采用鏡板泵的水電機(jī)組推力軸承油循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)特性研究

廖 姣， 劉 彬

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 成都 611833；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 611833)

1 概 述

在早期大型水輪發(fā)電機(jī)組中，有超過(guò)50%的故障是推力軸承引起的，尤其對(duì)于高速、重載的推力軸承，事故更加頻繁[1-2]。推力軸承事故中有很大部分是由油循環(huán)冷卻系統(tǒng)引起的。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，鏡板和推力瓦間的油膜產(chǎn)生巨大的熱量，該熱量不能通過(guò)固體及時(shí)傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致油膜溫度升高，這將很大程度影響到推力軸承的負(fù)荷能力。

而推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的主要作用就在于將流過(guò)推力瓦的熱油進(jìn)行降溫，保證推力軸承的潤(rùn)滑和冷卻性能，進(jìn)而確保推力軸承乃至整個(gè)機(jī)組的安全可靠性運(yùn)行[3-5]。 因此，如何提高推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性成為急需解決的問(wèn)題。

鏡板泵油循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，在大中型水輪發(fā)電機(jī)組中，采用鏡板泵作為推力軸承自循環(huán)動(dòng)力裝置已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[4-6]。目前對(duì)于鏡板泵油循環(huán)冷卻系的流體動(dòng)力特性分析主要依靠試驗(yàn)，但是投資大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)裝置重復(fù)利用率低。

為此，以某水電機(jī)組推力軸承為對(duì)象，對(duì)其采用鏡板泵的推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)流體動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，探索基于數(shù)值模擬的鏡板泵油循環(huán)冷卻系統(tǒng)流體動(dòng)力特性仿真方法，以在機(jī)組設(shè)計(jì)階段進(jìn)行鏡板泵裝置特性和鏡板泵性能預(yù)測(cè)分析。

2 油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性數(shù)值模擬

2.1 油循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路建模

采用熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件Flowmaster?對(duì)某推力軸承試驗(yàn)臺(tái)油循環(huán)管路系統(tǒng)進(jìn)行建模。由于在計(jì)算管路特性時(shí)只對(duì)冷卻器的水力損失特性進(jìn)行分析，而不考慮其換熱問(wèn)題，故采用離散損失元件代替油冷卻器，遵循的原則是代替后元件的流阻保持不變[7-9]。在Flowmster?軟件中鏡板泵油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2.2 邊界條件設(shè)置

對(duì)自循環(huán)冷卻管路系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算過(guò)程中，模擬介質(zhì)為L(zhǎng)-TSA46潤(rùn)滑油作為循環(huán)介質(zhì)，溫度T=40 ℃，密度ρ=880 kg/m3，動(dòng)力黏度為γ=0.004 08 kg/m2。進(jìn)口邊界條件給定體積流量，出口邊界條件給定恒定的總壓。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

影響循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路特性的因素較多，主要包括介質(zhì)參數(shù)、冷卻器損失系數(shù)、閥門(mén)損失系數(shù)、管道長(zhǎng)度、直徑、摩擦系數(shù)等。在進(jìn)行油循環(huán)管路數(shù)值模擬時(shí)，充分考慮彎管、閥門(mén)、冷卻器等管路附件對(duì)管路系統(tǒng)的影響，管路附件的計(jì)算參數(shù)均根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，冷卻器投入4個(gè)。采用基于多工況的數(shù)值模擬計(jì)算方法分析油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性，準(zhǔn)確計(jì)算不同工況下管路的流阻損失。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，在某試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行管路特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中，管道的進(jìn)出口分別布置有壓力傳感器，管道中也設(shè)有流量計(jì)，通過(guò)記錄這些流量和壓力數(shù)據(jù)，冷卻器投4個(gè)時(shí)，調(diào)節(jié)鏡板的轉(zhuǎn)速，得到不同轉(zhuǎn)速下管道進(jìn)出口壓力和流量，可以得到試驗(yàn)管路的特性。油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性曲線見(jiàn)圖2，循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性曲線變化趨勢(shì)相同，幾乎等同拋物線分布，符合管路損失特性呈二次曲線分布的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的偏差在2%以?xún)?nèi)，證明采用此種數(shù)值模擬方法計(jì)算循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性是可行的。

流量Q /m3·h-1圖2 油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性曲線

3 推力軸承油箱內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析及損耗計(jì)算

3.1 推力軸承油箱建模

推力軸承油箱全流道包括油箱內(nèi)部流體域、進(jìn)口管路、鏡板孔組成，推力軸承油箱計(jì)算域見(jiàn)圖3。

圖3 推力軸承油箱計(jì)算域

3.2 計(jì)算方法

在對(duì)推力軸承油箱內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，選取油箱全流道進(jìn)行計(jì)算(考慮進(jìn)管路和鏡板泵孔)，這種計(jì)算方式能夠綜合考慮管路布置對(duì)推力軸承油箱內(nèi)流場(chǎng)的影響，更貼切實(shí)際。整個(gè)油箱計(jì)算域采用對(duì)復(fù)雜形狀適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散化處理，并對(duì)局部流動(dòng)梯度變化較大的部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。針對(duì)設(shè)計(jì)工況，對(duì)推力軸承油箱全流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證見(jiàn)圖4。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)460萬(wàn)后，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，圧力損失指標(biāo)的偏差很小(0.1%以?xún)?nèi))，考慮計(jì)算量及計(jì)算精度，最終確定全流道系統(tǒng)網(wǎng)格數(shù)為468萬(wàn)。

網(wǎng)絡(luò)數(shù) /萬(wàn)圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在對(duì)推力軸承油箱進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，為了準(zhǔn)確的計(jì)算油箱內(nèi)部流場(chǎng)，考慮鏡板泵孔流體域?qū)τ拖鋬?nèi)流場(chǎng)的影響，其中鏡板泵孔為旋轉(zhuǎn)部件，油箱和進(jìn)口管路為靜止部件。介質(zhì)為L(zhǎng)-TSA46汽輪機(jī)油，不考慮熱傳遞，溫度T=40 ℃，密度ρ=880 kg/m3，動(dòng)力黏度γ=0.004 08 kg/m2。

3.3 邊界條件

進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口采用壓力出口。流道內(nèi)近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，由于流體與固體壁面的接觸面為靜止面，流體與壁面接觸的界面沒(méi)有滑移，故壁面采用無(wú)滑移條件；其中將與旋轉(zhuǎn)部件相接觸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。鏡板泵孔設(shè)置為旋轉(zhuǎn)部件，而油箱和進(jìn)口管路為靜止部件。油箱與鏡板泵孔之間存在動(dòng)靜耦合交界面，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen-Rotor)模型進(jìn)行計(jì)算[10]。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)上述數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)油箱滿(mǎn)油時(shí)，不同工況下的油箱內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，圖5和圖6分別為推力軸承油箱中截面壓力分布云圖和速度分布云圖。從圖5可以看出，推力軸承油箱分布具有明顯的變化規(guī)律，油箱從內(nèi)徑到外徑，壓力均勻增加，油箱壁面處壓力達(dá)到最大。從圖6可以看出，速度最大處在油箱與旋轉(zhuǎn)部件接觸外圓柱面上，速度從推力軸承油箱內(nèi)徑到外徑線速度逐漸增加。綜上所述，推力軸承油箱數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較為合理。

圖5 推力軸承油箱中截面壓力分布云圖

圖6 推力軸承油箱中截面速度分布云圖

通過(guò)對(duì)不同工況下的推力軸承油箱全流道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，在CFX后處理中讀取推力軸承油箱進(jìn)口和推力軸承與鏡板泵交界面處的總壓，得到推力軸承油箱進(jìn)出口總壓差，進(jìn)而計(jì)算得到推力軸承油箱內(nèi)部壓頭損失，為了更加直觀地分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制推力軸承油箱內(nèi)部壓頭損失曲線，推力軸承油箱內(nèi)部壓頭損失曲線圖見(jiàn)圖7，推力軸承油箱內(nèi)部壓頭損失隨著流量的增加逐漸增大，但是斜率逐漸減小。

圖7 推力軸承油箱內(nèi)部壓頭損失曲線圖

4 基于數(shù)值模擬的鏡板泵流體動(dòng)力特性預(yù)測(cè)分析

4.1 鏡板泵全流道三維幾何建模

模型在擬定計(jì)算域的基礎(chǔ)上對(duì)部分形狀復(fù)雜且對(duì)流動(dòng)計(jì)算影響微弱的部分做了一些簡(jiǎn)化，如進(jìn)口、出口管路連接處等，鏡板泵全流道三維幾何模型見(jiàn)圖8。

圖8 鏡板泵全流道三維幾何模型

4.2 計(jì)算方法

鏡板泵數(shù)值模擬計(jì)算方法和介質(zhì)與推力軸承油箱內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算方法一致，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終確定全流道網(wǎng)格數(shù)563萬(wàn)。

4.3 邊界條件

進(jìn)口采用開(kāi)放性進(jìn)口，出口采用質(zhì)量流量出口。流道內(nèi)近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，由于流體與固體壁面的接觸面為靜止面，流體與壁面接觸的界面沒(méi)有滑移，故壁面采用無(wú)滑移條件；計(jì)算中鏡板為旋轉(zhuǎn)部件，而油箱和集油槽為靜止部件。因此，油箱與鏡板孔和鏡板孔與集油槽之間存在動(dòng)靜耦合交界面，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen-Rotor)模型進(jìn)行定常計(jì)算。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

為預(yù)測(cè)鏡板泵的的性能，分別對(duì)各工況進(jìn)行了定常計(jì)算，針對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)鏡板泵進(jìn)行內(nèi)特性和外特性分析。

采用數(shù)值模擬完成不同工況下鏡板泵的計(jì)算以后，計(jì)算不同工況下鏡板泵的揚(yáng)程、功率、效率，并繪制出不同工況下鏡板泵外特性曲線圖(圖9)，即流量-揚(yáng)程曲線圖(Q-H)、流量-功率曲線圖(Q-P)、流量-效率曲線圖(Q-η)。

(a)Q-H (b)Q-P (c)Q-η圖9 不同工況下鏡板泵外特性曲線圖

鏡板泵的內(nèi)特性很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，為了詳細(xì)了解鏡板泵的性能，采用數(shù)值模擬對(duì)不同工況下的鏡板泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，其中壓力分布和速度分布是分析鏡板泵的依據(jù)，也是了解鏡板泵內(nèi)特性的重要途徑。

圖10為0.6Qd、1.0Qd、1.4Qd工況下鏡板泵全流道壓力分布云圖，圖11為0.6Qd、1.0Qd、1.4Qd工況下鏡板泵孔流道相對(duì)速度分布圖。

對(duì)比圖10(a)、(b)、(c)不同工況的鏡板泵全流道壓力分布可知，小流量工況下鏡板泵內(nèi)部壓力整體偏大，隨著流量的增加，鏡板泵流道內(nèi)部壓力最大值逐漸變小。從圖5、6可以看出，全流道壓力分布均勻，集油槽處壓力最大，從進(jìn)口到集油槽，壓力逐漸遞增，鏡板孔壓力從進(jìn)口到出口呈輻射狀增加，且壓力分布在圓周上具有較好的對(duì)稱(chēng)性，出口管路在彎管彎肘處壓力達(dá)到最大值，出口管路壓力值比集油槽小，鏡板泵全流道壓力分布較為合理。

(a)0.6Qd (b)1.0Qd (c)1.4Qd圖10 鏡板泵全流道壓力分布云圖

對(duì)比圖11(a)、(b)、(c)不同工況的鏡板泵孔流道相對(duì)速度分布圖可知，速度從鏡板孔進(jìn)口到出口呈輻射狀增加，且速度分布在圓周上具有較好的對(duì)稱(chēng)性。不同工況下鏡板泵孔流道相對(duì)速度分布規(guī)律和數(shù)值基本相同。

(a)0.6Qd (b)1.0Qd (c)1.4Qd圖11 鏡板泵孔流道相對(duì)速度分布圖

5 鏡板泵運(yùn)行參數(shù)與裝置特性的匹配驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性及推力軸承油箱損耗計(jì)算可得到不同工況下鏡板泵的裝置揚(yáng)程，為了驗(yàn)證鏡板泵運(yùn)行參數(shù)與裝置特性的匹配是否匹配，將裝置特性曲線和鏡板泵特性曲線畫(huà)在一張圖上，兩曲線的交點(diǎn)即為鏡板泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)[11]。鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線見(jiàn)圖12，其中鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線的交點(diǎn)為鏡板泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，從圖中可以看出，鏡板泵實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的流量略大于設(shè)計(jì)流量，可以確保推力軸承正常運(yùn)行。

圖12 鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

采用數(shù)值模擬方法對(duì)某推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路、油箱內(nèi)流場(chǎng)及鏡板泵進(jìn)行流體動(dòng)力特性研究。

(1)通過(guò)對(duì)油循環(huán)管路系統(tǒng)的流阻損失和推力軸承內(nèi)部損耗的計(jì)算繪制裝置特性曲線，再根據(jù)鏡板泵特性曲線和裝置特性曲線確定鏡板泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，將該工況點(diǎn)作為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，可以確保推力軸承高效運(yùn)行。

(2)通過(guò)鏡板泵特性曲線和裝置特性曲線確定鏡板泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鏡板泵油循環(huán)系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)，提高推力軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(3)采用的基于數(shù)值模擬的推力軸承鏡板泵油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的流體動(dòng)力特性預(yù)測(cè)方法可保證油循環(huán)系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，減少試驗(yàn)和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。