摘要： 大型水電站軸承油槽總是不可避免地發(fā)生油霧泄漏問(wèn)題，改善密封結(jié)構(gòu)通常是解決水電站軸承油槽甩油霧問(wèn)題最簡(jiǎn)單有效的措施.為了降低油霧泄漏對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部造成的污染，文中圍繞某抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)軸承油槽甩油霧問(wèn)題，對(duì)油槽密封蓋進(jìn)行改型，并開展密封腔油霧多相流數(shù)值模擬研究.通過(guò)Mixture模型和SST k－ω模型解析了原密封結(jié)構(gòu)和2種改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布特性，并評(píng)估了不同密封結(jié)構(gòu)下的油霧泄漏情況.研究結(jié)果表明：相比于原設(shè)計(jì)模型，改進(jìn)模型Ⅰ，Ⅱ的油霧泄漏量平均減少了18.9%，88.6%，改進(jìn)模型Ⅱ抑制油霧效果最為顯著；高壓氣體的注入會(huì)破壞密封腔原有的環(huán)形渦流，從而抑制油霧逸出；對(duì)于下部密封腔而言，提高進(jìn)口壓力，減小進(jìn)口流速都有助于改善密封性能.文中的研究可為油槽密封改良以及軸承油霧泄漏控制措施提供一定的參考，提升電站的經(jīng)濟(jì)效益以及運(yùn)行的安全穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞： 抽水蓄能電站；軸承油槽；油霧泄漏；密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化；Mixture模型

中圖分類號(hào)： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）05-0477-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0074

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Influence of sealing structure of generator bearing

oil groove on oil mist leakage

LIU Lijun1， ZHANG Zhiping1， XU Qianxin1， ZHANG Songxiao1，

WU Zhonghua1， SUN Jie2， ZHENG Yuan3， ZHANG Yuquan3*

（1. Jiangxi Hongping Pumped Storage Co.， Ltd.， Yichun， Jiangxi 330600， China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098， China；3. College of Energy and Electrical Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098， China）

Abstract： The problem of oil mist leakage of bearing oil grooves in large hydropower stations is always inevitable. Improving the sealing structure is usually the simplest and most effective measure to solve the problem of oil mist leakage in bearing oil grooves of hydropower stations. In order to reduce the pollution caused by oil mist leakage inside the generator， the problem of oil mist dumping in the generator bearing of a pumped storage power station was taken as research object. The sealing cover of the oil tank was modified， and the numerical simulation of oil mist multiphase flow in the sealed cavity was carried out. The flow field distribution characteristics of the original sealing structure and the two improved sealing structures were analyzed using the Mixture model and SST k-ω model， and the oil mist leakage situation under different sealing structures was evaluated. The results show that compared with the original design model， the oil mist leakage of the improved models Ⅰ and Ⅱ is reduced by 18.9% and 88.6%， respectively and the improved model Ⅱ has the most significant effect on oil mist leakage. The injection of high-pressure gas will destroy the original annular vortex in the sealing cavity， thus inhibiting the oil mist leakage. For the lower sealing cavity， increasing the inlet pressure and decreasing the inlet velocity is helpful to improve the sealing performance. The research of this paper can provide a reference for improving the oil tank sealing and the controlling measures of bearing oil mist leakage and enhancing the economic benefits and the safety and stability of operation of power stations.

Key words： pumped storage power station;bearing oil groove;oil mist leakage;sealing structure optimization;Mixture model

大型水電站軸承油槽總是不可避免的發(fā)生油霧泄露問(wèn)題，這不僅會(huì)消耗大量的潤(rùn)滑油，污染發(fā)電機(jī)定子鐵心、定子線棒及轉(zhuǎn)子線圈，危及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)影響發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱，繼而降低機(jī)組效率，增加機(jī)組運(yùn)行成本，更有甚者，會(huì)污染電站環(huán)境以及下游河流生態(tài)環(huán)境.目前大部分油霧問(wèn)題是外甩油造成的，一般是指發(fā)電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件與蓋板縫隙之間的潤(rùn)滑油在運(yùn)行過(guò)程中甩向蓋板外部的現(xiàn)象，這多與軸承油槽的密封結(jié)構(gòu)有關(guān).

密封結(jié)構(gòu)對(duì)油霧泄漏有著重要影響.大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，迷宮式密封的密封體易折斷、磨損，密封齒難以隨軸補(bǔ)償；接觸式密封條在長(zhǎng)期運(yùn)行后，也易積聚大量油污和粉塵；毛氈制成的壓蓋密封整體效果要好于迷宮式，但也無(wú)法防止由于壓降造成的油霧泄漏.對(duì)于性能優(yōu)良的密封，應(yīng)有如下要求：耐高溫、耐腐蝕、耐老化、耐磨、密封齒隨動(dòng)性好或密封條伸縮性好，如此才能阻止油霧外逸.

根據(jù)幾十年來(lái)的工程經(jīng)驗(yàn)，改善密封結(jié)構(gòu)是迄今為止解決油霧問(wèn)題最簡(jiǎn)單有效的措施.瀑布溝水電站對(duì)軸承油槽密封蓋板進(jìn)行了改造，大幅度減小了油霧泄漏、油滴滲出現(xiàn)象，增加了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性［1］.葛洲壩水電站通過(guò)提高油槽密封的性能，增加油霧吸收裝置，成功解決了推力軸承油霧的逸出問(wèn)題，并為同類型推力軸承的防油霧措施提供了參考［2］.惠州蓄能水電站遭受了嚴(yán)重的油霧泄漏，通過(guò)對(duì)油盆蓋密封結(jié)構(gòu)的改造以及防油霧裝置的增加，徹底解決了水導(dǎo)軸承油霧泄漏的棘手問(wèn)題［3］.

許多學(xué)者對(duì)抑制油霧泄漏的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.田仁斌等［4］設(shè)計(jì)了一種離心式氣密封，該密封可在流道內(nèi)形成高速高壓的氣流，將外逸的油霧引入蝸殼流道，送入油霧吸收系統(tǒng).胡國(guó)富［5］以迷宮密封為研究對(duì)象，對(duì)迷宮空腔中的流場(chǎng)和泄漏特性進(jìn)行研究，得出了壓比、齒形、轉(zhuǎn)速和迷宮幾何尺寸等因素對(duì)迷宮密封泄漏量的影響.孫杰［6］計(jì)算了直通型迷宮和梯形邊迷宮中潤(rùn)滑油的流場(chǎng)，通過(guò)調(diào)整迷宮的幾何尺寸，提出了具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的密封改進(jìn)形式.也有很多學(xué)者對(duì)于密封的間隙泄漏問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，極大提高了密封的設(shè)計(jì)水平.TAM等［7］早在20世紀(jì)就對(duì)密封件和軸承中的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值和分析研究.ZHANG等［8］利用CFD軟件完成了上游泵機(jī)械端面密封面之間的3D內(nèi)流數(shù)值模擬，證明了其相對(duì)于傳統(tǒng)軸承密封所具有的優(yōu)勢(shì).GADARI等［9］用試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了旋轉(zhuǎn)唇形密封的性能，并強(qiáng)調(diào)了軸粗糙度振幅和輪廓對(duì)旋轉(zhuǎn)唇形密封泄漏性能的影響.ZHOU等［10］提出一種分析流體動(dòng)力潤(rùn)滑密封唇性能的數(shù)值模擬方法.

利用數(shù)值模擬設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的密封形式，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，能在最大限度上防治油霧污染，提高電站經(jīng)濟(jì)效益.為了設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)的密封結(jié)構(gòu)，文中采用Mixture模型和SST k－ω模型對(duì)原設(shè)計(jì)模型、改進(jìn)密封模型Ⅰ和改進(jìn)密封模型Ⅱ進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)比較3種密封結(jié)構(gòu)的油霧泄漏量以及流場(chǎng)分布特性，來(lái)選定結(jié)構(gòu)最優(yōu)的密封，同時(shí)對(duì)軸承蓋密封設(shè)計(jì)給出一定的建議.

1 軸承油槽原密封模型及改進(jìn)模型

1.1 軸承油槽原密封模型結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)推力軸承油槽蓋的原設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括2層接觸式密封齒以及1個(gè)密封腔.密封總高度為148 mm，其中，密封腔的長(zhǎng)度為104 mm，寬度為80 mm.在工作過(guò)程中，密封齒隨軸補(bǔ)償，與推力頭緊密接觸，從而起到抑制油霧泄漏的目的.但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，密封齒不可避免會(huì)被磨損，油霧便會(huì)從磨損間隙中泄漏.為了預(yù)測(cè)運(yùn)行一段時(shí)間后油霧的泄漏情況，假設(shè)所有密封齒被均勻磨損了一個(gè)微小量，即推力頭與密封齒之間的間隙為0.4 mm.

1.2 軸承油槽改進(jìn)密封模型

在原設(shè)計(jì)下，運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)軸承油槽油霧外甩油現(xiàn)象嚴(yán)重，在機(jī)架以及軸承蓋等位置都能發(fā)現(xiàn)大量冷卻凝結(jié)的油霧、油滴，如圖2所示.

一方面，油霧的泄漏與潤(rùn)滑油本身的物理性質(zhì)、電站的運(yùn)行工況、軸承油槽結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑油冷卻循環(huán)系統(tǒng)等有關(guān)，另一方面，其外逸也與軸承蓋密封結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系.一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的密封形式，可以在最大程度上將油霧抑制在油箱中，防止其大量外逸對(duì)機(jī)電部件、水電站內(nèi)部環(huán)境、下游河流環(huán)境造成污染和損害.

因此，對(duì)軸承蓋密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，圖3a為油槽蓋密封的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，圖3b，3c為2種改良密封結(jié)構(gòu).值得注意的是，考慮到推力頭的尺寸，在改良前后，密封的總高度H保持不變，仍然為148 mm.圖3b的密封結(jié)構(gòu)在原有的基礎(chǔ)上做了如下調(diào)整：將2組密封齒改為3組，繼而把一個(gè)密封腔分割為兩個(gè)，其中，密封腔2的寬度B與原密封腔完全相同，密封腔1的寬度為密封腔2寬度的2倍.圖3c在圖3b的基礎(chǔ)上，又引入了高壓力氣體進(jìn)口管道，利用壓力差起到進(jìn)一步的密封作用.文中計(jì)算假設(shè)如下：① 所有密封齒被均勻磨損；② 在密封改進(jìn)前后，密封齒的齒隙、齒距等結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變；③ 密封不存在偏心問(wèn)題.

2.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

考慮到動(dòng)、靜部件之間的間隙較?。?.4 mm），若采用三維結(jié)構(gòu)模型，會(huì)由于間隙過(guò)小而導(dǎo)致網(wǎng)格整體數(shù)量呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，占用計(jì)算機(jī)過(guò)多資源.由于軸承油槽密封結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的，因此本中采用二維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)模計(jì)算.圖4為3種密封結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分及動(dòng)靜間隙網(wǎng)格放大圖.

網(wǎng)格的空間離散數(shù)量會(huì)在一定程度上影響計(jì)算結(jié)果，因此，對(duì)計(jì)算后的某一個(gè)或某幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)至關(guān)重要.圖5為原設(shè)計(jì)模型下泄漏量QL隨網(wǎng)格數(shù)量N的變化曲線，可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到31萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本達(dá)到穩(wěn)定.同理，對(duì)改進(jìn)密封模型Ⅰ，Ⅱ也進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定二者的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)分別為36萬(wàn)和37萬(wàn).

2.3 邊界條件及計(jì)算方法

3種模型的邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口邊界，油霧進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界，進(jìn)口壓力值為1.6個(gè)大氣壓（162 120 Pa），將空氣作為高壓密封氣體，也采用壓力進(jìn)口注入，壓力值大小為0.2 MPa；出口邊界，出口與大氣連接，因此設(shè)為壓力出口，且相對(duì)壓力為0，此時(shí)的參考?jí)毫?個(gè)大氣壓；壁面邊界，推力頭壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)中心為主軸的位置坐標(biāo)，其余壁面均設(shè)置為無(wú)滑移的光滑靜止壁面.

計(jì)算介質(zhì)為油霧和空氣，其物理參數(shù)分別為油霧密度1.2 kg/m3，油霧動(dòng)力黏度1.3×10-5 kg/（m·s），空氣密度1.225 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度1.789 4×10-5 kg/（m·s）. 在計(jì)算時(shí)，壓力-速度耦合求解采用Coupled算法，此外，壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能等均采用二階精度的空間離散格式.開啟偽瞬態(tài)流，并適當(dāng)降低松弛因子以提高解的穩(wěn)定性和收斂性.當(dāng)殘差收斂達(dá)到10-5，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 3種密封結(jié)構(gòu)的泄漏量分析

圖6為原密封模型及改進(jìn)密封模型Ⅰ，Ⅱ在不同轉(zhuǎn)速下的油霧泄漏量，可以發(fā)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)在改進(jìn)后，油霧泄漏量有了較為明顯的下降.在同一轉(zhuǎn)速下，相比于原設(shè)計(jì)模型，改進(jìn)模型Ⅰ，Ⅱ的油霧泄漏量平均減少了18.9%，88.6%，效果十分顯著；3種模型下，轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響均小于2%，因此可以忽略轉(zhuǎn)速的影響.

3.2 3種密封結(jié)構(gòu)的速度云圖分析

圖7為3種密封結(jié)構(gòu)的速度云圖.

根據(jù)圖7a可以看出，在原模型中，油霧經(jīng)過(guò)第一層密封齒后，在密封腔中作環(huán)形旋渦運(yùn)動(dòng)，旋渦中心處流速很小，此處油霧基本靜止，受旋渦流動(dòng)的影響，密封腔角落位置處的流體也基本保持靜止.圖7b中的密封腔依然有和圖7a類似的流動(dòng)趨勢(shì)，不同的是，由于下部密封腔長(zhǎng)寬比更大，流體在作環(huán)形運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成了4個(gè)旋渦，油霧攜帶的動(dòng)能在前2個(gè)旋渦中基本消耗殆盡，而上部的密封腔只形成了2個(gè)旋渦.圖7c由于引入了高壓力氣體，整個(gè)密封腔內(nèi)的流速分布形態(tài)發(fā)生了較大的變化，高壓氣體以較高速度流入，破壞了原有的環(huán)形渦流，在密封腔中形成了一個(gè)整體環(huán)流，上部密封腔也有且僅有一個(gè)環(huán)形旋渦.

為了進(jìn)一步探究這3種密封間隙中油霧速度的變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)了密封間隙中點(diǎn)位置處的油霧流速，并繪制成曲線圖，如圖8a所示.

在流經(jīng)密封齒時(shí)，3種模型的油霧流速都有非常劇烈的變化，這是受噴管的收縮、擴(kuò)散作用影響引起的流速突變；流速沿密封腔呈緩慢下降規(guī)律，改進(jìn)模型Ⅰ有2個(gè)密封腔，其流速下降曲線幾乎相同，改進(jìn)模型Ⅱ則完全不同，當(dāng)-0.052 m＜Y＜-0.011 m時(shí)，改進(jìn)模型Ⅱ沿密封腔的流速非常低，這是因?yàn)楦邏簹怏w的存在改變了油霧的流動(dòng)情況，如圖8b所示，通過(guò)圖8b中的油霧體積分布云圖可以得知，在高壓氣體的環(huán)形繞流的作用下，油霧很難從密封齒間隙中逸出，在下部密封腔中的油霧大部分聚集在旋渦中心，而此處的流速幾乎為0，油霧很難繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)并穿過(guò)下一道密封齒，這就有效阻止了油霧的泄漏；在出口位置，改進(jìn)密封Ⅰ由于經(jīng)歷了3道密封齒以及2個(gè)密封腔消能，流速低于原密封模型，因此泄漏量也小于原密封，雖然改進(jìn)模型Ⅱ的出口流速最大，但是根據(jù)圖8b的油霧體積分?jǐn)?shù)θ改變化曲線，高壓力氣體的存在降低了間隙中的油霧含量，出口處油霧的體積分?jǐn)?shù)僅為0.28，雖然流速大，但是大部分油霧被有效阻隔，因此泄漏量極低.

3.3 3種密封結(jié)構(gòu)的壓力云圖分析

圖9為3種密封結(jié)構(gòu)的壓力云圖.從圖中可以看出，不同密封結(jié)構(gòu)下，密封腔內(nèi)的壓力分布有很大差異.原密封模型中，密封腔內(nèi)壓力向中間環(huán)形遞減；在改進(jìn)密封Ⅰ中，上部密封腔與原密封壓力分布及其相似，但整體壓力更低，而下部密封腔壓力分布則較為均勻；在改進(jìn)密封Ⅱ中，下部密封腔內(nèi)的壓力基本和注入的高壓氣體壓力一致，且分布均勻，上部密封腔的壓力比前2種密封都要高.為了進(jìn)一步了解3種密封的壓力分布差異，監(jiān)測(cè)了密封間隙中點(diǎn)位置處的壓力值，并繪制成曲線圖，如圖10所示.

根據(jù)圖10可以得出：3種密封結(jié)構(gòu)的進(jìn)口和出口壓力完全相同，沿著密封腔間隙路徑，原密封模型壓力基本在130 000 Pa左右；受密封結(jié)構(gòu)的影響，改進(jìn)密封Ⅰ的下腔壓力約為140 000 Pa，高于原密封，而上腔壓力僅約為120 000 Pa，低于原密封，改進(jìn)密封Ⅰ的泄漏量比原密封小18.9%，說(shuō)明相比于上部密封腔，下部密封腔的壓力在阻止油霧泄漏上起了更大的作用；而改進(jìn)密封Ⅱ的2個(gè)密封腔壓力都明顯有了很大的提升，因而其密封效果最好.

4 結(jié) 論

1） 在同一轉(zhuǎn)速下，相比于原設(shè)計(jì)模型，改進(jìn)模型Ⅰ，Ⅱ的油霧泄漏量平均減少了18.9%，88.6%，改進(jìn)模型Ⅱ的抑制油霧效果最為顯著.

2） 密封腔內(nèi)的流動(dòng)形式多為環(huán)形渦流，有高壓氣體注入時(shí)，密封腔原有的環(huán)形渦流會(huì)被破壞，這有效抑制了油霧的逸出.

3） 提高下部密封腔進(jìn)口壓力，減小下部密封腔流速有助于改善密封性能，降低油霧泄漏量.

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（責(zé)任編輯 談國(guó)鵬）

收稿日期： 2022-03-24； 修回日期： 2022-07-25； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-04-25

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.0950.008

基金項(xiàng)目： 國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司科技項(xiàng)目（SGXYKJ-2021-037）

第一作者簡(jiǎn)介： 劉立軍（1974—），男，吉林樺甸人，工程師（2076632617@qq.com），主要從事水電站/抽水蓄能電站生產(chǎn)技術(shù)管理、運(yùn)行維護(hù)和檢修管理研究.

通信作者簡(jiǎn)介： 張玉全（1989—），男，江蘇淮安人，教授（zhangyq@hhu.edu.cn），主要從事流體機(jī)械及海洋能利用研究.