李忠凱 徐 翔 秦紅玲 趙益俊

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000;3.重慶華能水電設(shè)備制造有限公司,重慶 404100)

長期以來,水輪發(fā)電機(jī)組軸承油霧問題未得到根本性解決,產(chǎn)生了一系列的危害：溢出的油霧與碳刷集電環(huán)磨損的粉塵相結(jié)合,引起設(shè)備絕緣下降,引發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)故障等事故[1]；油霧可能會(huì)進(jìn)入空氣、江水,造成污染[2].目前,對(duì)油霧廢氣的處理普遍采用單體離心式風(fēng)機(jī)將油霧廢氣抽出到生產(chǎn)環(huán)境之外,但同樣會(huì)造成污染[3].

近年來,越來越多的學(xué)者對(duì)油霧流動(dòng)展開了理論、計(jì)算等方面的研究.戴春祥等運(yùn)用CFD 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分析油霧在油霧收集分離箱里的壓力和體積分布規(guī)律[3].葉和平等利用CFD 軟件對(duì)機(jī)加工車間的集中式空調(diào)系統(tǒng)的噴口送風(fēng)側(cè)回風(fēng)和下送風(fēng)側(cè)回風(fēng)兩種氣流組織形式分別進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)車間內(nèi)的油霧顆粒分布情況進(jìn)行分析研究[4].季運(yùn)康等將CFD 技術(shù)與網(wǎng)格變形技術(shù)應(yīng)用到油霧探測(cè)器探頭氣道流場(chǎng)的優(yōu)化工作中,實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)形狀參數(shù)化控制、試驗(yàn)方案自動(dòng)化運(yùn)行,運(yùn)用近似響應(yīng)面組合優(yōu)化求取最優(yōu)解[5].以上學(xué)者通過對(duì)油霧流動(dòng)的模擬,研究了油霧流動(dòng)時(shí)的規(guī)律,并運(yùn)用于實(shí)際.為了從理論上證明設(shè)計(jì)裝置的可行性,本文根據(jù)所設(shè)計(jì)的直排式吸油霧裝置[6]以及實(shí)際工況條件,運(yùn)用CFD 軟件對(duì)油霧及其流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析,獲得了油霧流場(chǎng)的壓力云圖、速度云圖等,并分析了油霧粘度、入口形狀、出口形狀等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響.

1 裝置介紹

本文所設(shè)計(jì)的水電站水輪發(fā)電機(jī)軸承油霧收集處理裝置三維模型如圖1所示.該裝置布置在法蘭盤上,安裝在機(jī)座上,中間是主軸,殼體四周平均設(shè)置4個(gè)進(jìn)風(fēng)口和4個(gè)出風(fēng)口,相鄰?qiáng)A角為45°.圖2為流場(chǎng)部分的局部放大圖,進(jìn)風(fēng)口略高于出風(fēng)口,并在殼體內(nèi)部設(shè)置有斜齒齒槽,在進(jìn)出風(fēng)口存在風(fēng)壓的條件下,主軸帶動(dòng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的新鮮空氣旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)流場(chǎng)中原有的油霧經(jīng)齒槽從出風(fēng)口流出.

圖1 水輪發(fā)電機(jī)主軸油霧收集處理裝置

圖2 斜齒輪放大圖

2 理論分析

為了便于分析和計(jì)算油霧流場(chǎng),采用歐拉-歐拉法進(jìn)行數(shù)值模擬.

1)質(zhì)量守恒方程

式中：ρ是油霧的密度(氣霧狀的油霧,密度是不定的)；t是時(shí)間；Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量(例如油霧的蒸發(fā))[7],成為源項(xiàng).

2)動(dòng)量守恒方程

式中：p是靜壓；τij是應(yīng)力張量,且τij=,這里μ是油霧的動(dòng)力粘度；g i和F i分別為i方向上的重力體積和外部體積力,F i包含了流場(chǎng)模型的相關(guān)源項(xiàng),如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng).

3)能量守恒方程

式中：E=h-,對(duì)于理想氣體,h=對(duì)于不可壓縮氣體,h=是組分j′的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；keff=k+kt,是有效導(dǎo)熱系數(shù),其中kt是湍流導(dǎo)熱系數(shù)(由湍流模型定義)；是組分j′的擴(kuò)散流量；Sh包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)；方程右邊的前3項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和粘性耗散帶來的能量運(yùn)輸.

4)氣體狀態(tài)方程[8]

氣體的密度通過狀態(tài)方程來求解,其中M m是組分m的分子量；Y m是組分m的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R是通用氣體常數(shù).

3 建模仿真

根據(jù)三維模型,用ANSYS 構(gòu)建的流場(chǎng)如圖3所示.節(jié)點(diǎn)數(shù)大約為17萬個(gè),單元數(shù)大約為87萬個(gè),僅考慮了轉(zhuǎn)軸和支座之間124 mm 高度,以及齒輪輪槽的空間影響.

圖3 流場(chǎng)三維模型

油霧收集分離箱的邊界條件主要是設(shè)置各個(gè)進(jìn)出口的邊界特性,如圖4所示.A 為入口1(inlet1),B為入口2(inlet2),C 為入口3(inlet3),D 為入口4(inlet4),E為出口1(outlet1),F 為出口2(outlet2),G 為出口3(outlet3),H 為出口4(outlet4),I為旋轉(zhuǎn)壁面(wall).

圖4 邊界條件設(shè)置

圖5 出口局部放大

將入口流速設(shè)置為13.8 m/s(由入口尺寸和流量計(jì)算得到)；出口壓力為0；旋轉(zhuǎn)壁面設(shè)置為-17.49 rad/s(由轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速計(jì)算得到),負(fù)號(hào)表示沿Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；油霧的動(dòng)力粘度暫定為μ=1.8×10-4Pa·s.通過Fluent軟件計(jì)算得到壓力云圖、速度云圖和出口截面云圖,分別如圖6～8所示.Y軸的方向由下到上,底面的y的坐標(biāo)為0,y=16 mm 為出口截面中心的高度,y=70 mm 為入口截面中心的高度.

圖6 不同截面下的壓力云圖

圖7 不同截面下的速度云圖

圖8 出口截面云圖

由于斜齒齒槽的存在,軸向高度也影響到流場(chǎng)的分布.圖6 和圖7 分別顯示了不同高度的云圖,將y=16 mm 云圖下的出口處和y=70 mm 云圖下的入口處放大,如圖9～10所示.圖9中出口處和圖10入口處的軸線分別用于提取數(shù)據(jù).

圖9 y=16 mm 的出口云圖

圖10 y=70 mm 的入口云圖

從圖9和圖10可以看出,壓力最大的地方在入口處內(nèi)壁,約為287 Pa,并由于主軸旋轉(zhuǎn)的影響,入口1靠近出口4處的壓力會(huì)比入口1到出口1方向的壓力大,其他幾個(gè)入口同樣；由于主軸的旋轉(zhuǎn),油霧速度最快的地方在內(nèi)壁面,約為32 m/s.此外,出口處壓力接近于0,速度約為15 m/s,從內(nèi)到外,從上到下,有一定的梯度變化.

4 影響因素分析

為了盡快把油霧排除,使流量增加,死區(qū)減小,本文提出幾種影響油霧流場(chǎng)當(dāng)前狀態(tài)的因素并進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真.入口流速設(shè)置為13.8 m/s(由入口尺寸和流量計(jì)算得到),出口壓力為0.

4.1 油霧粘度

由于機(jī)油在長期揮發(fā)過程中會(huì)形成不同濃度的油霧,導(dǎo)致油霧粘度的變化.為此,依次修改運(yùn)動(dòng)粘度為9.0×10-5、1.8×10-4、4.5×10-4、9.0×10-4Pa·s.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得到出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線分別如圖11～12所示.

圖11 不同粘度下的出口軸線處壓力和流速分布

X軸的坐標(biāo)是出口處的軸線,在圖9中有標(biāo)注.圖11中X軸左邊的點(diǎn)靠近旋轉(zhuǎn)壁面,右邊的點(diǎn)靠近出口截面.由圖11可以看出：隨著油霧粘度增大,出口處的壓力和流速整體都變大,這是因?yàn)橹鬏S的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了油霧的流動(dòng),粘度越大,油霧流動(dòng)時(shí)受到的影響也越大.結(jié)合圖9中軸線的位置可以看出,靠近內(nèi)壁的地方變化明顯,但是靠近出口截面的地方壓力和流速與原來的數(shù)值幾乎沒有差異,說明隨著粘度增大,靠近旋轉(zhuǎn)壁面的地方會(huì)受到更大的影響,而越靠近出口,受到的影響越小.

X軸的坐標(biāo)是入口處的軸線,在圖10中有標(biāo)注.圖12中X軸左邊的點(diǎn)靠近入口截面,右邊的點(diǎn)靠近旋轉(zhuǎn)壁面.由圖12可以看出,隨著油霧粘度增大,入口處的壓力整體增大,高速區(qū)域也增大.同樣是由于主軸的旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)了油霧的流動(dòng),所以粘度越大,油霧受到的影響越大.流速從內(nèi)壁到入口處以一定梯度減小,但是在入口截面處的流速幾乎不受粘度影響.

圖12 不同粘度下的入口處壓力和流速分布

4.2 入口形狀

由圖1可以看到進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的形狀和位置,在圖3的建模中,進(jìn)風(fēng)口的管道流域是一個(gè)寬為107 mm、高為32 mm 的長方形；出風(fēng)口的管道流域是一個(gè)寬為67 mm、高為32 mm 的長方形.進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別連接進(jìn)氣和出氣的管道,入口截面與出口截面是一個(gè)直徑為32 mm 的圓.改變進(jìn)風(fēng)口長方形管道的尺寸,見表1.

表1 入口方案表

得到5種方案下的出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線,分別如圖13～14所示.

圖13 不同入口形狀下的入口處壓力和流速分布

由圖13可以看出隨著進(jìn)風(fēng)口寬度增大,入口處的低壓區(qū)域減小,高速區(qū)域增大；隨著高度增大,入口處的壓力整體增大,低速區(qū)域減小.

如圖14所示,改變進(jìn)風(fēng)口管道的寬度對(duì)出口的壓力與流速幾乎沒有影響.改變進(jìn)風(fēng)口管道的高度對(duì)出口的壓力與流速影響很小,基本可以忽略不計(jì).

圖14 不同入口形狀下的出口處壓力和流速分布

4.3 出口形狀

改變出風(fēng)口長方形管道的尺寸,見表2.

表2 出口方案表

得到5種方案下的出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線,分別如圖15～16所示.

圖15 不同出口形狀下的入口處壓力和流速分布

從圖15可以得出結(jié)論,隨著出風(fēng)口管道寬度增加,入口的壓力會(huì)整體增大,高速區(qū)域增大；隨著出風(fēng)口管道高度增大,入口的壓力會(huì)明顯增大,但是高速區(qū)域上會(huì)減小.

從圖16可以得出結(jié)論,隨著出風(fēng)口管道寬度增加,出口處的壓力整體增大,高速區(qū)域增大；隨著出風(fēng)口管道高度增大,出風(fēng)口壓力整體增大,但是低速區(qū)域增大,主要是因?yàn)槌鲲L(fēng)口高度增大,油霧分層流動(dòng),但是入口的流量保持一定,所以單個(gè)截面上流速會(huì)有所降低.

圖16 不同出口形狀下的出口處壓力和流速分布

5 結(jié)論

本文對(duì)油霧處理的流場(chǎng)進(jìn)行了建模,用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬和仿真,并從粘度、入口形狀、出口形狀3個(gè)角度分析了對(duì)油霧流場(chǎng)的影響,為今后對(duì)油霧流場(chǎng)的分析提供了參考.

1)在有旋轉(zhuǎn)壁面幫助油霧流動(dòng)的情況下,隨著油霧粘度增大,入口處的壓力整體增大,高速區(qū)域也增大.流速從內(nèi)壁到入口處以一定梯度減小,但是在入口截面處的流速幾乎不受粘度影響；出口處的壓力和流速整體都變大,尤其是靠近內(nèi)壁的地方變化明顯,但是靠近出口截面的地方壓力和流速與原來的數(shù)值幾乎沒有差異.

2)隨著進(jìn)風(fēng)口寬度增大,入口處的低壓區(qū)域減小,高速區(qū)域增大；隨著高度增大,入口處的壓力整體增大,低速區(qū)域減小.改變進(jìn)風(fēng)口的寬度或高度對(duì)出口的壓力與流速的影響都很小,基本可以忽略不計(jì).

3)隨著出風(fēng)口管道寬度增加,出入口的壓力都會(huì)整體增大,出入口高速區(qū)域也會(huì)增大.隨著出風(fēng)口管道高度增大,出入口的壓力整體上都會(huì)增大,但是入口處高速區(qū)域上會(huì)減小,出口處速區(qū)域增大,整體速度減小.