e s s u r e ，o i l f i l mt e m p e r a t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t ya n da x i a l d i s p l a c e m e n t f i r s t l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s tb e a r i n g w a se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h el u b r i c a n tf i l mr e y n o l d se q u a t i o n ，v i s c o s i t y 一 - t e m p e r a t u r ee q u a t i o n ，e n e r g ye q u a t i o na n df i l mt h i c k n e s se q u a t i o n ，a n dh a d u n d e r s t o o dt h el u b r i c a t i n gm e c h a n i s mo ft h r u s tb e a r i n g t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sl i s t e d ，f i n a l l y , t h ef l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o ns o f t w a r ec f x a n s y sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a ss e l e c t e d t oa n a l y z ei t s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s t b e a r i n gw e r ec a l c u l a t e du s i n gf l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm e t h o d c a l c u l a t i o n s w e r ec a r r i e do u tw i t hd i f f e r e n t s p e e da n dd i f f e r e n t o i lf i l mt h i c k n e s s c a l c u l a t i o n sr e s u l t si n c l u d e do i lf i l mp r e s s u r e ，o i lf i l mt e m p e r a t u r e ，t h r u s t b e a r i n gp a dd e f o r m a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t ya n d a x i a ld i s p l a c e m e n t t h i r d l y , t h et h r u s tb e a r i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tu s i n gl a b o r a t o r y i t 北京化工大学硕士学位论文 e x i s t i n gt u r b i n ec o m p r e s s o r d u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，r e s e a r c h e dt h e t e s t m e c h a n i s m ，t h e nb u i l tt h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s tb e a r i n gt e s tr i g ， d e t a i l e de x p e r i m e n tp r o c e d u r e s t h r o u g ht h o s ee x p e r i m e n t s ，t h er e l a t i o n s h i p s w i t hd i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o n sb e t w e e nb e a t i n ga x i a ll o a da n da x i a l d i s p l a c e m e n to ft h r u s tb e a r i n gw e r es t u d i e d f i n a l l y , t h e m u l t i f i m c t i o n a l n e w - t y p ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r w a s d e s i g n e db a s e do nt h eo r i g i n a l t e s tr i g i nt h en e wd e s i g no ft h et e s tr i g ， i n t r o d u c e dn e wm a g n e t i cb e a r i n g ，i m p r o v e df u e li n j e c t i o nc h a m b e ra n d d e s i g n e dt h ec o m p r e s s o ri m p e l l e r g a lc o m p r e s s o r , t h r u s tb e a r i n g ，f l u i d s t r u c t u r e n ，c f x a n s y s ，f a u l tm e c h a n i s m ，c o m p r e s s o rt e s t i v 目录 目录 1 3 1 推力轴承发展历史7 1 3 2 国内外对推力轴承的研究情况9 1 4 本文的主要研究内容1 1 第二章离心压缩机推力轴承润滑理论分析1 3 2 1 引言1 3 2 2 推力轴承润滑理论基本方程1 4 2 2 1 连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 1 4 2 2 2 动量守恒方程( n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s ) 1 4 2 - 2 3 能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 1 5 2 3 数学模型的建立1 6 2 3 1 推力轴承雷诺方程( r e y n o l d se q u a t i o n ) 的建立1 6 2 3 2 粘度一温度方程1 7 2 3 3 密度一温度方程1 8 2 3 4 推力轴承能量方程的建立1 8 2 3 5 油膜厚度方程2 0 2 4 推力轴承性能参数的计算2 l 2 5 推力轴承的求解方法简介2 l 2 5 1 经验法2 2 2 5 2 一般数值方法2 2 2 5 3 计算流体力学的方法2 2 2 6 本章小结2 3 第三章推力轴承数值模拟计算2 5 v l 1 l 2 4 6 7 北京化工大学硕士学位论文 3 1 引言2 5 3 2c f d 分析软件介绍2 5 3 3c f x 软件物理模型简介2 6 3 3 1 湍流物理模型2 6 3 3 2 热传导模型2 8 3 4 流同耦合算法简介2 9 3 4 1 流固耦合简介2 9 3 4 2 流固双向耦合基本方式3 0 3 4 3c f x a n s y s 流固耦合3 0 3 5 计算实例3 2 3 5 1 推力轴承模型的建立3 2 3 5 2 模型网格划分3 4 3 5 3 模型物理条件设置3 5 3 5 4m f x 求解3 8 3 6 计算结果分析4 0 3 6 1 流场压力分布分析4 0 3 6 2 瓦块收敛曲线及变形分析4 3 3 6 3 流场温度分布分析4 5 3 6 4 轴承承载力与油膜厚度关系分析4 6 3 7 本章小结4 7 第四章离心压缩机推力轴承实验研究4 9 4 1 引言4 9 4 2 实验机理4 9 4 3 试验系统的搭建51 4 4 实验步骤5 5 4 5 实验结果分析5 6 4 5 1 推力轴承性能曲线5 6 4 5 2 实验结论5 7 4 6 本章小结5 7 第五章新压缩机实验台及轴承改进设计5 9 5 1 原有实验系统简介5 9 5 2 实验系统改进机理5 9 v i 目录 5 2 1 电磁轴承简介6 0 5 2 2 注油腔室简介6 1 5 2 3 压缩机叶轮叶片设计6 2 5 3 新实验系统简介6 3 5 3 1 新实验台结构及主要参数 5 3 2 新实验台功能介绍 5 4 本章小结 第六章结论与展望 6 1 结i 仑 6 2 展望 参考文献。 致谢 研究成果及发表的学术论文 作者与导师简介 i 北京化工大学硕士学位论文 i i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h es o u r c e so f p r o j e c t s 1 12t h eb a c k g r o u n do f p r o j e c t s ，1 1 2 1t h ei n t r o d u c t i o no f c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ，1 1 2 2t h eb e a r i n go f c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ，2 1 2 3t h ef a u l t so f c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s tb e a t i n g 4 1 2 4t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo f t h r u s tb e a r i n g 6 1 3t h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d 7 1 3 1t h eh i s t o r yo f t h r u s tb e a r i n gd e v e l o p m e n t 7 1 3 2t h er e s e a r c hs i t u a t i o no f t h r u s t b e a t i n ga th o m ea n da b r o a d 9 1 4t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sa r t i c l e 1 1 c h a p t e r2 t h el u b r i c a t i o nt h e o r yo fc e n t r i f u g a lc o r n p r e s s o r t h r u s t b e a r i n g 1 3 2 1i n t r o d u c t i o n 1 3 2 2t h eb a s i ce q u a t i o n so f t h r u s tb e a t i n gl u b r i c a t i o nt h e o r y 1 4 2 2 1t h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n 1 4 2 2 2t h en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s 1 4 2 2 3t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 1 5 2 3t h ee s t a b l i s h m e n to f m a t h e m a t i c a lm o d e l 1 6 2 3 1t h ee s t a b l i s h m e n to f t h r u s tb e a t i n gr e y n o l d se q u a t i o n 1 6 2 3 2t h ev i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ee q u a t i o n 1 7 2 3 3t h ed e n s i t y t e m p e r a t u r ee q u a t i o n 1 8 2 3 4t h ee s t a b l i s h m e n to f t h r u s tb e a t i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 1 8 2 3 5t h eo i lf i l mt h i c k n e s se q u a t i o n 2 0 2 4t h ec a l c u l a t i o no f t h r u s tb e a r i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 2 1 2 5t h ei n t r o d u c t i o no f t h r u s tb e a r i n gs o l u t i o nm e t h o d s 2 1 2 5 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 2 2 2 5 2g e n e r a ln u m e r i c a lm e t h o d 2 2 2 5 3t h em e t h o do f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 2 2 i x 北京化工大学硕士学位论文 2 6s u m m a r y 2 3 c h a p t e r 3t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h r u s tb e a r i n g 2 5 3 1i n t r o d u c t i o n 2 5 3 2t h ei n t r o d u c t i o no f c f ds o f t w a r e 2 5 3 2t h ep h y s i c a lm o d e l i n t r o d u c t i o no f c f x 2 6 3 3 1t u r b u l e n c ep h y s i c a lm o d e l 2 6 3 3 2h e a tc o n d u c t i o nm o d e l 2 8 3 4t h ei n t r o d u c t i o no f f l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm e t h o d 2 9 3 4 1t h ei n t r o d u c t i o no f f l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 2 9 3 4 2t h eb a s i cm e t h o do f t w o w a yf s i 3 0 3 4 3t h ec f x a n s y sf l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm e t h o d 3 0 3 5t h ec a l c u l a t i o ne x a m p l e 3 2 3 5 1t h em o d e l i n go f t h r u s tb e a r i n g 3 2 3 5 2t h em e s h i n go f t h r u s tb e a r i n g 3 4 3 5 3t h es e to f p h y s i c a lc o n d i t i o n s 3 5 3 5 4m f xs o l v e r 3 8 3 6t h er e s u l t sa n a l y s i s ，4 0 3 6 1t h ep r e s s u r e 。4 0 3 6 2p a dc o n v e r g e n c ec u r v ea n dd e f o r m a t i o na n a l y s i s 4 3 3 6 3t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 4 5 3 6 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a p a c i t ya n dt h i c k n e s s 4 6 3 7 s u m m a r y 4 7 c h a p t e r4t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt h r u s t b e a r i n g 4 9 4 1i n t r o d u c t i o n 4 9 4 2e x p e r i m e n t a lm e c h a n i s m 4 9 4 3e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，5 1 4 4e x p e r i m e n t a ls t e p s 5 5 4 5e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n a l y s i s 5 6 4 5 1t h ep e r f o r m a n c ec u r v eo f t h r u s tb e a r i n g 5 6 4 5 1e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 7 4 6 s u m m a r y 5 7 x c h a p t e r5t h ei m p r o v e d d e s i g n 。fc e n t r i f u g a lc 。m p r e s s 。r a n d t ：s t b e ar i n g 。7 5 1t h ei n t r o d u c t i o no f e x i s t i n ge x p e r i m e n t a ls y 啦m 。二 5 2t h ei m p r o v em e c h a n i s m so f e x p e r i m e n t a ls y s t e 叭- ： 5 2 1t h ei n t r o d u c t i o no f m a g n e t i cb e a t i n g i ： 5 2 2t h ei n t r o d u c t i o no f f u e li n j e c t i o nc a v i t y - = ： 5 2 3t h ed e s i g no f c o m p r e s s o ri m p e l l e rb l a q e d = ： 5 3t h ei n t r o d u c t i o no f n e w t e s t i n gs y s t e m ： 5 3 。1t h en e wt e s t i n gs y s t e ma n dm a i np a r a m e t 盯：- ： 5 3 2t h ei n t r o d u c t i o no f n e w t e s t i n gs y s t e mf u n c t i o n s 叶 5 4s u m m a r y 。 c h a p t e r 6c 。n c i u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 9 6 1 conclusionsi_-i：i-ii-：ii-焉62p r o s p e c t r e f e r e n c e s 7 1 a c i m 。w i e d g e m e n t 7 5 r e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t s a n dp u b l i s h e dp a p e r s 7 a u t h 。r ，sb i o g r a p h ya n d d i r e c t 。r sb i 。g r a p h y 7 9 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 矗 红 h p w r r 口 p r ( f = x ，y ，z ；j = x ，y ，：) p i ( j = x , y ，z ) z ，v ，w e q c p k r 符号说明 最小油膜厚度，m i l l 油膜出口处厚度，m m 油膜入口处厚度，l n m 油膜支点处厚度，所所 镜板转速，r p m 推力轴承内径，m m 推力轴承外径，m m 轴承周向倾角，r a d 流体压力，忍 粘性力分量， 气体密度，k g m 3 质量力分量， 直角坐标系下的速度分量，m s 控制体内的能量 控制体内热量 合外力对流体所做的功 流体比热容系数，jl ( k g k ) 流体传热系数，w 历2 k ) 时间，s 润滑油动力粘度，p a s 瓦块入口边界 油膜破裂边界 环境温度，k 环境温度t o 下的动力粘度，p a s 粘压系数，m 2 n 粘温系数，l i k 瓦块径向倾角，r a d 瓦块周向倾角，r a d 瓦块的弹性变形 体积力的合力 湍流的有效粘度部分 运动流体的压力函数印一r瓦彳形d叉p 北京化工大学硕士学位论文 s s t s e v ( 2 v r ) v ( v k ) 湍流粘性系数 耗散率 对流项 湍动扩散项 分子粘性扩散项 承载力， 瓦块周向角度 流体由于粘性作用转换为热能的部分 瓦块支点处的半径，m m 材料性能压力 剪切应力传输 流体传热的源项部分 流体传热的传导项 流体传热的对流项 x i v 飞占g珥优f秒g r 第一章绪论 第一章绪论弗一旱硒化 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“机械复杂系统建模仿真、运行优化和 自愈调控理论与方法( 5 0 6 3 5 0 1 0 ) ”和国家自然科学基金面上项目“转子轴承系统碰 摩故障自愈调控理论与方法( 5 0 9 7 5 0 1 8 ) ”。 1 2 课题研究背景 1 2 1 离心压缩机简介 大型离心压缩机是石油石化、水利冶金等流程工业的核心设备，用来输送各种压 缩气体，与生产过程紧密相连，其健康运行备受关注。 离心压缩机一般由转子部分、定子部分及轴承和密封等组成。叶轮、平衡盘、叶 轮间的定距套、推力盘等零、部件套在主轴上组成转子部分；气缸、蜗壳、隔板及轴 端密封等部件组成定子部分。转子支撑在轴承上，由电机通过联轴器驱动而高速旋转。 隔板与隔板之间形成扩压器、弯道及回流器等气体通流流道。只有一个叶轮的离心压 缩机称为单级离心压缩机，有两个以上叶轮的称为两级或多级离心压缩机，级由叶轮 及其后面的固定元件如扩压器等通道组成。 在离心压缩机工作过程中，气体由叶轮中心处吸入，并在叶轮叶片高速旋转的作 用下，随叶轮一起做高速旋转，由于叶片与气体之间力的离心力的作用，以及叶轮的 扩压作用，气体的压力得到了很大的提高。沿着叶片之间的叶片通道流向叶轮外径边 缘。叶轮对气体介质作功，气体从而获得较高能量，速度和压力都得到较大提高。气 体从叶轮流出时，仍具有较高的流速，气体流入扩压器，在扩压器内，由于截面变化 速度降低然后气体压力进一步升高。由扩压器作用升压后的气体进入蜗壳输送出去， 或者进入弯道和回流器进行下一级压缩，继续提高压力。 在多级离心压缩机中，会产生大量的热，需要由中间冷却器带走热量，以中间冷 却器为间隔分开的称为压缩机的段；当压缩机的所需压力较高时，为提高轴的临界转 速一般把叶轮安装在不同的轴上，压缩机各级采用不同的级转速，每个机壳称为一缸。 随着科技的不断发展，离心压缩机技术也得到了快速的发展。随着计算机分析软 件c f d 及压缩机三元理论的日渐成熟，可以对离心压缩机进行整机的气动性能计算； 现代机械加工的水平可以满足转子叶片的加工要求，保证其先进的设计性能。另外， 干气密封及新型轴承的计算机模拟、设计、应用为压缩机的性能提高做了很好的保障； 北京化工入学硕士学能论文 压缩机故障诊断学和在线检测技术的发展在很大程度上提高了机组运行的安全可靠 性【。 1 2 2 离心压缩机轴承 离心压缩机对其使用轴承的要求是：安全可靠、抗震性好、运行稳