[發明專利]閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態性能設計方法

在審

• 申請號: 202011159296.3
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112182808A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 蔣書運;張少文
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;F16C32/06;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王繹涵

1.一種閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態性能設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：考慮空化效應、離心效應、紊流效應和熱效應等多因素的耦合作用，建立閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承潤滑模型：建立液相靜動態廣義雷諾方程、液相能量方程、空泡體積分數輸運方程、單個空泡運動方程，解得穩態壓力和擾動壓力，獲得軸承的靜動態性能參數；

s2：基于s1所建立的軸承潤滑模型，開展閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態性能分析計算；

基于s2的分析結果，開展閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態性能設計，以獲得盡可能大的承載力和軸向剛度，并始終保持正向流量。

2.根據權利要求1所述的閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態性能設計方法，其特征在于，所述s1具體通過以下s11-s16六個步驟實現：

s11：坐標系的建立與轉換：

所述推力軸承由兩個相對的固定設置的推力瓦和一個順時針旋轉的推力盤組成；所述推力盤的上工作面、下工作面均刻有周期分布的螺旋槽，兩個所述推力瓦的工作表面則完全光滑；

所建立的圓柱坐標系(r，θ，z)與以角速度ω旋轉的推力盤固連，而所建立的慣性坐標系(r，Φ，z)與靜止的推力瓦固連；此外，還建立笛卡爾坐標系(x，y，z)；

運用邊界擬合坐標系對軸承幾何形狀進行轉換，物理平面(r，θ)和計算平面(ξ，η)之間的轉換關系為：

式(1)中：β為所述螺旋槽的螺旋角；r_s為密封半徑；r為軸承的半徑方向坐標；θ為圓周方向坐標；ξ為螺旋槽方向坐標；η為圓周方向坐標；

s12：液相靜動態廣義雷諾方程的建立：

液相靜態廣義雷諾方程為：

式(2)中：下標中“1”、“2”、“3”、“4”表示控制體積中的區域編號；

p₀為穩態水膜壓力；和為瞬時質量流量的穩態分量，其可表示為：

式(3)中：“A”、“B”、“C”、“D”、“E”代表流量系數；

α_l為液相體積分數；ρ_l為液相密度；t為時間；h₀為軸承處于穩態時的水膜厚度；

液相動態廣義雷諾方程為：

式(4)中：p_γ為擾動水膜壓力；和為瞬時質量流量的擾動分量，均為復數，其可表示為：

式(5)中：“A”、“B”、“C”、“D”、“E”代表流量系數；υ為小擾動頻率；為擾動膜厚，其可表示為：

式(6)中：對于推力盤的下表面，α取+1，對于推力盤的上表面，α取-1；

s13：液相能量方程的建立：

式(7)中：h為水膜厚度；為通過膜厚的液相平均溫度；T_p和T_d分別為推力瓦和推力盤溫度；c_v為液相定容比熱；μ_l為液相動力粘度；Re_h為當地雷諾數；k_θ和k_r分別為周向和徑向紊流系數；M_i為周向動量傳遞項；E_i為兩相之間的能量傳遞項；k_p和k_d分別為液相與推力瓦、液相與推力盤之間的傳熱系數；

s14：空泡體積分數輸運方程的建立：

式(8)中：α_b為空泡體積分數；和分別為空泡相的周向和徑向平均速度；R_v和R_c分別為空泡生長和潰滅的源項；

s15：單個空泡運動方程的建立：

F_P+F_D+F_A＝0 (9)

式(9)中：F_p為壓差力；F_D為阻力；F_A為由空泡生長和潰滅引起的附加質量力。

s16：聯立方程(2)、(4)、(7)～(9)，設置邊界條件，運用有限差分法離散方程組，采用超松弛迭代法求解方程(2)和(4)，采用低松弛迭代法求解方程(7)和(8)，解得穩態壓力和擾動壓力，從而獲得軸承的靜動態性能參數。