抽水蓄能機組不同工況下推力軸承油膜特性研究

聶 賽，劉 澤，秦 程，洪云來，胥千鑫，李巖偉，張 智，張玉全，鄭 源

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330600；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇省南京市 210098；3.河海大學水利水電學院，江蘇省南京市 210098）

0 引言

在抽水蓄能電站實際運行過程中水輪機的推力軸承不僅要承受發電機組轉子質量，還同時要承受軸向水推力等載荷，保證其可靠性對水電站的安全高效運行至關重要；推力軸承的油膜對推力軸承的工作性能起著至關重要的作用，因此對推力軸承油膜特性進行研究顯得尤為重要[1]。

對推力軸承油膜特性的研究以往大多數以Reynolds方程為基礎[2，3]，其中 Reynolds方程是根據N -S方程及連續方程推導得出，由于其對 N-S方程中的慣性項、油膜曲率等因素進行了忽略，實際求解中對油膜外的流場模擬分析并不適用[4，5]。隨著近幾年來CFD方法的飛速發展，對推力軸承油膜的溫度場、速度場及壓力場進行模擬分析已成為可能[6，7]。王正偉[8]和許艷[9，10]等利用ARMD軟件在一并考慮軸承剛度及阻尼的情況下，對水輪機機組轉子進行了動力學計算。章志平[6]等利用FLUENT軟件對優化后的推力瓦進行了數值模擬計算和實驗驗證，表明模擬結果與試驗基本吻合。屈波[11]等運用CFD方法發現推力軸承軸瓦的彈性模量的適當降低，將有利于軸承壽命的延長。

本文將洪屏抽水蓄能機組的推力軸承作為研究對象，并做一定結構簡化。以N-S方程為基礎，利用AUTOCAD和NX軟件進行三維建模，采用ICEM軟件對模型進行網格劃分工作、FlUENT流體分析軟件對推力軸承油膜在不同工況下進行模擬。

1 計算模型

1.1 推力瓦結構及潤滑油流動區域幾何模型

洪屏抽水蓄能電站推力軸承由12塊分塊推力瓦組成，推力瓦面兩側分別設計成2道鍥形斜面，便于機組開啟前通過高壓油泵將壓力油輸送到軸瓦和鏡板之間，在軸瓦表面先形成靜壓油膜。當水輪機機組運轉到額定轉速時，使之不再依靠高壓油泵的作用，利用推力瓦和鏡板間形成的動壓油膜承受發電機組轉子質量及機軸向水推力。瓦面結構簡圖如圖1所示。為減少計算的工作量同時提高計算的精度，在本次計算中只選取潤滑油流動區域的1/12進行計算，最終建立如圖2所示的幾何模型。

圖1 推力瓦瓦面結構簡圖Figure 1 Structural diagram of thrust pad surface

圖2 潤滑油流動區域幾何模型Figure 2 Geometric model of lubricating oil flow region

1.2 模型的計算網格劃分

計算模型分為油膜與非油膜區域兩部分，其中鑒于前者區域厚度較小對其采用結構網格進行劃分，同時將油膜部分的中間平面和兩邊斜面區域進行分塊劃分，并將各塊區域相接部分采用交界面連接；后者區域結構相對簡單且厚度較大采用非結構化網格進行劃分，同樣將其與油膜區域交接處采用交界面連接。對油膜和非油膜區域進行網格數量無關性檢驗后，最終確定油膜區域網格數目為20萬，非油膜區域網格數目為25萬；最終得到計算網格如圖3所示。

圖3 潤滑油流動區域網格劃分Figure 3 Meshing of lubricating oil flow region

1.3 模型的求解器及邊界條件設置

利用FLUENT流體分析軟件對計算模型進行模擬，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC方法進行求解，另外對方程組中對流項、湍動能和耗散率皆采用二階迎風格式差分。其中潤滑油進口和出口分別位于模型內側和外側其邊界條件相應設置為velocity-inlet條件和out flow條件，將鏡板面設置為wall條件，將模型的左右兩個側面設置為周期性邊界條件。

2 計算結果及分析

2.1 不同轉速下的瓦面壓力分布

由于推力軸承實際運作過程中所形成油膜厚度較小，油膜壓強在厚度方向上的變化可以忽略不計，因此可以將油膜最上層表面的壓力分布近似為瓦面的壓力分布。最終得出水輪機運轉過程中不同轉速下所對應的推力瓦上表面壓力分布情況如圖4所示。

圖4 不同轉速下推力瓦上表面壓力分布Figure 4 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different speeds

可見不同轉速下所對應的油膜壓力分布趨勢基本一致，最大壓力區域大致呈橢圓形，位于瓦面中心位置且隨著與中心位置的距離增加而環向減小；整體上隨著水輪機轉速的提高，瓦面上的壓力分布逐步加大。以水輪機轉速n=725r/min和n=50r/min兩種工況為例，其壓力最大值之間相差接近一個量級；這說明水輪機轉速將直接影響到油膜壓力的大小，水輪機應盡量減少低轉速運轉的時間，避免因形成的油膜壓力不足而對水輪機推力軸承和推力瓦造成磨損。

2.2 不同進口流速下的瓦面壓力分布

水輪機壓力油在不同進口流速下所對應的推力瓦上表面壓力分布如圖5所示。與圖4中壓力分布趨勢類似，最大壓力區域大致呈橢圓形，位于瓦面中部位置，壓力值隨著與中心位置的距離增加而環向減小。與圖4中隨著水輪機轉速的提高瓦面上的壓力分布加大不同，圖5中的瓦面壓力出現了隨著進口流速的增大，先減小后增大再減小的趨勢；這說明在水輪機運轉過程中選擇合適的壓力油進口流速至關重要，過大的流速將會造成資源浪費，而過低的流速則可能造成壓力油溫度過高產生燒瓦現象。

圖5 不同進口流速下推力瓦上表面壓力分布Figure 5 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different inlet velocity

2.3 油膜厚度方向上的速度變化

以水輪機額定轉速500r/min的工況為例，以油膜最上層表面為參考面，沿垂直于參考面方向向下移動不同的距離δ得到速度云圖，如圖6所示。

圖6 不同垂向距離下速度云圖Figure 6 Velocity nephogram under different vertical distances

可以發現，雖然油膜很薄，但其速度分布沿垂向方向存在較大差異。在抽水蓄能機組運轉過程中，鏡板會因黏滯阻力的存在而對貼近其表面的潤滑油產生明顯的拖拽作用，因此可以看出圖6（a）中速度分布跟鏡板速度類似；其在同一徑向距離上，速度值大小基本一致，且速度值大小會隨著徑向距離的增加而線性增加。對比圖6（a）、（b）、（c）可以明顯看出在油膜的厚度方向上瓦面的右上角部分速度下降較緩慢，左上角部分速度下降較迅速，而且隨著δ值的增大瓦面各個部分之間的速度差值逐漸縮小，其中δ=0.02mm和δ=0.035mm之間速度差值明顯小于δ=0mm和δ=0.035mm之間。

3 結論

本文以Navier-Stokes方程為基礎，結合洪屏抽水蓄能電站推力瓦結構，建立出了潤滑油流動區域三維模型，計算并分析了不同工況下的油膜的壓力分布及油膜厚度方向的速度變化，結果表明：

（1）油膜壓力的大小隨著水輪機轉速的增大而增大，在水輪機開機運行時應選擇合理的啟動方式，盡量避免長時間低轉速運行。

（2）油膜壓力的大小并不簡單隨著水輪機壓力油進口流速的增大而增加，在水輪機運轉過程中應根據實際工況選擇合適的壓力油進口流量。

（3）通過對同一油膜厚度不同垂向位置的速度云圖的比較分析，發現隨著垂向位置的增加油膜不同厚度層下的速度分布差值逐漸縮小。