龐嘉揚(yáng)，劉小兵，曾永忠，余志順，宋罕

(西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

近年來(lái)，隨著對(duì)水力發(fā)電工程的深入研究發(fā)現(xiàn)，電站水輪發(fā)電機(jī)組軸承油霧外逸現(xiàn)象普遍存在，油霧的外逸對(duì)生態(tài)環(huán)境和電站安全運(yùn)行造成了極大的影響，因此有效解決電站的軸承油霧外逸問(wèn)題就顯得尤為迫切.

目前，已有較多學(xué)者對(duì)電站軸承油霧外逸問(wèn)題進(jìn)行了研究.BRAJDIC-MITIDIERI等[1]借助兩相流模型從潤(rùn)滑內(nèi)特性研究了滑動(dòng)軸承的工作原理.AKBARZADEH[2]研究了立式水電站的油潤(rùn)滑可傾瓦推力軸承的熱流數(shù)值計(jì)算方法，并采用此計(jì)算方法分析了推力瓦數(shù)、預(yù)緊系數(shù)、軸心位置和軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響.SHUN[3]研究了渦輪增壓器的潤(rùn)滑油膜在純液態(tài)以及含有氣泡并引入空穴模型的2種情況下，潤(rùn)滑特性的變化情況.ROUF等[4]通過(guò)在巴氏合金軸瓦瓦面下方埋設(shè)冷卻水管路來(lái)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)的軸承進(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.KIM等[5]在考慮了潤(rùn)滑油密度和黏度的三維變化的前提下，研究了環(huán)境參數(shù)、支點(diǎn)位置和工況對(duì)推力軸承的影響.WALICKI等[6]、WASILCZUK等[7]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.ZHAO等[8]采用有限差分法對(duì)水潤(rùn)滑軸承特性進(jìn)行仿真、理論分析和試驗(yàn)研究，確定了水潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承的水動(dòng)力特性.唐乾皓等[9-10]針對(duì)某核主泵推力瓦溫過(guò)高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)軸瓦改善瓦間流場(chǎng)，提高油系統(tǒng)冷卻性能.孫丹等[11]建立了基于CFD的滑動(dòng)軸承兩相流模型，研究了兩相流下軸承的潤(rùn)滑，分析了滑動(dòng)軸承氣穴分布的特點(diǎn)和影響因素，此外還研究了三油楔滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑特性.李涵等[12]利用平均流量方程和流量因子，研究了軸頸和軸瓦表面形貌對(duì)軸承潤(rùn)滑特性的影響.羅躍綱等[13]針對(duì)帶有迷宮密封的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)氣流激振的問(wèn)題，分析了系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性以及失穩(wěn)轉(zhuǎn)速和密封力的影響因素及其影響規(guī)律.張艾萍等[14]分析了不同油膜厚度下的油膜特性及其對(duì)軸承振動(dòng)幅值的影響,以實(shí)現(xiàn)在ANSYS中多物理場(chǎng)的耦合分析.王琪等[15]、李承軍[16]基于抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)組，研究油霧成因和油霧的外逸方式，改進(jìn)了機(jī)組的幾何結(jié)構(gòu)，徹底解決了油霧治理難題.馬新紅等[17]考察了小浪底電廠6號(hào)機(jī)組軸承的運(yùn)行情況，對(duì)軸承進(jìn)行了全方位的分析, 通過(guò)密封、油位和結(jié)構(gòu)等不同改進(jìn)措施，緩解了軸承油霧外逸現(xiàn)象.

文中以某軸領(lǐng)泵內(nèi)循環(huán)式內(nèi)置冷卻器下導(dǎo)軸承(下文以下導(dǎo)軸承為簡(jiǎn)稱)為原型，優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，增設(shè)平壓孔，設(shè)計(jì)新型下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu).采用VOF兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)油氣混合物運(yùn)動(dòng)特性和相分布進(jìn)行分析.對(duì)比2種不同下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油外逸量、外逸方式和流場(chǎng)特性差異，從結(jié)構(gòu)上尋找下導(dǎo)軸承油霧逸出的原因.

1 下導(dǎo)軸承油循環(huán)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)三維模型

下導(dǎo)軸承油循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.浸油式內(nèi)循環(huán)冷卻下導(dǎo)軸承軸領(lǐng)在與軸瓦中心位置開(kāi)設(shè)8個(gè)與水平面呈45°直徑為16 mm的軸領(lǐng)泵孔，在高速旋轉(zhuǎn)的主軸帶領(lǐng)下，軸領(lǐng)內(nèi)腔的潤(rùn)滑油產(chǎn)生壓頭，迫使?jié)櫥蛷妮S領(lǐng)泵孔流入軸領(lǐng)與軸瓦間隙，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的軸領(lǐng)和靜止的軸瓦起潤(rùn)滑作用，避免軸瓦被高溫?zé)龎模?duì)潤(rùn)滑油的循環(huán)過(guò)程提供動(dòng)力.根據(jù)軸領(lǐng)泵工作原理，將下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域2部分.圖2為下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)三維模型，其參數(shù)：軸領(lǐng)泵孔直徑D1為16 mm，下導(dǎo)軸瓦內(nèi)直徑D2為900.2 mm，水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速n為500 rad/min，軸瓦瓦塊數(shù)Z為8，軸領(lǐng)泵孔數(shù)N為8.

圖1 下導(dǎo)軸承油循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)三維模型

1.2 下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)油霧外逸機(jī)理分析

在浸油式內(nèi)循環(huán)下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)中，下導(dǎo)中心線以下空間一般會(huì)被潤(rùn)滑油完全浸沒(méi).水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，下導(dǎo)軸承油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油受到軸領(lǐng)的攪動(dòng)和離心力聯(lián)合作用，油箱內(nèi)的潤(rùn)滑油相互碰撞、撞擊，形成油沫、油霧.在油循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部和外界壓力差的驅(qū)動(dòng)作用下，油沫、油霧沿軸領(lǐng)內(nèi)壁面爬升，從擋油環(huán)與主軸之間的空腔外逸出去，導(dǎo)致下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)發(fā)生油霧外逸現(xiàn)象.

1.3 下導(dǎo)軸承改進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖3為下導(dǎo)軸承改進(jìn)結(jié)構(gòu)三維模型.為了解決水輪發(fā)電機(jī)組下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中油箱內(nèi)部潤(rùn)滑油霧外逸的問(wèn)題，在不改變機(jī)組油系統(tǒng)工作原理、軸承整體結(jié)構(gòu)和軸瓦數(shù)量的條件下，通過(guò)對(duì)擋油環(huán)增設(shè)4級(jí)迷宮密封結(jié)構(gòu)，并在軸領(lǐng)頂端增設(shè)4個(gè)直徑為8 mm的均勻分布通氣平壓孔來(lái)改進(jìn)下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu).迷宮密封結(jié)構(gòu)從幾何結(jié)構(gòu)上減少了油霧的外逸量，通氣平壓孔與大氣相通，通過(guò)大氣壓平衡油箱內(nèi)部壓力，減小油箱內(nèi)外壓力差，改進(jìn)結(jié)構(gòu)從幾何結(jié)構(gòu)和物理因素這2個(gè)方面同時(shí)對(duì)油霧逸出起到抑制作用.

圖3 下導(dǎo)軸承改進(jìn)結(jié)構(gòu)三維模型

2 下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法

在電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，包含非定常三維非線性湍流流動(dòng)和熱流動(dòng)，油膜厚度為0.2 mm，采用近似湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.

2.1 數(shù)學(xué)模型

下導(dǎo)軸承油氣兩相流計(jì)算采用VOF模型，軸領(lǐng)作為旋轉(zhuǎn)部件，與軸瓦之間形成動(dòng)靜交接，必須考慮剪切應(yīng)力對(duì)油膜的影響，故采用SST湍流模型中的k-ω方程.

對(duì)于計(jì)算流場(chǎng)的方程組，可用以下方程進(jìn)行描述：

1) VOF兩相流模型

ρ=αgρg+αvρv,

(1)

μ=αgμg+αvμv,

(2)

式中：αg,αv分別為油、氣兩相體積分?jǐn)?shù)；ρg,ρv分別為油、氣兩相密度；μg,μv分別為油、氣兩相黏度.

2) 湍流模型

湍流動(dòng)能k

(3)

比耗散率ω

(4)

2.2 網(wǎng)格劃分

本研究對(duì)象包括油膜、冷卻器和軸瓦等復(fù)雜部件，旋轉(zhuǎn)域中油膜厚度極薄，必須采用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，靜止域包括了冷卻器和軸瓦瓦塊等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分.為保證網(wǎng)格質(zhì)量和動(dòng)靜交接面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連接的準(zhǔn)確性，對(duì)靜止域中動(dòng)靜交接面以及尺寸微小的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理和調(diào)整.以下導(dǎo)軸承油系統(tǒng)壓差為標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性如表1所示，表中S為網(wǎng)格數(shù)，Tj為計(jì)算油溫，Ts為實(shí)際油溫，e為誤差.最終選擇網(wǎng)格數(shù)為17 965 008的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算.

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.3 邊界條件及潤(rùn)滑油參數(shù)

數(shù)值計(jì)算求解需要合理的邊界條件，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面、旋轉(zhuǎn)域上各表面(除擋油環(huán)表面)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)交界面，轉(zhuǎn)速為500 r/min.根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律和結(jié)構(gòu)效率推算，在極端條件下考慮到熱耗散等情況，油膜與軸瓦交界面設(shè)置為75 ℃的發(fā)熱面，傳熱模型采用Total Energy模型.潤(rùn)滑油采用L-TSA46#透平油，密度為891 kg/m3,運(yùn)動(dòng)黏度為0.044 75 Pa·s.

3 2種下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算分析

下導(dǎo)軸承中潤(rùn)滑油的外逸與油箱內(nèi)部流場(chǎng)特性緊密相關(guān)，油箱流場(chǎng)特性可以反映出潤(rùn)滑油的熱量變化和油氣兩相的分布情況，2種不同軸承結(jié)構(gòu)的壓力分布也可作為分析油霧外逸的重要參數(shù)，油霧的外逸方式和外逸原理是研究2種不同軸承結(jié)構(gòu)的重要依據(jù).

3.1 選取流場(chǎng)特征軸面

下導(dǎo)軸承作為一種旋轉(zhuǎn)部件，其圓周方向上流場(chǎng)特性相似，為了準(zhǔn)確分析2種不同下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性的差異性，選擇相同對(duì)比尺度的特征軸面.圖4為特征軸面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取圖，如圖所示，以水輪機(jī)安裝布置X平面作為特征軸面，依據(jù)特征軸面定性和定量分析潤(rùn)滑油外逸原理和油箱內(nèi)部壓力分布，以軸領(lǐng)和擋油環(huán)間的空腔作為潤(rùn)滑油外逸的主要通道來(lái)研究油氣兩相分布情況.

圖4 特征軸面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

3.2 油箱溫度分布分析

圖5為2種結(jié)構(gòu)特征軸面溫度分布.根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后2次計(jì)算結(jié)果，取特征軸面對(duì)溫度T進(jìn)行對(duì)比分析，電站水輪發(fā)電機(jī)組下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化對(duì)油箱內(nèi)部溫度變化影響不大，油箱內(nèi)部潤(rùn)滑油整體溫度約為42 ℃，電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，下導(dǎo)軸承油箱中的潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)溫度為45.5 ℃，由此可見(jiàn)，此次數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠.油箱溫度變化主要發(fā)生在潤(rùn)滑油從軸領(lǐng)與軸瓦間隙間流出來(lái)后的區(qū)域.這是因?yàn)檩S瓦與軸領(lǐng)摩擦產(chǎn)生的熱量從熱油傳送到油箱的冷油中，發(fā)生對(duì)沖，含熱量的潤(rùn)滑油進(jìn)入冷卻器，熱量通過(guò)冷卻器中的冷卻水被帶出到外界，使油箱內(nèi)部溫度場(chǎng)達(dá)到平衡狀態(tài).

圖5 2種結(jié)構(gòu)特征軸面溫度分布

3.3 油箱壓力分布分析

圖6為2種結(jié)構(gòu)特征軸面壓力分布.2次計(jì)算結(jié)果做壓力p對(duì)比分析.由于油箱中的潤(rùn)滑油受到重力和離心力的共同作用，下導(dǎo)軸承油箱中下導(dǎo)中心線以上部分壓力變化范圍小，下導(dǎo)中心線以下部分壓力均勻變化，油箱底部靠近油箱外緣壓力最大，下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，油箱內(nèi)壓力分布規(guī)律一致，改進(jìn)后的下導(dǎo)軸承油箱整體壓力變化小，保證了下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定性.圖7為2種結(jié)構(gòu)壓力差值.選取特征軸面上8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)壓力做數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后油箱內(nèi)部壓差小于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前油箱內(nèi)部壓差pd，通過(guò)通氣平壓孔向軸領(lǐng)和擋油環(huán)之間的空腔中補(bǔ)氣，平衡油箱內(nèi)外壓差使空腔負(fù)壓區(qū)減少，油霧運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力減小，有效地減少了在壓差作用下從軸領(lǐng)和擋油環(huán)之間的空腔中外逸的潤(rùn)滑油，因此改進(jìn)后的下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)對(duì)軸承油霧的逸出有了明顯的抑制作用.

圖6 2種結(jié)構(gòu)特征軸面壓力分布

圖7 2種結(jié)構(gòu)壓力差值

圖8為2種結(jié)構(gòu)軸領(lǐng)泵孔壓力分布.

2種結(jié)構(gòu)的軸領(lǐng)泵孔內(nèi)壓力分布規(guī)律、趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明軸承結(jié)構(gòu)對(duì)軸領(lǐng)泵孔內(nèi)的壓力沒(méi)有影響，軸領(lǐng)泵孔的壓力變化主要與水輪機(jī)工況有關(guān).由于軸領(lǐng)泵孔出口過(guò)流面積增大，導(dǎo)致流速降低，使油氣混合物速度勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，軸領(lǐng)泵孔內(nèi)部壓力高，從軸領(lǐng)泵孔入口至軸領(lǐng)泵孔出口，壓力變化均勻增加，最大壓力達(dá)到63 826.4 Pa.

3.4 油箱油氣混合物相分析

圖9為2種結(jié)構(gòu)油氣分布.特征軸面中以油相體積分?jǐn)?shù)Vo代表油氣分布，紅色為潤(rùn)滑油，藍(lán)色為空氣，油箱下導(dǎo)中心線以下部分主要為潤(rùn)滑油.原結(jié)構(gòu)內(nèi)部流態(tài)紊亂，油箱內(nèi)外壓差大，軸領(lǐng)與擋油環(huán)間的空腔中油氣交界面高，空氣進(jìn)入了潤(rùn)滑油內(nèi)部，浪涌現(xiàn)象嚴(yán)重.油箱內(nèi)部氣泡數(shù)量多，體積大，氣泡在潤(rùn)滑油中的不均勻分布對(duì)下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，加劇了潤(rùn)滑油的碰撞，導(dǎo)致油沫、油霧的產(chǎn)生.改進(jìn)后的下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)擋油環(huán)安裝了4級(jí)迷宮密封，軸領(lǐng)內(nèi)壁面升高的潤(rùn)滑油受到迷宮密封擋板的作用，不能從空腔中外逸出去，軸領(lǐng)與擋油環(huán)間的空腔中油氣交界面低；改進(jìn)結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油中氣泡數(shù)量少，體積較小，油箱內(nèi)部含氣率降低，保證了油箱內(nèi)部流態(tài)的穩(wěn)定和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性；潤(rùn)滑油液面波動(dòng)振幅小，液面平緩，油箱內(nèi)部穩(wěn)定，減少了熱油之間的碰撞，很大程度上抑制了油沫和油霧的產(chǎn)生.

圖9 2種結(jié)構(gòu)油氣分布

圖10為2種結(jié)構(gòu)油霧外逸通道及外逸體積分?jǐn)?shù).通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)外逸通道中潤(rùn)滑油的外逸量局部放大后發(fā)現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)中潤(rùn)滑油主要從擋油環(huán)和軸領(lǐng)之間的空腔發(fā)生外逸，最大外逸體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.010 6；改進(jìn)結(jié)構(gòu)中軸領(lǐng)與擋油環(huán)之間的空腔中油霧外逸量小，少量油沫、油霧在擋油環(huán)密封作用下，從密封級(jí)間回流到油箱，潤(rùn)滑油主要通過(guò)通氣平壓孔外逸，擋油環(huán)與主軸內(nèi)潤(rùn)滑油的體積分?jǐn)?shù)(濃度)最大為0.002 31.改進(jìn)后的下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油外逸量最大體積分?jǐn)?shù)為改造前的21.79%，下導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油的外逸量大大減少.

圖10 2種結(jié)構(gòu)油霧外逸通道及外逸體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié) 論

文中在研究原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性和潤(rùn)滑油兩相分布差異性的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了關(guān)于軸承結(jié)構(gòu)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組油霧外逸現(xiàn)象的抑制作用研究，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)對(duì)比2種結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)值計(jì)算結(jié)果壓力分布，定性分析了油霧外逸現(xiàn)象是由于油箱內(nèi)外下導(dǎo)軸承密封結(jié)構(gòu)缺失和油箱內(nèi)外壓力差較大引起的；選取油箱內(nèi)部8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值，計(jì)算對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)壓力差值，對(duì)比分析表明通氣平壓孔可以有效緩解油箱內(nèi)外壓力差，減少油霧外逸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

2) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)增設(shè)了密封結(jié)構(gòu)和通氣平壓孔，新增結(jié)構(gòu)改善了油箱內(nèi)部流場(chǎng)，并減少了潤(rùn)滑油內(nèi)氣泡的數(shù)量，保證了下導(dǎo)軸承的運(yùn)行穩(wěn)定性，證實(shí)了結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和環(huán)境物理因素是影響油霧逸出的重要因素.改進(jìn)后的下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)油霧外逸量減少了78.21%，油霧外逸得到顯著抑制.