一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法与流程

本发明涉及一种液体润滑转轴减阻技术，具体地说，涉及一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法。

背景技术：

液体润滑的转轴与轴套作为经典的润滑减阻转动在基础研究和工程领域内应用极为普遍。如何减低转轴转动时带来的摩擦阻力在工程应用领域显得尤为重要。2015年a.j.greidanus1等人(turbulenttaylor–couetteflowoverriblets:dragreductionandtheeffectofbulkfluidrotation[j].experimentsinfluids,2015,56(5):107.)通过在圆柱内转子表面构造微米级沟槽最高达到5.3％的减阻率。该方法虽然能够获得稳定的减阻量，但转子表面沟槽的加工较困难，成本相对较高，且不能获得较为显著的减阻量。目前工业应用领域没有较好的方法能够有效持续的降低转轴和轴套间的阻力。且不能获得较为显著的有效持续的降低转轴和轴套间的阻力的效果。

转轴与轴套之间润滑液体流动属于典型的taylor-couette流动，当转轴的转速超过一临界值时，该临界值对应的taylor数一般大约为1708左右。在液体内部会产生沿主轴方向呈规则周期性分布的反向旋转的taylor涡对，并且在不同的雷诺数下taylor涡的形态各异。在外筒固定，内筒转动时，随着内转子转速的增加流动状态依次为couette流动、taylor涡流动、波动涡流动、调制涡流动和湍流taylor涡流动。现有研究表明，转轴所受的扭矩跟taylor涡的尺寸和数量密切相关。一般在taylor涡的数量相同时，taylor涡的尺寸越大，对应的转轴的扭矩值越大。同时，taylor涡的强度越高对应的扭矩值越大。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法；该方法基于taylor-couette流动情况下反向旋转的taylor涡的周期性，改变taylor涡尺寸，减少大尺寸taylor涡数量，通过在轴套内表面沿轴向设置不同半径的周期性圆柱表面，调制taylor涡的尺寸和数目，使得taylor涡的尺寸变化，大尺寸的taylor涡数目减少，从而减少转轴的阻力；该方法具有加工方便、成本低、减阻效果显著的特点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种基于周期性台阶柱面的减阻装置，其特征在于包括转轴、轴套，所述轴套为中空、一端密封的圆柱体，轴套内璧上沿轴向等间距设有若干凹凸台阶，转轴位于台阶柱面轴套内且与台阶柱面轴套同轴安装，转轴与轴套内璧形成等距间隙；转轴和轴套的尺寸按以下公式:

0.8≥η＝ri/ro≥0.6，ξ＝h/(ro-ri)≥6，

式中，ri为转轴半径，ro为轴套半径，h为转轴的高度；

对轴套的内壁面圆柱形下凹台阶高度为h，按以下公式:

0.1(ro-ri)≤h≤0.45(ro-ri)

对应的圆柱形台阶的半径为rw＝ro+h；

圆柱形下凹台阶沿轴向的距离0.6(rw-ri)≤l1≤0.8(rw-ri),

凸形台阶圆柱面沿轴向的距离为0.6(ro-ri)≤l2≤0.8(ro-ri)。

一种采用所述的基于周期性台阶柱面的减阻装置的减阻方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定转轴和轴套的尺寸；对轴套的内壁面加工圆柱形凹凸台阶，在轴向距离以l1、l2的形式周期循环，直到在整个轴向距离覆盖完成，在轴套侧壁上距离底面15～25mm处开有小注射孔；

步骤2.对转轴表面和轴套内壁面进行处理，转轴表面和轴套内壁面粗糙度均小于1.6，并利用超声波对转轴表面和轴套内壁面进行检测、清洗，表面无残留杂质；安装固定粘度计，并对粘度计在未装载情况下调零；

步骤3.安装转轴和轴套，转轴与轴套同轴度小于0.02，转轴轴线垂直于轴套内底面；

步骤4.在转轴与轴套间隙加注工作液体，通过调节不同的转轴转速实现改变taylor涡尺寸，减少大尺寸taylor涡数量；计算其对应的减阻率，按以下公式:dr＝(t1-t2)/t1×100％，式中,t1为轴套半径ro的光筒对应的转轴的转矩值，t2为轴套内壁面在周期性圆柱面时对应的转轴的扭矩值。

有益效果

本发明提出的一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法。该方法基于taylor-couette流动情况下反向旋转的taylor涡的周期性，通过在轴套内壁面沿轴向等间距设置若干周期性凹凸台阶，调制taylor涡的尺寸和数目，使得taylor涡的尺寸变化，大尺寸的taylor涡数目减少，从而减少转轴的阻力；该方法具有加工方便、成本低、减阻效果显著的特点。

基于周期性台阶柱面的减阻装置的转轴在转动时，转轴和轴套之间工作液体的周向流动属于taylor-couette流动，由于一对反向旋转的taylor涡的尺寸等于转轴和轴套之间间隙的2倍。当在轴向不满足存在一对反向旋转的taylor涡的尺寸时，taylor涡的形态将会发生变化，此时，对应的taylor涡的尺寸变小，大尺寸的taylor涡数目减少，对应的转矩值降低，实现基于taylor涡周期调控的液体润滑转轴减阻的目的。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法作进一步详细说明。

图1为本发明的基于周期性台阶柱面的减阻装置示意图。

图2为本发明基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法的减阻效果图。

图中:

1.转轴2.工作液体3.轴套

具体实施方式

本实施例是一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法；该减阻装置及减阻方法基于taylor-couette流动情况下反向旋转的taylor涡的周期性，改变taylor涡尺寸，减少大尺寸taylor涡数量，通过在轴套内表面沿轴向布置不同半径的周期性圆柱表面，调制taylor涡的尺寸和数目，使得taylor涡的尺寸变化，大尺寸的taylor涡数目减少，从而减少转轴的阻力。转轴在转动时转轴和轴套之间润滑液体的周向流动属于taylor-couette流动，由于一对反向旋转的taylor涡的尺寸等于转轴和轴套之间间隙的2倍。当在轴向不满足存在一对反向旋转的taylor涡的尺寸时，taylor涡的形态将会发生变化，此时，对应的taylor涡的尺寸变小，大尺寸的taylor涡数目减少，对应的转矩值降低，实现基于taylor涡周期调控的液体润滑转轴减阻。本实施例减阻装置及减阻方法操作便捷，只需要对轴套内壁面加工周期性凹凸台阶就可实现有效地减阻。

参阅图1，本实施例中，基于周期性台阶柱面的减阻装置由转轴1、轴套3组成；轴套3为中空、一端密封的圆柱体，轴套3内璧上沿轴向等间距设有若干凹凸台阶，转轴1位于台阶柱面轴套内且与台阶柱面轴套同轴安装，转轴与轴套内璧形成等距间隙；转轴和轴套的尺寸按以下公式:

0.8≥η＝ri/ro≥0.6，ξ＝h/(ro-ri)≥6，

式中，ri为转轴半径，ro为轴套半径，h为转轴的高度；

对轴套的内壁面圆柱形下凹台阶高度为h，按以下公式:

0.1(ro-ri)≤h≤0.45(ro-ri)

对应的圆柱形台阶的半径为rw＝ro+h；

圆柱形下凹台阶沿轴向的距离0.6(rw-ri)≤l1≤0.8(rw-ri),

凸形台阶圆柱面沿轴向的距离为0.6(ro-ri)≤l2≤0.8(ro-ri)。

一种采用基于周期性台阶柱面的减阻装置进行减阻的方法，其特征在于包括以下步骤:

第一步.确定转轴和轴套的尺寸；对轴套的内壁面加工圆柱形凹凸台阶，在轴向距离以l1、l2的形式周期循环，直到在整个轴向距离覆盖完成；在轴套侧壁上距离底面15～25mm处开有小注射孔。

第二步.对转轴表面和轴套内壁面进行处理；选取半径ri为12.5mm高为90mm的圆柱转轴，转轴表面粗糙度小于1.6；选取内径ro为15.5mm,长度为100mm的圆柱光筒，并在内壁面加工半径rw为17mm，沿轴向距离l1为7mm的圆柱形下凹圆柱；在整个轴向方向上，半径为ro对应的圆柱面在轴线方向的距离l2为4mm，并且l2和l1在轴向交替分布，保证周期性台阶柱面轴套的内壁面的粗糙度小于1.6，并用超声波清洗周期性台阶柱面轴套的内壁面，确保无残屑和杂质；并利用超声波对转轴表面和轴套内壁面进行检测，表面清洗无残留杂质；安装固定brookfielddv-ⅱ+pro粘度计，并对粘度计在未装载情况下调零。

第三步.安装转轴和轴套，转轴与轴套同轴度小于0.02，转轴轴线垂直于轴套内底面。

第四步.在转轴与轴套间隙加注工作液体，设定不同的转速，观测在不同转速对应的雷诺数条件下对应的扭矩值，通过调节不同的转轴转速来实现改变taylor涡尺寸，减少大尺寸taylor涡数量；计算该方法的减阻率，按以下公式:dr＝(t1-t2)/t1×100％，式中,t1为轴套半径ro的光筒对应的转轴的转矩值，t2为轴套内壁面在周期性圆柱面时对应的转轴的扭矩值。

如图2所示，本实施例基于周期性台阶柱面的减阻效果，在整个测试范围内最高减阻率可达17.1％，当雷诺数为528时对应的减阻率为10.8％，在整个测试范围内减阻率稳定维持在14％。该减阻方法可稳定的降低转轴转动时的阻力,且减阻效果显著。