張 楊

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著現(xiàn)代水力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，大型與巨型水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用不斷增多，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的影響日益增大，要求機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性必須得到保證。水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，承擔(dān)的載荷往往比較大，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，因?yàn)闄C(jī)組偏心、軸承散熱系統(tǒng)油路循環(huán)不合理、潤(rùn)滑油油質(zhì)劣化等因素引起軸承系統(tǒng)散熱不良、造成軸承瓦溫過高甚至燒損的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅直接影響了推力軸承的使用壽命，還給電力安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的威脅。

葛洲壩二江電廠1號(hào)機(jī)組在并網(wǎng)送電時(shí)曾發(fā)生推力瓦溫過高的情況，造成1號(hào)機(jī)開關(guān)自動(dòng)斷開，機(jī)組與電網(wǎng)解列，停機(jī)后對(duì)推力軸瓦進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)瓦的徑向中部造成了嚴(yán)重?zé)龘p，根據(jù)巡檢記錄，有14塊瓦的溫度越限[1]；2015年云南梨園發(fā)電公司新投運(yùn)的型號(hào)為SF600-64/16880的水輪發(fā)電機(jī)推力軸承經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，推力軸承的瓦溫超出了技術(shù)合同允許值，油溫超出了報(bào)警值，嚴(yán)重影響了機(jī)組的供電可靠性[2]；三峽左岸電站6臺(tái)VGS機(jī)組推力軸承均為外循環(huán)冷卻方式，在夏季高溫時(shí)，即使推力軸承油冷卻器全部投入運(yùn)行，也會(huì)出現(xiàn)達(dá)83℃的高溫，通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冷卻器的容量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，2003年對(duì)推力軸承油冷卻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，采用針刺管型冷卻器并增加了冷卻水管個(gè)數(shù)，才使得平均油溫和瓦溫得到了降低[3]。實(shí)踐證明，大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的可靠性最低，它的故障占水力機(jī)械總故障率的55%～70%[4]。國(guó)家電網(wǎng)2012年開始執(zhí)行的新的《國(guó)家電網(wǎng)公司安全事故調(diào)查規(guī)程》中，也把發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組軸瓦燒損定為六級(jí)設(shè)備事件[5]。因此，如何提高推力軸承散熱系統(tǒng)的散熱性能，顯得日益重要。

1 推力軸承的潤(rùn)滑冷卻方式

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的潤(rùn)滑冷卻可分為內(nèi)循環(huán)冷卻方式和外循環(huán)冷卻方式兩種。內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)。推力軸承和油冷卻器安裝在同一油槽內(nèi)，潤(rùn)滑油依靠軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)在軸承和冷卻器之間流動(dòng)，由冷卻器中的冷卻水把軸承損耗在潤(rùn)滑油中的熱量帶走，保證推力軸承在熱平衡的狀態(tài)下，油溫在規(guī)定的溫度下運(yùn)行[6]。利用油槽內(nèi)油的粘滯作用和對(duì)流換熱形成回路。

外循環(huán)方式中，推力軸承安放在油槽內(nèi)部，油冷卻器安放在油槽的外部，外循環(huán)動(dòng)力的方式又分為自身泵與外加泵[7]。我國(guó)采用內(nèi)循環(huán)冷卻的機(jī)組有葛洲壩、巖灘、五強(qiáng)溪等水電站，采用外循環(huán)冷卻的機(jī)組有三峽、寶泉、白蓮河等水電站。

2 推力軸承國(guó)外研究概況

從19世紀(jì)末水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)時(shí)起，推力軸承的承載能力曾一度制約著水電機(jī)組單機(jī)容量的增長(zhǎng)，直到20世紀(jì)初期，分塊瓦的Kingsbury推力軸承的出現(xiàn)，才使得水輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量有了較快的增長(zhǎng)[8]。

推力軸承的發(fā)展研究主要有物理和機(jī)械性能的研究、潤(rùn)滑性能計(jì)算分析和試驗(yàn)[9]。在推力軸承承載能力的研究方面，W.F.Hughes研究了油流慣性與靜壓推力軸承性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明油流慣性對(duì)推力軸承的承載性能有較大的影響。印度學(xué)者V.K.Kapur和Kamlesh Vermal在對(duì)平行平板階梯軸承進(jìn)行研究時(shí)還考慮了溫度和慣性力對(duì)軸承壓力分布和承載能力的影響。N.Ganesan和T.Jayachandra Prabhu用線性三角單元有限元法對(duì)圓形腔圓錐靜壓推力軸承的承載能力進(jìn)行了深入研究，并考慮了油流慣性的影響，而且用試驗(yàn)對(duì)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)值與理論值吻合較好[10-16]。

對(duì)支撐較重軸向載荷的推力軸承，當(dāng)油膜厚度經(jīng)受高壓和高溫時(shí)，推力軸承容易發(fā)生過多的熱彈性變形，從而導(dǎo)致軸承故障。針對(duì)這種情況，Najar F A和Harmain G A通過在巴氏合金軸瓦瓦面下方埋設(shè)冷卻水管路來降低油膜溫度，然后采用有限差分法求解雷諾方程、能量方程和廣義傅里葉熱傳導(dǎo)方程對(duì)此結(jié)構(gòu)軸承進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明冷卻回路基本合理，與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，軸承整體溫度顯著降低[17]。Akbarzadeh P.開發(fā)了一種熱力學(xué)數(shù)值計(jì)算程序，用于對(duì)水電站中具有穩(wěn)定載荷的可傾瓦推力軸承的計(jì)算，對(duì)雷諾方程和油膜潤(rùn)滑中的二維能量方程分別通過具有連續(xù)過松弛方案的中心差分技術(shù)和反向差分與迭代技術(shù)來求解。該計(jì)算程序考慮到了潤(rùn)滑劑粘度隨溫度的變化和軸瓦的變形，計(jì)算結(jié)果可以揭示軸瓦數(shù)量、預(yù)載荷因子、轉(zhuǎn)速對(duì)軸承性能的影響[18]。LimingZhai、YongyaoLuo等人在考慮粘度-溫度效應(yīng)的前提下，把用于油膜的3D CFD模型和用于軸瓦和鏡板的3D FEA模型結(jié)合起來，對(duì)抽水蓄能機(jī)組中的雙向推力軸承進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了軸瓦和鏡板的變形，以及油膜厚度、壓力、溫度的分布，揭示了油膜中產(chǎn)生的高壓和高溫的原因以及鏡板的轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑特性的影響，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)中提出推力載荷應(yīng)該與油膜溫度和壓力平衡的建議[19]。E.Walicki和M.wasilczuk分別分析了軸承壁面多孔性對(duì)油流場(chǎng)壓力分布的影響以及推力軸承二維和三維流動(dòng)，得到了速度、油膜厚度、溫度分布規(guī)律[20,21]。

伊泰普水電站水輪發(fā)電機(jī)推力軸承外徑520cm，總的推力負(fù)荷約3 600 t，在實(shí)際運(yùn)行過程中軸承損耗過大，Piotr Pajaczkowski和Michel Spiridon等人為了提高伊泰普水電站推力軸承的運(yùn)行效率，進(jìn)一步減少損耗，對(duì)推力軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在推力軸瓦表面添加PolypadTM涂層這種現(xiàn)代聚合物涂層材料，使得推力軸承可以在更高的溫度和更低的油膜厚度下運(yùn)行[22]。

在對(duì)推力軸承潤(rùn)滑性能的試驗(yàn)研究方面，可用電阻法、電容法、光纖傳感器法、電渦流法等來測(cè)量彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜厚度[23]。Glavatskih S B.，Reddy D S K等人采用多個(gè)熱電偶記錄了水潤(rùn)滑推力軸承瞬態(tài)運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的水膜溫度，并進(jìn)行了分析比較[24]。UusitaloOS和Glavatskih SB用電渦流傳感器對(duì)傾斜瓦推力軸承的油膜厚度與溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)程序的準(zhǔn)確性和敏感性進(jìn)行了描述[25]。為了使推力軸承潤(rùn)滑性能的研究與實(shí)際運(yùn)行情況更加符合，研究人員在考慮溫度對(duì)潤(rùn)滑性能影響的前提下，利用熱彈流分析理論，對(duì)不同油膜溫度分布模型進(jìn)行了分析。Elrod和Brewe等人通過勒記德多項(xiàng)式溫度輪廓近似法模擬油膜溫度場(chǎng)的分布來研究流體動(dòng)壓推力軸承的潤(rùn)滑性能[26]。Sharma和Pandey評(píng)估了勒記德多項(xiàng)式溫度輪廓近似法和拋物線多項(xiàng)式溫度輪廓近似法所得結(jié)果的精確性，認(rèn)為勒記德多項(xiàng)式溫度輪廓近似法的數(shù)值解更加符合實(shí)際工況[27]。

3 推力軸承國(guó)內(nèi)研究概況

我國(guó)的哈爾濱電機(jī)廠和東方電機(jī)廠的推力軸承設(shè)計(jì)制造技術(shù)代表了國(guó)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的水平。以哈爾濱電機(jī)廠為代表，我國(guó)從20世紀(jì)60年代初期開始對(duì)推力軸承技術(shù)進(jìn)行研究與試驗(yàn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了科研開發(fā)、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝、試驗(yàn)研究等有機(jī)結(jié)合的推力軸承科研開發(fā)體系[28]。我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承巴氏合金瓦已經(jīng)應(yīng)用了多年，隨著機(jī)組單機(jī)容量和推力負(fù)荷的增大，為解決鎢金瓦推力軸承在電站運(yùn)行中的欠缺，1989年我國(guó)進(jìn)行了彈性金屬塑料瓦的研制，1990年第一套100 t級(jí)彈性金屬塑料瓦投入運(yùn)行，1997年，我國(guó)成功研制三峽6 000 t級(jí)彈性金屬塑料瓦推力軸承，并完成了全尺寸模擬試驗(yàn)，取得了大量可靠的數(shù)據(jù)[29,30]。在設(shè)計(jì)技術(shù)上，哈爾濱電機(jī)廠自主開發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承潤(rùn)滑性能計(jì)算分析軟件TBearing/ANSYS，可以準(zhǔn)確地計(jì)算鏡板推力頭的變形。

在對(duì)推力瓦型面的研究方面，李忠、王風(fēng)才、袁曉陽等人提出了適用于推力軸承的螺旋面扇形瓦，并對(duì)其熱動(dòng)力潤(rùn)滑性能進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)螺旋面扇形瓦具有承載能力大、油膜厚度大、溫升較小、粘性耗散較小、制造加工容易等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以很好地取代平面扇形瓦[31]；陳志瀾、王海林等人以三峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承為研究對(duì)象，利用瓦面二次曲面數(shù)學(xué)模型和三維熱彈流潤(rùn)滑性能分析軟件，對(duì)橫彎形面、反橫彎形面、馬鞍形面、平面形面、圓柱形面、球形形面6種瓦面形面推力軸承的最大油膜壓力、最高油膜溫度、最小油膜厚度等進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過比較分析計(jì)算，對(duì)三峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承進(jìn)行瓦面形面多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了軸承的潤(rùn)滑性能[32]。

在推力軸承潤(rùn)滑性能的研究方面，武中德[33]開發(fā)了一套二維TEHD有限元程序，通過有限元法聯(lián)立求解油膜厚度方程、能量方程、溫粘關(guān)系方程和雷諾方程，并用結(jié)構(gòu)有限元程序ADINA對(duì)推力瓦和鏡板推力頭進(jìn)行熱彈變形分析；張艷芹、陳瑤、范立國(guó)等人利用數(shù)值模擬的方法，在轉(zhuǎn)速、油腔深度、油腔面積相同時(shí)針對(duì)重型靜壓推力軸承橢圓形、扇形、工字形、矩形4種形狀的油腔研究了間隙油膜的壓力場(chǎng)，分析了4種油腔的壓力分布規(guī)律，對(duì)油腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[34]；盧德平對(duì)內(nèi)循環(huán)抽屜式冷卻器推力軸承、內(nèi)循環(huán)立式冷卻器推力軸承、鏡板泵外循環(huán)推力軸承、導(dǎo)瓦泵外循環(huán)推力軸承和外加泵外循環(huán)推力軸承5種不同結(jié)構(gòu)推力軸承油槽內(nèi)部的流場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析，得到推力軸承承載力與間隙形狀、間隙尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系以及相同間隙不同結(jié)構(gòu)推力軸承承載力的變化，對(duì)推力軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[35]。

20世紀(jì)70年代以來，東方電機(jī)有限公司在推力軸承冷卻方式方面進(jìn)行了大量的科研工作。一方面在內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件上開孔促進(jìn)油路循環(huán)改善，采用散熱性能好的翅片管冷卻器代替光管冷卻器；另一方面對(duì)推力軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，完成了烏江渡外加泵外循環(huán)和龍羊峽自身泵外循環(huán)系統(tǒng)的研制，并將這一成果應(yīng)用于寶珠寺175 MW和李家峽400 MW水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承設(shè)計(jì)中[36]。國(guó)內(nèi)一些水電廠的運(yùn)行實(shí)踐也為推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)性能的研究積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。例如，水布埡電廠水輪發(fā)電機(jī)推力軸承采用自身鏡板泵外循環(huán)冷卻方式，機(jī)組投運(yùn)以來，3、4號(hào)機(jī)組推力瓦溫運(yùn)行溫度70℃左右，與全國(guó)同類型推力瓦溫相比偏高，研究表明，瓦溫偏高與進(jìn)、出油邊油膜厚度比有關(guān)，對(duì)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)在瓦面上預(yù)加工出型面，增大了進(jìn)、出油邊油膜厚度比值，提高了瓦的周向傾角，提高了軸承的承載能力，改造后推力瓦溫和平均瓦溫持平，達(dá)到了預(yù)期效果[37]。三峽左岸VGS機(jī)組推力軸承在設(shè)計(jì)時(shí)采用彈簧束支承，油槽容積較小，油冷卻器換熱能力偏小，造成推力軸承瓦間油溫比其他部位高4℃左右，針對(duì)左岸推力軸承存在的不足，東方電機(jī)廠在設(shè)計(jì)右岸推力軸承時(shí)，增大了推力軸承油槽的尺寸，提高了外循環(huán)冷卻器的換熱能力，通過加大瓦厚度、瓦間距、瓦塊徑向?qū)挾鹊却胧┨岣咄屏S承的承載能力，改進(jìn)了推力軸承油循環(huán)冷卻路徑，最終使得在相近的運(yùn)行油溫下，右岸推力軸承平均瓦溫、最高瓦溫與左岸推力軸承相比均降低7 K以上[38]。

4 推力軸承散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承散熱系統(tǒng)（油循環(huán)冷卻系統(tǒng)）的油循環(huán)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，目前尚沒有較完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確定量地計(jì)算，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算確定[39,40]。按照經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范，在常規(guī)設(shè)計(jì)中，軸承系統(tǒng)安全系數(shù)裕度較大，往往引起不必要的浪費(fèi)。目前，針對(duì)火電廠空氣冷卻系統(tǒng)方面的散熱研究成果比較多，而針對(duì)水電廠軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)方面的數(shù)值模擬研究成果較少，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前可以采用現(xiàn)代流場(chǎng)計(jì)算分析Fluent軟件對(duì)推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)以往的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校正。

對(duì)推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)中潤(rùn)滑油的數(shù)值模擬，既需要通過獲得潤(rùn)滑油的速度分布和壓力分布來判斷潤(rùn)滑油的流態(tài)情況和軸瓦受力情況，又需要通過獲得潤(rùn)滑油的溫度分布來判斷散熱系統(tǒng)的散熱性能，而潤(rùn)滑油的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)又互相影響，這就涉及到三維實(shí)體、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合分析，其難點(diǎn)在于計(jì)算很難收斂，而且需要占用大量的計(jì)算機(jī)資源，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求很高，大量的時(shí)間都花費(fèi)在模型的簡(jiǎn)化以及網(wǎng)格的劃分上，工作繁重，技術(shù)難度比較大。由于推力軸承油槽內(nèi)的油流場(chǎng)具有周期性變化的特點(diǎn)，在結(jié)合電站具體參數(shù)建立推力軸承的模型時(shí)，可以建立模型的1/Z（Z指推力軸瓦個(gè)數(shù)）進(jìn)行分析，從而減少網(wǎng)格數(shù)目，降低計(jì)算量。

采用Gambit或者ICEM建立推力軸承的物理模型，對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，在Fluent中選擇合適的算法、設(shè)定初始條件和邊界條件、添加湍流模型對(duì)潤(rùn)滑油的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程

進(jìn)行求解，獲得潤(rùn)滑油的速度、壓力、溫度分布。（1）連續(xù)性方程

式中：ρ是油的密度；

t是時(shí)間；

ux、uy、uz分別是速度矢量在直角坐標(biāo)系

x、y、z方向上的分量。

（2）動(dòng)量方程

動(dòng)量守恒定律是任何流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律，該定律實(shí)際上是牛頓第二定律，在流體力學(xué)中進(jìn)一步表示為Navier-Stokes方程：

式中：ρ是油體微元上的壓力；

Su、Sv、Sw是 動(dòng) 量 方 程 的 廣 義 源 項(xiàng) ，

Fx、Fy、Fz是微元體上的體力，若體力只有重力，且 z軸豎直向上，則有 Fx=0，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z=-ρg。一般而言，sx、sy、sz是小量，其表達(dá)式如式（5）至（7）所示：

對(duì)于粘性為常數(shù)的不可壓縮流體，sx=sy=sz=0。

（3）能量方程

寫成展開形式為：

式中：cp是油的比熱；

T是油溫；

k為油的傳熱系數(shù)；

ST為油的內(nèi)熱源及由于粘性作用油的機(jī)

械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，簡(jiǎn)稱為粘性耗散項(xiàng)。

推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)中油的傳熱方式屬于對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱是指流體流過一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面之間的熱量傳遞過程。冷卻器管內(nèi)通入冷卻水，在分析過程中將水看作低速不可壓縮流體，在假定油流沒有相變的基礎(chǔ)上，對(duì)控制方程進(jìn)行求解。

通過上述方法，可以對(duì)不同支承結(jié)構(gòu)的推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并比較不同支承結(jié)構(gòu)推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的散熱性能；可以對(duì)不同推力瓦塊數(shù)的同一類型推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從而確定最合適的推力瓦的個(gè)數(shù)；可以改變各冷卻器的布置間距對(duì)推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，來確定合適的冷卻器布置形式；可以對(duì)不同工況下某一確定的推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究該推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的流態(tài)特征和散熱性能，為推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供合理建議。

5 結(jié)語

自20世紀(jì)初以來，在推力軸承的承載能力、潤(rùn)滑性能的試驗(yàn)、推力瓦型面的研究等方面取得了大量的研究成果，推動(dòng)了推力軸承技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了水電機(jī)組單機(jī)容量的增長(zhǎng)，但在推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)性能，特別是散熱性能的研究方面成果還比較少，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這將成為一個(gè)重要的研究方向，不僅有助于我們進(jìn)一步了解推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的散熱性能，而且對(duì)冷卻器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行以及同類型電站的安裝檢修都具有重要參考價(jià)值。

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