文档介绍：中国工程热物理学会工程热力学与能源利用
学术会议论文编号:141346
近饱和液相区R134a动压润滑静态特性的有限元分析
赖天伟,杨山举,张侨禹,陈双涛,侯予
(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049)
(Tel:02982664921:E-mail:******@.)
摘要为了提高无油制冷剂润滑的稳定性与可靠性,获得近饱和R134a制冷剂在轴承微小间隙内的相变动压润滑特性,本文针对轴承微小间隙内动压形成规律,采用有限元方法分析了具有蒸汽气蚀的R134a动压润滑的静态特性,分析了过冷度对轴承微小间隙内流体相变动压润滑的影响。通过理论分析发现:随着过冷度的减小,蒸汽气蚀对于轴承动压区域大小的影响较小,动压的起始点随着过冷度减小而向后侧迁移;轴承的承载能力逐渐下降,当气蚀发生时承载力下降明显,提高过冷度有利于抑制气蚀的发生。
关键词相变动压润滑;制冷剂;蒸汽气蚀;静态特性
前言
随着高性能超算中心的发展,机房制冷空调系统能耗管理问题日益突出,采用室外空气或河/海水的冷量的自然冷却系统(Free Cooling System)以其较好的节能效果受到人们的青睐[1-2]。另外,新型环保制冷剂和循环系统的采用使得制冷系统对制冷剂纯度提出了更高的要求[3-5]。传统制冷剂相变冷却系统中工质循环泵使用常规油基润滑介质。一方面,制冷剂中混杂有润滑剂会影响换热效果,比如润滑剂附着在管道表面、膨胀设备和换热器上,改变了制冷剂的热物性和热力学平衡,降低了蒸发器和冷凝器的换热系数;另一方面,润滑剂中混杂有制冷剂会影响润滑效果,比如在压缩机内部制冷剂的蒸发会引起润滑剂发泡从而降低润滑剂粘度,导致启动过程润滑压力偏低和温度过高,影响运动部件的润滑效果[6-8]。可见,动力部件的润滑特性对于自然冷却系统的稳定性与可靠性具有重要作用。
制冷剂本身作为润滑剂时,轴承内气蚀对于轴承性能具有较大影响。Grando研究了平衡和不平衡两种热力过程假设下压力膜的承载特性,发现采用不同热力学边界条件所获得的轴承性能存在较大差异,其中空化区压力低于环境压力[9]。然而,Syverud T. 发现不同负压环境下轴承内空化区域的压力高于环境压力[10]。在建立两相流体动压润滑模型时,空化区域起始与压力膜重建自由边界、气泡/空穴压力等相关边界条件的设定比
较困难[11-12],并且空化区域内流动与物性变化复杂,具有强烈的非线性[13]。Petkovsek
等人发现自发空化过程伴有空化延迟现象[14]。目前,关于蒸汽气蚀对轴承承载特性影
响的研究较少,如何提高制冷剂自润滑承载特性和揭示蒸汽气蚀对轴承运行参数的影响成为研究的重点。
基金项目:国家自然科学基金(51406157);中国博士后科学基金第55批面上资助(2014M552438);
中央高校基本科研业务费专项资金。
本文针对轴承微小间隙内近饱和液相区R134a制冷剂动压形成规律,采用有限元方法并结合饱和液体蒸汽型气蚀特性,定量分析不同过冷度条件下相变动压润滑的压力分布规律和承载力学特性。
轴承-转子润滑系统
图1 轴承-转子支承系统
轴承基本结构参数如表1所示,轴承间隙内流体液膜的典型特点:
(1) 间隙处于微米量级;
(2) 液膜处于高速剪切。
表1 轴承结构参数及运行工况
参数
数值
轴承直径Dr/mm
25
轴承宽度Lr/mm
25
转速ω/rpm
3000
环境压力psur/MPa
偏心率e
轴承间隙c/μm
20
数理模型
通常情况下,为了准确描述含蒸汽型气蚀轴承内薄膜流体的流动情况,在提出控制方程之前需要引入以下几点假设:
(1)轴承间隙中的制冷剂为实际流体;
(2)忽略流体惯性力的影响;
(3)润滑液膜为等温流体;
(4)气蚀压力近似等于工作环境温度对应的饱和压力。
控制方程
基于上述假设,参照图2所示的圆柱坐标系并将气膜沿着圆周方向展开,描述径向轴承间隙内液体流动过程的表达式为:
(1)
图2 轴承液膜有限元划分
气膜厚度表达式:
(2)
c为气膜厚度,单位μm,e为偏心量,单位μm。
为了便于数值计算,引入以下无量纲量:
由式(1)得无量纲Reynolds方程:
(3)
无量纲气膜厚度表达式为:
(4)
ε为轴承的偏心率,φ为偏位角。
无量纲压力边界条件:
(5)
Psur为无量纲环境压力。
液膜展开后的有限单元划分和节点编号如图2中所示,具体数值过程可以参照[15
静态参数
通过数值求解得到静态气膜间隙分布和轴承的静态压力之后,可以通过数值积分的方法得到轴承主要性能参数:
无量纲气膜力:
(6)