摘 要：汽機(jī)汽前泵是火力發(fā)電廠必不可少的設(shè)備之一，其主要作用是保證軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，如果軸承溫度過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)軸承失效現(xiàn)象。基于此，為了避免軸承出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象，采用ANSYS軟件對(duì)汽機(jī)汽前泵推力軸承進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠;汽機(jī);推力軸承;溫度;有限元分析

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，直接影響著電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。推力軸承是確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組件，在大多數(shù)情況下，其負(fù)載相對(duì)較高。在發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，軸承系統(tǒng)散熱不良、軸瓦溫度高等因素會(huì)直接影響推力軸承的使用壽命，也會(huì)嚴(yán)重威脅電力的正常生產(chǎn)。如果推力軸承長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，其溫度超過(guò)允許值，就會(huì)出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象，在夏季高溫下，即使將推力軸承油冷卻器完全打開，軸承溫度也會(huì)高達(dá)85 ℃，為了給軸承降溫，必須增加冷卻器和冷卻水管數(shù)量，會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。因此，改善推力軸承冷卻系統(tǒng)的散熱性能變得尤為重要。

1 汽機(jī)汽前泵推力軸承的冷卻方法分析

推力軸承的潤(rùn)滑和冷卻方法可分為兩種類型，即內(nèi)部循環(huán)冷卻和外部循環(huán)冷卻。本文主要分析外部循環(huán)冷卻系統(tǒng)。外部循環(huán)冷卻主要是指推力軸承和機(jī)油冷卻器安裝在同一油箱上。隨著軸承旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑油在軸承和冷卻器之間流動(dòng)。冷卻器中的冷卻液可消除軸承中潤(rùn)滑油損失帶來(lái)的熱量并確保推力正常。如果軸承處于熱平衡狀態(tài)，則油溫將在指定溫度下運(yùn)行。在外部循環(huán)系統(tǒng)中，止推軸承位于油箱內(nèi)部，油冷卻器位于油箱外部。

2 數(shù)值模擬在汽機(jī)汽前泵推力軸承溫度分析中的應(yīng)用

在推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，需要通過(guò)獲取潤(rùn)滑油速度分布和壓力分布情況來(lái)確定潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀態(tài)，并最終確定分布式散熱系統(tǒng)的散熱性能和潤(rùn)滑油速度。由于數(shù)值模擬計(jì)算難以收斂，并且需要占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，工作量較為繁重，技術(shù)難度也相對(duì)較大，因此需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。在有限元仿真分析過(guò)程中，水被認(rèn)為是一種緩慢的不可壓縮的流體，因此可以對(duì)具有不同支撐結(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。

3 汽機(jī)汽前泵推力軸承溫度仿真分析

為了對(duì)火力發(fā)電廠汽機(jī)汽前泵推力軸承進(jìn)行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三維建模軟件，建立了采用外部循環(huán)冷卻的汽機(jī)汽前泵推力軸承三維模型，鑒于計(jì)算機(jī)的性能和計(jì)算時(shí)間，忽略了對(duì)仿真結(jié)果影響不大的特征，只保留了必要的部分，通過(guò)ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分工具mesh對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為466 752，其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

汽機(jī)汽前泵推力軸承和軸直接接觸，通過(guò)殼體采用螺栓進(jìn)行固定，外部循環(huán)冷卻器有冷卻油入口和出口，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅表現(xiàn)了推力軸承的一部分結(jié)構(gòu)。假設(shè)汽機(jī)汽前泵推力軸承的工作環(huán)境溫度為15 ℃、25 ℃、35 ℃，將采用外部循環(huán)冷卻的汽機(jī)汽前泵推力軸承的三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解計(jì)算，汽機(jī)汽前泵推力軸承在工作溫度為15 ℃時(shí)的溫度分布云圖如圖2所示，汽機(jī)汽前泵推力軸承在工作溫度為25 ℃時(shí)的溫度分布云圖如圖3所示，汽機(jī)汽前泵推力軸承在工作溫度為35 ℃時(shí)的溫度分布云圖如圖4所示。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承工作環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，汽機(jī)汽前泵推力軸承此時(shí)的最高溫度為45 ℃左右，最低溫度為44 ℃左右，最高溫度出現(xiàn)在軸承和機(jī)殼接觸位置，最低溫度出現(xiàn)在軸承內(nèi)部和冷卻油直接接觸位置，此時(shí)的最高溫度仍在安全范圍內(nèi)，且數(shù)值相對(duì)較小，采用外部循環(huán)冷卻的汽機(jī)汽前泵推力軸承出現(xiàn)熱失效的可能性較低。

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承的工作環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，汽機(jī)汽前泵推力軸承此時(shí)的最高溫度為60 ℃左右，最低溫度為59.6 ℃左右，最高溫度出現(xiàn)在軸承和機(jī)殼接觸的位置，最低溫度出現(xiàn)在軸承內(nèi)部和冷卻油直接接觸的位置，此時(shí)的最高溫度仍在安全范圍內(nèi)，且數(shù)值相對(duì)較小，采用外部循環(huán)冷卻的汽機(jī)汽前泵推力軸承出現(xiàn)熱失效的可能性依然較低。

根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承的工作環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，汽機(jī)汽前泵推力軸承此時(shí)的最高溫度為75 ℃，最低溫度為74.4 ℃，最高溫度出現(xiàn)在軸承和機(jī)殼接觸的位置，最低溫度出現(xiàn)在軸承內(nèi)部和冷卻油直接接觸的位置，此時(shí)的最高溫度相對(duì)較高，但是仍在安全范圍值之內(nèi)，采用外部循環(huán)冷卻的汽機(jī)汽前泵推力軸承出現(xiàn)熱失效的可能性相對(duì)較高，但是如果冷卻油正常工作，軸承仍可以避免出現(xiàn)熱失效問(wèn)題，可以認(rèn)為采用外部循環(huán)冷卻，仍可以保證汽機(jī)汽前泵推力軸承的正常工作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，汽機(jī)汽前泵推力軸承性能對(duì)保證火力發(fā)電廠的正常運(yùn)營(yíng)具有重要影響，考慮到傳統(tǒng)冷卻方式下的推力軸承容易出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象，采取了外部冷卻油循環(huán)冷卻方式，采用ANSYS有限元仿真方法對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采用外部循環(huán)冷卻方式的汽機(jī)汽前泵推力軸承可以有效避免出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象。

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收稿日期：2019-12-27

作者簡(jiǎn)介：宋樹全（1986—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向：熱能動(dòng)力。