基于CFD的水泵水輪機(jī)推力軸承潤滑性能流固耦合研究

王青華，馮 波，李冬冬，顧希明，張書友，楊麗君，姜澤界

(1.上海明華電力科技有限公司，上海 200090；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉 313302)

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，隨著水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷提高，尺寸不斷增大且結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，推力軸承負(fù)荷加大，帶來瓦面積和比壓的增長及軸承油膜溫度的升高，一方面使?jié)櫥驼扯燃俺休d力下降、油膜變薄，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致軸瓦與轉(zhuǎn)動(dòng)部件表面發(fā)生動(dòng)靜摩擦事故，另一方面由于潤滑油溫度升高，使軸瓦與鏡板推力頭因溫差引起的熱變形增大，進(jìn)而導(dǎo)致軸承性能下降及安全事故的發(fā)生[1-3]。

某電站裝有6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的機(jī)組，其水泵水輪機(jī)型式為單級混流可逆式，發(fā)電機(jī)為立軸懸式同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速500 r/min。該電站機(jī)組經(jīng)過20多年的運(yùn)行，推力軸承存在部分瓦溫超出國家標(biāo)準(zhǔn)、瓦面脫殼等現(xiàn)象。因此，有必要對推力瓦進(jìn)行計(jì)算分析，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供保障，減小因瓦溫過高、燒瓦等事故帶來的損失，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1940年代，Christoperson和Cope等[4-5]基于雷諾方程開啟了對推力軸承進(jìn)行動(dòng)力潤滑分析的大門，柳飛[6]對推力軸承進(jìn)行了二維熱流體動(dòng)力潤滑分析，求解雷諾方程、二維能量方程和粘溫方程討論推力負(fù)荷和最小油膜厚度間的關(guān)系。蔣秀龍[7]采用三維熱彈流動(dòng)力分析法研究了瓦塊變形、轉(zhuǎn)速、推力負(fù)荷和潤滑油型號(hào)對水輪機(jī)可傾瓦推力軸承潤滑性能的影響。傳統(tǒng)的分析大多是在假設(shè)軸瓦為剛性前提下進(jìn)行軸承的研究和設(shè)計(jì)，沒有考慮運(yùn)行過程中軸瓦的變形及其溫度變化情況。

本文在分析某水泵水輪機(jī)軸承結(jié)構(gòu)及運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了推力軸承數(shù)值計(jì)算模型，分析了推力軸瓦的受力及變形情況，并研究了最小油膜厚度及瓦面傾角對油膜承載力、推力瓦塊等效應(yīng)力及變形的影響，研究結(jié)果對分析推力軸承的性能變化具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 推力軸承幾何模型

推力軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由軸瓦、推力頭鏡板、油箱、支撐系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成。推力頭與鏡板之間用螺桿連接，潤滑油經(jīng)冷卻器冷卻后沿回油管流至腔內(nèi)，推力軸瓦共10塊，外徑1 620 mm，內(nèi)徑712 mm，軸瓦張角27°，采用雙層結(jié)構(gòu)，上層為鑲有巴氏合金的銅瓦，厚度38 mm，其中巴氏合金的厚度為2.5 mm，下層為厚50 mm的鋼托瓦，上、下部的銅、鋼瓦用5顆M12螺釘緊密連接，兩層總厚度為88 mm。軸瓦表面與鏡板形成楔形油膜，瓦塊之間設(shè)有油槽。運(yùn)行過程中，軸向載荷依次通過鏡板、油膜、軸瓦以及機(jī)架最終傳遞到基礎(chǔ)上去。

圖1 推力軸承結(jié)構(gòu)示意

1.2 數(shù)值模型

因推力軸承模型為對稱結(jié)構(gòu)，對潤滑油模型進(jìn)行周期性建模，只需對單個(gè)油膜模型進(jìn)行計(jì)算就能夠得到整個(gè)潤滑油模型的承載特性。圖2為數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖，采用GAMBIT建立模型及劃分網(wǎng)格，將幾何模型切割成多塊以生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在油膜厚度方向進(jìn)行加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為320萬。

圖2 周期性網(wǎng)格示意

采用ANSYS-CFX進(jìn)行模擬計(jì)算，其中鏡板表面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，油槽左右兩側(cè)面為周期性邊界，油膜及油槽內(nèi)、外徑分別設(shè)為壓力進(jìn)、出油口，流體狀態(tài)為層流，進(jìn)油壓力1 atm，進(jìn)油溫度33 ℃，壁面速度500 r/min，潤滑油密度876 kg/m3，粘度0.036 pa·s，定壓比熱容2 200 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.12 W/(m·K)。計(jì)算流場得出結(jié)果后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，抑制流體部分(油膜及油槽)，導(dǎo)入瓦面油膜的壓力載荷，對推力瓦塊進(jìn)行受力變形分析。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 推力軸承軸瓦受力及變形分析

圖3、4為油膜厚度及溫度分布，其中等值線1為靠近出口處油膜厚度最小的位置，等值線7為靠近進(jìn)口處油膜厚度最大的位置。軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤滑油與軸瓦之間發(fā)生剪切作用，導(dǎo)致潤滑油溫度升高，由于剪切力和粘性耗散造成的溫升傳熱到軸瓦，使軸瓦溫度進(jìn)一步升高。由于在油膜厚度方向速度梯度的存在，使得越靠近瓦面的油膜速度越低，越靠近推力盤面的速度越高，速度越高潤滑油熱交換越頻繁，溫升就越小[8]，故在油膜厚度方向推力瓦表面的溫度最高。而在瓦面方向，油膜厚度越小，油膜內(nèi)部剪切速率越大，造成溫升越大；油膜厚度越大，供油量增加，使油內(nèi)部熱交換更加頻繁，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)帶走更多的熱量，潤滑油溫升降低。因此溫升隨油膜厚度的減小而增大，且高溫區(qū)域逐漸縮小，最高溫度達(dá)到353.4 K。調(diào)閱生產(chǎn)廠家SIS中2017年銅瓦RTD數(shù)據(jù)，銅瓦RTD溫度最高值為75.13 ℃(348.3 K)，與仿真計(jì)算結(jié)果相差約5 K，說明了計(jì)算的準(zhǔn)確性很高，從計(jì)算結(jié)果可以得知，油膜溫度可能超過80 ℃，將可能使得銅瓦RTD溫度也超過80 ℃，雖然超過國標(biāo)規(guī)定，但仍然可以正常運(yùn)行。

圖3 油膜厚度分布

圖4 油膜溫度分布

圖6 不同最小油膜厚度下壓力云圖(單位：Pa)

最大剪切應(yīng)力發(fā)生在出口處油膜厚度最小的位置，最大應(yīng)力達(dá)到12 MPa，最大變形達(dá)到4.16 μm。瓦面的比壓油膜和壓力分布是均衡的，并始終處于最佳承載動(dòng)壓運(yùn)行狀態(tài)，由于彈簧簇的彈性具有自動(dòng)調(diào)節(jié)并平衡瓦的受力、保證瓦面自由傾斜的功能，因此，無論是水輪機(jī)工況還是水泵工況都會(huì)產(chǎn)生由進(jìn)出油邊油膜厚度差所形成的楔性油膜， 使推力軸承軸瓦起到良好的潤滑和冷卻作用。

2.2 最小油膜厚度對推力軸承的影響

由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最小油膜厚度是衡量軸承運(yùn)行好壞、安全與否的重要參數(shù)，是影響油膜承載力的主要因素[9-10]，因此對推力軸承的研究必須對其最小油膜厚度進(jìn)行研究。圖5為最小油膜厚度對油膜承載力的影響?？梢钥闯觯S油膜厚度的增加，承載力不斷減小。這是因?yàn)殡S油膜厚度的增加，供油量增加，沿油膜厚度方向剪切率不斷減小，壓力降低，導(dǎo)致油膜承載力降低。

圖5 最小油膜厚度對油膜承載力的影響

圖6、7分別為不同油膜厚度下油膜壓力云圖，瓦塊等效應(yīng)力示意。從圖6、7可以看出，隨最小油膜厚度的增大，油膜壓力與瓦塊等效應(yīng)力、變形均不斷減小，且最大值點(diǎn)在靠近出口處油膜厚度最小的位置。這是因?yàn)橛湍ず穸刃〉牡胤剑瑵櫥土魉佥^小，壓力較大，產(chǎn)生的應(yīng)力及變形也隨之增大。但由于瓦塊傾角不變，因此壓力場及應(yīng)力、變形場的分布規(guī)律不變。

2.3 瓦面傾角對推力軸承的影響

瓦面傾角是影響楔形效應(yīng)的主要因素，研究瓦面傾角對油膜承載力及瓦面等效應(yīng)力、變形的影響規(guī)律，能夠更全面地分析瓦面傾角對軸承性能的影響[11-12]。圖8為瓦面傾角對油膜承載力的影響?？梢钥闯?，隨瓦面傾角的增加，承載力先增大后減小。

圖7 不同最小油膜厚度下瓦塊等效應(yīng)力(單位：Pa)

圖8 瓦面傾角對油膜承載力的影響

圖9 不同瓦面傾角下壓力云圖(單位：Pa)

當(dāng)傾角過小時(shí)，瓦面接近于平面，形成壓差較小，因此油膜承載力較??；隨著傾角增大，瓦面壓差增大，油膜厚度小的地方潤滑油流速小，壓力大，油膜厚度大的地方潤滑油流速大，壓力小，使油膜承載力升高；當(dāng)傾角繼續(xù)增大時(shí)，油膜厚度也隨之相對增大，供油量增加，沿油膜厚度方向剪切率不斷減小，壓力降低，導(dǎo)致油膜承載力降低。

圖9、10分別為不同瓦面傾角下油膜壓力云圖、瓦塊等效應(yīng)力示意?？梢钥闯?，隨著斜面傾角的增加，軸瓦高壓區(qū)域及最大應(yīng)力、變形區(qū)域逐漸向出口處油膜厚度最小的位置移動(dòng)，且高值區(qū)域越來越小，低值區(qū)域越來越大。這是因?yàn)樽钚∮湍ず穸葹槎ㄖ?，隨著傾角的增加，油膜厚度沿出口到入口的方向(瓦面對角線方向)不斷增加，潤滑油流速減小，壓力減小。

3 結(jié) 論

在油膜厚度方向，越靠近瓦面溫度越高；在瓦面方向，越靠近最小油膜厚度方向溫度越高，最高溫度達(dá)到353.4 K。最大應(yīng)力發(fā)生在出口處油膜厚度最小的位置，最大應(yīng)力達(dá)到12 MPa，最大變形達(dá)到4.16 μm。油膜厚度增大時(shí)，其承載力及瓦塊等效應(yīng)力減小。當(dāng)瓦面傾角增大時(shí)，油膜承載力及瓦塊等效應(yīng)力先增大后減小。

從生產(chǎn)廠家SIS中2017年銅瓦RTD溫度數(shù)據(jù)來看，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)一致，說明了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性較高。從計(jì)算結(jié)果可以得知，油膜溫度可能超過80 ℃，將可能使得銅瓦RTD溫度也超過80 ℃，雖然超過國標(biāo)規(guī)定，但仍然可以正常運(yùn)行。