Моделирование течения жидкости в кольцевом канале системы охлаждения несмазываемого подшипника

Simulation of fluid flow in the annular channel of a non-lubricated bearing cooling system

В современном компрессоростроении наблюдается тенденция создания несмазываемых подшипников трения с применением самосмазываемых материалов [1, 2]. Работоспособность таких узлов зависит от различных факторов, важнейшим из которых является температурное состояние подшипника [3, 4]. Разработка подобных конструкций требует изучения вопросов теплопередачи в них, так как система охлаждения подшипника определяет температуру на поверхности трения и степень неравномерности теплового поля подшипника. Поэтому актуальной задачей является организация системы охлаждения, при которой будет достигаться оптимальный диапазон температур в зоне трения и минимальная степень неравномерности температурного поля на поверхности подшипника. Работа посвящена разработке методики численного исследования процессов течения охлаждающей среды в «водяной рубашке» с целью оценки эффективности омывания поверхности теплообмена и гидродинамических характеристик.

Объектом исследования является система охлаждения самосмазывающегося подшипника скольжения, содержащего водяную рубашку. Водяная рубашка в общем случае представляет собой кольцевой коаксиальный канал с подводящими и отводящими охлаждающую среду каналами.

Расчетная модель состоит из: геометрической модели, сеточной модели, модели жидкости; модели турбулентности; граничных условий. Построение сетки реализовано в приложении ANSYS ICEM CFD.

Построение выполнено блочным методом с использованием структурированной гексаэдрической сетки. После построения блочной структуры выполнено конвертирование в неструктурированную гексаэдрическую сетку. В ходе серии расчетов определены рекомендуемые значения y+: для внутренней и внешней поверхностей кольцевого канала: y+≤3. Коэффициент роста ячеек сетки приняли равным 1,2; закон роста ячеек – линейный. Конечно-элементная сетка в осевом и азимутальном направлениях – равномерная, количество элементов в этих направлениях принимается равным: 2 ячейки на 1 мм модели. Исключение составляют блоки кольцевого канала смежные блокам патрубков, в данной области сетка выполнена неравномерной, коэффициент роста приняли 1,2. Сетка патрубка характеризуется следующими параметрами: в радиальном направлении значение y+≤3, коэффициент роста – 1,2; в осевом направлении – 2 ячейки на 1 мм, в области патрубка смежной области кольцевого канала необходимо обеспечить сгущение сетки по линейному закону роста с коэффициентом роста равным 1,2. Размер последней

ячейки патрубка принять равным размеру смежной ячейки области кольцевого канала (рисунок 1).

http://meridian-journal.ru/uploads/2433-1.PNG

 

Рис. 1.  Сеточная модель потока: а – радиальное и азимутальное направления;  б – вход потока из патрубка в кольцевой канал

 

В ходе выполнения данной работы была разработана методика численного исследования течения охлаждающей среды в водяной рубашке самосмазывающегося подшипника скольжения на базе пакета ANSYS CFX. Подтверждение адекватности методики было проведено путем сравнения карт течений и гидравлических характеристик, полученных в ходе испытаний на экспериментальном стенде, и расчетов. Расхождения результатов, полученных при помощи расчетной методики и эксперимента не превышают 10%, что можно считать удовлетворительным для численного анализа течений охлаждающей жидкости в самосмазывающемся подшипнике, содержащем водяную рубашку.

Список литературы:

  1. Pereira, P. Schmitt, K. Riahi and M. MüllerBrodmann.: “Application of self-lubricating bearings in Kaplan runner hubs” (2009). Hydropower & Dams, Issue Six.
  2. Elsayed, A.A., Elsherbiny, M.G., Aboelezz, A.S., Aggag, G.A.: Friction and wear properties of polymeric composite-materials for bearing applications. Wear 184, 45–53 (1995).
  3. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / А. В. Чичинадзе, А. Л. Левин, М.М. Бородулин, Е. В. Зиновьев; Под общ. ред. А.В. Чичинадзе – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1988. – 328 с.
  4. Zhang, R. Qu, X. Fan and J. Wang.: “Thermal and mechanical optimization of water jacket of permanent magnet synchronous machines for EV application” (2015). IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Coeur d'Alene, ID, 2015, pp. 1329-1335.