CN113849933A - 一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法 - Google Patents

Abstract

提供一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，采用GT SUITE软件实现，整个仿真过程主要包括一维仿真模型的建立、计算及后处理三个步骤，阐述了船用大功率柴油机润滑系统GT SUITE一维仿真流程，通过一维仿真技术，尽可能的模拟整个润滑系统工作过程，以活塞、轴瓦、增压器、减震器等零部件对润滑油压力、温度、流量的需要为边界条件，计算得出系统滑油循环量及进口压力、温度、轴瓦油膜厚度等，从而为冷却器、滑油泵等零部件设计提供依据，提高了润滑系统的设计精度，同时降低样机试验风险，并可以对成熟发动机润滑系统故障排查提供强有力的帮助。

Description

一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法

技术领域

本发明属于仿真建模技术领域，具体涉及一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法。

背景技术

船用大功率柴油机自主研发在国内起步较晚，现阶段依然主要依靠专利引进。船用柴油机润滑系统设计过程中，主要还是依据《船用柴油机设计手册》进行设计，设计方法偏传统，流量、压力、温度等润滑系统主要参数多采用经验公式和对比相近机型进行确定，做不到精细化设计。

比如润滑油循环量的确定，多采用经验公式和参考相近机型进行确定；《船用柴油机设计手册》中计算方法是根据经验公式：

计算得出。其中，Q—润滑油带走热量；γ—滑油比重；c—滑油比热；Δt—进出柴油机滑油温差(中、高速柴油机一般取Δt＝10-25℃，下限适合中速机，上限适合高速机，个别机型可超出此范围)；K—储备系数，一般取K＝1.5～2。这几个参数中Q可以整机热管理得出，Δt和K均需要根据经验或者参考同类型柴油机确定，这就导致最终计算得到的滑油循环量误差很大，增加了试验时的风险。

润滑油压及温度的确定，完全是参考相近发动机机型确定，然后在通过样机试验进行验证，管径的确定也是采用经验公式进行确定。

这种传统方法精度较差，需要在样机试验阶段进一步调整系统参数，甚至需要对轴瓦、管路、滑油泵、冷却器等进行重新设计，大大增加了发动机研制周期及研制成本。因此有必要提出改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，本发明通过一维仿真技术，尽可能的模拟整个柴油机润滑系统工作过程，提高了润滑系统的设计精度，同时降低样机试验风险，并可以对成熟发动机润滑系统故障排查提供强有力的帮助。

本发明采用的技术方案：一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，所述大功率船用柴油机润滑系统一维仿真采用GT SUITE软件实现，主要包括以下步骤：

步骤一：一维仿真模型的建立，主要分为三部分

1)发动机曲轴分析模型的建立：

曲轴分析模型包括机身、曲轴、连杆、活塞、曲轴分析元件、缸压元件6中元件；

活塞、连杆的模型不需要对三维数模进行前处理，只需要选用软件相应的活塞、连杆元件，并将参数输入元件中即可；

缸压元件数据通过“发动机缸压”元件进行定义，并与活塞相连；

曲轴分析元件主要定义发动机的冲程数、旋转方向、转速、发火顺序的参数，并与各个连杆大端轴承相连；

曲轴需要通过前处理软件对三维数模进行简化，删除不必要多余特征，然后通过GEM3D模块对曲轴进行划分，将主轴承、曲柄、曲臂分割开来，再离散成相应的元件；

机身选用刚体机身元件，并与各个主轴承相连；

2)轴承类元件模型的建立

船用大功率柴油机轴承主要包括以下几类；滑动轴承、止推轴承、球轴承；

滑动轴承采用相同元件“流体轴承”进行建模；采用元件“可变孔板”模拟轴颈上油孔的开闭；采用元件“2接口轴承槽体积、3接口轴承槽体积、4接口轴承槽体积”对轴承油槽进行模拟；

止推轴承采用元件“止推轴承”进行建模；

球轴承简化为油道进行建模；

3)管路模型的建立，其中包括固定管建模和运动管建模；

固定管是指柴油机中不发生运动的管路，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块对管路进行合理的分割、连接，并离散成GT SUITE可识别的元件；

船用大功率发动机中运动管主要包括曲轴油道、连杆中油道、活塞油道，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块离散成GT SUITE可识别的元件，定义元件参数时，需对加速选项进行定义，明确运动管长度方向及运动方式；

模型建立完成后对实例设置和运行设置进行定义，确定计算工况数和计算时间或循环次数；

步骤二：计算；对建模的发动机润滑系统运行计算，如有错误提示，按提示对模型进行修改；

步骤三：后处理：通过GT-POST模块对计算结果进行查看。

上述步骤二中，发动机润滑系统的计算包括两大类分析，一类是轴承的分析，另一类是管路流动分析；

1)发动机轴承为动压轴承，按照轴承内油膜压力分布，油膜厚度的计算公式如下：

θ—偏位角；

e—偏心距；

C—平均间隙，

—相对间隙，

ε—相对偏心率，ε＝e/r；

h_min—最小油膜厚度，h_min＝c-e＝c(1-ε)；

轴承承载能力用下式进行计算：

式中P—轴承载荷；ψ_p—轴承承载能力系数；μ—润滑油动力黏度系数；l—轴承宽度；d—轴颈直径；ω—轴颈旋转角速度；

2)管路流动分析

对整个润滑系统管路，把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u＝u(t,x,y,z)；主要采用伯努利方程

同时结合拉格朗日法和欧拉法，对管路内流体进行压力、流量、温度分析。

本发明与现有技术相比的优点：

本方案阐述了船用大功率柴油机润滑系统GT SUITE一维仿真流程，为大功率船用柴油机润滑系统一维仿真提供了方法，通过一维仿真技术，尽可能的模拟整个润滑系统工作过程，以活塞、轴瓦、增压器、减震器等零部件对润滑油压力、温度、流量的需要为边界条件，计算得出系统滑油循环量及进口压力、温度、轴瓦油膜厚度等，从而为冷却器、滑油泵等零部件设计提供依据，提高了润滑系统的设计精度，同时降低样机试验风险，并可以对成熟发动机润滑系统故障排查提供强有力的帮助。

附图说明

图1为本发明中轴承内油膜压力分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1，详述本发明的实施例。

一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，所述大功率船用柴油机润滑系统一维仿真采用GT SUITE软件实现，整个仿真过程主要包括一维仿真模型的建立、计算及后处理三个步骤。

步骤一：一维仿真模型的建立，其中模型的建立是仿真的核心，主要分为三部分：

1)发动机曲轴分析模型的建立：

曲轴分析模型包括机身、曲轴、连杆、活塞、曲轴分析元件、缸压元件6中元件；

活塞、连杆的模型不需要对三维数模进行前处理，只需要选用软件相应的活塞、连杆元件，并将质量、尺寸、转动惯量等参数输入元件中即可；

缸压元件数据通过“发动机缸压”(软件中的英文名称为“EngCylPres”)元件进行定义，并与活塞相连，缸压数据一般来自发动机性能仿真结果；

曲轴分析元件(CrankAnalysis)主要定义发动机的冲程数、旋转方向、转速、发火顺序等的参数，并与各个连杆大端轴承相连，连接时注意轴承编号；

曲轴需要通过前处理软件对三维数模进行简化(此次采用GT SUITE集成的前处理软件GT-SpaceLlaim)，删除不必要的小孔、小圆角等多余特征，然后通过GEM3D模块对曲轴进行划分，将主轴承、曲柄、曲臂分割开来，再离散成相应的元件；

机身由于不进行强度计算，所以选用刚体机身元件(RigidEngineBlock)，并与各个主轴承相连，连接时注意轴承编号；

2)轴承类元件模型的建立；

船用大功率柴油机轴承主要包括以下几类；滑动轴承、止推轴承、球轴承；其中

滑动轴承采用相同元件“流体轴承”(软件中的英文名称为“JournalBearingFlow”)进行建模；采用元件“可变孔板”(软件中的英文名称为“BrgVariableOrifice”)模拟轴颈上油孔的开闭；采用元件“2接口轴承槽体积、3接口轴承槽体积、4接口轴承槽体积”(软件中的英文名称为“BrgGrooveVolume2Port、BrgGrooveVolume3Port、BrgGrooveVolume4Port”)对轴承油槽进行模拟；

止推轴承采用元件“止推轴承”(软件中的英文名称为“ThrustBearing”)进行建模；

对于配气机构相关的球轴承，由于球面配合间隙小、压力大，所以轴承接触面泄漏可以忽略，配气机构球轴承简化为油道进行建模；

3)管路模型的建立，其中包括固定管建模和运动管建模，主要模拟管路中滑油流动情况；

固定管是指柴油机中不发生运动的管路，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块对管路进行合理的分割、连接，并离散成GT SUITE可识别的元件，如直管、T型管、Y型管、弯头等；

船用大功率发动机中运动管主要包括曲轴油道、连杆中油道、活塞油道等，建模方法与固定管基本相同，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块离散成GT SUITE可识别的元件，区别在于定义元件参数时，需对加速选项进行定于，明确运动管长度方向及运动方式(其中主要包括Crank、Conrod、Piston)；

模型建立完成后对实例设置(Case Setup)和运行设置(Run Setup)进行定义，确定计算工况数和计算时间或循环次数等。

步骤二：计算；对建模的发动机润滑系统运行计算，如有错误提示，按提示对模型进行修改；

其中，发动机润滑系统的计算包括两大类分析，一类是轴承的分析，另一类是管路流动分析；

1)发动机轴承为动压轴承，按照轴承内油膜压力分布，油膜厚度的计算公式如下：

θ—偏位角；

e—偏心距；

C—平均间隙，

—相对间隙，

ε—相对偏心率，ε＝e/r；

h_min—最小油膜厚度，h_min＝c-e＝c(1-ε)；

轴承承载能力用下式进行计算：

式中P—轴承载荷；ψ_p—轴承承载能力系数；μ—润滑油动力黏度系数；l—轴承宽度；d—轴颈直径；ω—轴颈旋转角速度；

2)管路流动分析

对整个润滑系统管路，把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u＝u(t，x，y，z)；主要采用伯努利方程

同时结合拉格朗日法和欧拉法，对管路内流体进行压力、流量、温度分析。

步骤三：后处理：通过GT-POST模块对流量、压力、温度、轴瓦油膜厚度等计算结果进行查看。

本发明阐述了船用大功率柴油机润滑系统GT SUITE一维仿真流程，通过一维仿真技术，尽可能的模拟整个润滑系统工作过程，以活塞、轴瓦、增压器、减震器等零部件对润滑油压力、温度、流量的需要为边界条件，计算得出系统滑油循环量及进口压力、温度、轴瓦油膜厚度等，从而为冷却器、滑油泵等零部件设计提供依据，提高了润滑系统的设计精度，同时降低样机试验风险，并可以对成熟发动机润滑系统故障排查提供强有力的帮助。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，其特征在于：所述大功率船用柴油机润滑系统一维仿真采用GT SUITE软件实现，主要包括以下步骤：

步骤一：一维仿真模型的建立，主要分为三部分

1)发动机曲轴分析模型的建立：

曲轴分析模型包括机身、曲轴、连杆、活塞、曲轴分析元件、缸压元件共6种元件；

活塞、连杆的模型不需要对三维数模进行前处理，只需要选用软件相应的活塞、连杆元件，并将参数输入元件中即可；

缸压元件数据通过“发动机缸压”元件进行定义，并与活塞相连；

曲轴分析元件主要定义发动机的冲程数、旋转方向、转速、发火顺序的参数，并与各个连杆大端轴承相连；

曲轴需要通过前处理软件对三维数模进行简化，删除不必要多余特征，然后通过GEM3D模块对曲轴进行划分，将主轴承、曲柄、曲臂分割开来，再离散成相应的元件；

机身选用刚体机身元件，并与各个主轴承相连；

2)轴承类元件模型的建立

船用大功率柴油机轴承主要包括以下几类；滑动轴承、止推轴承、球轴承；

滑动轴承采用相同元件“流体轴承”进行建模；采用元件“可变孔板”模拟轴颈上油孔的开闭；采用元件“2接口轴承槽体积、3接口轴承槽体积、4接口轴承槽体积”对轴承油槽进行模拟；

止推轴承采用元件“止推轴承”进行建模；

球轴承简化为油道进行建模；

3)管路模型的建立，其中包括固定管建模和运动管建模；

固定管是指柴油机中不发生运动的管路，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块对管路进行合理的分割、连接，并离散成GT SUITE可识别的元件；

船用大功率发动机中运动管主要包括曲轴油道、连杆中油道、活塞油道，首先采用GT-SpaceLlaim模块对管路内腔进行抽取，再利用GEM3D模块离散成GT SUITE可识别的元件，定义元件参数时，对加速选项进行定义，明确运动管长度方向及运动方式；

模型建立完成后对实例设置和运行设置进行定义，确定计算工况数和计算时间或循环次数；

步骤二：计算；对建模的发动机润滑系统运行计算，如有错误提示，按提示对模型进行修改；

步骤三：后处理：通过GT-POST模块对计算结果进行查看。

2.根据权利要求1所述的一种大功率船用柴油机润滑系统一维仿真方法，其特征在于：上述步骤二中，发动机润滑系统的计算包括两大类分析，一类是轴承的分析，另一类是管路流动分析；

1)发动机轴承为动压轴承，按照轴承内油膜压力分布，油膜厚度的计算公式如下：

θ—偏位角；

e—偏心距；

c—平均间隙，

—相对间隙，

ε—相对偏心率，ε＝e/r；

h_min—最小油膜厚度，h_min＝c-e＝c(1-ε)；

轴承承载能力用下式进行计算：

式中P—轴承载荷；ψ_p—轴承承载能力系数；μ—润滑油动力黏度系数；l—轴承宽度；d—轴颈直径；ω—轴颈旋转角速度；

2)管路流动分析

对整个润滑系统管路，把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u＝u(t，x，y,z)；主要采用伯努利方程

同时结合拉格朗日法和欧拉法，对管路内流体进行压力、流量、温度分析。

Images