消防泵軸承箱傳熱計算及控溫措施

為找到消防泵軸承箱發熱溫度不一的原因，通過對箱體傳熱的培林共軛熱傳遞（CHT）數值計算，得出容積損失是影響泵軸承箱體發熱程度的主要因素，從而對泵的結構尺寸進行了改進。

　　在大型消防泵運行過程中軸承箱常常發熱，溫度可達70oC以上。溫度過高將影響潤滑劑的性能。試驗表明即使同一批產品，箱體最高溫度也有高有低，通過更換軸承種類、調整向心推力軸承安裝間隙也不能控制溫度。因此需要找到溫度不確定的根本原因，並且有效加以控制。通過軸承箱傳熱共軛熱傳遞 （CHT：conjugate heat transfer）數值堆高機計算找到了導致溫度過高的主要原因。共軛熱傳遞問題可以分成兩個計算區域，充滿流體的區域和固體區域。能量流動通過擴散過程在兩個區域間傳遞。在離散計算方法方面，有限元法（FEM）非常適用於純粹的固體傳熱問題，在涉及流體的共軛熱傳遞問題中基於有限元的有限體積法（FVM）更為有效。本文采用有限體積法。

　　1、傳熱計算結果分析
　　圖1是計算網格模型，忽略箱體內潤滑油對傳熱的影響以及空氣密度差導致傳熱的影響，該問題是軸對稱問題，因此可以計算一個扇形區域，a、b是軸承安裝位置，線框內為水，其余為箱體與軸，箱體、軸與空氣接觸部分為空氣對流傳熱邊界。圖2是計算結果，暖色為高溫，冷色為低溫。雖然計算機的計算分析能力很強，但實際工程問題有時很復雜，有關的計算參數有一定的近似性。這對計算精度有影響，在計算時應對這點有充分的認識。在分析計算結果時，要注意到邊界條件的不確定性所產生的影響。軸承箱傳熱計算中，水對流換熱是水泵的容積損失產生的強迫對流換熱，它的傳熱系數與水泵的容積損失相關聯，應該可以由設計控制。但制造加工時的尺寸偏差導致了容積損失的不確定性，也就導致了水對流傳熱系數的不確定性。計算表明傳熱系數的變化範圍很大，對於比轉速ns=76的消防泵，當容積效率在90%到98%時，與其流量相等價的傳熱系數通常在390W/㎡•oC~•1240W/㎡•℃範圍內變化。空氣對流換熱是自然對流換熱，它的傳熱系數與水泵所處的環境相關，因此也有不確定性。考慮消防泵通常安裝在室內，空氣流動的速度變化不會很大，因此傳熱系數的變化不會很大。如果風速在0m/s~ 6。4/s範圍內變化，按照經驗公式，空氣平均傳熱系數在5 W/㎡。oC到25 W/㎡•℃的範圍內變化。

　　水對流軸承傳熱系數遠比空氣對流傳熱系數大，它是影響傳熱的主導因素，同時強迫對流換熱可以由設計者控制。因此如圖3所示以水對流傳熱系數、平均空氣對流傳熱系數這兩個參數的變化來觀察它們對計算結果的影響。圖3所示溫度為軸承箱體的最高溫度，此點通常位於遠離水泵葉輪的軸承附近。單個軸承發熱功率為1000W，環境溫度為20oC。可以看出，由於水對流傳熱系數的變化範圍比平均空氣對流傳熱系數的變化範圍大得多，因此水對流更能影響軸承箱的最高溫度。

　　2、有效控溫措施
　　為了控制溫度可以適當降低容積效率，如果最高溫度不大於70oC，則水對流傳熱系數應不小於500 w/㎡•℃，並以此為依據計算水泵容積效率及相應零件尺寸。


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