抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)軸承甩油迷宮環(huán)密封特性探討

樓 勇， 張 書(shū) 友， 曾 輝， 萬(wàn) 晶 宇， 馮 波， 李 冬 冬， 王 青 華

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090； 2.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉 313302)

0 引 言

某抽水蓄能機(jī)組為三相立軸懸式空冷可逆式同步電機(jī)，單機(jī)容量300 MW，轉(zhuǎn)速500 rpm。發(fā)電機(jī)推力軸承布置在上機(jī)架上油槽中，與布置在同一機(jī)架下方的上導(dǎo)軸承共用上機(jī)架，下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體內(nèi)。上、下導(dǎo)軸承共同承受各種運(yùn)行工況下徑向力和磁拉力[1，2]。采用稀油潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承，多數(shù)情況要受甩油問(wèn)題的困擾[3，4]。大港水電站2號(hào)機(jī)組曾出現(xiàn)上導(dǎo)軸承甩油導(dǎo)致運(yùn)行液位明顯下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電站安全運(yùn)行，后采取加裝圓弧形擋油環(huán)等措施后甩油現(xiàn)象得到抑制[5-7]。揚(yáng)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司的立式循環(huán)泵1B機(jī)組推力軸承也曾發(fā)生嚴(yán)重甩油，造成機(jī)組不能正常運(yùn)行，后通過(guò)增加擋油圈的高度才消除了甩油現(xiàn)象[3]。二灘水電站首次運(yùn)行時(shí)，甩油量達(dá)1.07 kg/h，下導(dǎo)軸承油位下降40 mm仍甩油不止，最終通過(guò)加裝甩油密封環(huán)與直角擋油環(huán)解決甩油問(wèn)題[8]。廣蓄B廠機(jī)組每運(yùn)行350 h，上導(dǎo)軸承至少出現(xiàn)一次油位低警報(bào)，每次需補(bǔ)油80 L，經(jīng)過(guò)三次試驗(yàn)確定增加新型擋油環(huán)的解決方案[9，10]。甩油對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行極其不利，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生軸瓦燒毀事故，引起機(jī)組不正常停機(jī)，影響到電站的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)外大多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)解決機(jī)組故障，很少采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)甩油現(xiàn)象的成因與抑制措施進(jìn)行研究。

1 導(dǎo)軸承建模

1.1 導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)

某抽蓄導(dǎo)軸承軸瓦采用分塊扇形巴氏合金材料，稀油潤(rùn)滑筒式瓦、軸承雙向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，用自身泵進(jìn)行油循環(huán)。與國(guó)內(nèi)常規(guī)設(shè)計(jì)相比，導(dǎo)軸承除浸油高度低外，還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)即內(nèi)擋油圈頂面與靜止液位高度差低，分別為77 mm、82 mm，而一般均要求大于200 mm。廠家要求現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)內(nèi)擋油圈與大軸同心度調(diào)整相對(duì)較嚴(yán)(不大于0.25 mm)，但機(jī)組實(shí)際運(yùn)行后上、下導(dǎo)軸承油槽均出現(xiàn)甩油現(xiàn)象[1]。為此，廠家專(zhuān)門(mén)在上、下導(dǎo)軸承內(nèi)擋油圈上分別安裝了密封環(huán)，裝在靜止液位以下20 mm處，來(lái)抑制甩油現(xiàn)象。

1.2 VOF模型

VOF模型對(duì)每一相流體引入一個(gè)體積分?jǐn)?shù)函數(shù)，在每個(gè)控制單元中，所有相的體積分?jǐn)?shù)的和為1。如果第q相流體的體積分?jǐn)?shù)記為αq，那么就會(huì)出現(xiàn)三種情況αq= 0表示第q相流體在單元中是空的；αq= 1表示第q相流體在單元中是充滿的；0 <αq< 1表示單元中既包含第q相流體也包含其他相流體[11，12]。

計(jì)算中只有空氣和潤(rùn)滑油兩相，設(shè)控制單元中油的體積分?jǐn)?shù)為α1，空氣相體積分?jǐn)?shù)為α2，則有:

α1+α2=1

(1)

1.3 計(jì)算模型

基于導(dǎo)軸承特殊裝配結(jié)構(gòu)，對(duì)不影響軸領(lǐng)部位流場(chǎng)或旋轉(zhuǎn)后液位高低的不必要結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如油盆側(cè)面底部凸臺(tái)、遠(yuǎn)離軸領(lǐng)擾動(dòng)部位的冷卻器及導(dǎo)軸承間隙等。用連通大氣的穩(wěn)壓管代替冷卻器部位的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)凸臺(tái)和軸承間隙等部位采用抹平和替代等方法簡(jiǎn)化。

圖1為化簡(jiǎn)后計(jì)算模型示意圖。圖中a、c處與大氣連通，模擬穩(wěn)壓管。d和e處為靜止液面，靜止液位以下均為ISO 46號(hào)潤(rùn)滑油。b處為臨界液面，當(dāng)潤(rùn)滑油液位超過(guò)b處液位時(shí)發(fā)生甩油現(xiàn)象。f處為軸領(lǐng)旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)動(dòng)中心為g。圖中除密封環(huán)頂部與靜止液面間距h(h=20 mm為設(shè)計(jì)高度)外，均為固定值。

圖1 計(jì)算模型示意圖

軸領(lǐng)附近高速旋轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑油在離心力與偏心泵的作用下，造成液位劇烈波動(dòng)，擋油密封環(huán)起阻隔作用，有效降低潤(rùn)滑油液位波動(dòng)高度。假設(shè)環(huán)形油盆中心與主軸中心重合忽略偏心泵作用，研究密封環(huán)安裝位置對(duì)液位高度的影響，圖2給出了密封環(huán)示意圖。表1給出了密封環(huán)幾何安裝尺寸。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是CFD計(jì)算中的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量和布置的合理性對(duì)計(jì)算精確性和收斂速度具有很大影響。為提高計(jì)算精度，采用二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)流動(dòng)變化劇烈的齒頂處進(jìn)行適當(dāng)加密。筆者采用壁面函數(shù)法將壁面的物理量與湍流核心區(qū)聯(lián)系，并將y+值控制在30～150區(qū)間范圍內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)據(jù)共計(jì)約1.2萬(wàn)。

圖2 密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 密封幾何與安裝位置尺寸

1.5 計(jì)算工況設(shè)置

筆者采用VOF模型，設(shè)定空氣為主項(xiàng)，ISO 46號(hào)潤(rùn)滑油為次項(xiàng)，因油盆容量較大，且在冷卻器的作用下，盆內(nèi)潤(rùn)滑油溫度不會(huì)發(fā)生劇烈變化，此處假設(shè)潤(rùn)滑油溫度恒定為38 ℃。計(jì)算采用湍流模型k-ε，湍流強(qiáng)度5%，壁面設(shè)置為絕熱光滑無(wú)滑移壁面，軸領(lǐng)壁面為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面，轉(zhuǎn)速為額定工況500 rpm，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 ms。計(jì)算前設(shè)定初始狀態(tài)下潤(rùn)滑油項(xiàng)在計(jì)算域內(nèi)所占比例，計(jì)算采用非定常方法，用PISO算法對(duì)速度-壓力的耦合方程進(jìn)行求解。待液位不隨時(shí)間變化后，即可認(rèn)為流場(chǎng)接近于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 甩油動(dòng)態(tài)特性

圖3給出了液位隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化情況，密封間隙與安裝位置為導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)值Cr=2。圖中截取兩個(gè)時(shí)刻(t=0.3 s、0.9 s)觀察不同時(shí)刻油盆內(nèi)液位狀態(tài)。在粘性力的作用下軸領(lǐng)帶動(dòng)潤(rùn)滑油高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，軸領(lǐng)壁面處潤(rùn)滑油液位陡升至軸領(lǐng)頂端，呈柱狀。隨時(shí)間推移，上升油柱寬度不斷增加(t>0.9 s后基本穩(wěn)定)并有甩出油盆的趨勢(shì)。

(a)t=0.3 s

(b)t=0.9 s圖3 液位動(dòng)態(tài)變化

2.2 密封間隙對(duì)甩油的抑制作用

圖4給出了液位高度隨密封間隙變化圖。選取不同密封間隙Cr=1、3 mm，密封安裝高度h取20 mm與實(shí)際工況吻合。對(duì)比不同密封間隙對(duì)甩油的抑制效果。從圖4中可以看出，密封間隙為取1 mm時(shí)上升液柱寬度相對(duì)其他工況較窄，通過(guò)間隙可以抑制甩油。結(jié)合圖4與圖3計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)密封間隙為Cr≥2 mm時(shí)，密封間隙的變化對(duì)液位幾乎不產(chǎn)生影響，密封間隙的變化對(duì)甩油的抑制效果并不明顯。

(a)Cr=1 mm

(b)Cr=3 mm圖4 液位高度隨密封間隙變化

(a)h=30 mm

(b)h=10 mm圖5 液位高度隨密封安裝高度變化

2.3 密封安裝高度對(duì)甩油的抑制作用

圖5給出了液位高度隨密封安裝高度變化情況。計(jì)算工況選取不同密封安裝高度，密封間隙Cr取2 mm與實(shí)際工況吻合，對(duì)比不同密封安裝高度對(duì)甩油的抑制效果。其中h=30 mm為最低安裝位置，每種工況間隔20 mm。圖5表明，隨密封安裝高度的增加，上升液柱寬度有減小趨勢(shì)，對(duì)甩油現(xiàn)象具有抑制作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

抽蓄機(jī)組導(dǎo)軸承甩油會(huì)造成潤(rùn)滑油浪費(fèi)并對(duì)定子與轉(zhuǎn)子繞組造成污染，加速絕緣材料的老化，且甩油嚴(yán)重時(shí)，使得潤(rùn)滑油液位過(guò)低，瓦溫升高過(guò)快，可能導(dǎo)致干摩擦而引發(fā)燒瓦事故。筆者基于VOF模型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)抑制甩油的關(guān)鍵部件，即甩油迷宮密封環(huán)特性進(jìn)行研究，計(jì)算模擬甩油過(guò)程，得到液位動(dòng)態(tài)變化特性，并得出密封間隙與密封環(huán)安裝位置對(duì)液位的影響規(guī)律。減小密封間隙可抑制導(dǎo)軸承甩油現(xiàn)象，僅在密封間隙小于2 mm時(shí)有效。提高密封環(huán)安裝高度，對(duì)抑制甩油效果明顯，但當(dāng)密封環(huán)下端上升至靜止油位以上，繼續(xù)提高安裝高度其抑制效果將不再提升。調(diào)節(jié)甩油迷宮環(huán)間隙與安裝高度完全可抑制導(dǎo)軸承甩油現(xiàn)象，研究成果可為導(dǎo)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)與維護(hù)提供指導(dǎo)。