介绍
涉及热电联产、发电机或船用发动机的应用领域目前主要是柴油内燃机(ICE)或使用压缩天然气(CNG)的汽油内燃机。
对给定应用有重大影响的一个关键参数是内燃机的效率，燃料中所含化学能转化为机械功的效率。
在这些应用中使用的内燃机总是使用废气涡轮增压器，因为涡轮增压器有助于使内燃机在其首选的工作模式下更小或更高效。
涡轮增压器的一个关键子系统是支撑涡轮增压器转子的轴承系统，通常使用流体动力滑动轴承。
轴承系统的流体动力轴承通常由浮环径向轴承和双面分段推力轴承组成。对涡轮增压器效率影响较大的是轴承系统，一般可以用形状来表示。
其机械效率是实现高整体涡轮增压器效率的重要参数。机械效率主要受径向和推力轴承的影响。涡轮增压器转子通常在很宽的工作状态范围内工作。
径向轴承从根本上影响转子运动，对振动和噪声有重要影响。推力轴承用于吸收由于这些叶轮上的压力差而作用在叶轮上的轴向力。推力轴承对涡轮增压器的机械损失和润滑剂流动也有显著的影响。
涡轮增压器的运行情况，转子轴向负荷的方向可以是向压气机或向涡轮。在大多数工作状态下，向压缩机的轴向力的方向占主导地位，但推力轴承必须设计为双面。
有时使用轴承的推力侧(ts)和反推力侧(ats)的对称布置的设计解决方案，有时这些侧被设计成不对称的。轴向力的传递主要是通过推力轴承工作面上适当形状的功能面来影响的。
抗推力侧，大部分几乎没有载荷，是相当大的机械损失和重要的润滑剂流动的来源，也必须详细设计：
f_rad是径向轴承的总功率损失，这里没有更详细的划分，
f_ts是推力轴承推力侧的功率损失，f_ats是推力轴承反推力侧的功率损失，
pump是油泵效率，销是进口处的润滑剂压力，* in是供应涡轮增压器轴承系统所需的润滑剂质量流量，oil是供应的润滑剂密度。
在涡轮增压器中，轴承系统润滑油流量是一个受到严格监控的参数。润滑剂通常通过径向孔供应到轴承的中心部分，轴承的中心部分由转轴的表面包围。
从这个润滑油储存室，它被分配到轴承的推力和反推力侧，然后到轴承外壳和排水口。
推力轴承需要整个涡轮增压器润滑油流的主要部分。从止推轴承的作用原理可以看出，特别是止推侧往往负责通过止推轴承的很大一部分润滑剂流动。
在要求降低润滑油流量的情况下，有必要在这方面进行设计更改。
回顾计算解的方法
这项工作的基本问题是提出一个合适的计算模型，使我们能够描述涡轮增压器转子的推力轴承在各种润滑剂性质和工作条件下的行为。
这个模型必须结合足够的现实物理描述和可持续的计算复杂性。在轴承中发生的物理过程可以用基本的守恒定律来描述。在连续流体力学中，这些基本定律是处理物理量守恒的原理。
这些通常被称为守恒定律的定律，适用于任何连续体，而不考虑物质构成和几何形状，由此得出的方程必须始终存在。
这些守恒定律涉及质量、动量和能量，并适用于任何连续体。这些由计算模型描述的物理过程最终通过在计算机上运行的数值模型和算法来解决。
关键问题是如何简化计算模型和数值解，使得到的离散解能充分描述实际情况。
描述径向或轴向轴承中流体流动的最简单模型假定允许使用连续性方程和NavierStokes方程推导出不同形式的雷诺方程。它是一个理论的层流的润滑剂通过一个薄的间隙适用于径向或推力轴承。
历史上，在无限长轴承的假设下，经常使用雷诺方程的答案析解。如Rohde等人或Merelli等人提出的。这种方法不允许对实际轴承几何形状进行详细描述。
该理论的延伸，Liu等人提出的倾斜工作面的矩形形状是一种改进，但由于工作面的几何形状，相关的分析关系是无用的。
滑动轴承的计算建模已经发展了很长一段时间，并且允许纳入广泛的局部物理问题的影响，如空化，流体惯性，润滑槽影响或非牛顿润滑剂。
数值解主要用于轴向轴承受力特性的计算，使用有限差分法(FDM)或有限体积法(FVM)对二维问题进行离散化。
对于以结构网格为特征的简单区域，两种离散化方案的数值算法相同。这些离散化方法涉及到计算复杂性和物理过程描述准确性之间的某种折衷。
Hori提出了考虑离心力影响的推力轴承计算模型或基于薄膜湍流影响的雷诺方程修正的描述。
Novotný等人也提出了一种非常快速的流体动力轴承解的解析数值方法。在推力轴承的情况下，适当地扩展计算模型，以描述通常发生在涡轮增压器轴承上的离心力、湍流、多相流和润滑槽的同时影响。
这种方法使得以三维(3D)模型的形式对所有提到的物理过程建模成为可能。三维模型离散润滑间隙的体积，由液体和气体流体填充。
现有的商业软件可以解决流体流动和推力轴承中发生的其他相关物理过程。
如传热、流体空化、多组分流动或湍流。这些方法也经常用于稳态轴承状态分析，稳态条件下轴承参数优化，或人工表面结构分析。尽管CFD工具具有无可争议的优势，但这些模型的结果需要通过技术实验或简单几何形状的分析模型来验证。
CFD方法有一个主要缺点:计算复杂性。计算复杂度主要取决于对面积离散化的要求以及所涉及的物理问题(流体流动、传热、湍流等)的数量。由于轴承几何形状的性质，有必要设计一个润滑间隙的离散化，包括输入和输出区域。
这通常涉及数百万个单元，仅用于推力轴承的一个部分。一个轴承稳态的单一解可能需要在高性能计算机上花费数小时的计算时间。这一事实使得几乎不可能将这些计算用于涉及数百或数千个轴承润滑剂和运行状态的解决方案的多个重复任务。
实验目的
这项工作的目的是开发一个计算模型，使我们能够确定推力轴承的主要特性，如轴承承载能力、润滑剂温升、机械损失或润滑剂流过轴承。计算模型必须快速准备并在计算机上求解。
该模型必须能够实现对单个润滑剂特性、操作条件和几何参数的大量计算。对推力轴承计算模型的主要要求可以定义如下:▪能够描述推力轴承内液体和气体混合物的润滑剂流动，包括空化的影响：
1.能够考虑温度、压力和剪切速率对润滑膜性能的影响。
2.可能包括轴承的几何特征，如孔进口，凹槽，倒角等。
3.可以在几秒钟的时间内分析数十到数百种设计变体，以解决一个稳定状态。
该计算模型的目标群体是具有较高运行速度范围的转子的相对低载荷推力轴承。这些承载载荷的轴承的工作表面通常不会因机械和热载荷而产生相当大的变形，可以忽略润滑间隙的操作变形。
该模型的目的是寻找具有更高承载能力、更低功率损失和更低润滑油流量的推力轴承的新设计参数。轴承几何形状、润滑油性能和涡轮增压器运行状态是计算模型的主要输入参数。
推力轴承计算模型
现代内燃机越来越多地使用低粘度、高添加剂的机油来润滑轴承。计算模型需要考虑温度、压力和剪切速率对润滑剂性能的影响。
根据润滑系统的状态和操作条件，真正的机油由液体成分(油)和气体成分(气泡)组成，即两相流体流动。理想工况下润滑油组分分布。润滑油中空气的存在显著影响其性能，有必要在计算模型中包括这些影响。
可以假设油气气泡的混合物(共同的润滑剂)在整个混合物体积(Vmix)中具有不断分布的性质，任何这样的体积都可以定义为:
Vliq是液相的体积Vgas是气相的体积。油气泡混合物的动态粘度作为温度和剪切速率的函数可以定义为：
混合液中气相的比例，混合物温度，剪切速率。混合物中液体的比例取决于混合物中气泡的比例，可以表示为：
利用亨利-道尔顿定律和波伊尔-马里奥特定律，可以计算出液体中气泡的比例是温度和压力的函数
p为液体中的压力，av为本身溶解度系数，0为轴承入口液体中初始气泡分数，T0、p0分别为环境温度或油入口温度和压力。
本身溶解度系数定义为在气体分压为101.3 kPa的平衡条件下，单位油液体积的最大溶解气体体积。本身溶解度系数和初始气泡分数可根据Guo等给出的实验测定值估算。
根据常数av和0并使用如下的热力学性质来确定混合物中的流体比例:
气体(气泡)的比例也影响混合物(润滑剂)的密度。在给定体积的混合物中，液体的质量mliq明显高于气体的质量mliq，混合物的密度可以确定为混合物中液体比例的函数:
考虑到真正的润滑剂，密度通常取决于温度，对于机油可以近似为:
其中liq0是室温下的机油密度，c1和c2是近似油线性密度行为作为温度函数的常数。机油的比热容通常与温度有关，可以用关系式近似表示:
工业和汽车应用中使用的机油是基于矿物油和合成油。矿物油是通过从石蜡和芳烃链中提炼长链石油而生产的。
合成油是由石油裂解得到的烯烃乙烯聚合形成聚α -烯烃(PAO)而生产的。这些合成油具有与矿物油相似的化学性质，但可以在高热和机械负荷的极端条件下使用。
对于以前使用的机油，剪切速率效应可以忽略不计。
现代合成机油显示出动态粘度对剪切速率的显著依赖。结合Vogel方程和Cross方程，可以确定油的动态粘度是温度和剪切速率的函数:
推力轴承润滑建模
根据润滑膜内流体流速的切向分量，可以接受规定的条件，将轴承润滑间隙几何形状转化为圆柱坐标(r，， z)，可得:
R为径向坐标，为角坐标，z为高度坐标，t为时间，p为润滑剂压力，为润滑剂动粘度，为润滑剂密度，h(R， )为润滑膜间隙，为旋转盘的角速度。径向速度分量也表示离心力对流动的影响，可以确定为:
现在使用柱坐标下的连续性方程，将润滑剂视为油气气泡的混合物，考虑离心力在柱坐标下的雷诺方程可表示为:
还以系数G≤r和G≤r的形式考虑了湍流存在的影响。这些系数是通过应用低雷诺数k−p湍流模型在一个薄的间隙流体流动得到的。这些系数的取值如Aoki给出的形式为:
其中Re = hr/为局部雷诺数。在层流假设不完全满足的情况下，表示湍流影响的构件主要应用于较大的润滑膜厚度。若雷诺数足够小，则G = G = 1/12。中补充边界条件，形式为:
推力轴承传热建模
提出的方法使用所谓的平均热模型。该模型假设润滑膜的温度设定为平均温度，在整个润滑膜中是恒定的，但随时间变化。
在计算中仍需考虑产热的影响，轴承润滑膜温度的变化会引起润滑剂性能的变化，动态粘度、密度和热容量的变化。
第二个简化的假设是，承重壁(热交换表面)的温度基本上受到来自壳体的热流的影响，并且几乎不受由于在润滑膜中产生热量的热流的影响。
在涡轮增压器的情况下，这是相当安全的实现，通过壁面的热流由于在润滑膜产生的热量明显小于热流由于从涡轮传热。
提出润滑膜内平均温度，使润滑油流动对流传递的总热量等于润滑膜内剪切应力产生的热量和周围壁面传递的热量。
推力轴承润滑与传热的数值解
物理模型不能在封闭状态下求解，而只能在数值上要求轴承润滑间隙的二维离散化。
在数值解离散化之前，必须将物理模型转换为无量纲形式。雷诺兹方程被重新塑造。
在技术实验中，经常对涡轮增压器出口润滑油的温度进行常规监测。
涡轮增压器测试过程中，润滑油温度经常被监测。
当监测的润滑剂温度达到安全值时，轴承推力侧的油温可能达到非限制值。这可能是由于轴承推力侧较高的负载和较低的润滑剂流量而发生的。
目前的模型可以帮助有效地理解和避免这种趋势。得出了计算得到的轴承两侧轴承出口处的润滑剂温度，包括两种润滑剂流在整个推力轴承出口处完美混合后的润滑剂温度，显示了这种趋势。
结论
本模型形成了推力轴承的一个新的计算模型，经过精心设计，只描述在实际轴承中发生的重要的、必要的物理过程。该模型的计算结果以及对多种流体动力推力轴承的三维CFD模型求解和技术实验表明，忽略离心力或湍流的影响会对轴承参数的预测产生根本性的影响。
不管这些影响将主要影响反推力侧，其中在大多数涡轮增压器的工作条件通常存在较大厚度的轴承间隙。由于模型的物理深度不足，某些结果，特别是润滑剂流动，可能会受到显著不准确性的影响。
必须仔细考虑不能准确描述轴承中发生的一些过程，用CFD模型和技术实验来补充推力轴承分析仍然很重要，特别是验证目前模型确定的一些结果。CFD模型结合技术实验仍有其应用价值，特别是用于验证由模型解确定的部分结果。
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