消防泵轴承箱传热计算以及控温措施

关键词：消防泵 轴承箱 传热计算以 控温措施

    为找到消防泵轴承箱发热温度不一的原因，通过对箱体传热的共轭热传递(CHT)数值计算，得出容积损失是影响泵轴承箱体发热程度的主要因素，从而对泵的结构尺寸进行了改进。 
    在大型消防泵运行过程中轴承箱常常发热，温度可达70ºC以上。温度过高将影响润滑剂的性能。试验表明即使同一批产品，箱体最高温度也有高有低，通过更换轴承种类、调整向心推力轴承安装间隙也不能控制温度。因此需要找到温度不确定的根本原因，并且有效加以控制。通过轴承箱传热共轭热传递 (CHT：conjugate heat transfer)数值计算找到了导致温度过高的主要原因。共轭热传递问题可以分成两个计算区域，充满流体的区域和固体区域。能量流动通过扩散过程在两个区域间传递。在离散计算方法方面，有限元法(FEM)非常适用于纯粹的固体传热问题，在涉及流体的共轭热传递问题中基于有限元的有限体积法(FVM)更为有效。本文采用有限体积法。 
    1、传热计算结果分析 
    忽略箱体内润滑油对传热的影响以及空气密度差导致传热的影响，该问题是轴对称问题，因此可以计算一个扇形区域，a、b是轴承安装位置，线框内为水，其余为箱体与轴，箱体、轴与空气接触部分为空气对流传热边界虽然计算机的计算分析能力很强，但实际工程问题有时很复杂，有关的计算参数有一定的近似性。这对计算精度有影响，在计算时应对这点有充分的认识。在分析计算结果时，要注意到边界条件的不确定性所产生的影响。轴承箱传热计算中，水对流换热是水泵的容积损失产生的强迫对流换热，它的传热系数与水泵的容积损失相关联，应该可以由设计控制。但制造加工时的尺寸偏差导致了容积损失的不确定性，也就导致了水对流传热系数的不确定性。计算表明传热系数的变化范围很大，对于比转速ns=76的消防泵，当容积效率在90％到98％时，与其流量相等价的传热系数通常在390W／m2·ºC~·1240W／m2·℃范围内变化。空气对流换热是自然对流换热，它的传热系数与水泵所处的环境相关，因此也有不确定性。考虑消防泵通常安装在室内，空气流动的速度变化不会很大，因此传热系数的变化不会很大。如果风速在0m／s~ 6.4／s范围内变化，按照经验公式，空气平均传热系数在5 W／m2．ºC到25 W／m2·℃的范围内变化。 
    水对流传热系数远比空气对流传热系数大，它是影响传热的主导因素，同时强迫对流换热可以由设计者控制。因此如图3所示以水对流传热系数、平均空气对流传热系数这两个参数的变化来观察它们对计算结果的影响。图3所示温度为轴承箱体的最高温度，此点通常位于远离水泵叶轮的轴承附近。单个轴承发热功率为1000W，环境温度为20ºC。可以看出，由于水对流传热系数的变化范围比平均空气对流传热系数的变化范围大得多，因此水对流更能影响轴承箱的最高温度。 
    2、有效控温措施 
    为了控制温度可以适当降低容积效率，如果最高温度不大于70ºC，则水对流传热系数应不小于500 w／m2·℃，并以此为依据计算水泵容积效率及相应零件尺寸。