بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک شبیهسازی عددی جهت تحلیل جریان دو فاز روغن و هوا در یاتاقان ژورنال هیدرودینامیکی که در پایین دست ژنراتور نصب شده، انجام شده است. هندسه مورد نظر، هندسهای سه بعدی، جریان گذرا و همچنین آرام میباشد. خروج از مرکز یاتاقان برابر با صفر در نظر گرفته شده است. سیستم مسئله متشکل از تانک روغن، یاتاقان پایینی و ژورنال است.
این پژوهش با روش VOF و بر پایه روش فشار مبنا در نرم افزار فلوئنت انجام شده است. اثر نیروی گرانش نیز در نظر گرفته شده است. در نهایت توزیع کسر حجمی و همچنین توزیع فشار استاتیکی ایجاد شده بر فیلم روغن نازک بهدست آمده است. نتایج نشان داد که از زمان ورود روغن از تانک به روی شیارهای شافت و ایجاد فیلم روغن 200 ثانیه زمان احتیاج میباشد. همچنین بیشترین فشار ایجاد شده، در نزدیکی شیارهای مربوط به یاتاقان میباشد.
-1مقدمه
یکی از اختلافهای عمده میان نیروگاهها در طراحی یاتاقان آنها است. در واحدهای صنعتی سنگین و ترکیبی از یاتاقانهای هیدرودینامیکی استفاده میشود. مقاله حاضر نیز شامل یاتاقان ژورنال هادی مورد استفاده در نیروگاههای برقآبی است.
یاتاقان مورد تحقیق از نوع لغزشی میباشد که کاربرد گستردهای دارد. برخی از آنها، یاتاقانهای ساده با نصب آسان، کم نیاز و یا حتی بی نیاز از روغنکاری میباشند. یاتاقانهای هادی که به شکل عمودی نصب میشوند، نقش قابل توجهی در ژنراتورهای برقآبی ایفا میکنند
برخی از کاربردهای آنها در نیروگاههای بزرگ برقآبی، توربینهای گاز، ژنراتورهای گازی و مواردی از این دست میباشد. تحلیل مناسب روغن و هوا در طراحی یک سیستم مناسب جهت خنک نمودن فیلم روغن نازک ایجاد شده میان یاتاقان و ژورنال بسیار مهم میباشد.
روانکاری در یاتاقانهای ژورنال از مهمترین پارامترهایی است که طراح میباید مدنظر قرار دهد. اصطکاک در سامانههای مکانیکی مختلف یک عامل اصلی اتلاف انرژی است. به همین خاطر یاتاقانها باید روغنکاری شوند. روغنکاری هیدرودینامیکی، جدایش سطوح زیر بار یاتاقان با لایهای از روانساز است تا جلوی تماس فلز با فلز را بگیرد، که در حالت پایدار از قوانین مکانیک سیالات پیروی میکند.
روغنکاری هیدرودینامیکی به دادن فشار به روانساز نیاز ندارد، که نیاز آن حضور پیوسته و کافی روانساز و همواره است. تاکنون تحقیقات بسیار معدودی در زمینهی جریان دو فاز در حوزهی یاتاقانها انجام شده است.
جهت انجام این پژوهش از علم دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است. این تحلیل میتواند کمک شایانی به صنایع نیروگاهی داشته باشد. بررسی عددی جریان دوفازی هوا و روغن درون یک محفظهی روغن جهت خنککاری یاتاقان توپی توسط جیبین هو و همکاران [6] انجام شده است. آنها جریان دوفازی روغن و هوا را در نزدیکی یک جت روغن یاتاقان توپی به روشهای دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار دادند. روش چند فازی VOF، جهت تحلیل جریان دوفازی در تحقیق آنها استفاده گردید. هندسه شبکه شده در فضای میان دو دیواره یاتاقان اعمال گردید.
تحلیل گذرای جریان دوفازی روغن و هوا در محفظه یاتاقان تحت شرایط پریودیک، توسط ونگ فی و همکاران [8] انجام شده است. آنها شبیهسازی گذرا با استفاده از ابزار قدرتمند سیافدی جهت تحلیل جریان دو فاز هوا و روغن در حفره یاتاقان را انجام دادند. توزیع سرعت فازهای روغن و هوا بر حسب مکان و زمان مورد بحث قرار گرفته شده است.
همچنین کیو ال هو و همکاران [7] توزیع جریان فیلم مایع را بر روی یاتاقانی که دارای سیستم کوپلینگ بود و آب نقش روانکننده را بر عهدا داشت، را به دست آوردند. آنها بیشترین فشار آب پمپ شده به یاتاقان را که این سیستم کوپلینگ را خنک میساخت را به دست آوردند.
توزیع فیلم آب در شروع فرآیند به شکل گذرا بود و انتقال قدرت هم در حین کار بهوسیلهی یاتاقان انجام میشد. یو چنگ و همکاران [5] نیز به مطالعهی عددی یاتاقان آبرو واحد ژنراتور آبی با استفاده از روش حجم محدود پرداختند. آنها با در نظر گرفتن هندسه پد یاتاقان ژورنال، یک شکل جدید از معادلات رینولدز در این تحقیق را به دست آوردند. ضخامت فیلم، حرکت فشاری و چرخش یاتاقان در معادلات لحاظ شدند. این معادلات بر روی یاتاقان هادی آبی در واحد ژنراتور آبی گژوبا10اف، به شکل عددی مورد پژوهش قرار گرفت.
ویلیس و همکاران [2] هم آزمایشهایی بر روی یاتاقان محوری انجام دادند و تأثیر نرخ جریان روغن را بر روی اتلاف قدرت و دمای یاتاقان بررسی نمودند. آنها نرخ جریان روغن را روی پد یاتاقانها مورد بررسی قرار دادند تا دو پارامتر مهم را مورد بررسی قرار دهند. این دو پارامتر اتلاف قدرت یاتاقان و دماهای عملگر پد بودند. کاهش نرخ جریان روغن، میتواند در کاهش میزان هزینه ومقدار روغن تزریق شده به سیستم برای کاهش قدرت اتلافی یاتاقان مورد بررسی مؤثر باشد.
بیشتر تحقیقات انجام شده توسط محققین تاکنون یک یاتاقان با هندسهای ساده را شامل میشود. همچنین در بیشتر تحقیقات انجام شده جریان حاکم بر مسئله جریان پایا و تک فاز میباشد حال آنکه در این پژوهش، با وجود هندسه کامل جریان حاکم گذرا و به شکل دو فاز میباشد که مجموعه برق قابل توجهی را تولید میکند. همچنین بیشتر تحقیقات انجام شده دارای سیستم باز جهت روانسازی مجموعه میباشند یعنی روغن از یک لوله به سیستم وارد میشود و از مقطعی دیگر خارج میگردد. ولی در این پژوهش سیستم بسته میباشد و روغن از میان لولهها جهت روانسازی مجموعه عبور میکند. در نتیجه یک مجموعه با این مشخصات تاکنون شبیهسازی و حل نشده است.
-2 هندسه مجموعه و مشخصات فیزیکی آن
مدلسازی فیزیکی مسئله یعنی مدلی از هندسه که به کمک نرم افزار ایجاد میشود تا فیزیک جسم را به طریق مجازی بر روی کامپیوتر نشان دهد تا توانایی تحلیل و بررسی آن را داشته باشیم. هندسهی جامد مقاله حاضر شامل ژورنال، یاتاقان و تانک روغن میباشد که در شکل 1 نشان داده شده است.
یاتاقان، بخش میانی این مجموعه میباشد که در حقیقت رابط میان تانک روغن و ژورنال میباشد. دامنه محاسباتی سیال از بخش جامد بیرون کشیده میشود. همچنین در سیستمهایی با سرعت دورانی بالا، افزایش دما و تحمل آن توسط مجموعه قطعات یاتاقانی یکی از عوامل محدود کننده اصلی در سیستم میباشد
معمولا در ژنراتورهای آبی عمودی از دو عدد یاتاقان هادی فوقانی و تحتانی استفاده میشود. یاتاقان هادی به تنهایی در مجموعه استفاده میشود - فوقانی یا تحتانی - . قابل ذکر است که خود توربین نیز بصورت مستقل دارای یاتاقان هادی میباشد. این یاتاقانها از نوع ژورنال میباشند. یاتاقان ژورنال برای انواع بارگذاریهای مختلف، سرعتهای مختلف و به طور کلی شرایط کارکرد مختلف ساخته شده و بنا به خواستههای مختلف طراحی، دارای طراحی متفاوتی است. یاتاقان ژورنال سالیان زیادی است که در شاخههای مختلف صنعت به کار برده میشود
در این مقاله، یاتاقان پایینی ژنراتور شبیهسازی و تحلیل شده است. همچنین از عواملی که در طراحی اجزاء یاتاقانها به آن دقت میشود، سرعت کار ژورنال میباشد. به عبارت دیگر از آنرو که روغنکاری مجموعه بر اساس خاصیت هیدرودینامیکی است، لذا سرعت دورانی مجموعه میباید فیلم مناسبی از روغن مابین سطوح پخش نماید. از یک سیستم جهت گردش سیال که روغن میباشد استفاده میکند. در اینجا تانک روغن این وظیفه را بر عهده دارد.
کارکرد درست سیستم روغنکاری ژنراتور از لحاظ فشاری وقتی است که روغن با فشار متناسب با سرعت در سیستم به چرخش در بیاید. علاوه بر آن، این سیستم وظیفهی خنک کردن محل یاتاقان و جذب انرژی گرمایی ایجاد شده را بر عهده دارد تا از داغ کردن ژورنال و یاتاقان جلوگیری نماید.
شکل 1 دامنه فیزیکی یاتاقان ژورنال
در ابتدا روغن ساکن میباشد و تا ارتفاعی از تانک قرار دارد. با شروع چرخش سیستم روغن به عنوان فاز همراه با هوا در سیستم به گردش در میآید. خواص روغن در این تحقیق ثابت میباشد.
