摘 要

无轴轮缘推进器采用完全水润滑轴承系统，用于承担螺旋桨重量和推力。低速、重载、泥沙侵扰等因素下传统动压水润滑推力轴承容易出现异常磨损现象，有必要开展拥有更高承载能力的轴承形式研究。动静压轴承由于实现了静压力和动压力的结合，已在大量低速、重载的场合开展了应用，因此本文将其引入到无轴轮缘推进器中用于提供轴承承载能力。本文以无轴推进器为应用对象，以水润滑动静压轴承为研究对象，开展轴承流体动压润滑仿真方法研究，并研究关键结构和工况参数对轴承润滑性能的影响规律，具体开展工作和主要结论如下：

本文按照建模-网格-计算仿真、后处理环节、仿真分析的技术路线开展研究，首先利用Solidworks建模，然后用ANSYS Meshing划分网格，再用ANSYS Fluent仿真计算，最后对计算结果进行分析，重点研究了工况和结构参数变化对轴承性能的影响。

关于工况的影响，分析发现：1）在一定的转速范围内，推力盘的转速越高，所产生的动压效果则越强，轴承所能够承载的载荷也就越高；2）水膜厚度的增加对于承载能力的上升效果十分有限；3）在高速旋转着的工况中，是动压作为提供承载能力的主要因素，而静压为轴承性能在承受载荷方面尚有欠缺，但最为合理的仍然是动静压结合的方式。

关于不同结构参数，分析发现：1）在深腔与浅腔的角度比一节中，本文改变静压腔所占比，发现在一定的区间内，浅腔所占轴承单块的面积增加，将伴随有承载能力的上升阶段，但超过该区间后，承载能力的上升阶段消失并开始迅速降低，轴承性能恶化；2）在深腔与浅腔的台阶一节中，由于时间有限，仅考虑到改变深腔即静压腔的型深高度，而未对浅腔即动压腔进行结构上的变化，但仍然发现轴承承载能力与深腔型深也是在一定范围内呈正相关，但在加工和应用中需综合考虑；3）在进水孔直径一节中，发现轴承在扩大了进水孔的直径后，进水孔的质量流量增加了，同时轴承的称在性能也有一定的提升，但对于轴承刚度的影响是负面的。目的在于最终得到具有足够的承载力且其他性能也同样优秀的轴承，只有在实际设计当中多方面的切实的综合考虑，不能单一的孤立的某一个因素进行探究。

关键词：水润滑轴承；动静压推力轴承；数值模拟；工况影响；结构影响；

Abstract

Shaftless rim thrusters use a fully water-lubricated bearing system to support propeller weight and thrust. Under the factors of low speed, heavy load and sediment disturbance, the traditional dynamic pressurized water lubricated thrust bearing is prone to abnormal wear, so it is necessary to carry out research on bearing forms with higher bearing capacity. Static and static pressure bearing has been applied in a large number of low-speed and heavy-load situations due to the combination of static pressure and dynamic pressure. Therefore, this paper introduces it into the shapless wheel propeller to provide bearing bearing capacity. In this paper, shaft-free propeller is taken as the application object and hydro-lubricated hydrostatic bearing as the research object. The simulation method of hydro-hydrodynamic lubrication of bearing is studied, and the influence law of key structure and operating parameters on bearing lubrication performance is studied. The specific work and main conclusions are as follows:

In this paper, the technical route of model-grid-calculation simulation, post-processing and simulation analysis was studied. Firstly, Solidworks modeling was used, then ANSYS Meshing was used to divide grids, and ANSYS Meshing was used for simulation calculation. Finally, the calculation results were analyzed, focusing on the influence of working conditions and structural parameter changes on bearing performance.

As for the influence of working conditions, the analysis found that: 1) within a certain speed range, the higher the speed of the thrust disk, the stronger the dynamic pressure effect generated, and the higher the load that the bearing can bear; 2) the increase of water film thickness has a very limited effect on the increase of bearing capacity; 3) in the working condition of high-speed rotation, dynamic pressure is the main factor providing the bearing capacity, while static pressure is the bearing performance which is still deficient in bearing load, but the most reasonable way is the combination of static and static pressure.

On the different structural parameters, analysis found that: 1) in a deep cavity and shallow cavity than section, change of static pressure cavity ratio, this paper found that in a certain range, increasing area of shallow cavity bearing of single block, will be accompanied by a rising stage of carrying capacity, but, after more than the area between the bearing capacity of the disappeared and start falling rapidly rising stage, bearing performance degradation; 2) in the deep cavity and the steps of the shallow cavity section, because the time is limited, only considering the change of deep cavity namely static pressure cavity type of deep level, but not for shallow cavity structure change of the dynamic pressure cavity, but still found that bearing capacity and deep cavity type is positively correlated in a certain range, but in processing and applications need comprehensive consideration; 3) in the section of the diameter of the water inlet hole, it is found that the mass flow rate of the water inlet hole increases after the diameter of the water inlet hole is enlarged. Meanwhile, the performance of the bearing is also improved to some extent, but the impact on the bearing stiffness is negative. The purpose is to finally get a bearing with sufficient bearing capacity and other equally excellent performance, only in the practical design of many practical comprehensive consideration, can not be a single isolated factor to explore.

Key Words：Axeless propeller; Water lubricated bearing; Hydrostatic thrust bearing; Numerical simulation; Influencing factors.

目录

摘要 1

Abstract 3

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 水润滑轴承 2

1.2.2 动静压轴承 3

1.3 本选题研究的主要内容 4

1.4 本章小结 5

第2章 计算流体力学基础理论 7

2.1 流体力学基本方程组 8

2.1.1 质量守恒方程 10

2.2.2 动量定理 11

2.2.3 能量守恒定律 11

2.2 湍流数值仿真 12

2.2.1 湍流基本方程 12

2.2.2 湍流模型 14

2.3 离散控制方程 14

2.3.1 有限容积法 15

2.3.2常用的离散格式 16

2.4计算流体力学数值解法 17

2.5 本章小结 19

第3章 基于Fluent动静压推力轴承性能仿真方法 21

3.1水润滑动静压推力轴承简介 21

3.1.1推力轴承结构及工作原理 21

3.1.2 推力轴承主要性能参数 25

3.2 水润滑动静压推力轴承水膜模型建立 26

3.2.1几何模型 26

3.2.2数学模型 30

3.3计算域及网格划分 31

3.3.1网格的分类 31

3.3.2网格的划分 32

3.4推力轴承水膜数值计算 34

3.4.1边界条件的确定 34

3.4.2 Fluent计算步骤 38

3.4 本章小结 43

第4章 不同工况参数对动静压推力轴承性能的影响分析 44

4.1 数值计算结果分析 44

4.1.1后处理 45

4.2不同工况参数的影响分析 48

4.2.1不同转速参数的影响分析 48

4.2.2不同膜厚参数的影响分析 50

4.2.3不同承载方式参数的影响分析 51

4.4 本章小结 53

第5章 不同结构参数对动静压推力轴承性能的影响分析 54

5.1 深腔与浅腔的角度比 54

5.2 深腔与浅腔的台阶 57

5.3 进水孔直径 59

5.4 本章小结 60

第六章 总结与展望 62

6.1 本文总结 62

6.2 展望 62

参考文献 64

致谢 67

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

传统的轴系油膜润滑传动设备的性能在工业化时代的“爆炸式”发展中也一直在经历着现代化的拷问并也取得了长足进展，在满足人们的军事、贸易、运输等多方面的需要的同时，传统船舶推进系统逐渐暴露出自身存在的劣势：功率的不断增加，却代以牺牲了船舶空间的利用，同时也伴随着无法小觑的能量损耗、逐步降低的传递效率、巨大的噪音、更多的维修维护困难。因此人们将目光和精力投向了更新颖的水润滑无轴推进系统。螺旋桨-电机一体化的无轴轮缘推进系统的出现使得高效节能、减振降噪、解放机舱空间等需求的实现变得可能，在现在以及未来极具发展前景。其中无轴轮缘推进系统的螺旋桨与传统推进系统的横贯于整个船舱的螺旋桨艉轴相比，在外型上做出了创新和改变: 无轴推进器螺旋桨的外径端与转子相连接，从转子内壁向内伸出，内径端无桨毂，是一种新型的内螺旋桨^[11]。而作为该系统的关键部件，即能够承受螺旋桨产生的巨大推力的水润滑推力轴承，也因此而得到了更多的关注。水润滑尾轴承的结构也比较特殊，它仅由两个或通过硫化或通过机械方式而相固联的衬套和内衬即轴瓦组成，内衬上开设多条轴向沟槽，并且开设通槽以加强润滑、冷却、排沙效果^[8]。此一推进器完全采用水润滑方式，轴系冷却方式也得到改善，尤其对于环境污染、能源利用也具有实际意义，毕竟完全规避了该部位润滑油泄露导致海洋环境遭到污染破坏的风险，同时也因此而其的研究价值可见一斑。

事实上，国内外早已对水润滑推力轴承进行了试验和研究，并且在部分船舶上得到应用，取得良好收效。但在该过程中，水润滑推理轴承的异常磨损的现象成为了无法规避的问题之一，尤其在泥沙环境或者是重在低速条件下凸显出来，所以人们对此一异常磨损的现象相关的更高承载能力的轴承形式提出了富有创造力的更高要求。目前无轴推进器轴承存在的问题：动压轴承承载力不够。

因此，正因为在发展中发现存在的疑难，所以有的放矢的研究变得相当重要，选择水润滑动静压轴承，但是这种轴承影响因素多，需要进一步分析各参数对轴承性能的影响规律，为轴承优化设计提供依据。而且本选题针对这些要求，选择了动静压推力轴承结构形式，研究不同静压腔形状和尺寸，浅腔结构，深腔与浅腔深度比等因素对轴承性能的影响规律，形成润滑性能优异的水润滑推力轴承结构形式。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水润滑轴承的研究现状

现在于国外参与研发工作的国家屈指可数，主要有美国，英国，德国，日本，前苏联等。但是实际应用中具有能力投入生产和使用的厂家就更加稀缺，举例如美国的B.F Goodrich，Morse，Johnson，英国的BTR，Hayward-Taylor，德国的Michell，Vickers等^[12]。通常被应用于海洋、内河的军用或民用的船舶艉轴、离心泵、锅炉给水泵、深井泵、潜水泵等水泵、水轮发电机、汽轮发电机、农业和矿业机械等。

由于发展较早，最初可追溯到美国早于二十世纪四十年代即应用水润滑橡胶轴承在军用船舶中的广泛应用；且发展形势迅速，在八十年代前苏联、德国、英国、日本也在水润滑轴承的选材工艺、表现性能、设计试验、实际应用等各方面都取得了巨大进步，且同类型轴承与国内的相比具有十分突出的优势。但在目前国外的水润滑推力轴承仅在某些方面与国内相比难以看出明显优势。

实际上在二十世纪五十年代我国已经在部分船用泵中采用水润滑轴承，并且在紧接着的六十年代就开始了对水润滑轴承的理论研究和实验探索，且在近几十年的发展中陆续取得进展。

虽然目前国内在水润滑轴承方面的研究起步较国外相对迟一些，且研究也相对较少，但也不乏研究者以及研究成果。如于2018年北京“高可靠舰船用高分子水润滑轴承”成果鉴定会上认定由中科院长春应化所等共同研制的水润滑轴承材料整体性能处于国际先进水平，尤其是材料在干摩擦和混合状态下的润滑耐磨性能优于国外同类产品，应用本项新材料制备的水润滑轴承具有摩擦系数低、恶劣工况适应性强、磨损小和无异常噪声等技术优势，其中橡胶基水润滑轴承已在常规舰艇和特殊舰艇应用；聚氨酯基水润滑轴承在200余艘政府公务船、远洋船舶等实现了应用；酚醛基水润滑轴承已开始供货。该成果形成的产品可替代目前国外同类产品，打破国外技术垄断^[13]。

武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所对水润滑轴承的特性进行分析和实验、对不同材料、工艺制成的水润滑轴承进行了测试和比较、对其结构形式提出优化方案，以及磨损机理、承载能力、摩擦噪声等多方面实施多角度的研究，在研究过程中发现其缺陷后指出改善的可能性以及后续研究方向，为未来水润滑轴承的发展提供思路^[9]。其中在前几年当中对复合橡胶材料在船舶水润滑型艉轴承上的应用、减震降噪等做了不计其数的研究项目，并取得了先进成果。

水润滑轴承的型腔设计研究方面，青岛理工大学王建等人通过建立不同型腔数目、型腔长度的水润滑动静压阶梯腔艉轴承的三维实体模型，研究腔数和腔长对阶梯腔艉轴承力学性能的影响。得出当腔长在420 ～460 mm之间的 6 腔阶梯腔艉轴承，轴承的力学性能相对稳定的结论^[10]。此外青岛理工大学律辉等人也对此作出了研究贡献，通过有限元静态分析的形式、划分多重网格的方法，在将弹流润滑效应纳入考虑范围内的情况下，以不同沟槽结构的水润滑尾轴承作为研究对象，目的是探究是尾轴承的性能与沟槽结构的关系，且对此提出了部分优化意见^[31]。

重庆大学在水润滑轴承的研究上也做出过杰出贡献。水润滑轴承是以水为润滑介质，替代了传统的具有污染性、与资源节约型发展相悖的油介质，同时为了降低摩擦系数、减少噪音污染等优势，对采用非金属复合材料如橡胶合金为轴承材料的水润滑艉轴承在低速重载的情况下的产生摩擦噪音的机理进行探索和揭露^[32] ，还有对结构参数如水槽半径、摩擦面形状、摩擦系数和水槽型式等进行建立相关模型的有限元方式的研究，得出与减震降噪息息相关的重要结论^[33]。

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