汽轮机可倾瓦轴承油膜特性研究综述
发布时间：2016-04-06刘昌利
（大唐长春第二热电有限责任公司，吉林长春，130000）
【摘 要】本文介绍了国内外研究者对于滑动轴承所做的研究工作，以及现在对于汽轮机可倾瓦滑动轴承数值分析的一些空白，给出了对于用数值模拟研究汽轮机可倾瓦滑动轴承油膜的建议。
【关键词】汽轮机；可倾瓦；滑动轴承；数值模拟
0 前言
滑动轴承有轴颈和轴瓦组成，相比滚动轴承来说，其生产成本低、工艺简单、可以反复使用。液体在楔形空间内流动时会产生很强的压力，滑动轴承就是利用这个原理工作的。轴颈的旋转带动油液一起旋转，随着旋转方向，油液流入由轴颈和轴瓦组成的楔形空间内，进而使轴颈在一个相对稳定的位置旋转，同时轴颈与轴瓦之间形成了一层薄薄的油膜。滑动轴承的结构有许多种，但是其形状大致经历了圆形轴瓦、椭圆轴瓦、可倾瓦轴瓦，不同轴瓦油的膜特性不同。汽轮机运行时经常发生油膜失稳，引发了人们对轴瓦的研究，油膜在圆形轴瓦中运行时会形成一个高压区和一个空穴区，且轴系振动较大。而椭圆轴瓦因为其特有的椭圆度，轴系振动有所改善。可倾瓦滑动轴承的发明对于轴系润滑来说具有划时代的意义，其瓦块随着轴颈位置不断调整，不仅保证了油膜的稳定性，同时也使轴承具有更大的承载力。
对于可倾瓦滑动轴承的研究，大多数研究者使用Reynolds方程计算单个瓦块，然后再进行叠加，这样计算的结果与实际油膜特性有较大偏差。因为他们忽略很多因素，例如轴瓦间隙的影响。计算流体力学被近期的许多研究者使用，但是对于整个可倾瓦滑动轴承油楔的研究还很少见，还没有合理的得出可倾瓦滑动轴承的油膜特性以及在外界因素影响下油膜特性的变化。基于数值模拟方法可以揭示这些特性。本文总结了可倾瓦滑动轴承的研究概况与研究方法，并对汽轮机可倾瓦滑动轴承的数值分析给出了建议。
1 可倾瓦滑动轴承的研究概况
1.1国外研究概况
对可倾瓦滑动轴承的研究，国外开始的比较早，特别近些年发展很快。Yang通过试验研究了汽轮机可倾瓦滑动轴承轴瓦疲劳破坏对轴瓦振动的影响，作者提出了槽式轴瓦对轴瓦进行了改进，并验证了改进后的可倾瓦轴承轴瓦性能显著提高。但是作者仅仅分析了轴瓦性能，没有对油楔中油膜进行分析；Matthew Cha等利用数值模拟方法对雷诺方法进行有限元求解，分析了支点对可倾瓦滑动轴承非线性油膜力的影响，得出了油膜厚度与油膜压力的关系。但是对于可倾瓦轴承其他因素的影响，作者没有进行分析。Kyung-Bo Bang等通过实验研究了传统六瓦可倾瓦轴承油膜温度与功率损耗之间的关系，作者通过改变可倾瓦轴承轴颈转速、轴承载荷和润滑油进口速度的大小，得出了这三者分别对轴承功率损耗的影响大小。但是，作者没能给出其他可倾瓦功率损耗与轴瓦温度的关系。White和Chan研究了轴颈振动频率与动力特性的关系，得出动力特性的频率与支点偏置度和负荷成反比，但是计算仅限于Sommerfeld数范围内，导致结论使用的局限性；S.Wen等用含有Newton-Raphson方法的数值计算方法对静态可倾瓦滑动轴承TEHD性能进行研究，发现这种方法比单个瓦块叠加收敛速度快。但是，作者没能很好的考虑瓦块与瓦块之间的间隙，还有润滑油温升等问题；A.M.EI-Butch等用TEHD模型研究了轴线偏斜对油膜厚度的影响，发现轴线偏斜对油膜产生的影响可以用瓦块的塑性变形进行中和。但是可倾瓦滑动轴承瓦块有点支撑和线支撑，而对于点支撑的瓦块作者未进行分析，并且求解时忽略较多其他因素的影响；D.c.zachariadisl通过求解Reynolds方程，研究轴向楔形与角偏斜的关系，得出油膜刚度与阻尼系数在很大程度上受角偏斜的影响。但是作者的研究仅限于处于静态平衡时的油楔，而旋转机械的滑动轴承油楔是在轴颈旋转时才能形成的，故作者没能考虑动态油楔的角偏斜现象，这与实际情况误差较大。
1.2国内研究概况
随着国内工业化进程的快速发展，国内动压滑动轴承在很多方面也取得了不小成就。
朱均等利用一种类似于有限元法的计算方法，研究了轴承动力学系数，虽然这种方法计算精度可以达到要求精度，且所用计算时间比有限元法缩短很多倍，但是对于轴承动力学的计算结果和实际值相差较大。因此，这种方法没能在动压滑动轴承上有效利用，需要进一步改进；张勇斌、温诗铸等在使用有限元法对油膜压力进行求解时，为了提高求解精度和速度，作者首次使用了多重网格算法。通过这种方法，作者研究了热效应与轴承性能之间的关系，进而得出了油膜特性与热效应之间的关系。但是，有限元法使用时需要输入的初始参数较大；姜歌东、谢友柏等在针对转子动力系统的研究中，作者使用了自己提出的一种新的利用时域多工况识别方法来对滑动轴承油膜动特性进行研究，并且论证了这种方法的可行性与可靠性。但是，在实际情况中，汽轮机轴系的运行受许多因素影响，而文中作者未进行分析；赵文芳等针对可倾瓦滑动轴承中存在的金属材料问题进行研究，系统总结了国内外轴瓦的多方面研究现状，得出了对可倾瓦轴承的研究中不可忽略轴瓦金属材料与轴瓦粗糙度的影响。作者重点综述了可倾瓦轴承的金属材料，然而对于轴承油楔中油膜运动情况没有提及；吕延军等对Reynolds方程进行修正时使用了变分约束原理，通过计算修正后Reynolds方程来研究瓦块的非线性油膜力。使用了八节点等参有限元法研究了单瓦块油膜力，通过叠加得到了整周油膜压力。通过计算Poincar映射和Runge-Kutta方法，研究了轴瓦支点对刚性转子系统的不平衡响应的影响。但是，对于轴承性能的研究仅限于单个瓦块的计算，叠加结果与实际值有一定误差；纪峰等研究了实际生产中汽轮机可倾瓦轴承，在进行动态特性的模型计算时忽略了瓦块变形，进而得出在研究可倾瓦轴承动特性时应该考虑瓦块变形，而不应该考虑瓦块的摆动频率是否与转子转动频率相同。
0 前言
滑动轴承有轴颈和轴瓦组成，相比滚动轴承来说，其生产成本低、工艺简单、可以反复使用。液体在楔形空间内流动时会产生很强的压力，滑动轴承就是利用这个原理工作的。轴颈的旋转带动油液一起旋转，随着旋转方向，油液流入由轴颈和轴瓦组成的楔形空间内，进而使轴颈在一个相对稳定的位置旋转，同时轴颈与轴瓦之间形成了一层薄薄的油膜。滑动轴承的结构有许多种，但是其形状大致经历了圆形轴瓦、椭圆轴瓦、可倾瓦轴瓦，不同轴瓦油的膜特性不同。汽轮机运行时经常发生油膜失稳，引发了人们对轴瓦的研究，油膜在圆形轴瓦中运行时会形成一个高压区和一个空穴区，且轴系振动较大。而椭圆轴瓦因为其特有的椭圆度，轴系振动有所改善。可倾瓦滑动轴承的发明对于轴系润滑来说具有划时代的意义，其瓦块随着轴颈位置不断调整，不仅保证了油膜的稳定性，同时也使轴承具有更大的承载力。
对于可倾瓦滑动轴承的研究，大多数研究者使用Reynolds方程计算单个瓦块，然后再进行叠加，这样计算的结果与实际油膜特性有较大偏差。因为他们忽略很多因素，例如轴瓦间隙的影响。计算流体力学被近期的许多研究者使用，但是对于整个可倾瓦滑动轴承油楔的研究还很少见，还没有合理的得出可倾瓦滑动轴承的油膜特性以及在外界因素影响下油膜特性的变化。基于数值模拟方法可以揭示这些特性。本文总结了可倾瓦滑动轴承的研究概况与研究方法，并对汽轮机可倾瓦滑动轴承的数值分析给出了建议。
1 可倾瓦滑动轴承的研究概况
1.1国外研究概况
对可倾瓦滑动轴承的研究，国外开始的比较早，特别近些年发展很快。Yang通过试验研究了汽轮机可倾瓦滑动轴承轴瓦疲劳破坏对轴瓦振动的影响，作者提出了槽式轴瓦对轴瓦进行了改进，并验证了改进后的可倾瓦轴承轴瓦性能显著提高。但是作者仅仅分析了轴瓦性能，没有对油楔中油膜进行分析；Matthew Cha等利用数值模拟方法对雷诺方法进行有限元求解，分析了支点对可倾瓦滑动轴承非线性油膜力的影响，得出了油膜厚度与油膜压力的关系。但是对于可倾瓦轴承其他因素的影响，作者没有进行分析。Kyung-Bo Bang等通过实验研究了传统六瓦可倾瓦轴承油膜温度与功率损耗之间的关系，作者通过改变可倾瓦轴承轴颈转速、轴承载荷和润滑油进口速度的大小，得出了这三者分别对轴承功率损耗的影响大小。但是，作者没能给出其他可倾瓦功率损耗与轴瓦温度的关系。White和Chan研究了轴颈振动频率与动力特性的关系，得出动力特性的频率与支点偏置度和负荷成反比，但是计算仅限于Sommerfeld数范围内，导致结论使用的局限性；S.Wen等用含有Newton-Raphson方法的数值计算方法对静态可倾瓦滑动轴承TEHD性能进行研究，发现这种方法比单个瓦块叠加收敛速度快。但是，作者没能很好的考虑瓦块与瓦块之间的间隙，还有润滑油温升等问题；A.M.EI-Butch等用TEHD模型研究了轴线偏斜对油膜厚度的影响，发现轴线偏斜对油膜产生的影响可以用瓦块的塑性变形进行中和。但是可倾瓦滑动轴承瓦块有点支撑和线支撑，而对于点支撑的瓦块作者未进行分析，并且求解时忽略较多其他因素的影响；D.c.zachariadisl通过求解Reynolds方程，研究轴向楔形与角偏斜的关系，得出油膜刚度与阻尼系数在很大程度上受角偏斜的影响。但是作者的研究仅限于处于静态平衡时的油楔，而旋转机械的滑动轴承油楔是在轴颈旋转时才能形成的，故作者没能考虑动态油楔的角偏斜现象，这与实际情况误差较大。
1.2国内研究概况
随着国内工业化进程的快速发展，国内动压滑动轴承在很多方面也取得了不小成就。
朱均等利用一种类似于有限元法的计算方法，研究了轴承动力学系数，虽然这种方法计算精度可以达到要求精度，且所用计算时间比有限元法缩短很多倍，但是对于轴承动力学的计算结果和实际值相差较大。因此，这种方法没能在动压滑动轴承上有效利用，需要进一步改进；张勇斌、温诗铸等在使用有限元法对油膜压力进行求解时，为了提高求解精度和速度，作者首次使用了多重网格算法。通过这种方法，作者研究了热效应与轴承性能之间的关系，进而得出了油膜特性与热效应之间的关系。但是，有限元法使用时需要输入的初始参数较大；姜歌东、谢友柏等在针对转子动力系统的研究中，作者使用了自己提出的一种新的利用时域多工况识别方法来对滑动轴承油膜动特性进行研究，并且论证了这种方法的可行性与可靠性。但是，在实际情况中，汽轮机轴系的运行受许多因素影响，而文中作者未进行分析；赵文芳等针对可倾瓦滑动轴承中存在的金属材料问题进行研究，系统总结了国内外轴瓦的多方面研究现状，得出了对可倾瓦轴承的研究中不可忽略轴瓦金属材料与轴瓦粗糙度的影响。作者重点综述了可倾瓦轴承的金属材料，然而对于轴承油楔中油膜运动情况没有提及；吕延军等对Reynolds方程进行修正时使用了变分约束原理，通过计算修正后Reynolds方程来研究瓦块的非线性油膜力。使用了八节点等参有限元法研究了单瓦块油膜力，通过叠加得到了整周油膜压力。通过计算Poincar映射和Runge-Kutta方法，研究了轴瓦支点对刚性转子系统的不平衡响应的影响。但是，对于轴承性能的研究仅限于单个瓦块的计算，叠加结果与实际值有一定误差；纪峰等研究了实际生产中汽轮机可倾瓦轴承，在进行动态特性的模型计算时忽略了瓦块变形，进而得出在研究可倾瓦轴承动特性时应该考虑瓦块变形，而不应该考虑瓦块的摆动频率是否与转子转动频率相同。
1.3数值模拟研究概况
对于可倾瓦滑动轴承油膜的研究，轴瓦间隙、油膜间的剪切应力等通常都不被考虑。传统的只计算Reynolds方程或者计算分析轴承理论和非线性油膜力的方法已经不能满足实际生产需要，因为这两种方法产生的误差较大。
20世纪初，我国航天航空工业飞速发展，同时也带动了偏微分方程理论、数值计算方法、网格生成、计算机硬件工业等的空前发展，以及计算流体动力学CFD的逐渐成熟。计算流体力学相比于实验流体力学和理论流体力学有许多优点：研究问题时，假设条件较少，可以模拟复杂流场，应用广阔；时间短，效率高，效益好；可以考虑许多其他影响因素进行研究，应用范围很广。因此，在对于油膜特性的研究时，大多研究者采用计算流体力学。
高庆水等在分析圆柱轴承压力特性时首次使用Fluent数值模拟，论证了各种方法计算结果与实际的误差大小，但是没能给出一个研究其他滑动轴承的Z优数值模拟方法；涂林等在使用Fluent中的RNGk-ε模型模拟油膜特性时修正了湍动黏度，使模拟结果更接近实际值，但是对于小间隙的油膜流场计算误差较大。张楚等基于气液两相流原理模拟计算油膜特性，得出了滑动轴承油膜分布规律，但是该方法不能很好的计算流体本身的流动特性；而文献使用单个模型对滑动轴承油膜进行数值计算，得出非线性油膜力与轴系的关系。但是对于轴承的间隙比没有很好考虑，因而研究的结果没有很精确的计算出实际应用当中的油膜特性。
2 CFD中数学模型的选取
在流体运动中，当流体惯性力和粘性力在一个数量级时，湍流就产生了。汽轮机轴瓦进油口进油为压力进油，流体是三维的随机扰动流体，必然会发生湍流现象。对模型进行一系列假设，将理论与经验结合，建立包括雷诺平均方程和脉动方程并且用来描写湍流平均量的封闭方程组，将该方程组称为湍流模型。
CFD中有许多湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟模型（LES）。其中，Spalart-Allmaras模型是相对简单的单方程模型，不能用于复杂的流场；雷诺应力模型（RSM）适用于雷诺应力明显具有各向异性的流场中，比如龙卷风、燃烧室等带有强烈旋转的流场；大涡模拟模型（LES）适用于大涡结构受流场影响较大的流场中。
k-ε模型假定湍流为各向同性的均匀湍流，不适用于汽轮机滑动轴承润滑油的运动。因为汽轮机滑动轴承进油为压力进油，对轴颈有一定冲击作用。并且当轴颈高速旋转，润滑油在轴颈和轴瓦组成的狭小间隙内做粘性剪切湍流运动。在这种存在冲击和不完全湍流的情况下，使用k-ε模型的结果会和实际结果悬殊很大。对k-ε模型进行一些改进可以得到RNAk-ε模型，它在计算功能上大大强于k-ε模型，同样由于油膜的冲击和涡旋的存在，RNAk-ε模型也不能用于汽轮机可倾瓦滑动轴承油膜特性的研究。
而k-ω模型包含了流体的剪切流扩散，剪切应力输运k-ω模型简称SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型，它是将k-ω模型和k-ε模型都乘以一个混合函数，然后再相加的结果。这种模型具有k-ω模型近壁区计算和k-ε模型远场计算两大优点。SSTk-ω模型增加了横向耗散导数项，考虑了湍流剪切应力，使用的湍流常数也和其他模型不同。这使得SSTk-ω模型应用范围更加广泛，它可以用于带逆压梯度的流动计算，并且能够很合理的考虑流体的涡流黏度。Shear Stress Transport（SST）湍流模型对于研究汽轮机滑动轴承油膜特性的模拟计算更适合。
3 结论与建议
1）在对油膜模型进行计算时，根据可倾瓦油楔中油膜的运动环境，可用Shear Stress Transport（SST）湍流模型来计算，因为该种模型可以考虑到不可忽略的狭小间隙内的油膜剪切应力，该模型对于油膜特性的模拟十分接近实际油膜特性。
2）对于可倾瓦油膜特性的研究，必须考虑到油膜温度和压力的关系，将两者耦合计算会使结果更加接近实际油膜流场。
3）可倾瓦滑动轴承的油膜压力、油膜温度、油膜厚度等都关系到汽轮机转子旋转的稳定性，虽然有关研究者做过圆形轴瓦、椭圆轴瓦、三油楔轴瓦轴承油膜对转子稳定性的研究，但是用N-S方程数值模拟计算对于可倾瓦的研究甚少。
对于可倾瓦滑动轴承油膜的研究，轴瓦间隙、油膜间的剪切应力等通常都不被考虑。传统的只计算Reynolds方程或者计算分析轴承理论和非线性油膜力的方法已经不能满足实际生产需要，因为这两种方法产生的误差较大。
20世纪初，我国航天航空工业飞速发展，同时也带动了偏微分方程理论、数值计算方法、网格生成、计算机硬件工业等的空前发展，以及计算流体动力学CFD的逐渐成熟。计算流体力学相比于实验流体力学和理论流体力学有许多优点：研究问题时，假设条件较少，可以模拟复杂流场，应用广阔；时间短，效率高，效益好；可以考虑许多其他影响因素进行研究，应用范围很广。因此，在对于油膜特性的研究时，大多研究者采用计算流体力学。
高庆水等在分析圆柱轴承压力特性时首次使用Fluent数值模拟，论证了各种方法计算结果与实际的误差大小，但是没能给出一个研究其他滑动轴承的Z优数值模拟方法；涂林等在使用Fluent中的RNGk-ε模型模拟油膜特性时修正了湍动黏度，使模拟结果更接近实际值，但是对于小间隙的油膜流场计算误差较大。张楚等基于气液两相流原理模拟计算油膜特性，得出了滑动轴承油膜分布规律，但是该方法不能很好的计算流体本身的流动特性；而文献使用单个模型对滑动轴承油膜进行数值计算，得出非线性油膜力与轴系的关系。但是对于轴承的间隙比没有很好考虑，因而研究的结果没有很精确的计算出实际应用当中的油膜特性。
2 CFD中数学模型的选取
在流体运动中，当流体惯性力和粘性力在一个数量级时，湍流就产生了。汽轮机轴瓦进油口进油为压力进油，流体是三维的随机扰动流体，必然会发生湍流现象。对模型进行一系列假设，将理论与经验结合，建立包括雷诺平均方程和脉动方程并且用来描写湍流平均量的封闭方程组，将该方程组称为湍流模型。
CFD中有许多湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟模型（LES）。其中，Spalart-Allmaras模型是相对简单的单方程模型，不能用于复杂的流场；雷诺应力模型（RSM）适用于雷诺应力明显具有各向异性的流场中，比如龙卷风、燃烧室等带有强烈旋转的流场；大涡模拟模型（LES）适用于大涡结构受流场影响较大的流场中。
k-ε模型假定湍流为各向同性的均匀湍流，不适用于汽轮机滑动轴承润滑油的运动。因为汽轮机滑动轴承进油为压力进油，对轴颈有一定冲击作用。并且当轴颈高速旋转，润滑油在轴颈和轴瓦组成的狭小间隙内做粘性剪切湍流运动。在这种存在冲击和不完全湍流的情况下，使用k-ε模型的结果会和实际结果悬殊很大。对k-ε模型进行一些改进可以得到RNAk-ε模型，它在计算功能上大大强于k-ε模型，同样由于油膜的冲击和涡旋的存在，RNAk-ε模型也不能用于汽轮机可倾瓦滑动轴承油膜特性的研究。
而k-ω模型包含了流体的剪切流扩散，剪切应力输运k-ω模型简称SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型，它是将k-ω模型和k-ε模型都乘以一个混合函数，然后再相加的结果。这种模型具有k-ω模型近壁区计算和k-ε模型远场计算两大优点。SSTk-ω模型增加了横向耗散导数项，考虑了湍流剪切应力，使用的湍流常数也和其他模型不同。这使得SSTk-ω模型应用范围更加广泛，它可以用于带逆压梯度的流动计算，并且能够很合理的考虑流体的涡流黏度。Shear Stress Transport（SST）湍流模型对于研究汽轮机滑动轴承油膜特性的模拟计算更适合。
3 结论与建议
1）在对油膜模型进行计算时，根据可倾瓦油楔中油膜的运动环境，可用Shear Stress Transport（SST）湍流模型来计算，因为该种模型可以考虑到不可忽略的狭小间隙内的油膜剪切应力，该模型对于油膜特性的模拟十分接近实际油膜特性。
2）对于可倾瓦油膜特性的研究，必须考虑到油膜温度和压力的关系，将两者耦合计算会使结果更加接近实际油膜流场。
3）可倾瓦滑动轴承的油膜压力、油膜温度、油膜厚度等都关系到汽轮机转子旋转的稳定性，虽然有关研究者做过圆形轴瓦、椭圆轴瓦、三油楔轴瓦轴承油膜对转子稳定性的研究，但是用N-S方程数值模拟计算对于可倾瓦的研究甚少。
来源：《科技视界》2014年17期