高速推力轴承的功耗与设计
来源：博高科技发布时间：2021/6/26
高速汽轮机泵推力轴承的设计与功耗问题
钱续鹏（中国石油化工股份有限公司安庆分公司机动部 邮编246001）
朱礼进（上海大学轴承研究室 邮编200072 ）
摘要：本文讨论高速汽轮机泵的滑动轴承设计的功耗问题。以推力可倾瓦轴承为例，在各种参数下，计算了轴承的最高油温、最小油膜厚度以及轴承的功耗。从分析结果可知，无论怎样改变轴承外直径do、支点位置半径rp和位置角β都难以有效地降低轴承的功耗。当轴承的瓦块数量减少时，轴承的功耗才能得到有效的降低。
关键词： 轴承功耗 轴承 油膜 温度 汽轮机泵
一、前言
高速汽轮机泵是一种将汽轮机和高速泵一体化设计，具有体积小结构紧凑
的特点，用于给大型汽轮机及压缩机的供油系统中。考虑到高速汽轮机泵高速度高、小功率、有一定的轴向推力，所以在设计支撑转子的径向轴承和推力轴承时采用润滑油润滑的可倾瓦轴承。我们以一种高速汽轮机泵为例，其功率为 22KW、转速为15000转/分，推力载荷为300kg，汽轮机的进气温度为300C0，工况对推力轴承的要求比较高，对此我们采用均载可倾瓦轴承的结构形式。其优点有：一、点支撑。单块瓦可以灵活转动，可以得到最佳油楔面。二、各瓦块采用联动机构进行整体微调，可以消除由于制造、安装误差引起的推力面和推力盘之间的平行差，使得各瓦块可以均匀承载。三、可以保证足够大的润滑流量带走汽轮机传导给轴承的热量。四、安装方便。五、维修便利经济，如轴承有磨损只需更换瓦块即可。
二、高速汽轮机泵推力轴承的功耗问题
22KW高速汽轮机泵，由于功率小、速度高、且有不小的轴向力，所以在推
力轴承设计中要特别考虑到轴承的承载能力和轴承的功耗问题。加大推力轴承的外径可以减小轴承比压及增大油膜厚度，轴承可较安全地工作，但随着外径的加大，推力盘与轴承的相对速度也增大，因而轴承的磨擦功耗也会增大。高速汽轮机泵为小功率高速旋转机械，轴承的功耗直接影响到高速汽轮机泵工作效力。
为了保证轴承的安全工作，应在最高瓦温不太高，最小膜厚不太小，最高比压不太大的前提下，确定轴承外直径do、支点位置半径rp和位置角β，使轴承的摩擦功耗N最小。
三、推力轴承的计算参数
轴的直径尺寸为50mm，
推力轴承内径最小可以定为55mm；
瓦块数取为8；
瓦张角α取为400；
瓦背用点支撑；
用ISO#30汽轮机油润滑；
进油温度Ta=40℃；
轴承载荷300kg；
轴承采用均载机构，瓦块数为S；
则每块瓦的载荷Fa=3000/S（N）。
四、推力轴承功耗的计算
在各种do、rp、β数值下，试取瓦的进油温度Tin、支点处油膜厚度h0、瓦在支点上的倾角δ和偏角τ，联立解出圆柱坐标系中的雷诺方程、绝热流动能量方程和Glienicke-Han温-粘关系：
求出压力分布、温度分布、粘度分布。由此积分求出一块瓦的承载合力、以及该合力所处的径向位置和角位置；同时计算油膜的柔度矩阵、及瓦的进油量、侧泄量、出油量、摩擦力和功耗。根据合力与载荷的差值、合力位置与支点位置在径向和角向的差值，判断三个平衡关系（力平衡；倾转力矩等于零；偏转力矩等于零）是否满足。如果平衡关系的相对误差超过万分之一，则根据差值和柔度矩阵推算出do、rp、β的新值，重新计算，直到足够精确地满足三个平衡关系。
根据瓦的进油量、侧泄量、出油量、出油温度和供油温度等，计算瓦前空间内冷油和热油混合成的温度（应当等于瓦的进油温度）。根据它，修改假设的进油温度，重新全部计算，直到混成温度与设定的进油温度足够接近为止（二者差别不大于0.1℃）。
此时即认为计算已经收敛，计算得的各项性能数值为有效结果。如单块瓦的摩擦功耗为N,则推力轴承总的摩擦功耗应为SxN。
五、用Thrust程序计算所得的结果。
下表为各方案计算所得的结果：方案001-方案032 为8瓦块，方案029-6、
029-5、029-4的瓦块数分别为6、5、4个瓦块。
六、确定推力轴承参数。
从以上各方案的计算结果可以知道，001方案的瓦温只有61.6℃，最小膜
厚0.0377mm比压为1.68 Mpa，轴承可以非常安全地运行，但轴承的功耗却达到3.582KW，如果考虑到两副径向滑动轴承的功耗，则机组轴承总的功耗将达到功率的20%以上，对这样的小机组来说是无法接受的。
方案010的功耗虽然只有1.648KW，功耗相对较小，但瓦温却高达131℃，最小膜厚只有0.00871mm，轴承是不能够安全运行的。
如果限定轴瓦的最高温度Tmax不超过85℃，最小油膜厚度hmin不小于0.015mm，则轴承的工作安全性很高。以这种要求从方案001到方案032 来看，方案Q029看来最为合适，瓦温为64.9℃，最小膜厚0.0208mm， 功耗为2.464KW，功耗仍然比较大。
从方案001到方案032可知，无论怎样改变轴承外直径do、支点位置半径rp和位置角β，都不能使轴承的摩擦功耗达到比较理想的结果。
如果需要进一步降低功耗，我们可以在方案Q029的基础上减少瓦块数量。方案029-6、029-5、029-4的瓦块数分别为6、5、4个瓦块，从计算结果
来看，随着瓦块数量的减少，轴承的功耗可以大大的减小。方案029-5最为理想，瓦温76.8℃，最小膜厚0.0142mm,比压为5.23 Mpa，轴承可以安全地运行，而且轴承的功耗为1.67KW，可很好地降低轴承的功耗。这对提高高速汽轮机泵的效率是非常有意义的。