减少高速运转涡轮应用轴承中的热油残留

由该企业。Thilo Koch和dr . Ing。Abdelhakim Laabid

倾斜垫轴颈轴承用于涡轮机器，如涡轮压缩机，涡轮齿轮，燃气轮机和蒸汽轮机。在过去的几十年里，通过增加功率密度，施加的负载和速度同时增加。

为了克服保守的操作限制，通过一定的设计修改来降低油膜温度是有帮助的。采取这些一定的设计措施是为了防止从一个油垫出来的大部分热油到达下一个油垫，使新鲜的冷油和热油尽可能少地混合。本文的重点是展示这些改进。模拟与计算相结合的理念可以评估供油效率，使设计人员能够同时优化排油和注油。

1操作条件限制
倾斜垫轴承通常用于高速运行的转子，与多叶轴承相比具有更高的稳定性，并且在负载区域比淹水轴承具有更好的油分布。载荷和速度方面的限制由最小润滑膜厚度和油膜和倾斜垫表面的最高温度给出。

当比负载和速度都大大超过上述值时，最大表面温度会超过非允许值(例如130°C)(见图1)。

最大垫温度的显著减少是一个重要的选择，以减少轴承和随后的转子轴尺寸，如果其他边界条件，如转子质量和固有频率将允许这样的措施。

2优化选项
通常的做法是使设计特性适应当前的应用程序。有几何选项，如:
•直径和宽度的大小
•护垫数量
•垫的几何形状
•其他几何参数，但也，石油供应措施，如下:
•润滑喷嘴的设计
•喷嘴数量
•喷嘴到轴的距离
•油量
•油压

可倾垫轴承的供油优化有多种可能性。例如，通过提供更多的冷油或当冷油被引导到轴承的最高负载区域或最热的地方时，可以提高效率。，热油可以防止进入后续倾斜垫和轴之间的间隙。

以表1为例，给出了某供油单元的不同设计方案:

3.调查常见的和未来的设计选项
我们从图E0开始模拟，然后通过特征E1, E2和E3进行模拟。为了验证几个设计元素的效率，通常的技术是在开始现场测试之前在径向试验台上运行这些轴承，甚至在实际应用中运行它们。一种比较现代的方法是利用CFX技术对三维油流进行研究(也见图3和图3中ANSYS CFX软件的输出)
该方法是在执行耗时的试验台运行之前选择最有希望的设计特征的有用工具。

如图3和图4所示，可以模拟对轴承温度和油压的影响:

例如，研究E1到E3的新设计方案，每个垫块在两个倾斜垫块之间的空间中至少有一个热油排水装置。第一次热油排水取代了已知的注油，注油可以放置在倾斜垫之间的空间中。此外，通过使用热油排水，填充了两个相邻倾斜垫块之间的空间，从而阻碍了该区域大量石油供应的发生。

此外，可以在设计中包括一个第一坝和一个喷油装置，它直接位于第一坝的后面。添加的油射流将油溅到轴上，以喷洗轴上的薄层热油。通过注油，轴上最后残留的油，从先前的润滑间隙中拖过来，被打破并从轴上分离出来。然后，它与新提供的油形成混合物。由于一部分热油已经被第一个大坝拦截，从竖井中分离出来的热油有助于混合。因此，这种混合物的温度基本上是由注入的新鲜油的温度决定的。

然而，热油排水也有第二次排油，从轴上分离出来的热油和注入的冷油中的一部分混合物可以通过该排油口再次排出。

这有几个好处。首先，来自前一个倾斜垫的部分热油，有效地防止进入下一个润滑间隙。此外，排油可以使更多的新鲜油注入。注入的冷油和从轴上释放的热油之间的比例进一步改变，有利于新鲜油。因此，混合物的平均温度继续降低，从而通过油排放实现对倾斜垫轴承的更有效冷却。

这种排、排油单元的设计应保证只有很小一部分上一个润滑间隙的温油能进入下一个润滑间隙。这可以通过各种热油排水组件的组合来实现。两个相邻倾斜垫之间的空间几乎可以完全被排水装置填满，流体损失可以最小化。使用第二坝提供了一种选择，即注入的新鲜油和加热油的混合物可以至少部分排出，并且在下一个润滑间隙内不用于润滑。因此，热油携带到随后的润滑间隙几乎完全被防止。

以下润滑间隙所需的润滑油由额外的新鲜供油提供。因此，这个可以在更低的压力下工作。润滑油进入间隙可以实现更多的层流，从而也可以防止摩擦和湍流造成的损失。

轴向的喷油器可能包含几个喷嘴。通过这种方法，油垂直于轴注入，轴上的残余热油膜可以可靠地破碎和飞溅。另一个现象可以通过下图7来说明，由于新鲜油的回流，前一个垫块的热油无法通过坝与轴之间的间隙流动(见图7)。

设计E1的优点可以与分离喷油相结合，例如通过由一排喷嘴组成的两个分离喷油。第一次喷油代表热油的减少(溅出热油)，第二次喷油代表新鲜油的供应(见图8)。

4结合仿真和计算工具
对于计算相关数据，如最小膜厚度或润滑膜的温度，米巴工业轴承使用最先进的软件程序。它是利用最新的流体力学理论知识开发的。该模型采用有限体积法计算压力、温度和油流量的三维阵列。

进一步开发倾斜垫轴承内任何油流性能的一种方法是包括模拟软件(例如ANSYS的CFX)的物理结果，并将其转移到软件计算程序中。接下来，可以对相邻垫块之间的润滑油混合模型进行优化。所谓的温油还原系数可以用来描述供油的效率。这通常取决于油的粘度、负荷、转速、供油设计、供油压力等操作条件。在常见的工业应用中，例如燃气轮机和汽轮机的轴承，该因素在30%到60%之间变化。

热油减少的因素可能会增加，例如通过上述设计方案。从计算结果可以看出，当温油还原系数从30%增加到90%时，峰值温度显著降低(见图11)。