抽水蓄能機(jī)組不同工況下推力軸承油膜特性研究

聶 賽，劉 澤，秦 程，洪云來(lái)，胥千鑫，李巖偉，張 智，張玉全，鄭 源

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330600；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市 210098；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇省南京市 210098）

0 引言

在抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中水輪機(jī)的推力軸承不僅要承受發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量，還同時(shí)要承受軸向水推力等載荷，保證其可靠性對(duì)水電站的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要；推力軸承的油膜對(duì)推力軸承的工作性能起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)推力軸承油膜特性進(jìn)行研究顯得尤為重要[1]。

對(duì)推力軸承油膜特性的研究以往大多數(shù)以Reynolds方程為基礎(chǔ)[2，3]，其中 Reynolds方程是根據(jù)N -S方程及連續(xù)方程推導(dǎo)得出，由于其對(duì) N-S方程中的慣性項(xiàng)、油膜曲率等因素進(jìn)行了忽略，實(shí)際求解中對(duì)油膜外的流場(chǎng)模擬分析并不適用[4，5]。隨著近幾年來(lái)CFD方法的飛速發(fā)展，對(duì)推力軸承油膜的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析已成為可能[6，7]。王正偉[8]和許艷[9，10]等利用ARMD軟件在一并考慮軸承剛度及阻尼的情況下，對(duì)水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算。章志平[6]等利用FLUENT軟件對(duì)優(yōu)化后的推力瓦進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本吻合。屈波[11]等運(yùn)用CFD方法發(fā)現(xiàn)推力軸承軸瓦的彈性模量的適當(dāng)降低，將有利于軸承壽命的延長(zhǎng)。

本文將洪屏抽水蓄能機(jī)組的推力軸承作為研究對(duì)象，并做一定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。以N-S方程為基礎(chǔ)，利用AUTOCAD和NX軟件進(jìn)行三維建模，采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作、FlUENT流體分析軟件對(duì)推力軸承油膜在不同工況下進(jìn)行模擬。

1 計(jì)算模型

1.1 推力瓦結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑油流動(dòng)區(qū)域幾何模型

洪屏抽水蓄能電站推力軸承由12塊分塊推力瓦組成，推力瓦面兩側(cè)分別設(shè)計(jì)成2道鍥形斜面，便于機(jī)組開(kāi)啟前通過(guò)高壓油泵將壓力油輸送到軸瓦和鏡板之間，在軸瓦表面先形成靜壓油膜。當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，使之不再依靠高壓油泵的作用，利用推力瓦和鏡板間形成的動(dòng)壓油膜承受發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量及機(jī)軸向水推力。瓦面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。為減少計(jì)算的工作量同時(shí)提高計(jì)算的精度，在本次計(jì)算中只選取潤(rùn)滑油流動(dòng)區(qū)域的1/12進(jìn)行計(jì)算，最終建立如圖2所示的幾何模型。

圖1 推力瓦瓦面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 1 Structural diagram of thrust pad surface

圖2 潤(rùn)滑油流動(dòng)區(qū)域幾何模型Figure 2 Geometric model of lubricating oil flow region

1.2 模型的計(jì)算網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型分為油膜與非油膜區(qū)域兩部分，其中鑒于前者區(qū)域厚度較小對(duì)其采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)將油膜部分的中間平面和兩邊斜面區(qū)域進(jìn)行分塊劃分，并將各塊區(qū)域相接部分采用交界面連接；后者區(qū)域結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且厚度較大采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同樣將其與油膜區(qū)域交接處采用交界面連接。對(duì)油膜和非油膜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，最終確定油膜區(qū)域網(wǎng)格數(shù)目為20萬(wàn)，非油膜區(qū)域網(wǎng)格數(shù)目為25萬(wàn)；最終得到計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 潤(rùn)滑油流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分Figure 3 Meshing of lubricating oil flow region

1.3 模型的求解器及邊界條件設(shè)置

利用FLUENT流體分析軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行模擬，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC方法進(jìn)行求解，另外對(duì)方程組中對(duì)流項(xiàng)、湍動(dòng)能和耗散率皆采用二階迎風(fēng)格式差分。其中潤(rùn)滑油進(jìn)口和出口分別位于模型內(nèi)側(cè)和外側(cè)其邊界條件相應(yīng)設(shè)置為velocity-inlet條件和out flow條件，將鏡板面設(shè)置為wall條件，將模型的左右兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為周期性邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下的瓦面壓力分布

由于推力軸承實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中所形成油膜厚度較小，油膜壓強(qiáng)在厚度方向上的變化可以忽略不計(jì)，因此可以將油膜最上層表面的壓力分布近似為瓦面的壓力分布。最終得出水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的推力瓦上表面壓力分布情況如圖4所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下推力瓦上表面壓力分布Figure 4 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different speeds

可見(jiàn)不同轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的油膜壓力分布趨勢(shì)基本一致，最大壓力區(qū)域大致呈橢圓形，位于瓦面中心位置且隨著與中心位置的距離增加而環(huán)向減小；整體上隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，瓦面上的壓力分布逐步加大。以水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n=725r/min和n=50r/min兩種工況為例，其壓力最大值之間相差接近一個(gè)量級(jí)；這說(shuō)明水輪機(jī)轉(zhuǎn)速將直接影響到油膜壓力的大小，水輪機(jī)應(yīng)盡量減少低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，避免因形成的油膜壓力不足而對(duì)水輪機(jī)推力軸承和推力瓦造成磨損。

2.2 不同進(jìn)口流速下的瓦面壓力分布

水輪機(jī)壓力油在不同進(jìn)口流速下所對(duì)應(yīng)的推力瓦上表面壓力分布如圖5所示。與圖4中壓力分布趨勢(shì)類似，最大壓力區(qū)域大致呈橢圓形，位于瓦面中部位置，壓力值隨著與中心位置的距離增加而環(huán)向減小。與圖4中隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的提高瓦面上的壓力分布加大不同，圖5中的瓦面壓力出現(xiàn)了隨著進(jìn)口流速的增大，先減小后增大再減小的趨勢(shì)；這說(shuō)明在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中選擇合適的壓力油進(jìn)口流速至關(guān)重要，過(guò)大的流速將會(huì)造成資源浪費(fèi)，而過(guò)低的流速則可能造成壓力油溫度過(guò)高產(chǎn)生燒瓦現(xiàn)象。

圖5 不同進(jìn)口流速下推力瓦上表面壓力分布Figure 5 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different inlet velocity

2.3 油膜厚度方向上的速度變化

以水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速500r/min的工況為例，以油膜最上層表面為參考面，沿垂直于參考面方向向下移動(dòng)不同的距離δ得到速度云圖，如圖6所示。

圖6 不同垂向距離下速度云圖Figure 6 Velocity nephogram under different vertical distances

可以發(fā)現(xiàn)，雖然油膜很薄，但其速度分布沿垂向方向存在較大差異。在抽水蓄能機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鏡板會(huì)因黏滯阻力的存在而對(duì)貼近其表面的潤(rùn)滑油產(chǎn)生明顯的拖拽作用，因此可以看出圖6（a）中速度分布跟鏡板速度類似；其在同一徑向距離上，速度值大小基本一致，且速度值大小會(huì)隨著徑向距離的增加而線性增加。對(duì)比圖6（a）、（b）、（c）可以明顯看出在油膜的厚度方向上瓦面的右上角部分速度下降較緩慢，左上角部分速度下降較迅速，而且隨著δ值的增大瓦面各個(gè)部分之間的速度差值逐漸縮小，其中δ=0.02mm和δ=0.035mm之間速度差值明顯小于δ=0mm和δ=0.035mm之間。

3 結(jié)論

本文以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，結(jié)合洪屏抽水蓄能電站推力瓦結(jié)構(gòu)，建立出了潤(rùn)滑油流動(dòng)區(qū)域三維模型，計(jì)算并分析了不同工況下的油膜的壓力分布及油膜厚度方向的速度變化，結(jié)果表明：

（1）油膜壓力的大小隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，在水輪機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)選擇合理的啟動(dòng)方式，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

（2）油膜壓力的大小并不簡(jiǎn)單隨著水輪機(jī)壓力油進(jìn)口流速的增大而增加，在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的壓力油進(jìn)口流量。

（3）通過(guò)對(duì)同一油膜厚度不同垂向位置的速度云圖的比較分析，發(fā)現(xiàn)隨著垂向位置的增加油膜不同厚度層下的速度分布差值逐漸縮小。