基于ANSYS的汽機汽前泵推力軸承溫度仿真分析

摘 要：汽機汽前泵是火力發電廠必不可少的設備之一，其主要作用是保證軸的正常轉動，如果軸承溫度過高，會出現軸承失效現象。基于此，為了避免軸承出現熱失效現象，采用ANSYS軟件對汽機汽前泵推力軸承進行了溫度場分析，為相關人員提供參考。

關鍵詞：火力發電廠;汽機;推力軸承;溫度;有限元分析

0 引言

隨著我國經濟技術的發展，大型發電機組的應用越來越廣泛，直接影響著電網運行的穩定性、安全性和可靠性。推力軸承是確保機組安全穩定運行的重要組件，在大多數情況下，其負載相對較高。在發電機組實際運行過程中，軸承系統散熱不良、軸瓦溫度高等因素會直接影響推力軸承的使用壽命，也會嚴重威脅電力的正常生產。如果推力軸承長時間滿負荷運行，其溫度超過允許值，就會出現熱失效現象，在夏季高溫下，即使將推力軸承油冷卻器完全打開，軸承溫度也會高達85 ℃，為了給軸承降溫，必須增加冷卻器和冷卻水管數量，會增加運營成本。因此，改善推力軸承冷卻系統的散熱性能變得尤為重要。

1 汽機汽前泵推力軸承的冷卻方法分析

推力軸承的潤滑和冷卻方法可分為兩種類型，即內部循環冷卻和外部循環冷卻。本文主要分析外部循環冷卻系統。外部循環冷卻主要是指推力軸承和機油冷卻器安裝在同一油箱上。隨著軸承旋轉部分的旋轉，潤滑油在軸承和冷卻器之間流動。冷卻器中的冷卻液可消除軸承中潤滑油損失帶來的熱量并確保推力正常。如果軸承處于熱平衡狀態，則油溫將在指定溫度下運行。在外部循環系統中，止推軸承位于油箱內部，油冷卻器位于油箱外部。

2 數值模擬在汽機汽前泵推力軸承溫度分析中的應用

在推力軸承油循環冷卻系統的數值模擬中，需要通過獲取潤滑油速度分布和壓力分布情況來確定潤滑油的流動狀態，并最終確定分布式散熱系統的散熱性能和潤滑油速度。由于數值模擬計算難以收斂，并且需要占用大量的計算機內存，工作量較為繁重，技術難度也相對較大，因此需要對模型進行必要的簡化。在有限元仿真分析過程中，水被認為是一種緩慢的不可壓縮的流體，因此可以對具有不同支撐結構的推力軸承油循環冷卻系統進行數值模擬。

3 汽機汽前泵推力軸承溫度仿真分析

為了對火力發電廠汽機汽前泵推力軸承進行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三維建模軟件，建立了采用外部循環冷卻的汽機汽前泵推力軸承三維模型，鑒于計算機的性能和計算時間，忽略了對仿真結果影響不大的特征，只保留了必要的部分，通過ANSYS自帶的網格劃分工具mesh對其進行網格劃分，最終網格劃分數量為466 752，其網格劃分如圖1所示。

汽機汽前泵推力軸承和軸直接接觸，通過殼體采用螺栓進行固定，外部循環冷卻器有冷卻油入口和出口，為了簡化計算，僅表現了推力軸承的一部分結構。假設汽機汽前泵推力軸承的工作環境溫度為15 ℃、25 ℃、35 ℃，將采用外部循環冷卻的汽機汽前泵推力軸承的三維模型導入ANSYS中進行求解計算，汽機汽前泵推力軸承在工作溫度為15 ℃時的溫度分布云圖如圖2所示，汽機汽前泵推力軸承在工作溫度為25 ℃時的溫度分布云圖如圖3所示，汽機汽前泵推力軸承在工作溫度為35 ℃時的溫度分布云圖如圖4所示。

根據圖2可以發現，當軸承工作環境溫度為15 ℃時，汽機汽前泵推力軸承此時的最高溫度為45 ℃左右，最低溫度為44 ℃左右，最高溫度出現在軸承和機殼接觸位置，最低溫度出現在軸承內部和冷卻油直接接觸位置，此時的最高溫度仍在安全范圍內，且數值相對較小，采用外部循環冷卻的汽機汽前泵推力軸承出現熱失效的可能性較低。

根據圖3可以發現，當軸承的工作環境溫度為25 ℃時，汽機汽前泵推力軸承此時的最高溫度為60 ℃左右，最低溫度為59.6 ℃左右，最高溫度出現在軸承和機殼接觸的位置，最低溫度出現在軸承內部和冷卻油直接接觸的位置，此時的最高溫度仍在安全范圍內，且數值相對較小，采用外部循環冷卻的汽機汽前泵推力軸承出現熱失效的可能性依然較低。

根據圖4可以發現，當軸承的工作環境溫度為35 ℃時，汽機汽前泵推力軸承此時的最高溫度為75 ℃，最低溫度為74.4 ℃，最高溫度出現在軸承和機殼接觸的位置，最低溫度出現在軸承內部和冷卻油直接接觸的位置，此時的最高溫度相對較高，但是仍在安全范圍值之內，采用外部循環冷卻的汽機汽前泵推力軸承出現熱失效的可能性相對較高，但是如果冷卻油正常工作，軸承仍可以避免出現熱失效問題，可以認為采用外部循環冷卻，仍可以保證汽機汽前泵推力軸承的正常工作。

4 結語

綜上所述，汽機汽前泵推力軸承性能對保證火力發電廠的正常運營具有重要影響，考慮到傳統冷卻方式下的推力軸承容易出現熱失效現象，采取了外部冷卻油循環冷卻方式，采用ANSYS有限元仿真方法對其進行了驗證，發現采用外部循環冷卻方式的汽機汽前泵推力軸承可以有效避免出現熱失效現象。

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收稿日期：2019-12-27

作者簡介：宋樹全（1986—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向：熱能動力。