油气混合器性能评价指标研究.pdf

2 0 1 3年 9月 第3 8卷 第 9期 润滑与密封 L UBRI C AT I ON ENGI NEERI NG S e p ． 2 01 3 Vo 1 ． 3 8 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 1 0 油气混合器性能评价指标研究 曾宪文孙启国 吕洪波 北方工业大学机电工程学院北京 1 0 0 1 4 4 摘要 基于油气润滑系统中油气混合器润滑油膜的均匀性 、连续性和稳定性 的要求 ，提出了油气 混合器性 能的评 价指标含油率、油膜厚度比、油液流量分布。基于 C F D技术，对传统油气混合器和一种基于新的混合原理的新型 油气混合器的内部流场进行仿真，并用该评价指标对其混合效果进行评价。结果表明，提出的3个评价指标可用于油气 混合器性能的评价和结构优化 。 关键词 油气润滑 ；油气混合器 ；评价指标 ；油膜厚度 中图分类号T H 1 1 7 ． 1 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 3 9 0 4 2 4 Re s e a r c h o n Pe r f o r ma n c e Ev a l u a t i o n I n d e x o f Oi l ． a i r M i x e r s Z en g Xi a n we n Su n Qi g u o L v Hon g b o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r e e p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n i n d e x s o f t h e o i l a i r mi x e r s i n o i l a i r l u b r i c a t i o n s y s t e m， t h e r a t i o o f t h e o i l fi l m t h i c k n e s s ， t h e o i l c o n t e n t r a t i o a n d t h e o i l flo w d i s t r i b u t i o n we r e p r o p o s e d b a s e d o n t h e r e q u i r e me n t o f u n i f o r mi t y， c o n t i n u i t y a n d s t a b i l i t y o f t h e o i l fi l m i n t h e o i l - a i r mi x e r r e s p e c t i v e l y ． Th e flo w f i e l d s wa s wi t h i n a t r a d i t i o n a l o i l a i r mi x e r a n d a n e w o i l a i r mi x e r b a s e d o n t h e n e w mi x i n g p r i n c i p l e we r e s i mu l a t e d u s i n g CF D s i mu l a t i o n t e c h n i q u e s ， a n d t h e mi x i n g p e r - f o r ma n c e o f t wo o i l - a i r mi x e r s wa s e v a l u a t e d b y t h e s e t h r e e p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n i n d e x e s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e t h r e e e v alu a t i o n i n d e x e s c a n b e u s e d i n t h e p e rfo rm a n c e e v a l u a t i o n a n d s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f o i l a i r mi x e r s ． Ke y wo r d s o i l _ a i r 1 u b r i c a t i o n； o i l ． a i r mi x e r ； e v alu a t i o n i n d e x fil m t h i c k n e s s 在油气润滑系统中要求润滑油能够精细、连续地 进入润滑点 ⋯。这就要求 由油气混合器 中流 出的油气 能以良好环状流形式出现，因此油气两相环状流的性 能指标就成为评价油气混合器性能的关键指标。但是 目前对 环 状 流 的 研 究 大 都 停 留在 形 成 及 转 变 机 制 上 I 。 ，而对于环状流的计算和评价也仅停留在油膜 在管内周向分布情况 ，并没有提出明确的评价指标 体系 。 本文作者基于前人研究成果，考虑精细润滑对环 状流的特殊 要求 ，提 出了油气 混合 器性 能 的评价 指 标 ；对油气混合器的内部流体流动状况进行了仿真分 析 ，并根据该评价指标对油气混合器性能进行了分析 评价 。 基金 项 目北 京市 属高 等学校 人才 强教 计划项 目 P H R 2 0 1 1 0 7 1 0 9 ． 收 稿 日期 2 0 1 30 30 6 作者简介曾宪文 1 9 8 7 一 ， 女， 硕士研究生 ，研究方向为油 气润滑关键 技术研 究 与成套设 备研 发．E m a i l e v e l y n z e n g 1 6 3 ．c 0 m 1 油气混合器性能评价指标 油气混合器包括油气混合腔和油气混合管两部 分 ，前一部分是油气混合的主体，后一部分是油气 的运输部分。精细润滑要求混合管中得到连续 、稳定 油量 ，以防止润滑点油液断续或超量 ，造成润滑点缺 油或润滑油浪费。现代 生产 中卫 星站 式润滑 方式 中， 单根混合管后要连接油气分配器 ，以满足多点润滑 ， 因而要求混合器管路内油液沿周向均匀分布。针对以 上要求本文作者从管道油液连续性、均匀性 、稳定性 3 个方面 ，首次提出评价 混合器性能 的 3个指标 含油率 、油膜厚度 比 、油液流量分布。 1 ． 1 含油率 油气润滑系统中的两相流是一种特殊的气液丽相 流，引入气液两相流体截面含油率的概念，截面含油 率计算式为 1 L 式中O t 为截面含油率 ；A 、A 分别为管道横截面积 和油液所占横截面积。 管道中不同截面上含油率的大小，可以表示在管 2 0 1 3年第 9期 曾宪文等油气混合器性能评价指标研究 道中不同位置油液的多少 ，因此其波动性可以作为油 液连续性 的评价指标 。 图 1为油气混合器管道的示意图。如图所示，把 混 合管 混 合管 长为 z 的油气混合管在轴向分成 n份，计算每个截面 处含油率。 截 面 混合 管 中心截 面 辜 一 圳 } -_ -H ～ 刖 斗一 H⋯ } _ _ _ 一 } 一＼ }一 一 图 1 油气混合管截面示意图 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e o i l g a s mi x i n g t u b e s e g me n t s I ． 2油膜厚度 比 把 图 1 所示 管道 从 中心截 面 处分 成 上下 2个部 分 ，上部和下部的平均含油率为 ⋯ 、 ，则上下 油膜厚度值为 t r 1 一 ／ 1 一 2 t d r 1 一 ／ 1 一 3 式中r 为管道半径；t 、t 分别为管道上下部分油 膜的平均厚度 。 则上下油膜厚度比值 6 为 6 ‘ 4 ￡ d 由于受到重力作用，润滑油在水平管道中分布不 均匀，因此取管道上、下两部分油膜厚度的比值，作 为润滑油在管道周向分布均匀与否的指标。 1 ． 3油液流量分布 油气混合器出口即为润滑点油的人口，因此油量 需要保 持一 定的稳定性。以 t ／ n时刻处 油液流量分 布 的方差作为混合器稳定性的评价指标，计算式为 s。 q ． v o 5 式 中 q 为不 同时刻 出 口处 润 滑油 的流量 ；q 为一 段时间内出口处润滑油流量 的平均值 ；n为时间点 数 。 2 油气二相流动的数学模型及计算模型的设定 在油气混合中，油气两相流体属于黏性流体，其 流动情况符 合式 6 ， 7 所 示 的 N a v i e r s t o k e s 方 程 。 质量守恒方程 0 6 式中 ， ， 分别为 ，Y ，z 3个方向的速度；t 为时间 ； P为密度。 动量守恒方程 。 ． p 孥 O z p f x 7 ． p 一 鲁 p f , 8 ． p u 一 O T x x O T x y p f , 9 式中 P是流体微元体上的压力； 、r r 为黏性 应力的分量； ， ， 为单位质量力。 采用 C F D方法对上述方程进行求解 ，选用标准 k 一 模型实现数值计算。 3 油气 混合器评定指标 的应用 3 ． 1 混合器仿真模 型的建立及分析 选取一种传统混合器进行性能分析，图 2 a 示 出了其混合腔的二维结构，油气出口处所连接混合管 长为 5 0 0 m m。 实际应用表 明，传统混合器存在一些问题。图 2 b 示 出了一种 新 的油气 混合器 结构 ，它是 根据 文 献 [ 8 ]提出的一种新的混合原理，在传统油气混合 器中加入了一个中间锥面，而其他主要尺寸与传统油 气混合器一致。 2 0 1 3年第 9期 曾宪文等 油气混合器性能评价指标研究 4 5 沿管路方向，上下油膜厚度不均匀且中心存在大量油 滴 ，出口端面处底部油量远大于上部。图4 b 为新 型油气混合管道 0截面出 口段轴向油气分布及出 口端面油气分布图。可以看出，在出口处管道中油膜 分布较连续均匀 ，气体流通区域内几乎没有油，初步 的定性分析可知该混合器的效果较好。 3 ． 2混合 器含 油率 的评价 提取管道中不同截面处的含油率 n 2 5取值间 隔为 2 0 ra m ，图 5比较了传统油气 昆 合器和新型油 气混合器的含油率的分布。可以看出，传统混合器不 同截面上含油率存 在较大 波动，最 大含油率接 近 0 ． 6 ％，在出口处存在含油率低于0 ． 0 1 ％的地方，表 明壁面油膜较薄甚至出现断续 ，说明油气环状流动连 续性较差。而新型混合器在靠近油气人 口处的油含率 较大，随着油气流动，逐渐趋于稳定，不同截面上含 油率数值波动较小，且含油率最小值大于 0 ． 1 ％ ，不 存在大量数值上接近于 0的面，这说明油膜沿管路上 的间断面较少。因此可以认为新型混合器中油液连续 性比传统混合器的好。 糌 察 缸 陶 幅 窿 图5 油气混合器横截面含油率分布的比较 Fi g 5 C o mp a ris o n o f o i l c o n t e n t d i s t r i b u t i o n o n t h e c r o s s -- s e c t i o n s o f o i l - g a s mi x e r 3 ． 3 混合 器油膜厚度 比评价 由式 4 计算出传统混合器管道上下油膜厚度 比值 6 0 ． 7 5 5 ，新 型混 合器 管 道上 下 油膜 厚 度 比值 6 0 ． 9 2 7 ，表明传统混合器管道中上下油膜厚度存在 较大差异 ，下部平均油膜大于上部，管道周向油膜分 布不均匀 ，而新型混合器管道中上下油膜厚度差别较 小 ，油膜在周 向均匀性较好 。 3 ． 4混合 器油液流量分布评价 图6示出了0 ． 0 6 S 时间段内传统混合器和新型混 合器管道出口处油液流量的波动曲线。可知，传统混 合器管道出口处油液流量波动较大，这是因为管道中 有大油滴及断续现象存在 ，说明出口处油液流量不稳 定。由式 5 计算得到的方差值为 0 ． 0 4 5 。而新型 混合器管道出口处流量随着时间的推移逐渐趋于稳 定，且波动较小。由式 5 计算得到的方差值 为 0 ． 0 0 3 9 ，小于传统混合器的方差值。可以认为新型 混合器的稳定性优于传统混合器。 e 莹 _ 蔷 『 鳝 恒 罐 Ⅱ 丑 图6 油气混合器出口截面油流量分布的比较 Fi g 6 Co mp a ris o n o f o i l f l o w d i s t rib u t i o n o n t h e o u t l e t c r o s s s e c t i o n o f o i l g a s mi x e r 4结论 提出了油气润滑系统中油气混合器性能的 3 个评 价指标含油率 、油膜厚度比值及油液流量。基于 该评价指标，采用 C F D方法 ，对传统油气混合器和 基于一种新的混合原理改进的新型油气混合器的性能 进行仿真分析。结果表明，提出的3个评价指标可用 于油气混合器性能的评价和结构优化。 参考文献 【 1 】杨 中和 ， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 一 [ J ] ． 润滑 与密封 ， 2 0 0 3 ， 2 8 1 1 0 8 1 1 0 ． 【 2 】郭烈锦， 陈学俊． 管内汽液两相环状流转变的机理研究[ J ] ． 核科学与工程 ， 1 9 9 2 ， 1 2 2 9 71 0 5 ． G u o L i e j i n ， C h e n X u e j u n ． A n n u l a r fl o w t r a n s i t i o n m e c h a n i s m r e s e a r c h o f g a s - 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