局部多孔质气体静压止推轴承压力分布的研究_图文

1、 润滑与密封第34卷本文作者采用FLUENT软件,对局部多孔质气体静压止推轴承压力分布进行了仿真研究。其中,局部多孔质和气膜都通过有限体积的方法进行离散,同时考虑了气体在局部多孔质和气膜内的三维流动,从而使仿真结果相比于二维计算结果与实际更相符合。1模型建立、网格划分和边界条件的设定首先利用GAMBIT软件对图1所示的局部多孔质气体静压止推轴承建立模型。由于止推轴承是关于轴对称的,故只需对止推轴承的沿轴线分开的1/2进行建模和划分网格,如图2所示。将此模型导入FLUENT软件后,只需通过菜单Display/Views即可显示整个止推轴承,从而对整个止推轴承进行计算。进气口的入口采用压力人流条件

2、,在入口截面上设定总压、静压和总温。出气口采用压力出流条件,在出口截面给定环境压力。壁面采用无滑移绝热固壁条件。同时。多孔质区域设定为流体区域。.:/v 。/八p、,It./乙八、y1N.、.N警。图1局部多孔质气体静压止推轴承结构图Fig 1Physical configuration of partial porous aerostatic thrust bearingmm;平均气膜厚度h。=20“m;局部多孔质石墨是各向同性的,故各个方向的渗透率币=5.8X10。mm2。供气压力P。=500kPa,大气压力P.=103kPa。综合考虑网格质量以及计算机的内存分配,经过反复试验,按照以下方

3、式划分网格,可以得到质量较好、精度足够的网格:轴承外径圆周的1/2可取网格数/'t.=80,轴承对称边网格数rt:=50,多孔质圆柱塞圆周细分网格数%=50,局部多孔质圆柱塞采用矩形网格结构,气膜厚度方向细分网格节点数n。=15,采用三角形网格,最终圆板止推轴承对称的1/2共分网格数125241。通过FLUENT软件的仿真计算,给出沿不同直线压力分布图。然后给出局部多孔质气体静压止推轴承在结构参数变化情况下仿真求得的压力分布情况。给出的沿不同直线压力分布图,包括局部多孔质圆柱塞出口处沿半径方向的压力分布图,对应于图3中的AB段,还包括从止推轴承的中心沿径向到轴承周边的压力分布图,对应于

4、如图3中的CD段。厂、。Qp f 爿厂、口工f厂、cV oV/Q弋/图3局部多孔质气体静压止推轴承压力分布作图区域Fig 3Domain of pressure distribution of partial porous eo|umll aerostatic thrust beating图4示出了静压轴承相对压力的分布情况。可知,局部多孔质圆柱塞出口压力由其所在轴承小半径到大半径的变化时有微小的减小,这也证明了在有限元计算时假定局部多孔质圆柱塞各点的出口压力都相图2局部多孔质气体静压止推轴承模型及网格划分蓁蒿磊曩挈:,篆宝雾霾票嚣曩黑#萋尝呈掌蔷襄F i g2Establishing mod

5、el and volume mesh ofV。”。H7、。u。削“。一一,_partialporoug舱。tati。thrust beadIlg轴承是闭式轴承,从空气动力学考虑,可以解释为气2仿真实例分析体从某一供气孔向轴承中心流动的气流由于受到其他模型由多孔质圆柱塞和气膜组成,各部分尺寸如供气孔相反方向来流的阻碍,达到滞止后流动方向发下:止推轴承半径R。=25nun;局部多孔质高度日=6生逆转,直至与向外流动的主流会合,最终由轴承圆nun;局部多孔质圆柱塞的半径R,=2.5nun;个数,l=周流入周围环境。同时可看出气膜压力从局部多孔质6且均布,局部多孔质圆柱塞所在的半径R。=12.5 出口

6、向轴承边界逐渐降低至环境大气压。2009年第ll期于雪梅等:局部多孔质气体静压止推轴承压力分布的研究55一瑚芒260:220羞I舯专l舶100Position/mm(a局部多孔质出口处的压力分布Position/mmIb轴承沿半径方向的压力分布图4局部多孔质气体静压轴承局部的压力分布Fig 4Partial pressure distribution of partialporousexternally pressurized beating3参数变化对压力分布的影响图57分别示出了局部多孔质圆柱塞个数、半径及高度对局部多孔质及气膜内压力分布的影响。从图5可知,随着局部多孔质圆柱塞的个数由4个

7、增加到6个,圆柱塞之间沿圆周方向的压力减小,从而气膜内的压力升高,在相同面积上积分求得的承载能力得到提高,这与通过有限元方法计算的结果是一致的旧1,也就证明了有限元方法的正确性。 图5局部多孔质圆柱塞个数不同时轴承的压力分布云图Fig 5Pressurecontourof beating with different partialporousplunger numbem 图6局部多孔质圆柱塞半径不同时轴承的压力分布云图Fig 6Pressurecontourof bearing with different partialporousplunger radiuses:叁56润滑与密封第34卷

8、从图6可知,由于节流半径不同,导致节流效果产生很大的不同,其中,半径小的节流效果明显,如图6(a所示的通过多孔质圆柱塞的压力变化最明显,而图6(d所示的通过多孔质圆柱塞的压力降很小,这说明随着半径的增加,气膜内的压力逐渐增大,从而使承载能力随着半径的增加而得到很大的提高。图7局部多孔质圆柱塞高度不同时轴承的压力分布云图Fig7Pressure contour of bearir培with different partial porous plunger heights从图7可知,随着高度从10mm减小到4mm,局部多孔质圆柱塞的压力降减小,图7(a中局部多孔质圆柱塞的压力变化最不明显,这样使气

9、膜内的压力减小幅度很小,从而承载能力明显提高。4结论应用基于有限体积法的计算流体动力学仿真软件对气体静压止推轴承的压力分布进行了仿真研究。给出了气体在局部多孔质中和气膜内的压力分布,并分析了局部多孔质圆柱塞的个数、半径及其高度不同对轴承压力分布的影响。结果表明,随着多孔质圆柱塞个数的增加、半径的增大或其高度的减小,气膜内的压力都会相应的增大,从而可使静压轴承的承载能力得到提高。参考文献【1】Power J W.Design of aerostafic bearingM.London:The Ma-chinery Publishing Co.Ltd。1970:12一18.【2】卢泽生,于雪梅.局

10、部多孔质石墨气体静压径向轴承特性的研究J.哈尔滨工业大学学报,2006。38(增刊:8790.hl Zesheng.Yu Xuemei.Research of Partial Porous Graphite Aerostafic Journal BearingJ.Journal of Harbin Institute of Technology,2006,38(Supplement:8790.【3】Mohamed Fourka,Marc Bonis.Comparison between externally pressurized gas thrust bearingswith differe

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