一種水潤滑推力軸承的全流態(tài)模擬參數獲取方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及反應堆核泵水潤滑推力軸承領域，具體是一種水潤滑推力軸承的全流 態(tài)模擬參數獲取方法。
【背景技術】
[0002] 全密封式泵因其"零泄漏、體積小、輔助系統(tǒng)少"等特點，在反應堆領域越來越受到 重視和應用。水潤滑推力軸承是全密封泵中的一個關鍵部件，作用是承受轉子自重以及水 流壓力等產生的軸向載荷。在推力盤的帶動下，推力軸承中可以產生連續(xù)的水膜，依靠流體 動壓作用提供軸向承載力，并把推力軸承摩擦副的轉動部分和固定部分相對隔開。因而水 潤滑推力軸承的承載性能，壽命長短，能夠直接影響反應堆以及一回路運行的可靠性和壽 命。常規(guī)應用流體潤滑方法設計和計算分析水潤滑推力軸承時，采用了流動水膜為層流的 假定。由于堆用全密封式主泵中推力軸承的潤滑劑是一回路中的冷卻劑，其粘度比較小，根 據推力軸承的雷諾數定義（Re = P ?rh/i〇,水潤滑推力軸承中的雷諾數較大，因而其流 動狀態(tài)可能變?yōu)橥牧?，會涉及到流態(tài)分區(qū)和湍流模型的選擇問題。
[0003] 通過專題和專利文件檢索，發(fā)現與本發(fā)明較相近的文獻是：2013年大連理工大學 秦小虎的"核泵水潤滑推力軸承及機械密封性能研宄"，2012年中北大學劉奇的"大型水潤 滑推力軸承承載性能及推力瓦型面優(yōu)化研宄"，以及吳鑄新、劉正林等的"船舶水潤滑推力 軸承數值分析與計算"。其中前兩篇文獻并沒有結合能量方程和彈性變形方程進行分析，忽 略了溫度場以及推力盤、軸瓦的彈性變形對水潤滑推力軸承的潤滑性能的影響，同時計算 采用的湍流潤滑模型借鑒了第二發(fā)明人在《推力軸承層流向紊流轉變區(qū)域的理論分析》中 的推導（見"潤滑與密封"，1997, 4:5~6)。另外，這三篇文獻都只能針對完全層流或者完 全湍流的潤滑狀態(tài)進行計算，并不能處理水潤滑推力軸承中同時存在層流和湍流潤滑的全 流態(tài)計算問題。
[0004] 經專利查新，未檢索到任何關于水潤滑推力軸承中層流和湍流共存時潤滑狀態(tài)的 文字記載。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種水潤滑推力軸承的全流態(tài)模擬參數獲取方法，解決目 前的水潤滑推力軸承模擬參數獲取方法不能用于層流、湍流共存狀態(tài)的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現。
[0007] -種水潤滑推力軸承的全流態(tài)模擬參數獲取方法：將軸瓦劃分成若干計算單元， 判斷每個計算單元的流態(tài)為層流還是湍流，并選擇對應的描述流體膜壓力分布的雷諾方程 和描述其溫度分布的能量方程，將各單元組合起來并通過迭代實現推力軸承整體的壓力 場、溫度場以及彈性變形之間的平衡，再通過調整參數實現推力軸承的力矩平衡和載荷平 衡，從而獲取最終的模擬參數。
[0008] 本發(fā)明的發(fā)明人在對水潤滑推力軸承的多年實踐應用中發(fā)現，現有的模擬參數獲 得都是針對完全層流或者完全湍流的潤滑狀態(tài)進行計算獲得的，而這樣的認識實際上是存 在缺陷的或者說是片面的，這樣的模擬方法得到的結果是不夠準確的。另外，在多年的研宄 中申請人發(fā)現：軸瓦和推力盤承受壓力會產生一定的彈性變形，從而改變推力軸承中的水 膜厚度分布。水膜厚度分布變化繼而會改變推力盤和推力瓦之間的壓力場分布，壓力分布 又反過來直接影響彈性變形，因而這是一個典型的流固耦合問題。根據這樣的發(fā)現，申請人 對現有的模擬方法做出了改進，計入了溫度變化對水的粘度影響以及推力盤和軸瓦的彈性 變形對水膜厚度的影響。計算中將軸承表面劃分成足夠細小的計算單元，然后根據每一個 計算單元的雷諾數大小判斷流體的流態(tài)為層流還是湍流，從而可以自適應水潤滑推力軸承 中可能出現的所有運行狀態(tài)的模擬參數獲取。相對于之前文獻中的方法，本發(fā)明提供的方 法模型更全面、準確，適用范圍也更廣：加入能量方程和彈性變形方程，考慮溫度場和彈性 變形的影響，使模型更加全面和準確；判斷流態(tài)后自動選取對應的方程進行計算，不僅適用 于完全層流和完全湍流的潤滑狀態(tài)分析，而且適用于層流湍流共存時的潤滑狀態(tài)分析，擴 展了原有計算方法的適用范圍。
[0009] 進一步講，流態(tài)判斷的條件是：將各計算單元的雷諾數和臨界雷諾數進行比較，如 果超過臨界雷諾數，則該單元流態(tài)為湍流，否則為層流。這樣可以正確地模擬水潤滑推力軸 承中可能存在的跨流態(tài)的現象，同時和推力軸承中流態(tài)直接由層流變?yōu)橥牧?，不存在渦流 區(qū)的理論相符。判斷流態(tài)和選擇對應的方程都可自動完成，從而可以獲取水潤滑推力軸承 所有可能運行工況的模擬參數。
[0010] 進一步講，可以通過和試驗值進行對比選擇合適的湍流模型，以及調整臨界雷諾 數來增強模型的準確度；或者直接采用工程常用湍流模型和臨界雷諾數值來獲取模擬參 數。不同湍流模型的適用范圍和準確度不同，加上可靈活調整的臨界雷諾數，整個模型彈性 更強，更準確，同時更有針對性。如果沒有試驗值，直接選用工程常用湍流模型和臨界雷諾 數也能保證一定的計算準確度。
[0011] 本發(fā)明與現有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：本發(fā)明提供一種水潤滑推 力軸承的全流態(tài)模擬參數獲取方法，根據軸承表面每個計算單元的雷諾數大小自動劃分為 層流或湍流計算單元，相對于傳統(tǒng)的完全層流或完全湍流計算分析，本方法更全面、準確， 且適用范圍廣。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明實施例中推力軸承的結構原理圖；
[0013] 圖2本發(fā)明實施例中層流和湍流共存時的流態(tài)分區(qū)圖。
[0014] 附圖中標記及相應的零部件名稱：
[0015] 1一推力盤，2-扇形軸瓦，3-轉子。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0017] 實施例：
[0018] 如圖1所示的原理圖，全密封泵水潤滑推力軸承摩擦副由圓盤狀的推力盤1與環(huán) 形布置的扇形軸瓦2配對組成，全密封泵運行時推力盤1與轉子3固定連接并圍繞軸心旋 轉，軸瓦2為表面傾斜的靜止部件。由于推力軸承的軸向負荷F通過推力盤1作用在軸瓦2 上并保持向下，在推力盤1轉動的情況下，推力盤1和扇形軸瓦2之間會形成一定厚度，能 夠承載的流動水膜。
[0019] 對該水潤滑推力軸承的模擬參數獲取通過如下方法進行。
[0020] (1)將軸瓦劃分成若干計算單元，判斷每個計算單元的流態(tài)為層流還是端流。其 中，層流狀態(tài)下描述單元的水膜壓力分布的雷諾方程：
[0022] 式中h為水膜厚度，y為水的黏度，p為水膜壓力，《為推力軸承轉速，P為水的 密度。描述水膜溫度分布的能量方程：
[0024] 式中Cp為水的定壓比熱容，T為水膜溫度。
[0025] 湍流狀態(tài)下，描述水膜壓力分布的雷諾方程：
[0027] 能量方程：
[0028]
[0029] 式中各參量的物理意義同上述層流狀態(tài)下的方程，其中4、60分別為徑、周向湍流 系數，不同的湍流模型中湍流系數的表達形式不同，如下：
[0031] 不同湍流模型的系數如下表所示：
[0033] 流態(tài)判斷的條件是：將各計算單元的雷諾數和臨界雷諾數進行比較，如果超過臨 界雷諾數，則該單元流態(tài)為湍流，否則為層流。
[0034] 通過和試驗值進行對比選擇合適的湍流模型，以及調整臨界雷諾數來增強模型的 準確度；或者直接采用工程常用湍流模型（Constantinescu或者Ng-Pan模型）和臨界雷諾 數值（Re。= 1500)來獲取模擬參數。
[0035] (2)選擇對應的描述流體膜壓力分布的雷諾方程和描述其溫度分布的能量方程， 將各單元組合起來并通過迭代實現推力軸承整體的壓力場、溫度場以及彈性變形之間的平 衡，彈性變形方程描述水膜壓力對推力軸瓦和推力盤的彈性變形的影響：
[0037] 式中為S為總彈性變形量，E(l為復合彈性模量，其表達式為：
[0039] 其中Ep v ^ E2、v 2分別為軸瓦和推力盤的楊氏模量和泊松比；
[0040] (3)再通過調整參數實現推力軸承的力矩平衡和載荷平衡，從而獲取最終的模擬 參數。
[0041] 根據以上的實施步驟，可以獲取穩(wěn)態(tài)運行的水潤滑推力軸承的模擬參數。以上所 述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術 實質上對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種水潤滑推力軸承的全流態(tài)模擬參數獲取方法：將軸瓦劃分成若干計算單元，判 斷每個計算單元的流態(tài)為層流還是湍流，并選擇對應的描述流體膜壓力分布的雷諾方程和 描述其溫度分布的能量方程，將各單元組合起來并通過迭代實現推力軸承整體的壓力場、 溫度場以及彈性變形之間的平衡，再通過調整參數實現推力軸承的力矩平衡和載荷平衡， 從而獲取最終的模擬參數。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，流態(tài)判斷的條件是：將各計算單元的雷諾 數和臨界雷諾數進行比較，如果超過臨界雷諾數，則該單元流態(tài)為湍流，否則為層流。3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過和試驗值進行對比選擇合適的湍 流模型，以及調整臨界雷諾數來增強模型的準確度；或者直接采用工程常用湍流模型和臨 界雷諾數值來獲取模擬參數。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水潤滑推力軸承的模擬參數獲取方法。根據水的低黏度特點，水潤滑推力軸承中可能出現湍流；另外溫度場和彈性變形可能也會有一定的影響。本方法首先將軸瓦分成盡量小的計算單元，通過各計算單元的雷諾數和臨界雷諾數比較來判斷流態(tài)，超過臨界雷諾數為湍流，否則為層流，進而根據流態(tài)選擇對應的雷諾方程和能量方程。在此基礎上，還進一步考慮彈性變形的影響。本方法最后通過迭代過程實現推力軸承壓力場、溫度場和彈性變形之間的平衡，通過調整參數實現推力軸承的力矩平衡和載荷平衡，以獲取最終的模擬參數。整個數值計算模型充分考慮了不同流態(tài)，溫度場變化以及彈性變形對水潤滑推力軸承性能的影響，相比之前的模型，本方法更加全面，準確，且適用范圍更廣。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN104933219
【申請?zhí)枴緾N201510194967
【發(fā)明人】鄧嘯, 鄧禮平, 劉立志, 趙雪岑, 劉松亞
【申請人】中國核動力研究設計院
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年4月22日