船用滑动轴承冷却性能数值仿真与实验研究

王焕杰

(1．武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063;2．武汉船舶职业技术学院动力工程学院，湖北武汉430050)

0 引言

船用滑动轴承是船舶推进系统的重要组成部分，其润滑性能的好坏将直接影响到船舶推进系统的工作性能，进而影响到整船的工作特性［1］。滑动轴承工作性能受多种因素的影响。其中，润滑油温度是影响滑动轴承润滑性能的关键因素。如果滑油温度过高，润滑油粘度下降，油膜承载能力降低，油膜厚度减薄，甚至无法建立起油膜。这将导致边界摩擦的产生，进而缩短轴承的使用寿命。相反，如果滑油温度过低，油膜厚度增加，这将导致摩擦损失增加，轴承传动效率降低［2－4］。滑动轴承滑油温度应控制在一个合理的温度范围内，设计一个合理的冷却系统来控制滑油温度是保障滑动轴承正常工作的必要条件。因此，开展滑动轴承冷却系统冷却性能研究具有非常重要的意义。

1 盘管式冷却系统数值建模

1.1 几何模型

轴承冷却系统基本工作要求是控制油池内滑油温度在一个合适的温度范围内。滑动轴承工作过程中存在的热交换过程可分为以下几个部分:冷却盘管内海水的强制对流换热;由于甩油盘扰动而产生的油池内滑油的强制对流换热;冷却盘管壁面与盘管内海水及油池内滑油的耦合传热。本文针对某型大功率船用滑动轴承，设计一种盘管式冷却系统。滑动轴承冷却系统主要零部件及组成如图1所示。

图1 滑动轴承盘管式冷却系统几何模型Fig.1 Geometry model of the coil cooling system in the sliding bearing

为了校核所设计盘管式冷却系统的冷却性能，单独提取滑动轴承座油池，建立了一个流动与传热性能数值分析模型。在模型中一些对计算结果影响不大的部件进行了适当的简化。最终，所建立的滑动轴承冷却系统冷却性能数值分析模型主要包括油池、冷却盘管及一些附属零件。

1.2 网格生成

基于上述几何模型，利用软件Gambit进行三维网格划分，网格模型如图2所示。由于冷却盘管几何外形比较规则，采用六面体单元进行网格划分。靠近冷却盘管附近的计算域，采用四面体单元进行网格划分。剩余计算域则采用六面体单元进行网格划分，模型总的网格数为6 401 153。

图2 盘管式冷却系统网格模型Fig.2 Mesh model of the coil cooling system

1.3 边界条件及材料属性

网格划分完成后，需要在计算模型中添加边界条件。该冷却系统有4个入口边界条件，3个出口边界条件，3个移动壁面边界条件以及一些固体壁面边界条件。基于实际工况环境，计算模型边界条件设置如下:

1)冷却海水进口设置为速度入口边界条件;

2)吸收摩擦热后的滑油入口设置为质量流量入口边界条件;

3)冷却海水出口及油池滑油出口边界条件设置为压力出口边界条件;

4)移动壁面设置为绕滑动轴承轴线旋转的移动壁面;

5)剩余面设置为壁面边界条件。

冷却海水属性参数用盐分浓度为30 g/kg，温度为40℃的标准海水属性表示［5］。润滑油属性参数根据实验数据用拟合公式表示。冷却盘管用铜镍合金属性参数见文献［6］。3种材料属性参数值详见表1。拟合式(1)～式(3)用于表示不同温度下润滑油属性参数的变化规律。

表1 海水、铜镍合金以及润滑油属性参数表Tab.1 Properties of seawater，copper-nickel alloy and lubrication

基于Fluent软件，开展盘管式冷却系统模型的流动与传热仿真。控制方程组采用有限体积法进行离散。选择k－ε稳流模型和SIMPLE算法来处理速度与压力的耦合。

1.4 并行编译UDF

基于Fluent软件提供的宏命令编写一个UDF自定义程序，实现了流体润滑模型与流动传热模型的耦合。UDF自定义程序运行过程如下:

1)在冷却盘管传热模型中定义滑油出口面的ID，并初始化计算模型相关参数;

2)当传热模型迭代计算结束后，读取滑油出口面每个计算节点的参数 (温度值);

3)将上述计算节点参数值传递给主程序，计算得到传热模型滑油平均出口温度值;

4)将传热模型所获得的平均滑油出口温度值赋值给流体润滑模型的滑油入口温度值;

5)基于流体润滑模型，获得摩擦热及平均滑油出口温度;

6)将流体润滑模型中的平均滑油出口温度值赋值给传热模型的平均滑油入口温度值。最终，下一个迭代计算开始，直到整个计算结果收敛。

2 数值仿真

本文所开展的研究工作主要是校核所设计的盘管式冷却系统是否满足冷却性能要求，即在各种工况下均能将油池内滑油温度控制在60℃以内。如果盘管式冷却系统在标定工况下能很好地控制润滑油温度，则可认为该盘管式冷却系统满足设计要求。

2.1 计算结果分析

标定转速工况下，即转速为60 r/min，冷却海水入口温度为32℃，不同冷却海水流量时，油池滑油平均温度以及冷却水出口温度值，如图3所示。冷却海水入口流量的变化范围为1～40 L/min，其中，40 L/min为冷却系统最大流量。

冷却海水最大流量为40 L/min时，滑动轴承座油池内滑油温度、冷却盘管表面温度及轴瓦温度分布分别如图3～图6所示。

图3 盘管冷却性能与冷却海水流量变化关系Fig.3 Temperatures variation with different volume flow rate of cooling seawater

图4 滑动轴承座油池内滑油温度场分布Fig.4 Temperature distribution in the oil pool

图5 冷却盘管表面温度分布Fig.5 Temperature distribution on the surface of cooling coils

图6 轴瓦温度场分布Fig.6 Temperature distribution on the sliding bearing bush

从上述计算结果可知，在盘管式冷却系统作用下滑动轴承具有较低的滑油出口温度以及油池滑油平均温度值。在标定转速工况时，冷却水流量为40 L/min时，油池滑油最低平均温度值为53.13℃，低于设计要求60℃，冷却盘管冷却能力满足设计要求。

2.2 实验验证

为了验证仿真计算结果的精确性，开展了不同工况下滑动轴承温度测试工作，采集了滑动轴承若干个测点的温度值。其中，首上、尾上、尾下3个测点是油池温度实验数据采集的重点，具体位置如图7所示。此3个测点插入油池深度为均为95 mm。

图7 滑动轴承油池温度测点布置图Fig.7 Positions of points in oil temperature test

标定转速工况，冷却海水流量为40 L/min时，对滑动轴承座油池温度场进行了实验测试。实验测试数据及仿真计算结果的对比分别如表2所示。

表2 仿真计算结果与实验数据的对比Tab.2 Results comparison between simulation and test

通过数据对比可知，冷却海水出口温度值以及油池内3个测点处的滑油温度值的实验测试数据与仿真计算结果值比较接近，最大误差10%左右。通过对比分析可知，本文所建的计算模型和仿真结果可信。本研究方法可用于冷却盘管式轴承冷却性能的评估。

3 结语

本文将传热模型与流体润滑模型进行耦合，建立滑动轴承耦合分析模型。在此基础上，对盘管式冷却系统冷却性能进行了分析。通过上述研究结论如下:

1)利用UDF混合编程技术，实现了流体传热模型与流体润滑模型的耦合。流体润滑模型获得的轴承摩擦热作为热源施加到流体传热模型中。

2)通过对仿真计算结果与实验测试数据的对比，证明所建耦合模型的正确性及可靠性。

3)所设计的盘管式冷却系统满足滑动轴承冷却性能要求，能将滑动轴承座油池内滑油温度控制在最高设计温度之下。

［1］ 刘剑，张卫正．转速对内燃机滑动轴承润滑性能的影响［J］．计算机仿真，2005，22(10):283 －286．LIU Jian，ZHANG Wei-zheng．Effect of rotational speed on lubrication performance of journal bearing in engine［J］．Computer Simulation，2005，22(10):283 － 286．

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