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海水淡化泵水润滑轴承转子系统轴承周向压力脉动特性研究

热度0票浏览38次时间：2021年12月20日 09:15

　（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台）

摘要：在本研究中，采用试验法，通过时域和频域分析，得出水润滑轴承周向压力分布和稳定性的规律。结果表明：转速对干、湿转子的压力脉动影响较大，随着转速的增大，轴承周向压力均值有一定的增大。干湿转子的最佳润滑转速不同，这是由于湿转子情况下转子阻尼比较明显，特别是高转速情况下。因此在湿转子情况下为保证系统稳定运行应该控制转速稳定在 2500r/min 左右。

　　关键词：海水淡化泵；水润滑轴承；压力脉动；干、湿转子引言在反渗透系统中，海水淡化泵是其主要能耗设备，多级泵结构的两端水润滑轴承，有利于提高效率、简化结构，同时有效的避免了因密封泄漏而引起的水污染问题[1] 。起到弹性支撑作用的水润滑轴承的性能好坏直接影响整个系统的稳定，而压力脉动是其重要参数之一。

　　目前，很多人对轴承周向压力的分布做了很多研究。理论方面有无限宽轴承理论、短轴承理论和有限宽轴承近似解析法等，通过求解雷诺方程得出有关液膜力表达方式，但是这都忽略了某些核心要素对轴承液膜力的影响[2] 。

　　本文对比分析了水润滑轴承分别在干、湿转子工况下的压力分布，展示水润滑轴承内液膜润滑的工作规律，展现水润滑轴承周向压力脉动的排布。为优化海水淡化高压泵水润滑轴承的设计提供一定的理论支撑。

　　1 动压润滑理论

　　润滑主要是用一种润滑材料将两个相对运动的表面分离开来，从而减小两相对运动表面的摩擦阻力以起到保护两个接触表面的作用。

　　流体润滑在所有润滑方式中的润滑效果最好，它也是实际工程应用中最常用的润滑方式。两个表面是否被润滑液膜隔开或者两者有少部分接触，这与液膜厚度 c 和两个表面的综合粗糙度 R 密切相关。通常引用膜厚比λ对润滑状态进行判断，其公式表达为λ=c/R。当膜厚比为3-5 时，两摩擦表面被润滑膜完全隔离开，通常不会发生磨损，此时处于流体动压润滑状态；当膜厚比λ约等于 3 时，有一部分摩擦表面被润滑膜隔开，同时也有一部分发生磨损，此时处于混合润滑状态；当膜厚比＜1 时，流体动压润滑效果很低，载荷几乎集中在边界润滑液膜，磨损情况严重，此时处于边界润滑状态。就实际意义来说，研究滑动轴承的润滑过程和润滑机理意义重大。

　　2 试验研究

　　2.1 试验台设计

　　试验台主要由主轴驱动系统、水润滑轴承机械装置、信号测试采集系统等组成。试验所用的轴承采用两端悬臂支撑结构，利用密封筒体实现干、湿两种不同工况，模拟了海水淡化多级泵中水润滑轴承转子系统的实际工况。

　　2.2 试验方案

　　本试验采用的轴承直径为 43mm，进水压力为 0.2MPa，半径间隙为 0.1mm，长径比为 1，润滑介质为水。本试验在不同转速 n(1500r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min)情况下，采用干、湿转子对比试验方法进行研究。

　　3 试验结果和分析

　　3.1 干转子不同转速下周向压力脉动情况

　　3.1.1 时域分析

　　图 1 干转子压力均值对比图

　　由图 1 可以看出，随着转速的增大，每个监测点的压力均值在一定程度上有所增大，其中监测点 1 一直是各工况条件下的压力最低点、而监测点 3 始终与其相反为最高点，并且监测点 1 和监测点 3 的压力均值变化范围较大，达到 0.34MPa 左右。在转速为 3000r/min 时，各监测点的压力值较大，系统动压润滑状态最佳，此时运行最是平稳。

　　3.1.2 频域分析

　　当转速的提高，压力脉动频率也会提高，且主要频率比转子转频高 1 倍。这足以表明水润滑轴承的液膜压力脉动情况绝大程度上取决于转子的转速，且成正比关系。压力脉动幅值在转速处于 1500r/min 因转速较低，润滑状态差，系统出现的振动较大，运行不稳。压力脉动幅值在 3000r/min 时最小，且压力脉动幅值在监测点 1 和监测点 6 位于较大水平，说明在边缘处压力脉动情况较为严重。从上表可看出，其主要变化规律是先慢慢降低再慢慢升高。这也从侧面表明水润滑轴承液膜压力分布的规律和润滑状态是和流体动压润滑基本理论保持相同的。

　　综上所述，在干转子工况下，水润滑轴承液膜在转速慢慢提高时逐步形成，水润滑轴承系统的动压润滑状态渐入佳境，系统逐步进入稳定工作状况，在转速达到 3000r/min 时达到最佳运行状态。

　　3.2 湿转子不同转速下周向压力脉动情况

　　3.2.1 时域分析

　　图 2 湿转子压力均值对比图

　　由图 2 可以看出，随着转速的提高，监测点 2 和 3 的压力均值变化时先减小后增大，而其它监测点与之相反。在转速为达到 2000r/min、2500r/min 时压力均值相对较大，系统工作最为平稳。

　　3.2.2 频域分析

　　压力脉动幅值在转速处于 1500r/min 和 2000r/min 因转速较低，润滑状态差，系统出现的振动较大，运行不稳。压力脉动幅值在 2500r/min时先缓慢降低再缓慢升高，在监测点 2、3 附近达到最小值，在监测点1、6 处达到较大值，表明了在液膜分布的边缘压力脉动相对剧烈。在1500r/min 转速时因低转速工况下润滑状态不佳，系统波动较大。转速2000r/min 时的幅值小于转速 1500r/min 时的原因在于转速提高的同时润滑状态也有所提高。在 2500r/min 时出现增大则是轴颈涡动的加剧。

　　在转速达到3000r/min时幅值最低则是因为在转速较高时动压润滑状态较好，系统处于稳定运行状态。

　　综上所述，在湿转子工况下，水润滑轴承液膜在转速缓慢达到一定数值时逐步形成，水润滑轴承系统的动压润滑状态渐入佳境，系统逐步进入稳定工作状况，在转速达到 2500r/min 时达到最佳运行状态。

　　4 总结

　　通过以上实验可以得出：

　　干、湿转子压力脉动都受转速的影响较大。干转子在 3000r/min 时，润滑状态最好，而湿转子在 2500r/min 时润滑状态最佳。这是由于湿转子情况下转子阻尼比较明显，特别是高转速情况下，这种现象更为明显。因此在湿转子情况下为保证系统稳定运行应该控制转速稳定在2500r/min 左右。

　　参考文献

　　[1]Baumgarten S.hydraulic comparison of high pressure pumps for ROdesalination system[J].word pumps，2005(463)：52-55.

　　[2]马新华，冯琦，蒋小平，等.多级离心泵内部费定常压力脉动的数值模拟[J].排灌机械工程学报，2016，34(1)；26-31.

　　作者简介：

　　张要泽(1990-)，男，河南濮阳人，助理工程师主要从事石油钻井平台开发。