軸線傾斜條件下核電站推力軸承潤滑特性分析

徐 熙，潘偉龍，謝江紅，何少華，范雪晴，蔡 亮

（1. 江蘇核電有限公司，連云港 222042；2. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210046）

核主泵是核電站一回路循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻功能的關(guān)鍵，而主泵的推力軸承則是主泵中至關(guān)重要的部件。當(dāng)主泵正常工作時(shí)，推力軸承會(huì)受到推力盤帶來向上的巨大推力；啟停過程中，推力軸承則承載起整個(gè)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重力［1］。推力軸承工作時(shí)承受較大的載荷，不可避免地會(huì)出現(xiàn)軸瓦瓦面磨損、疲勞剝落、溫度較高引起燒瓦等軸承失效的現(xiàn)象［2，3］。對軸承潤滑可以有效緩解推力軸承的軸瓦磨損，極大程度地提高軸承的使用壽命，核電站主泵止推軸承主要使用油或水進(jìn)行潤滑和冷卻。與油相比，水發(fā)生氣液相變的壓力和溫度臨界點(diǎn)較低，比潤滑油更容易在溫度較低的情況下或在溫度不變、壓力突降的情況下發(fā)生空化現(xiàn)象，導(dǎo)致軸瓦磨損［4］，存在安全隱患并產(chǎn)生財(cái)產(chǎn)損失，因此很多核主泵采用油潤滑系統(tǒng)。本文選用油作為潤滑介質(zhì)進(jìn)行模擬研究。

在核主泵運(yùn)行過程中，高轉(zhuǎn)速和大負(fù)載的工作條件往往會(huì)造成潤滑油溫度的升高，當(dāng)溫度升高較大時(shí)會(huì)引起潤滑液黏度的急劇減少，影響軸承的承載性能［5］。開展推力軸承潤滑油液膜溫度的研究可以為進(jìn)一步提升推力軸承的潤滑性能提供科學(xué)的指導(dǎo)方向，達(dá)到提高推力軸承的工作性能以及核電站的安全高效運(yùn)行的目的。

M.Wasilc Zuk 等［6］通過對推力軸承的二維、三維模型進(jìn)行CFD 分析，模擬了推力滑動(dòng)軸承的速度分布、溫度分布以及膜厚分布。張植忠［7］對高速重載運(yùn)行條件下的可傾瓦推力滑動(dòng)軸承展開研究，通過建立研究對象的動(dòng)力潤滑數(shù)學(xué)模型并開展數(shù)值模擬，計(jì)算獲得了油膜區(qū)域溫度、壓力場的改變，在此基礎(chǔ)上改變推力軸瓦的支點(diǎn)安置位置，評(píng)估軸承的潤滑性能。Xu 等［8］以高速水潤滑徑向軸承為研究對象，利用有限差分法求解模型，分析湍流、慣性及不對中所造成的傾斜效應(yīng)對軸承動(dòng)靜特性以及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：傾斜效應(yīng)改變了軸承承載能力、剛度、阻尼系數(shù)和穩(wěn)定性。Zhang 等［9］對流體動(dòng)壓徑向軸承展開研究，建立了軸線傾斜條件下具有表面織構(gòu)的熱彈流體動(dòng)力學(xué)（TEHD）潤滑模型，研究軸承表面結(jié)構(gòu)以及軸線傾斜對徑向軸承潤滑性能的影響。結(jié)果表明：軸線傾斜時(shí)，軸承選取最佳表面織構(gòu)能夠大大提高軸承的潤滑性能。

在當(dāng)前對推力軸承的研究中，主要關(guān)注平行界面推力軸承潤滑劑液膜溫度場和壓力場分布規(guī)律。本文通過模擬，研究軸線傾斜條件下的推力軸承潤滑特性，全面分析推力軸承在不同工況下的性能特征。

1 物理模型

本文研究的推力軸承為雙面開槽推力軸承，止推盤上沿圓周方向均勻分布若干推力軸瓦，推力軸瓦的瓦基材料通常為不銹鋼，瓦面的材料一般為石墨。推力盤表面由若干純碳石墨瓦組成，純碳石墨盤嵌入不銹鋼板之中，在推力盤表面形成冷卻槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 止推盤與推力盤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of thrust disc and thrust disc

止推盤和推力盤各結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1。本文對止推盤和推力盤間隙內(nèi)油膜的物理模型進(jìn)行三維構(gòu)建，用于數(shù)值模擬計(jì)算。

表1 推力盤及止推盤幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of thrust disc and thrust disc

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

由于軸承間隙內(nèi)的油膜厚度較薄，工作時(shí)以層流狀態(tài)為主，本文考慮將N-S 方程簡化為雷諾方程。分析油膜特性時(shí)，油膜黏度隨溫度變化而不斷變化，在研究過程中還應(yīng)考慮能量轉(zhuǎn)換。為了獲得軸承間隙油膜特性，必須同時(shí)求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)性方程為：

式中，ρ是密度，kg/m3；t是時(shí)間，s；u是速度矢量，m/s。

油膜可以看作穩(wěn)定的不可壓縮流體，密度值保持不變，為常數(shù)。連續(xù)性方程可變換為：

式中，u，v，w分別是在x，y，z方向上的三個(gè)速度分量，單位為m/s。

動(dòng)量方程為：

式中，p為油膜壓力，Pa；μ為油膜的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2。

能量方程為：

式中，cp為比熱容，J/（kg·℃）；k為傳熱系數(shù)；ST是由于黏性效應(yīng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的耗散函數(shù)。

2.2 邊界條件

本文運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件FLUENT 模擬平行界面及傾斜界面油膜的溫度分布和壓力分布，對油膜幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。止推盤和推力盤存在相對旋轉(zhuǎn)，間隙內(nèi)一部分流體隨推力盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一部分流體被束縛在止推盤表面。針對該模型有相對位移的流動(dòng)問題，本文選用動(dòng)網(wǎng)格模型。

油膜與推力盤的接觸表面設(shè)置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為1440 r/min，油膜與止推盤接觸表面設(shè)置為靜止壁面，潤滑油進(jìn)口為壓力入口，壓力值為0.2 MPa，入口溫度為300 K；壓力出口的壓力值設(shè)為0，溫度值初設(shè)為300 K。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 平行界面溫度與壓力分布

本文以推力盤和止推盤溝槽完全重合為起始位置，選擇推力盤旋轉(zhuǎn)0°、3°、6°、11.5°、16.5°、19.5°六個(gè)時(shí)刻處的溫度和壓力模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

平行界面溫度分布如圖2 所示，沿徑向方向上，由于角速度一定時(shí)，半徑越大線速度越大，因此半徑較大處所造成的速度梯度較大，產(chǎn)生黏性耗散熱較多，溫度分布隨著半徑的增大呈現(xiàn)溫度逐漸升高的趨勢。當(dāng)供給入推力軸承間隙內(nèi)潤滑油的壓力一定時(shí)，在推力盤和止推盤的溝槽區(qū)域，流通面積更大，流量增大、流速增加，溝槽區(qū)域的液膜徑向流速增大，因此在油膜上溝槽區(qū)的溫度較低于無溝槽區(qū)域。

圖2 平行界面溫度分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature distribution at parallel interfaces

由于推力盤溝槽數(shù)為止推盤溝槽數(shù)的兩倍，當(dāng)不存在推力盤與止推盤溝槽重合時(shí)，在計(jì)算周期內(nèi)（6°～16.5°），如圖2（d）所示，相鄰兩個(gè)止推盤a、b 溝槽間始終存在兩個(gè)推力盤溝槽，一個(gè)推力盤c 溝槽沿轉(zhuǎn)速方向即將與止推盤a溝槽重合，另一推力盤d 溝槽隨著推力盤的旋轉(zhuǎn)逐漸遠(yuǎn)離止推盤b 溝槽，油膜最高溫度出現(xiàn)在c 溝槽沿轉(zhuǎn)速方向的溝槽側(cè)靠近外邊緣處。d 溝槽沿轉(zhuǎn)速方向的溝槽側(cè)溫度也為周圍區(qū)域的溫度最高值，由于經(jīng)歷了b 溝槽的冷卻，該處的溫度值較低于c 溝槽處。

平行界面壓力分布如圖3 所示。徑向方向上，與單面開槽的旋轉(zhuǎn)模型變化趨勢相一致，隨著半徑的增大，壓力值呈逐漸降低的趨勢。周向方向上，壓力分布大致呈周期性變化，溝槽兩側(cè)的壓力分布不同，溝槽的逆時(shí)針側(cè)壓力遠(yuǎn)大于溝槽順時(shí)針側(cè)。同一半徑處，溝槽區(qū)壓力沿順時(shí)針方向逐漸減小，非溝槽區(qū)壓力沿順時(shí)針方向遞增。當(dāng)存在溝槽重合現(xiàn)象時(shí)，推力盤溝槽非重合區(qū)域、重合區(qū)域、止推盤非重合區(qū)域的壓力連續(xù)平緩變化，同一半徑處，沿順時(shí)針方向壓力逐漸減少。

圖3 平行界面壓力分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure distribution at parallel interfaces

3.2 軸線傾斜界面溫度分布

根據(jù)核電運(yùn)行工況，本文對軸線傾斜0.005°、0.01°、0.015°和0.02°四種狀態(tài)進(jìn)行模擬。模擬工況較多，四種傾斜狀態(tài)下，軸線傾斜所造成的影響具有一致性，且隨著傾斜的加劇逐漸顯現(xiàn)，本文以傾斜0.02°數(shù)值模擬結(jié)果為例，與平行界面對比分析。

在徑向方向上，油膜溫度隨著半徑的增大而升高，周向上液膜較厚的溝槽區(qū)溫度要低于液膜厚度較薄的非溝槽區(qū)域，當(dāng)存在推力盤溝槽與止推盤溝槽重合時(shí)，推力盤非重合區(qū)域溝槽、重合區(qū)域溝槽、止推盤非重合區(qū)域溝槽溫度分布規(guī)律與平行時(shí)一致。由于軸線偏斜所造成圖4 中油膜左右半?yún)^(qū)的厚度變化相反，左側(cè)油膜厚度減少，右側(cè)油膜厚度增加，引起兩區(qū)域黏性耗散熱的增加或減少，使得油膜的溫度沿周向的周期性分布規(guī)律被打破，但每兩個(gè)止推盤溝槽間溝槽區(qū)域以及非溝槽區(qū)域的油膜溫度沿周向的變化規(guī)律與平行界面的變化規(guī)律相同。液膜厚度降低區(qū)域的各時(shí)刻溫度與平行界面相應(yīng)時(shí)刻相比普遍升高，液膜厚度增加的區(qū)域各時(shí)刻溫度與平行界面相應(yīng)時(shí)刻比普遍降低，且隨著傾斜角度的增大，軸線傾斜所引起的溫度變化幅值越大，引起的溫度分布左右不均現(xiàn)象越劇烈。

圖4 傾斜0.02°時(shí)溫度分布Fig.4 Temperature distribution map at an inclination of 0.02 °

由圖5 和圖6 可知，當(dāng)軸線傾斜程度為0.005°、0.01°、0.015°、0.02°時(shí)，油膜最高溫度的升高幅度分別是平行時(shí)的118.74%、128.47%、140.32%和154.51%。平行時(shí)的最高溫度為309.87 K，軸線傾斜0.02°時(shí)，最高溫度達(dá)到了315.25 K，最高溫度低于單面開槽油膜的最高溫度。最高溫度處油膜的動(dòng)力黏度分別為平行時(shí)的93.71%、90.61%、86.96%和82.79%。

圖5 平行界面與傾斜界面最高溫度對比Fig.5 Comparison of maximum temperatures between parallel and inclined interfaces

圖6 潤滑油動(dòng)力黏度變化Fig.6 Dynamic viscosity variation diagram of lubricating oil

3.3 軸線傾斜界面壓力分布

如圖7 所示，在徑向方向，傾斜界面下油膜壓力隨著半徑的增大不斷減小，由于軸線傾斜的存在，周向方向的壓力分布的周期性變化規(guī)律被打破，但每兩個(gè)止推盤溝槽間隙間溝槽區(qū)域以及非溝槽區(qū)域的油膜壓力沿周向的變化規(guī)律與平行界面的變化規(guī)律相同。當(dāng)發(fā)生推力盤與止推盤溝槽重合時(shí)，重合區(qū)域以及鄰近的止推盤、推力盤溝槽的非重合區(qū)域的壓力分布改變也與平行界面相似。軸線傾斜引起潤滑油上下半?yún)^(qū)沿轉(zhuǎn)速流通截面面積發(fā)生變化，造成上下半?yún)^(qū)壓力分布的改變，上半?yún)^(qū)域的壓力值較平行界面有所升高，下半?yún)^(qū)域較平行界面有所降低，這種壓力的改變隨著軸線傾斜程度的增加而增大。

圖7 傾斜0.02°時(shí)壓力分布Fig.7 Pressure distribution diagram at an inclination of 0.02 °

如圖8 所示，當(dāng)軸線傾斜程度為0.005°、0.01°、0.015°、0.02°時(shí)，油膜最高壓力的升高幅度分別是平行時(shí)的112.22%、124.38%、138.44%和155.16%，較平行時(shí)油膜的最高壓力為237.63 kPa，軸線傾斜0.02°時(shí)，最高壓力達(dá)到了258.38 kPa。

圖8 平行界面與傾斜界面最高壓力對比Fig.8 Comparison of maximum pressure between parallel and inclined interfaces

4 結(jié)論

本文建立了推力盤和止推盤均開有冷卻槽時(shí)平行界面與軸線傾斜界面油膜的三維物理模型，對油膜進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件FLUENT，對平行界面和軸系傾斜兩種工作所構(gòu)成的油膜流場進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，獲得了流場的壓力分布和溫度分布，并分析了油膜流場溫度分布和壓力分布隨軸線傾斜角度的變化規(guī)律。

（1）對平行界面研究發(fā)現(xiàn)：軸線未發(fā)生傾斜時(shí)，徑向方向，油膜溫度隨半徑增加而上升，壓力隨半徑增大而降低；周向方向，溫度和壓力沿周向呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，溝槽區(qū)的油膜溫度較低于非溝槽區(qū)，溝槽兩側(cè)壓力存在差異，受擠壓側(cè)壓力大于另一側(cè)，非溝槽區(qū)溫度沿轉(zhuǎn)速方向遞增，壓力則遞減。

（2）對傾斜界面研究發(fā)現(xiàn)：軸線傾斜會(huì)造成油膜溫度、壓力分布的改變，當(dāng)傾斜程度從0°變化至0.02°時(shí)，雙面開槽的推力軸承最高溫度、壓力的變化幅度在100%～155%和100%～155%的范圍內(nèi)變化。當(dāng)傾斜0.02°時(shí)，油膜最高溫度處的動(dòng)力黏度為平行時(shí)的82.79%。

（3）當(dāng)核主泵軸線傾斜時(shí)，潤滑油膜分布不均勻，最大溫度及最高壓力上升，油膜動(dòng)力黏度下降，導(dǎo)致軸承與其他機(jī)械部件的摩擦增加。核電站實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)定期檢查維護(hù)潤滑系統(tǒng)，監(jiān)測核主泵軸線傾斜狀況并及時(shí)調(diào)整。