屏蔽泵是一種無密封泵，泵和驅(qū)動電機都被密封在一個被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，此壓力容器只有靜密封，并由一個電線組來提供旋轉(zhuǎn)磁場并驅(qū)動轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置，故能做到完全無泄漏。軸承間隙又稱為軸承游隙，所謂軸承游隙，即指軸承在未安裝于軸或軸承箱時，將其內(nèi)圈或外圈的一方固定，然后便未被固定的一方做徑向或軸向移動時的移動量。根據(jù)移動方向，可分為徑向游隙和軸向游隙。
軸承運轉(zhuǎn)時的游隙(稱做工作游隙)的大小對軸承的滾動疲勞壽命,溫升,噪聲,振動等性能 有影響. 測量軸承的游隙時,為得到穩(wěn)定的測量值,一般對軸承施加規(guī)定的測量負荷. 因此,所得到的測量值比真正的游隙(稱做理論游隙)大,即增加了測量負荷產(chǎn)生的彈性 變形量. 但對于滾子軸承來說,由于該彈性變形量較小,可以忽略不計. 安裝前軸承的內(nèi)部游隙一般用理論游隙表示.
K.P. Gertzos和P.G. Nikolakopoulos等利用FLUENT軟件和Bingham流體模型對水潤滑軸承進行了多維數(shù)值仿真計算，分析了水潤滑軸承的承載能力和潤滑特性，水潤滑軸承的液膜壓力分布并不是一成不變的，而是隨著水潤滑軸承的寬徑比作有規(guī)律的變化。根據(jù)流體潤滑理論，不同寬徑比、不同偏心率、不同載荷、不同偏位角是影響液膜壓力分布的主要因素。葉曉琰等對海水淡化泵水潤滑軸承的間隙進行了優(yōu)化設(shè)計。CABRERA等通過實驗測量了水潤滑徑向軸承的潤滑膜壓力同時還借助于計算流體動力學(xué)(CFD)對水潤滑軸承進行理論研究，結(jié)果表明，運用CFD 對水潤滑軸承進行數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)實中的試驗結(jié)果完全相匹配。
上述結(jié)果均從水膜單體進行研究，并沒有從系統(tǒng)的理念研究這一問題，且對軸承間隙這一因素研究較少。本文采用對不同軸承間隙的離心泵進行數(shù)值計算，旨在分析不同軸承間隙對水膜的動特性系數(shù)和水膜壓力分布的影響。
不同軸承間隙的離心泵內(nèi)部流場數(shù)值計算
1.基本參數(shù)
本文選取屏蔽泵如圖1所示，該泵基本參數(shù)為：運行參數(shù)為：流量Q=140?m3/h，揚程H=40?m，轉(zhuǎn)速n=2?865?r/min。設(shè)計葉輪幾何參數(shù)：葉輪直徑D2=205?mm，出口寬度b2=24.3?mm，葉片數(shù)Z=6。基于以上參數(shù)，建立起不同軸承間隙的屏蔽泵全流場仿真模型。相對于普通離心泵，屏蔽泵具有更高的運行可靠性，但是由于屏蔽套的存在，屏蔽泵運行效率相對較低。該屏蔽泵主要由離心泵和屏蔽電機構(gòu)成。屏蔽泵中的葉輪固定在電機轉(zhuǎn)軸上，電機轉(zhuǎn)子和定子之間以屏蔽套隔開，泵中液體由泵排出口輸送到屏蔽套中，分別經(jīng)前后軸承，回流到葉輪中。間隙液體間接起到水潤滑效果，同時還能起到冷卻的作用。水潤滑是以水為介質(zhì)，在軸承間隙處，由于流體動壓效應(yīng)的作用，起到了軸承效果，當應(yīng)用在屏蔽泵上，能很好的解決油潤滑所帶來的缺陷，方便屏蔽泵地維護，提高安全可靠性。
2.不同軸承間隙屏蔽泵全流場數(shù)值模擬
通過建立不同軸承間隙的屏蔽泵全流場模型，進行定常數(shù)值計算，求解出葉輪所受的徑向力的大小，對該屏蔽泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行受力分析，求解計算出軸承處的支反力。
計算得出軸承的偏心率如下：
本文中偏心率的計算主要依據(jù)軸承所承受的支撐力的大小，計算出軸承的承載量系數(shù)，結(jié)合軸承的參數(shù)，通過查表得出軸承的偏心率。
計算得出軸承的偏心率如下：
從表中可以看出，隨著軸承間隙地增大，軸承a和軸承b處的偏心率也隨著增大，并且軸承b處的偏心率比軸承a處的大。符合屏蔽泵轉(zhuǎn)子模型的實際運轉(zhuǎn)狀況。數(shù)據(jù)表明改變軸承間隙的大小，將會影響楔形作用，從而影響水潤滑的形成。
水膜壓力分布的計算
采用Matlab 實現(xiàn)二維定常Reynolds方程的求解，最終得到水膜壓力分布曲線圖5所示，圖中P為水膜壓力，b 為軸向?qū)挾?，α為周向角度。在實際工況條件下，使用海水作為潤滑介質(zhì)，依據(jù)壓力平衡原理，水膜區(qū)域中正壓與負壓同時存在，在負壓區(qū)域，當負壓達到一定值時，水膜會發(fā)生破裂，同時在正壓區(qū)域形成收斂間隙，基于此本文用以求解雷諾方程的邊界條件為半 Sommerfeld 邊界條件，該邊界條件認為水膜只能在 0~180°的范圍內(nèi)形成壓力分布，周向角度為0( 液膜最大厚度處) 和180°( 液膜最小厚度處) 處時，水膜壓力值為 0。
屏蔽泵軸承處的潤滑效果主要依據(jù)水膜的最小膜厚以及軸頸與軸瓦的兩表面之間的粗糙度。這是由于在水膜相對于軸頸和軸瓦表面運動過程中，兩表面的粗糙度會對水膜的形態(tài)造成一定的影響，對水膜最小膜厚的地方影響最大。最小膜厚處也是承受壓力最大的區(qū)域。當接觸表面凹凸不平，凸起區(qū)域比水膜最小膜厚的厚度要大時，水膜會發(fā)生破裂，使兩接觸表面直接接觸，潤滑效果受到影響;當表面凸起區(qū)域比水膜最小膜厚要小時，水膜形態(tài)保持良好，會形成完全流體動壓潤滑，此時潤滑效果良好。
相對于軸承間隙為0.5?mm和0.8?mm時，軸承間隙為0.2?mm時，水膜厚度最小，驗證此處的膜厚比即可。軸頸和軸瓦的表面粗糙度分別為0.8?μm, 1.6?μm，則有λ=6.67。
符合λ≥3，意味著軸承處潤滑為完全動壓潤滑，具有良好的潤滑效果且不會發(fā)生摩擦; 同時表明軸承間隙的設(shè)計是可行的 ，在軸承相關(guān)參數(shù)一定的情況下，由流體動壓潤滑產(chǎn)生的水膜能支撐起轉(zhuǎn)子，能保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)良好穩(wěn)定地運行。
小結(jié)
初步獲得了以下結(jié)論：
1.通過改變屏蔽泵軸承間隙，隨著軸承間隙增大，額定流量點下工作效率越低。
2.隨著軸承間隙地增大，軸承處所受支反力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是幅度趨緩;軸承處的偏心率逐漸升高。
3.水潤滑軸承的動特性無量綱剛度和阻尼系數(shù)只和偏心率有關(guān)，并隨著軸承間隙的逐漸增大。
4.通過求解不同軸承間隙形成的水膜的膜厚比，得知該分析的軸承間隙范圍內(nèi)都能形成良好的動壓潤滑，并隨著軸承間隙地增大。
