液下硫磺泵轴承冷却系统稳态热分析

Steady-state Thermal Analysis of Bearing Cooling Systemof Submerged Sulfur PumpKong Fanyu Zhang Hui Hu Li Xia Bin(1.Research Center of Huid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，ZhenjiangJiangsu 212013，China；2.Flowserve Flow Control(Suzhou)Co.，Ltd，Suzhou Jiangsu 215000，China)Abstract：The temperature rise of the beating lubrication cooling system seriously affected the stability and reliability ofthe pump unit.To control the temperature rise of the lubrication cooling system of submerged sulfur pump bearing，bearingcalorific value was researched.Based on the flow-thermal coupling method，bearing lubrication cooling system of 100HLD2-44 submerged sulfur pump was calculated by CFD software.The calculation results show that the temperature of bearingouter ring of 100HLD2-44 submerged sulfur pump can be controlled very wel，when the velocity of cooling water is0.5 m/s；the inner temperature is higher than the outer ringS，the temperature on the contacting end of cooling water inletis higher than that in the outlet；the bearing temperature is increased with the increasing of the temperature of molten saltmedium，especially lower bearing inner ring temperature is increased obvious。

Keywords：submerged sulfur pump；bearing lubrication cooling；flow-thermal coupling；steady-state thermal analysis液下硫磺泵是液态硫磺船舶运输过程中的关键设备，要求所输送介质的温度维持在 130-150℃范围内，否则会因为液态硫结晶影响后续的打包运输。液下硫磺泵采用立式长轴离心泵结构，泵液下设有4对导轴承，采用输送介质自润滑的润滑方式，上部设有- 对角接触球轴承，采用稀油润滑水冷却的冷却润滑系统。由于液下硫磺泵泵轴比较长工作环境温度高，对上部轴承的润滑和冷却提出了苛刻的要求。

轴承的温升会改变轴承的工作游隙，影响润滑剂的性能，故轴承的温度分布对轴承的性能有着重要的基金项目：国家科技支撑项目 (2011BAF14B03)；江苏省研究生科研创新计划项目 (CXZZ12-0680)。

收稿日期：2012-1l-28作者简介：孔繁余 (1956-)，男，教授，博士生导师，主要从事流体机械研究.E-mail：kongfy2918###sohu.corn。

影响 。研究表明，40%左右的轴承损坏都与润滑冷却不 良有关 。因此很有必要对液下硫磺泵的轴承润滑冷却系统进行稳态热计算，分析冷却水进口流速和熔融介质温度对轴承温升的影响。

1 泵的性能与冷却结构1.1 泵的性能以100HLD2-44型船用液下硫磺泵为研究样机，性能参数见表 1。

表 1 100HLD2-44型液下硫磺泵性能参数Table 1 Performance parameters of 100HLD2-44 typesubmerged sulfur pump流量 Q/(m ·h )扬程 H/m转速 n/(r·rain )100441 4802013年第6期 孔繁余等：液下硫磺泵轴承冷却系统稳态热分析续表 1功率N/kW介质温度 ∥℃密度P/(ks·m。)黏度 (mPa·s)液下深度L/mm55135-1451 9607～125 80o1.2 泵轴承的冷却结构液下硫磺泵上部设有-对角接触球轴承，采用大负荷成对安装型式，能够承受转子重量和残余轴向力。液下硫磺泵上轴承采用如图1所示的毕托管式油润滑轴承润滑装置。

t1.泵轴 2.轴承体 3.毕托管 4.轴承套 5.键 6.轴承 7.轴承垫8.冷却水夹套 9.轴承压盖 1O.防气塞 l1.锁紧螺母 l2.螺栓13.电动机 14.角接触球轴承 15.导叶 16.叶轮图 1 液下硫磺泵冷却结构Fig 1 Cooling structure of submerged sulfur pump毕托管式油润滑轴承润滑装置 由下部 固定油盆、轴承体、轴承套和毕托管组成。当旋转轴运动时下部油盆内的润滑油经开口正对流向的毕托管上升至轴承上部然后靠重力经轴承内表面的纵向沟槽和与轴颈之间的间隙流回下部油盆形成循环 ，润滑油在向下的流动过程中起到润滑的作用。

根据毕托管原理求解得到润滑油在泵工作时上升高度为1.49 m，远大于润滑油面至上轴承距离，从理论计算角度说明毕托管式油润滑轴承润滑装置的润滑方式具有可行性。

2 轴承热分析2.1 流固耦合场的数值求解液下硫磺泵上轴承的稳态热数值计算采用分区求解、边界耦合的方法进行数值计算。分区求解、边界耦合数值解法的步骤 为：(1)对各个区域中的物理模型建立导热控制方程，涉及稳态换热模型控制方程组的张量连续性方程、动量方程和温度传输方程。

(2)标出各个区域的边界条件，其中耦合边界上的条件可以从下列3个表达式选取2个：边界上温度连续条件：l I (1)边界上热流密度连续条件：q l q I 。 (2)边界上的第三类条件：- A( I I。 (3)(3)假定耦合边界上的温度分布，先对其中-润滑与密封 第38卷个区域进行求解，得出耦合边界上的温度梯度及局部热流密度，然后应用式 (2)或式 (3)求解出另-个区域，以得出边界上新的温度分布。再将此分布作为第-个区域的输入，重复计算直到收敛。

2.2 轴承发热量的计算按能量守恒和转换定律，滚动轴承工作时，功率损耗最后将全部转变成热量，其摩擦发热量可根据帕姆格林的经验公式进行计算：Q n (4)j U式中：Q为发热量，kW；M 为滚动轴承的摩擦力矩，N·m；n为轴承的转速，r/min。

基于轴承摩擦力矩的测试结果，帕姆格林提出下列计算公式，轴承的总摩擦力矩由以下两项组成 ：MfMo 1 (5)式中： 为与轴承型式、润滑油性质和转速有关的力矩，N·m；M 为与轴承负载有关的摩擦力矩，N·m。

帕姆格林根据经验结果给出了润滑油黏性产生的摩擦力矩 的计算公式为：： f1旷 ( n) ≥0·O02 (6)1.6×10-'f0d3o 口n之0.002式中： 为与轴承类型和润滑方式有关的系数；n为轴承的转速，r/min； 为运转温度下润滑油的运动黏度，m /s；d 为轴承节圆直径，mm。

反应了弹性滞后和局部差动滑动摩擦损耗，按下式计算：M f，r。d (7)式中： 为与轴承类型和所受负荷有关的系数，对于角接触球轴承可近似地取为0.001；F 为轴承的当量载荷，N。

轴承的当量载荷 与轴承所承受的轴向载荷和径向载荷有关，角接触球轴承计算式为：F F -0.1F (8)。 式中：F。为轴承所承受的轴向载荷，N；F 为轴承所承受的径向载荷，N。

液下硫磺泵轴向载荷要考虑叶轮轴向力和泵转子重量引起的轴向力。

3 轴承热模拟3.1 计算模型的建立依据图1所示的上轴承润滑冷却系统，略去轴承盖、螺母等次要部分，冷却腔内通上冷却水，建立轴承传热三维分析模型如图2所示。

1.冷却水 2.轴承 3.轴 4.轴承架图2 轴承传热分析模型Fig 2 Beating model for thermal analysis3.2 边界条件边界条件的设置在数值计算中很重要，其设置的合理性直接影响到数值计算的准确性。在轴承传热分析的计算中，主要边界条件设置如下：冷却水进口：设置进口温度为293 K，恒定进口流速；冷却水出口：采用静压压力出口边界条件，相对大气压为0；环境温度设置恒定为293 K；与输送介质接触的轴部分设置恒定温度为408 K；轴承架表面换热系数为5 W/(m ·K)；固体表面均设为光滑、无滑移、不可穿透壁面。

4 计算结果及其分析采用 CFX软件对液下硫磺泵上轴承冷却系统进行稳态热分析 ，设置残差收敛标准为 1×10～，轴下部接触介质为135 oC硫磺，将计算得到轴承内部发热量 19 w，加载到滚珠上。

4.1 冷却水进口流速对轴承温度的影响从图1毕托管式油润滑轴承润滑装置中冷却水夹套与球轴承外圈位置的特殊关系，可知冷却水进口流速对轴承外圈温度有重大影响，图3示出了冷却水进口流速对轴承外圈温度的影响。

润滑与密封 第38卷泵介质温度为135-145℃时，轴承内外圈温度低于28℃，上述模拟计算得到的轴承温度最高为27℃，故可以得出冷却水冷却的方式能把轴承温度控制在合理范围内的结论。

5 结论(1)采用毕托管式油润滑轴承润滑装置，冷却水最佳的进口流速为0.5 m/s。

(2)轴承内圈温度高于外圈温度，温差在5℃左右。轴承内圈与冷却水流入端接触部分的温度为301K，明显高于出口端的温度。

(3)熔融介质温度与轴承各部分的最高温度呈线性关系。熔融介质温度越高，轴承各部分的温度均随之升高。轴承内圈温度随着介质温度升高而增加的范围在26～44℃，而外圈温度变化范围在 23-28℃，故内圈对介质温度反应更为强烈。

(4)本文所研究的液下硫磺泵介质温度在135～145℃范围内，结合轴承介质温度对轴承冷却系统影响可知轴承内外圈温度均低于28℃，计算得到的轴承温度最高为27 qC，故得出该液下硫磺泵上轴承采用油润滑水冷却的润滑冷却方式是可行的结论。