润滑油水侵对动压可倾瓦推力轴承润滑性能的影响*

2022-09-21魏士杰李思晗李鹏哲胡文文刘雨薇

润滑与密封 2022年9期

魏士杰李思晗李鹏哲胡文文刘雨薇贾谦，3

(1.中国航发西安动力控制科技有限公司设计研究所陕西西安 710077；2.西安交通大学城市学院机械工程系陕西西安 710018；3.西安交通大学城市学院，机器人与智能制造陕西省高校工程研究中心陕西西安 710018)

动压可倾瓦推力滑动轴承经常工作于高速、重载等较为极端的工况条件下，其依靠轴瓦和推力盘间形成的几十微米至几百微米的润滑油膜承担巨大的轴向载荷[1-2]。使用动压可倾瓦推力轴承的重大装备很多，例如核主泵、燃气轮机、大型舰船等[3-4]。尤其对于大型推力轴承来说，由于其所在轴系的运动状态复杂，常伴有振动及倾斜等特殊工况，润滑问题不仅关乎推力轴承的寿命也关乎使用的安全性，成为推力轴承性能分析的重要指标[5-6]。与润滑相关的轴承静特性和动特性参数一直是分析和评价推力轴承使用性能的主要指标[7]。近年来随着国家支持力度的增加，重大装备不断涌现，与之相关的推力轴承研究与应用也变得更加的广泛。王瑞等人[8]建立了石墨水润滑可倾瓦推力轴承模型，采用摩擦副粗糙度作为衡量指标计算了理论起飞转速，并与起飞转速台架试验结果进行了对比。闫岗等人[9]设计了一种超导磁力与静压流体力相复合的推力轴承，采用解耦的方法分析复合轴承的刚度等性能指标,并进行了优化。王建磊等[10]建立了水润滑推力轴承设计知识库，以实现设计知识的获取和调用，给出了某立式轴系水润滑推力轴承的设计实例，并基于多源知识的设计方法得到了该轴承的设计流程图。王报龙等[11]、王瑞[12]针对船舶可倾瓦推力轴承在实际运行过程中存在的轴系倾斜问题，建立了倾斜状态下可倾瓦推力轴承热弹流体动压润滑计算模型，研究了倾斜状态对可倾瓦推力轴承静动特性的影响。张帆等人[13-15]建立了平衡梁支承和碟簧支承2类核电可倾瓦推力轴承承载和润滑性能分析模型，揭示了轴承-推力盘相对倾斜下的多瓦自适应承载机制。OUYANG等[16-17]建立了半尺寸轴承试验平台，为核主泵推力轴承的研制提供了试验技术参考。

本文作者针对核主泵、船用轴系等特定工况下推力轴承润滑油的进水问题，以46润滑油和68润滑油为例，通过实测的方法获得了润滑油含水后的黏度值，并代入推力轴承性能计算模型，进而获得了润滑油水侵对动压可倾瓦推力轴承润滑性能的影响。

1 动压可倾瓦推力轴承的结构和使用工况

文中的研究对象为动压可倾瓦推力轴承，该推力轴承具有平衡块支撑的特殊结构，如图1所示。推力轴承主要由扇形推力瓦块、上平衡块、下平衡块及支点等部分组成，轴承依靠推力瓦块与推力盘之间形成的动压润滑膜来承载。这种结构的优点在于当转子倾斜时轴承的高低会根据杠杆原理而自我调节，不会产生受力的不均，也就说具有均载效应。

文中研究的这种重载可倾瓦推力轴承的一个典型应用为核主泵立式轴系和船用驱动轴系。核主泵是核电站的心脏，其主要功能就是驱动核岛内高放射性高温高压水或者气体进行循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽等，从而推动汽轮机发电。一个核电站内有多个主泵，图 2(a)所示为第四代核电高温气冷堆的氦风机主泵的轴系结构。该轴系有4个轴承，其中包含1个可倾瓦动压双向推力轴承。该轴系的额定转速为1 800 r/min，推力轴承工作的最高温度为80 ℃，最大载荷为500 kN，瓦块外径为1 200 mm，内径为500 mm。重载可倾瓦推力轴承的另一个典型应用是舰船的驱动轴系，如图2(b)所示。舰船驱动轴系一般含有4个轴承，其中包含1个推力轴承、2个径向轴承和1个橡胶艉轴承。

由于船舶工作在不同的推进转速下，并由此产生不同推力，使得推力轴承工作在变工况环境下。该类轴系的最大工作转速为300 r/min，轴承载荷为5 000 kN，轴承瓦块外径为2 000 mm，瓦块内径为1 000 mm。

2 考虑润滑油含水的推力轴承润滑性能计算方法

2.1 润滑油含水后的物性表征

润滑油的物理性能指标一般包括密度ρ、比热容c、导热系数k、运动黏度γ、动力黏度μ等，从轴承的润滑理论计算的角度来说，ρ、c和μ对润滑性能的计算结果影响最为显著。文中所研究的情况是润滑油水侵，根据统计对于文中研究的这种重载可倾瓦推力轴承，所使用的润滑油牌号一般为46和68润滑油，在使用时被水入侵后的含水量最多可达到1.0%(质量分数)。由于润滑油本身密度就和水相差不大，所以含水后对ρ影响不大。含少量水后，润滑油μ和c会产生一定变化，且相比较而言，μ的变化更加明显。因此，文中在分析润滑油含水的物性时，主要考虑的是其对μ的影响。

首先，采用石油产品运动黏度测试的相关标准GB/T 265对46和68润滑油在含水0.5%和1.0%(质量分数)后不同温度下的运动黏度进行了测试，测试结果如表1所示。可以看出，润滑油的运动黏度会随着含水量的增加而减小，并且润滑油的黏度越大这种影响越明显。

表1 润滑油运动黏度值随水分质量分数的变化

运动黏度表示液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，其值为相同温度下的动力黏度μ与其密度ρ之比，所以可以根据式(1)获得含水后润滑油在不同温度下的动力黏度值，如图3所示。

μ=ρ·γ

(1)

从图3中可以看出，不论润滑油是否含水，润滑油的动力黏度μ值均随着温度的升高而迅速降低，降低的幅度较大。而含水后润滑油的μ值会有一定程度的降低，且随着油温t的升高，含水的影响将降低。对于文中研究的润滑油和轴承的使用工况来说润滑油的动力黏度和温度存在式(2)所示的经验公式。

μ=A·eB/(t+C)

(2)

式中：A、B、C为常数；t为润滑油温度。

由此，根据图3中的润滑油动力黏度随温度变化的曲线即可获得46、68润滑油在含水后的黏温方程，用于推力轴承的润滑理论计算。

对于文中研究的推力轴承，润滑剂的雷诺数Re小于2 000时属于层流润滑工况，Re大于4 000时则属于湍流润滑工况。流体的Re可根据计算公式(3)计算得到。

Re=ρvd/μ

(3)

式中：v为流体的流速，可以通过试验测得；d为管子的内径。

在40 ℃时，46润滑油和68润滑油的Re分别为45和61，属于层流状态，纯水在40 ℃时Re为12 034属于湍流状态。根据油和水的物性差异，在进行润滑分析时，油和水组成液膜的润滑状态的确定相比于传统的单一油润滑或水润滑也应不相同。文中研究的润滑油含有微量水，水占的比例仅为0.5%和1.0%(质量分数)，此时的Re为1 000左右，在进行润滑分析时仍按照层流来考虑。

2.2 推力轴承润滑性能的计算方法

推力轴承润滑性能计算的基本方程包括雷诺方程、液膜厚度方程、润滑液黏温方程和液膜能量方程等，等温假设时不考虑能量方程和黏温方程。如图4所示，取一参考平面与推力盘平面平行，两平面相距hc，设瓦摆动后瓦平面与参考平面的交线为P，P线过坐标原点O。γP为摆动后瓦平面与参考平面之间的夹角，此时的润滑膜厚度h为

h=hc+rsin(θP-θ)sinγP

(4)

式中：θP是P的位置角；γP很小，所以sinγP≈γ。

设最小润滑膜厚度位于(rmin,θmin)，由式(4)得最小液膜厚度hmin为

hmin=hc+γPrminsin(θP-θmin)

(5)

液膜二维能量方程如式(6)所示，Γ为瓦面的边界，Γ的边界条件为如式(7)所示。

(6)

(7)

(8)

Pf=Mfω

(9)

可倾瓦平衡块支撑的推力轴承的计算流程如图5所示。图中的流程包括有3层迭代，分别是液膜压力场迭代、轴瓦承载力迭代以及瓦块平衡位置迭代。

3 润滑油水侵对推力轴承润滑性能的影响分析

3.1 对推力轴承基本润滑性能的影响

文中选取了一组典型的核主泵推力轴承工况和结构参数，如表2所示。可以看出，该核主泵推力轴承所在轴系的额定转速n为1 800 r/min，额定载荷W为500 kN，推力轴承为带平衡支撑的可倾瓦轴承，瓦块的数量为8块。

表2 核主泵推力轴承工况及结构参数

根据表2中的推力轴承工况和结构参数，利用图5中所示的推力轴承计算流程，通过计算获得了推力轴承使用46、68润滑油时的润滑性能，如图6所示，润滑性能包括最小油膜厚度hmin、润滑油温升ΔT、润滑油流量Q和轴承功耗W。图6(a)所示为最小油膜厚度hmin随润滑油含水量的变化。可以看出，采用68润滑油润滑时推力轴承的hmin大于采用46润滑油时，这是由于68润滑油的黏度大于46润滑油。当润滑油含水后，hmin随着含水量的增加而减小，减小的程度较为明显，例如46润滑油含水0.5%、1.0%(质量分数)时的hmin分别为不含水时的85.6%和64.0%。图6(b)所示为润滑油温升ΔT随润滑油含水量的变化。当润滑油含水后，ΔT随着含水量的增加而增大，但是增大的幅度不大，46润滑油含水0.5%、1.0%(质量分数)时的ΔT分别为不含水时的1.04倍和1.06倍。图6(c)所示为润滑油流量Q随润滑油含水量的变化。当润滑油含水后，Q随着含水量的增加而减小，减小的幅度不大，46润滑油含水0.5%、1.0%(质量分数)时的Q分别减小为不含水时的91.1%和84.6%。图6(d)所示为推力轴承功耗W随润滑油含水量的变化。当润滑油含水后，W随着含水量的增加而降低，降低的幅度较为明显，46润滑油含水0.5%、1.0%时的W分别降低为不含水时的88.8%和59.9%。

3.2 对推力轴承起飞转速的影响

文中研究的推力轴承轴系在启动时，当转子升速到一定转速时推力轴承形成的润滑油膜会使得推力盘与轴承瓦面完全地脱开，并形成比较完整的流体动压润滑膜。此时推力轴承就可以对轴系进行有效地润滑和支撑，这一转子转速称为起飞转速，该转速下对应的润滑膜膜厚就称为“起飞膜厚”。起飞膜厚一般与轴承与轴瓦接触面的摩擦副有关，完整润滑膜必须保证膜厚大于推力轴承和推力盘2个表面的粗糙度之和的若干倍，文中起飞膜厚取15 μm。通过计算获得了转速为10、50、100、500、1 000和1 800 r/min时的最小润滑膜厚度值hmin计算值，如图7所示。可以看出，随着转速的升高推力轴承的hmin逐渐增加，润滑油含水后的hmin小于不含水时，且随含水量增加而减小，46润滑油由于黏度低于68润滑油，所以使用46润滑油时的hmin均低于相同状况下使用68润滑油时。从起飞转速来看，2种润滑油在不含水和含水0.5%(质量分数)时的起飞转速都在50 r/min以下，含水1.0%(质量分数)时起飞转速都在50 r/min以上。