椭圆滑动轴承椭圆度对汽轮机振动的影响

第55卷第4期2013年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO155NO4AUG2013椭圆滑动轴承椭圆度对汽轮机振动的影响张艾萍，谢媚娜，林圣强东北电力大学能源与动力学院，吉林132012摘要用三维软件UG建立椭圆轴承物理模型，将建立的模型导入ANSYS软件进行分析，首先运用CFD模块计算不同椭圆度圆柱滑动轴承的压力分布，后将所得的压力分布导入ANSYS软件里进行多物理场耦合分析，分析不同椭圆度下的油膜特性和其轴承的振动幅值。数值计算结果表明汽轮机运行中存在合理椭圆度范围，使得汽轮机的振动幅值在允许值内。关键词滑动轴承；椭圆度；转子振动；数值模拟分类号TH13331文献标识码A文章编号10015884F201304025803ELLIPTICITYOFELLIPTICBEARINGEFFECTONVIBRATIONSTEAMTURBINEVIBRATIONZHANGAIPING，XIEMEINA，LINSHENGQIANGSCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，NORTHEASTDIANLIUNIVERSITY，JILIN132012，CHINAABSTRACTBYUSINGTHREEDIMENSIONALSOFTWAREUGBUILDAPHYSICALMODELOFELLIPTICALBEARING，THENIMPODMODELINTOANSYSSOFTWAREFORANALYSISPRESSUREDISTRIBUTIONOFELLIPTICBEARINGWILLBEGOTBYUSINGCFDTHERESULTINGPRESSUREDISTRIBUTIONIMPOINTOANSYSSOFTWAREFORMULTIPLEPHYSICALFIELDCOUPLINGANALYSISTHATMALYSESTHEOI1FILMCHARACTERISTICSANDTHEAMPLITUDEOFBEATINGVIBRATIONINDIFFERENTELLIPTICITYTHENUMERICALRESULTSSHOWEDTHATTHEPRESENCEOFREASONABLEELLIPTICITYSCOPESINTHEOPERATIONTHATMAKESTHESTEAMTURBINEVIBRATIONAMPLITUDEINTHEPERMISSIBLEVALUEKEYWORDSSLIDINGBEARING；ELLIPTICITY；ROTORSTABILITY；NUMERICALSIMULATION0前言国内很多从事研究滑动轴承油膜特性，对椭圆轴承研究只处于初级的阶段，很多问题未能解决，如很难给出合理的椭圆轴承三维油膜压力解。在研究轴承方面，主要手段是通过求解REYNOLDS方程的方法来计算轴承三维油膜特性，如文献13，但由于应用REYNOLDS方程求解轴承油膜特性忽略很多因素，如考虑不到进油口对滑动轴承油膜的影响、剪切力对油膜力的影响、黏性流体的有旋性等，所以现在学者开始应用数值模拟方法来求解圆柱轴承油膜特性，其模拟结果表明，通过CFD计算轴承油膜压力特性更能真实地反映实际运行当中的油膜特性。J，但学者们没有分析在CFD研究下的油膜压力特性对汽轮机轴承振动的影响，且在椭圆轴承进行数值研究甚少。本文应用通过ANSYS软件渗透分析不同油膜厚度对汽轮机振动的影响，对椭圆滑动轴承的结构场和流场进行流一固耦合计算。1数值计算模型建立11湍流模型本文选用SSTSHEARSTRESSTRANSPORT湍流模型，可以考到澧动轴丞掴盥油丕豆忽醯的剪切应力，可适用于高精度收稿日期20121122作者简介张艾萍1968，男，教授，主要研究方向为汽轮机故障诊断。边界层的模拟，比RNAK模型和K模型更加的精确，有很好的稳定性和收敛性。SSTK一模型改变方程中的交叉扩散和湍流黏性公式，能很好地计算湍流剪应力的影响和传播。这些都使得SST湍流模型更加广泛地应用在流动高精度的领域。SST最大优点在于考虑到湍流的剪切应力，可以精确预测流动的开始和负压梯度条件下流动的脱离，且不会对涡流黏度造成过度预测。12静力学分析基础在静力学分析方面，ANSYS线性静力学分析是由经典动力学振动理论方程简化而来，其中经典动力学振动方程为戈CFT式中，为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；FT为引起强迫振动的矢量力；若假设所加载荷和惯性力包括质量和阻尼不随时间变化影响，那么所有与时间相关的选项都被忽略，本文只考虑静力学上的分析，至于非线性和动力学分析将在后面的工作中展开，在静力学所用方程为KF式中，K矩阵必须是连续性的；F是不随时间变化的载荷；为位移矢量J。13物理模型建立椭圆滑动轴承的物理模型如图1所示，是运用三维制图软件UG建立的物理模型图1B。因为轴承与轴颈间隙很小，基本看不出来与圆柱轴承的差别，为方便看清结构，夸第4期张成义等基于F级燃机压气机的跨音级特性数值分析2671008警O6釜04020一失点。，II设点L1一阻差点1F】JI越桓莨6090120150180210OUTI雾。弱近是速点L近蛙计点十近塞点R耄L图6跨音级进出口的轴向速度沿叶展的分布层最厚，近设计点次之，近阻塞点最薄，这是由于近失速工况下流体经过激波减速增压的距离最长，减速增压过程越长，边界层越厚。3结论本文以某F级燃气轮机压气机的跨音级为研究对象，采用NUMECA计算软件数值计算了其全工况曲线，并对其设计转速下的内部流场情况进行了数值分析，研究了其特定工况下的气动特性。1文中所使用的计算方法能够很好地计算出跨音级压气机在不同转速下的性能曲线。2通过跨音级在近失速点、近阻塞点及近设计点的内部流场特性，研究了跨音级的流动特性，并分析了跨音级的激波和附面层分离的情况。3通过分析跨音级气动参数在叶展方向的分布情况，结合动叶吸力面流线情况，动叶吸力面在全工况下均发生流动分离，有必要对其进行改进优化工作。参考文献JENPINGCHENGMICHAELDHATHAWAYPRESTALLBEHAVIOROFATRANSONICAXIALCOMPRESSORSTAGEVIATIMEACCURATENUMERICALSIMULATIONAASMEPAPERFC2007一GT一27926VGUMMER，UWENGER，HPKANUSINGSWEEPANDDIHEDRALTOCONTROLTHIVEDIMENSIONALFLOWINTRANSONICSTATORSOFAXIALCOMPRESSORAASMEPAPERC2000一GT0491任晓栋，顾春伟15级跨音速压气机内部流场数值分析J工程热物理学报，2009，30914721474STEFANL，RAINERS，BERTRAMSEXPERIMENTALANDNUMERICALINVESTIGATIONOFTHEFLOWINA5一STAGETRANSONICCOMPRESSORRIGAPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPOC2001，2001一GT一0344WANGZHUONUMERICALSTUDYOFA35一STAGEAXIALCOMPRESSORATONANDOFFDESIGNCONDITIONJJOURNALOFAEROSPACEPOWER，2007，22914441454杨其国，吕智强，胡平金，等进口气流角对某跨音级叶栅影响的数值分析J汽轮机技术，2011，535321323杜文海，吴虎，孙娜跨声速轴流压气机流动损失分析J推进技术，2008，293339343贾海军，吴虎跨声速轴流压气机特性全三维黏性流动分析J航空动力学报，2009，241O23272332赖焕新，康顺NASA67跨音风扇级内黏性流场的准定常数值模拟J工程热物理学报，2000，213302305上接第260页昌罂擦蛾图7椭圆度对汽轮机振动的影响3椭圆度和油膜厚度太大、是造成油膜失稳的主要原因，只有合理的椭圆度和油膜厚度才能保证汽轮机安全稳定的运行。参考文献1王永亮，刘占生，钱大帅，等有限长椭圆瓦轴承油膜力近似解析模型J航空动力学报，2012，2722652742杨金福流体动力润滑及轴承转子系统的稳定性研究D保定华北电力大学20063杨金福，杨昆，付忠广，等滑动轴承非线性动态油膜力的解析模型研究J润滑与密封，2007，32968724张楚，杨建刚，郭瑞，等基于两相流理论的滑动轴承流场计算分析J中国电机工程学报，2010，30298084昌寻颦擦蜷图8油膜厚度变化对汽轮机振动的影响5高庆水，杨建刚基于CFD方法的液体动压滑动轴承动特性研究J润滑与密封，2000，33965676张旭，李智，杨建刚，等基于CFD方法的滑动轴承实际油膜特性J液压与气动，2011，49799