基于热流固耦合的离心压缩机推力轴承温度场预测

侯秀丽，姚 洁，王 睿，孟继纲

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

1 引言

离心压缩机是石油炼化、合成氨、尿素、乙烯以及空气分离等行业的关键核心设备，其安全运行对企业有至关重要的作用。推力轴承是离心压缩机中承担残余轴向载荷的主要部件，其典型故障是由于机组载荷工况变化引起的油膜破裂、瓦温过高而导致的烧瓦、联锁停车等事故。目前，国内针对此类故障的研究侧重于故障排除和修复[1 -2]，国外研究侧重于试验测试[3-4]，对推力轴承的温度性能预测方面研究较少。辛争秋[5]采用流固耦合方法，借助CFX-Ansys研究了推力轴承润滑油膜温度分布，得出了推力轴承温度场。

本文基于热-流-固多场耦合分析，利用ROMAC-THRUST轴承分析软件，对某型号离心压缩机可倾瓦推力轴承的温度性能进行数值模拟研究，在考虑推力盘和瓦块的受力、受热形变的前提下，得到瓦块的温度分布云图，得出轴承瓦块最高温度与转速、进油温度、轴承载荷的关系，为推力轴承的设计、选型及故障诊断提供理论依据。

2 热流固耦合理论分析模型

在推力轴承实际工作中，油膜厚度与推力盘、瓦块的变形、油膜内压力分布相互影响[6]。同时，油膜在剪切力的作用下会产生热量，热量在轴承系统中的传递又会影响到推力盘和瓦块的形变[7]，这是一个多物理场耦合过程，采用常规有限元软件计算较为复杂。

本文使用弗吉尼亚大学的专业推力轴承软件THRUST来进行推力轴承性能模拟，获取温度场。该软件可实现轴承瓦块、油膜和推力盘之间的热流固（TEHD）耦合，获得轴瓦温度分布云图或数据。涉及的主要理论模型有[8-9]。

2.1 雷诺方程

雷诺方程基于轴承的薄油膜特性，在瓦块平面内的坐标系上对Navier-Stokes方程进行了简化，并综合了连续方程。方程假设流体为牛顿流体，且瓦块、推力盘与油膜接触面无滑移。将边界条件带入后，得到方程

h——油膜厚度（通用定义）

（r，θ，z）——柱坐标分量

μ——流体粘度（通用定义）

Vd——边界流速

根据实际轴承运行状态，假设轴承为完全润滑。

2.2 能量方程

油膜能量方程也是以柱坐标形式给出的，其在方程中加入了两项，考虑了径向和周向的传热。

式中 ρ——润滑油密度

Cp——等压比热容

k——油膜导热系数

ur、uθ、uz——润滑油周向、径向、轴向速度分量

T——油膜温度

2.3 固体传热方程

稳态下推力盘和瓦块间的热传导会影响油膜的压力和温度，描述其传热的固体传热方程如下所示，其中关于推力盘轴对称热传导的假设已经被多人验证[10-11]

2.4 油膜厚度方程

为正确计算轴瓦表面的油膜厚度，其示意图简化如图1所示。其中（r，z，θ）为柱标系中各坐标分量。油膜厚度方程为

式中 hp——可倾瓦支点处的油膜厚度

Rc——支点半径

α/β——径向倾角、周向倾角

φc——支点夹角

αc、αr——周向倾角、径向倾角

χ——常数，一般取0.5

图1 轴瓦的油膜厚度示意图

2.5 润滑油粘-温-压方程

粘温模型采用Roelands粘度-温度-压力方程，其公式的表达式为

自发表以来，日本的井上红梅、佐藤春夫、竹内好、增田涉、高桥和巳、松枝茂夫等十多人纷纷翻译过《故乡》。使得该作品在日本广泛传播，至今仍被收录进日本的中学教材。本文选取了井上红梅译本和竹内好译本作为研究对象。

式中 T0——环境温度

μ0——环境压力和温度下的流体粘度

S0——热-粘参数

Z——压-粘参数

3 推力轴承温度场计算模型

本文以某型号离心压缩机推力轴承为研究对象，涉及的推力轴承、推力盘结构和材料特性、润滑油材料特性、载荷及边界条件如下所述。

3.1 推力轴承和推力盘结构和材料特性

推力轴承和推力盘的结构尺寸和材料性能参数分别见表1和表2。

3.2 润滑油参数

润滑油采用ISO VG46号透平油，其各项参数见表3。

3.3 载荷和边界条件

润滑油供油温度取35℃和45℃，转子转速范围5705～8705 r/min，支点油膜厚度0.1 mm，瓦块周向倾角0.05°。

表1 推力轴承和推力盘主要结构尺寸

表2 推力轴承和推力盘材料参数

表3 润滑油参数

4 推力轴承轴瓦温度场计算结果及分析

图中，左侧为瓦块的润滑油进口边，右侧为润滑油出口边，三张图的温度场分布规律一致，从图中可以看出：轴瓦进油边轴瓦温度最低，而出油边外径处轴瓦温度最高。这是因为润滑油从进入轴瓦面开始就承受剪切力，使得油膜温度不断上升，进油边有冷油不断补充，且不在核心承载区，温度较低，在出口外径处油膜最薄，承载较大，且散热不好，温度因此达到了峰值。

推力轴承瓦块最高温度是辨识轴承能否安全承载的直接参数。为了进一步明确转速、轴承载荷、供油温度对瓦块最高温度的影响规律，本文进行了多组计算对比分析。

图2 轴瓦温度分布云图（转速5705 r/min）

图3 轴瓦温度分布云图（转速6705 r/min）

图4 轴瓦温度分布云图（转速7705 r/min）

图5 不同转速下轴承载荷与最高温度关系曲线（Tin=35℃）

图6 不同转速下轴承载荷与最高温度关系曲线（Tin=45℃）

图5和图6为不同转速、不同供油温度下的轴向载荷和最高温度的分布曲线。图中可以看出：

（1）相同的供油温度和载荷下，轴瓦最高温度随转速升高而升高。这是由于油膜厚度方向的速度梯度随转速升高而增大，油膜中能量损耗加大。

（2）相同的供油温度和转速下，轴瓦最高温度随着载荷的增加而升高。这是由于油膜随载荷的增大会被挤压变薄，油膜的速度梯度增大，产热增加，通过热传递给瓦块，导致轴瓦温度上升。但轴瓦温升的趋势逐渐变缓，原因主要在于油膜厚度随轴向力增大减薄的越来越慢，最后趋于稳定，因此剪切力梯度也逐渐变小，摩擦产热速率降低。

（3）相同的转速和轴向载荷下，轴瓦的最高温度随供油温度升高而升高。提高供油温度后，与轴瓦接触的整体润滑油温度升高，轴瓦的最高温度也随之上升高。

5 结论

本文介绍了基于热流固耦合的推力轴承温度场预测，采用THRUST软件计算得出了某压缩机用推力轴承温度场分布，得到了最高瓦温随转速、载荷和供油温度的变化规律，得出如下结论，为压缩机用可倾瓦推力轴承的设计、选型和故障排除提供了理论支撑：

（1）相同供油温度、相同载荷下，转速越高，轴瓦最高温度越高；

（2）相同供油温度、相同转速下，载荷越大，轴瓦最高温度越高；但轴瓦温度升高的趋势逐渐变缓；

（3）相同转速，相同轴向力时，供油温度越高，轴瓦的最高温度越高。