基于N-S方程的抽水蓄能機組推力軸承潤滑特性研究

周東岳，周 攀，秦 俊，周喜軍

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

基于N-S方程的抽水蓄能機組推力軸承潤滑特性研究

周東岳，周 攀，秦 俊，周喜軍

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

本文建立了抽水蓄能機組推力軸承潤滑油、推力瓦流動傳熱流固耦合傳熱計算模型，得出了推力瓦瓦面、油膜的壓力、溫度分布，計算結果與試驗結果吻合；油膜溫度分布表明，由于鏡板流動邊界層的存在，上塊瓦流出的熱油未與油槽冷油充分摻混即流入本塊瓦油膜，因此本文認為加強邊界層內外的對流作用是解決推力瓦溫高的有效措施。

推力軸承；推力瓦溫；計算流體力學；流固耦合傳熱

0 序言

推力軸承是抽水蓄能電站發(fā)電電動機的重要部件，近年來，隨著抽水蓄能機組向著高水頭、大容量發(fā)展，推力軸承推力瓦溫度過高的問題日趨突出，國內已投產的電站如廣蓄二期[1]、惠蓄[2]、十三陵、泰山、白蓮河等多家電站均出現(xiàn)過推力瓦溫高超過合同、國家規(guī)范限值的問題。尤其在迎峰度夏期間，機組技術供水水溫偏高，潤滑油冷卻效果不佳，推力瓦瓦溫過高，嚴重影響了機組的正常運行。對于推力瓦溫度的研究，可采用試驗和計算方法，試驗方法具有結果可靠的優(yōu)點，但是由于成本高的限制，不可能對每座電站推力軸承開展試驗。

隨著CFD方法的快速發(fā)展，采用數(shù)值計算方法對推力軸承溫度場、速度場進行研究已經成為可能。以往的針對推力軸承相關問題的研究都是以Reynolds方程為基礎[3-5]，Reynolds方程是根據(jù)Navier-Stokes方程及連續(xù)方程，結合推力軸承油膜流動特點，在無滑移壁面、層流流動[6]等假設下推導而出。無滑移假設對于彈性金屬塑料瓦不再適用；層流流動假設對于水潤滑推力軸承等油膜處于湍流流動狀態(tài)求解準確度有限；并且Reynolds方程只適用于油膜，對于油膜外的流場不適用，因而以往以Reynolds方程為基礎推力軸承理論模型如熱流體動力潤滑模型（THD）和熱彈流動力潤滑模型（TEHD）流體區(qū)域只包含油膜部分，因而油膜的進油溫度、推力瓦的表面換熱系數(shù)只能通過假設確定。

本文以Navier-Stokes方程為基礎，采用流固耦合傳熱計算方法，對推力軸承流場、溫度進行了計算，流體區(qū)域包含油膜及油槽，邊界設置在溫度易于測定的油槽進口，潤滑油與推力瓦通過流固界面溫度耦合方法計算對流換熱，避免了以往理論模型需假設邊界條件的問題。

1 推力瓦溫高問題分析

推力瓦是承受轉子軸向力的部件，依靠推力頭與推力瓦間極薄的楔形油膜避免金屬間直接摩擦，從而減小轉動阻力及發(fā)熱量。推力瓦溫高問題的物理分析：旋轉的鏡板帶動潤滑油進入楔形油膜，油膜在鏡面產生高壓，形成對轉動系的軸向推力；由于油膜處切向速度的速度梯度極大，產生大量的黏性流動耗散，產生的熱量使油膜溫度升高；推力瓦吸收油膜熱量，并通過金屬的熱傳導向油槽冷油放出熱量；另外，潤滑油的黏度隨溫度升高而降低，油膜的非均勻溫度分布影響油膜處潤滑油的黏度，進而影響推力軸承的流動、溫度分布。總之，推力瓦溫高問題是推力軸承潤滑油流動、潤滑油與推力瓦流固傳熱、相互耦合、相互影響的問題。要得到推力瓦、潤滑油準確的溫度分布、流場分布，必須進行流固耦合傳熱計算。

2 計算模型

2.1 幾何模型

潤滑油循環(huán)流程：從冷卻器流出的潤滑油經推力軸承油箱流入推力瓦瓦間油槽，推力頭帶動油槽里的油從推力瓦進油邊倒角處進入油膜，經油膜升溫后，從出油邊流出油膜進入旋轉方向下一個油槽。由于旋轉離心力的作用，部分油從推力瓦的外徑位置流出油膜。兩股油經導瓦自泵流入冷卻器，經冷卻的潤滑油重新回到推力軸承油箱，如此循環(huán)。

對于上述問題，潤滑油的循環(huán)流量，推力瓦油槽的油溫等參數(shù)易于確定，問題的難點在于油膜的流場、溫度計算以及潤滑油與瓦的傳熱?；谝陨戏治?，本計算建立了如圖1所示幾何模型，包括推力瓦金屬固體，潤滑油流體域的油槽、油膜以及油槽進出口區(qū)域。

圖1 推力軸承流固耦合傳熱計算模型

2.2 計算網格

由于油膜處壓力梯度、速度梯度極大，因此要保證計算的準確，對于網格的密度要求較高，本計算采用全結構化網格，在保證網格密度的同時保證了網格質量，并控制了網格的單元數(shù)量。經過網格無關性驗證，流體域網格單元數(shù)量為280.2萬；瓦塊溫度梯度相對較小，對于網格數(shù)量的要求不高，但為保證結構與流體界面溫度傳遞的精度，也應進行一定程度加密，瓦塊的單元數(shù)量為5萬。推力軸承流固耦合傳熱計算網格見圖2。

圖2 推力軸承流固耦合傳熱計算網格

2.3 控制方程

連續(xù)方程（質量守恒方程），對于本計算不考慮潤滑油可壓縮性有：

式中：U——速度矢量。

動量方程，對于定常不可壓縮流動，N-S方程為：

式中：p——壓力；

τ——控制單元應力張量；

S—— 源項，對于本計算為重力加速度，可以忽略。

能量方程：

式中：htot——總焓，等于焓與動能之和；

λ——導熱率；

T——溫度。

對于導熱率為常數(shù)的固體穩(wěn)態(tài)導熱有：

2.4 材料屬性、模型參數(shù)及邊界條件

本計算潤滑油采用溫度指數(shù)為101的46號透平油，推力瓦主材選用導熱率較高的銅，推力瓦鏡面為巴氏合金，相關物性參數(shù)見表1。

表1 物性參數(shù)表

圖3 46號透平油溫度—動力黏性系數(shù)曲線

本計算推力軸承相關設計參數(shù)見表2。

表2 推力軸承相關設計參數(shù)

邊界條件設置：

（1）油槽進口給定流量、溫度、壓力。流量值為單塊瓦潤滑油循環(huán)流量1.22kg/s；油槽溫度為最惡劣工況下油槽溫度42℃；壓力值為油盆壓力，由于遠小于油膜壓力，對計算結果影響不大，給定為1個大氣壓。

（2）網格兩側面設定為周期性交界面。

（3）潤滑油與金屬瓦采用無滑移壁面及固液耦合傳熱界面，且在鏡面設置4mm厚巴氏合金傳熱間層。

（4）采用滑移網格方法計算推力頭鏡板面旋轉。

3 計算結果及分析

根據(jù)相關試驗經驗及計算驗證，最終選定楔形油膜出油邊厚度（最小油膜厚度）為70μm，進油邊油膜厚度為170μm進行計算，并與已有推力瓦溫度、壓力試驗的試驗結果進行對比。油膜以及推力瓦表面溫度、壓力分布見圖4和圖5；已有試驗結果見圖6。

計算結果表明，最大壓力區(qū)域大致呈橢圓形，位于鏡面中部偏出油邊位置；油膜最高溫度區(qū)域位于出油邊與外徑夾角處；鏡面最高溫度區(qū)域位于離出油邊約15%瓦面扇形角度、離外徑約25%瓦寬位置。對比圖4和圖5，油膜、鏡面的壓力分布幾乎無差別，即壓力沿油膜厚度變化相對徑向及環(huán)向極小，這與以往軸承油膜計算所采用的雷諾方程模型的基本假設相符。

圖4 油膜溫度、壓力分布計算結果

圖5 推力瓦表面溫度、壓力分布計算結果

圖6 鏡面壓力、溫度分布試驗結果

計算與試驗結果對比見表3。

表3 計算、試驗結果偏差表

對比圖5和圖6及表3，推力瓦鏡面壓力、溫度，表明數(shù)值計算的壓力、溫度數(shù)值及等值線線性等均吻合較好，存在偏差的原因有：①數(shù)值計算的誤差；②試驗測點密度限制。

從圖4油膜溫度分布可以看出，油膜的進油邊溫度在325.55K（52.4℃）～345.37K（72.22℃），油膜進油的平均溫度約為67℃，比油槽油溫42℃高25℃，分析原因為：推力頭鏡板面速度邊界層的存在，使得旋轉方向上，上一塊推力瓦油膜流出的熱油未與油槽中冷油充分摻混，一部分直接流入本塊瓦的油膜?；谝陨戏治?，本文認為可采取破壞推力頭鏡板面流動邊界層加強邊界層內外的對流作用從而使冷熱油充分摻混的措施來解決這一問題。

4 結論

不同于以往雷諾方程模型，本文以Navier-Stokes方程為基礎，建立了推力軸承流固耦合傳熱模型，計算并分析了推力瓦、油膜的溫度、壓力分布，與試驗結果吻合較好；油膜溫度分布表明，在油膜進口位置相對油槽即有較大溫升，原因是由于推力頭鏡板面流動邊界層的存在，使得旋轉方向上，上一塊推力瓦油膜流出的熱油未與油槽中冷油充分摻混，一部分直接流入本塊瓦的油膜。

[1]蔣能定. 廣蓄二期工程抽水蓄能機組推力軸承事故分析[J].水力發(fā)電. 2001. 11：52-54.

[2]趙補石. 惠蓄A廠上導及推力軸承換熱器優(yōu)化配置分析與應用[J].水力發(fā)電2010.36(9).

[3]武中德. 大型水輪發(fā)電機推力軸承熱彈流潤滑性能分析[J].摩擦學學報. 2001. 21(2):147-150.

[4]黃濱. 推力軸承三維熱彈流潤滑性能及其振動噪聲特性研究[D].杭州：浙江大學.2013.

[5]姜培林. 推力軸承對軸承-轉子系統(tǒng)的耦合作用研究[J].應用力學學報. 1996.13(4):47-51.

[6]張惟斌. 大型水輪發(fā)電機組推力軸承油膜特性分析[J].水力發(fā)電. 2015.41(2):63-66.

周東岳(1987—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電設備、流體結構、傳熱仿真計算。

周 攀（1983—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水泵水輪機及輔助設備。

秦 俊(1977—)，男，本科，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監(jiān)控及電氣二次。

周喜軍（1974—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水泵水輪機及輔助設備。

Computational Fluid-solid Coupled Heat Transfer Analysis on Trust Bearing of Pumpstorage Set

ZHOU Dongyue，ZHOU Pan，QIN Jun，ZHOU Xijun
（Technology center State Grid Xinyuan Company LTD.， Beijing 100161，China）

The mathematical model of trust bearing temperature analysis based on fluid-solid coupled heat transfer method was set up in this study. The calculation results are consistent with the experimental results. Oil film temperature distribution demonstrates that the convection is insufficient between hot oil and cold oil in the sump because of the boundary layer of thrust block mirror plate. So this study argues that it is an effective method to reduce the temperature of trust bearing pad by strengthen convection between inside and outside the boundary layer.

trust bearing; temperature of trust bearing pad; CFD;fluid-solid coupled heat transfer