張 楊，劉國(guó)峰，張維歡，王玲花

(1.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；2.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承主要承擔(dān)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和軸向水推力，承擔(dān)的載荷往往比較大，其工作性能的好壞，直接影響到水輪發(fā)電機(jī)能否長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行，而推力軸承的油循環(huán)冷卻系統(tǒng)又是保證推力軸承安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)推力軸承溫度的測(cè)量只是在局部位置布置若干測(cè)點(diǎn)，對(duì)軸瓦采取溫度監(jiān)視，但這種溫度監(jiān)視并不能夠避免軸瓦燒損，更不能反映出推力軸承油槽中整體潤(rùn)滑油的流動(dòng)和傳熱規(guī)律，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中推力軸承瓦溫過(guò)高甚至燒瓦現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。葛洲壩二江電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組在并網(wǎng)送電時(shí)曾發(fā)生推力瓦溫過(guò)高的情況，造成1號(hào)機(jī)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，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，有14塊瓦的溫度越限[1]。鑒于水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承工作的重要性，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)推力軸承的性能進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究。王青華等[2]采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)推力瓦的潤(rùn)滑特性、受力和變形情況進(jìn)行流固耦合分析，揭示了最小油膜厚度和瓦面傾角對(duì)油膜承載力、瓦塊等效應(yīng)力及變形的影響；賴(lài)喜德等[3]針對(duì)水電機(jī)組鏡板泵流體動(dòng)力設(shè)計(jì)過(guò)程中孔的布置形式以及集油槽的斷面形狀、面積和出口管路直徑等幾何參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)不同幾何參數(shù)組合，分析鏡板泵的主要過(guò)流部件的關(guān)鍵尺寸、形狀等對(duì)其性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同的鏡板泵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。然而，這些研究主要是針對(duì)推力軸承本身的承載力以及推力軸承本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，缺少對(duì)推力軸承整個(gè)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)油槽內(nèi)部潤(rùn)滑油的流動(dòng)特性及傳熱特性的分析。

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承油槽內(nèi)的油循環(huán)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，目前尚沒(méi)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[4-5]。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)。本文以某電站水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)為例，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)推力軸承油槽內(nèi)的速度分布、壓力分布、溫度分布進(jìn)行計(jì)算，總結(jié)了油槽內(nèi)潤(rùn)滑油的流動(dòng)及傳熱規(guī)律，并對(duì)推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了改進(jìn)建議。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

推力軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是推力軸承和油冷卻器浸于同一個(gè)油槽，油的循環(huán)主要依靠軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)使油在軸承與冷卻器之間流動(dòng)，進(jìn)行熱交換，由冷卻水將軸承損耗在油中的熱量帶走，以保證推力軸承在熱平衡狀態(tài)下，油溫控制在規(guī)定的溫度下運(yùn)行[6]。本文以某水電站水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，該電站水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦的支承方式采用彈性油箱支承，彈性油箱沿圓周方向均勻分布，共18個(gè)；推力瓦為扇形雙層軸瓦，固定在彈性油箱上。油冷卻器采用抽屜式油冷卻器，沿圓周均勻分布，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速392.5 rad/min。

三維實(shí)體、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析難點(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)難度大[7]。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)，結(jié)合電站具體參數(shù)，對(duì)模型做了進(jìn)一步的修改和簡(jiǎn)化，只建立模型的1/18進(jìn)行分析。冷卻器水管為銅管，冷卻器管內(nèi)通入冷卻水，在分析過(guò)程中將水看作低速不可壓縮流體，不考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)流體產(chǎn)生的影響，只傳遞熱量，簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖1。采用有限體積法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)流動(dòng)復(fù)雜的部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終網(wǎng)格劃分效果見(jiàn)圖2。

圖1 1/18模型結(jié)構(gòu)示意

圖2 網(wǎng)格劃分效果示意

本文模擬的是定常流動(dòng)，在計(jì)算中默認(rèn)油的密度是一個(gè)常數(shù)，不隨溫度的變化而變化。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，在假定油流沒(méi)有相變的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程進(jìn)行求解。

1.2 計(jì)算工況及邊界條件

該電站壩前取水為推力軸承冷卻用水的主水源，蝸殼取水為推力軸承冷卻用水的備用水源。電站所在河流常年平均水溫為18.2 ℃，電站推力軸承運(yùn)行平均油溫44.1 ℃，平均瓦溫55.2 ℃。結(jié)合電站運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，取不同工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算工況如表1所示。

本文研究的是周期性流動(dòng)與換熱問(wèn)題，選取推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的1/18進(jìn)行計(jì)算分析，上、下游邊界設(shè)定為周期性邊界條件。鏡板轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為392.5 rad/min，鏡板不與推力軸瓦接觸的外圓柱面屬于拖動(dòng)邊界。油面邊界條件設(shè)置成對(duì)稱(chēng)邊界SYMMETRY，其余邊界設(shè)置成WALL，軸瓦四周與瓦底及油溝面為強(qiáng)制對(duì)流面。

表1 計(jì)算工況 ℃

推力軸承油槽內(nèi)油的流動(dòng)屬于低速不可壓縮流動(dòng)，采用壓力基求解器進(jìn)行求解，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁區(qū)的流動(dòng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)Standard Wall Functions處理，其余參數(shù)采取默認(rèn)設(shè)置。選用coupled算法，同時(shí)求解流體運(yùn)動(dòng)方程和能量方程，選用混合初始化Hybrid Initialization方式對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化處理。在計(jì)算過(guò)程中不考慮鏡板與軸瓦之間的油膜，認(rèn)為鏡板與推力軸瓦相接。

圖3 三維速度流線(xiàn)

圖4 中間軸面速度分布和壓力分布

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 速度和壓力的計(jì)算結(jié)果及分析

不同計(jì)算工況下機(jī)組轉(zhuǎn)速均為392.5 rad/min，油槽內(nèi)的速度分布與壓力分布基本一致，以工況1為例對(duì)1/18油槽內(nèi)速度分布進(jìn)行分析，三維速度流線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，油流的速度和方向比較復(fù)雜，在推力軸瓦外徑處，由鏡板甩出的油流向外擴(kuò)散，碰到冷卻器后，經(jīng)冷卻器冷卻、熱交換，冷油下沉，熱油上浮，速度矢量方向發(fā)生變化，向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，補(bǔ)充因鏡板向外甩油造成的推力瓦內(nèi)圓的缺油；向內(nèi)側(cè)流動(dòng)的油碰到上層薄瓦和厚托瓦后速度方向又發(fā)生了改變，進(jìn)而形成了進(jìn)油側(cè)漩渦。在瓦的出油側(cè)，軸瓦外徑處速度向下，在內(nèi)徑，進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)的速度均向上。

1/18模型中間軸面的速度分布和壓力分布如圖4所示。由圖4 a可知，推力軸瓦上方區(qū)域整體速度大于推力軸瓦下方區(qū)域整體速度，由于潤(rùn)滑油的粘滯力作用，靠近鏡板處油流速較大，沿著徑向向外，油流速逐漸減小，油流經(jīng)冷卻器，受到冷卻器的阻力，冷卻器U型管外緣到圓柱形彈性油箱之間的區(qū)域速度最小。由圖4 b可知，中間軸面鏡板內(nèi)緣壓力最低，沿著徑向向外壓力均勻增大，這是由鏡板的泵效應(yīng)引起的。

取Y=0.9 m(Y為三維坐標(biāo)系縱軸)與Y=0.55 m處水平截面進(jìn)行研究，這兩個(gè)水平截面速度和壓力分布如圖5、6所示。Y=0.9 m水平截面距離鏡板比較近，從整體來(lái)看，Y=0.9 m水平截面上的速度比Y=0.55 m水平截面上的速度要大。由圖5 a可知，在Y=0.9 m水平截面中冷卻油溝內(nèi)油流速度較推力軸瓦四周的油流速度低，速度變化比較均勻，軸瓦進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)外緣比其他位置的油流速大，瓦兩側(cè)油流的速度場(chǎng)近似對(duì)稱(chēng)分布。由圖5 b可知，在Y=0.9 m水平截面中壓力沿著徑向向外非線(xiàn)性增大，壓力場(chǎng)在推力軸瓦兩側(cè)近似對(duì)稱(chēng)分布，故軸瓦的受力相對(duì)而言比較均勻。

圖5 Y=0.9 m處水平截面速度分布和壓力分布

圖6 Y=0.55 m處水平截面速度分布和壓力分布

由圖6可知，Y=0.55 m處的水平截面中，油的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)近似對(duì)稱(chēng)分布，壓力沿著徑向向外基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在圓柱形彈性油箱的兩側(cè)沿著徑向指向機(jī)組中心的方向，速度成條狀分布，且該處速度較大，彈性油箱周?chē)渌恢盟俣容^小。

2.2 溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 不同工況下周期性平面溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析

各工況下周期性平面溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，初始瓦溫、初始油溫一定時(shí)，隨著水溫按照24、18.2、10 ℃降低，周期性平面內(nèi)最低油溫逐漸下降，但最低油溫相差并不大。整體來(lái)看，不同工況下周期性平面內(nèi)溫度變化趨勢(shì)基本一致，從推力軸瓦外緣沿著徑向向外，油溫逐漸降低，靠近冷卻器處的油溫最低，推力軸瓦下方區(qū)域油溫也在均勻減小，但整個(gè)周期性平面內(nèi)最高油溫和最低油溫相差不大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)推力軸瓦和冷卻器之后的潤(rùn)滑油油溫分布比較均勻。

圖7 工況1～3周期性平面溫度場(chǎng)

圖8 工況1～3條件下Y=0.9 m處水平截面溫度分布

圖9 工況1～3條件下Y=0.55 m處水平截面溫度分布

2.2.2 不同工況下水平截面溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析

為進(jìn)一步研究1/18油槽內(nèi)的溫度分布情況，取Y=0.9 m與Y=0.55 m處水平截面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，各工況下Y=0.9 m處水平截面的溫度分布如圖8所示，各工況下Y=0.55 m處水平截面的溫度分布如圖9所示。

3種工況初始瓦溫均高于初始油溫，由圖8可知，在Y=0.9 m處水平截面中，每種工況下冷卻油溝中的油溫均高于該水平截面內(nèi)其他區(qū)域的油溫，在冷卻器附近，油溫下降梯度較大，其余區(qū)域油溫比較均勻；由圖9可知，在Y=0.55 m處水平截面中，每種工況下該水平截面整體油溫分布都比較均勻，冷卻器附近油溫下降梯度較大。

對(duì)3種工況中每種工況下Y=0.9 m與Y=0.55 m處水平截面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，Y=0.9 m水平截面整體油溫高于Y=0.55 m水平截面上的整體油溫。這主要是由于Y=0.9 m水平截面在推力軸瓦的位置，靠近熱源，所以該截面處平均油溫較高。但同一工況下Y=0.9 m與Y=0.55 m處水平截面整體溫度差別不大，油槽內(nèi)油溫分布比較均勻。

由圖8、9可知，初始瓦溫、初始油溫一定時(shí)，隨著水溫按24、18.2 、10 ℃降低，Y=0.9 m處水平截面和Y=0.55 m處水平截面整體油溫均逐漸下降，但整體油溫下降幅度并不大，這可能是因?yàn)槔鋮s器距離推力軸瓦的徑向距離過(guò)大或者冷卻水管的間距過(guò)小導(dǎo)致油流阻力增大，散熱效果不佳引起的。

3 結(jié) 論

推力軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)油路阻力比較大，該阻力主要取決于冷卻管的管間距和排列方式及排數(shù)，并且直接影響內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，對(duì)該電站推力軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出以下改進(jìn)建議：

(1)適當(dāng)增大冷卻器U型管直線(xiàn)段的長(zhǎng)度，使冷卻器整體向鏡板適當(dāng)靠近，以適應(yīng)循環(huán)油流的方向，防止入口撞擊造成動(dòng)壓損失。

(2)適當(dāng)增大冷卻器管徑，提高冷卻水的壓力和流量，增強(qiáng)冷卻器效果。

(3)適當(dāng)加大油冷卻器銅管間距，以增大過(guò)油面積，減少油流阻力，以降低瓦溫。