采用鏡板泵的水電機組推力軸承油循環系統的流動特性研究

廖 姣， 劉 彬

(1.國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川 成都 611833；2.國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 611833)

1 概 述

在早期大型水輪發電機組中，有超過50%的故障是推力軸承引起的，尤其對于高速、重載的推力軸承，事故更加頻繁[1-2]。推力軸承事故中有很大部分是由油循環冷卻系統引起的。機組運行時，鏡板和推力瓦間的油膜產生巨大的熱量，該熱量不能通過固體及時傳導出去，導致油膜溫度升高，這將很大程度影響到推力軸承的負荷能力。

而推力軸承油循環冷卻系統的主要作用就在于將流過推力瓦的熱油進行降溫，保證推力軸承的潤滑和冷卻性能，進而確保推力軸承乃至整個機組的安全可靠性運行[3-5]。 因此，如何提高推力軸承油循環冷卻系統設計可靠性成為急需解決的問題。

鏡板泵油循環冷卻系統具有結構簡單、維護方便、自適應性強等優點。近年來，在大中型水輪發電機組中，采用鏡板泵作為推力軸承自循環動力裝置已成為一種發展趨勢[4-6]。目前對于鏡板泵油循環冷卻系的流體動力特性分析主要依靠試驗，但是投資大，試驗周期長，試驗裝置重復利用率低。

為此，以某水電機組推力軸承為對象，對其采用鏡板泵的推力軸承油循環冷卻系統流體動力特性進行系統性的研究，探索基于數值模擬的鏡板泵油循環冷卻系統流體動力特性仿真方法，以在機組設計階段進行鏡板泵裝置特性和鏡板泵性能預測分析。

2 油循環冷卻系統的管路特性數值模擬

2.1 油循環冷卻系統管路建模

采用熱流體系統仿真分析軟件Flowmaster?對某推力軸承試驗臺油循環管路系統進行建模。由于在計算管路特性時只對冷卻器的水力損失特性進行分析，而不考慮其換熱問題，故采用離散損失元件代替油冷卻器，遵循的原則是代替后元件的流阻保持不變[7-9]。在Flowmster?軟件中鏡板泵油循環冷卻系統的管路計算模型見圖1。

2.2 邊界條件設置

對自循環冷卻管路系統進行模擬計算過程中，模擬介質為L-TSA46潤滑油作為循環介質，溫度T=40 ℃，密度ρ=880 kg/m3，動力黏度為γ=0.004 08 kg/m2。進口邊界條件給定體積流量，出口邊界條件給定恒定的總壓。

2.3 計算結果與分析

影響循環冷卻系統管路特性的因素較多，主要包括介質參數、冷卻器損失系數、閥門損失系數、管道長度、直徑、摩擦系數等。在進行油循環管路數值模擬時，充分考慮彎管、閥門、冷卻器等管路附件對管路系統的影響，管路附件的計算參數均根據實際情況進行設置，冷卻器投入4個。采用基于多工況的數值模擬計算方法分析油循環冷卻系統的管路特性，準確計算不同工況下管路的流阻損失。

為了驗證數值模擬計算結果的可靠性，在某試驗臺上進行管路特性試驗。試驗中，管道的進出口分別布置有壓力傳感器，管道中也設有流量計，通過記錄這些流量和壓力數據，冷卻器投4個時，調節鏡板的轉速，得到不同轉速下管道進出口壓力和流量，可以得到試驗管路的特性。油循環冷卻系統的管路特性曲線見圖2，循環冷卻系統的管路特性曲線變化趨勢相同，幾乎等同拋物線分布，符合管路損失特性呈二次曲線分布的規律，試驗結果和數值模擬結果的偏差在2%以內，證明采用此種數值模擬方法計算循環冷卻系統的管路特性是可行的。

流量Q /m3·h-1圖2 油循環冷卻系統的管路特性曲線

3 推力軸承油箱內流場數值模擬分析及損耗計算

3.1 推力軸承油箱建模

推力軸承油箱全流道包括油箱內部流體域、進口管路、鏡板孔組成，推力軸承油箱計算域見圖3。

圖3 推力軸承油箱計算域

3.2 計算方法

在對推力軸承油箱內流場進行數值模擬計算時，選取油箱全流道進行計算(考慮進管路和鏡板泵孔)，這種計算方式能夠綜合考慮管路布置對推力軸承油箱內流場的影響，更貼切實際。整個油箱計算域采用對復雜形狀適應性強的非結構化網格進行離散化處理，并對局部流動梯度變化較大的部位進行了網格加密處理。針對設計工況，對推力軸承油箱全流場進行網格無關性驗證，網格無關性驗證見圖4。當網格數達460萬后，隨著網格數的增加，圧力損失指標的偏差很小(0.1%以內)，考慮計算量及計算精度，最終確定全流道系統網格數為468萬。

網絡數 /萬圖4 網格無關性驗證

在對推力軸承油箱進行數值模擬分析時，為了準確的計算油箱內部流場，考慮鏡板泵孔流體域對油箱內流場的影響，其中鏡板泵孔為旋轉部件，油箱和進口管路為靜止部件。介質為L-TSA46汽輪機油，不考慮熱傳遞，溫度T=40 ℃，密度ρ=880 kg/m3，動力黏度γ=0.004 08 kg/m2。

3.3 邊界條件

進口采用質量流量進口，出口采用壓力出口。流道內近壁區采用壁面函數法處理，由于流體與固體壁面的接觸面為靜止面，流體與壁面接觸的界面沒有滑移，故壁面采用無滑移條件；其中將與旋轉部件相接觸的壁面設置為旋轉壁面。鏡板泵孔設置為旋轉部件，而油箱和進口管路為靜止部件。油箱與鏡板泵孔之間存在動靜耦合交界面，采用凍結轉子(Frozen-Rotor)模型進行計算[10]。

3.4 計算結果及分析

通過上述數值模擬計算方法，對油箱滿油時，不同工況下的油箱內流場進行仿真計算，圖5和圖6分別為推力軸承油箱中截面壓力分布云圖和速度分布云圖。從圖5可以看出，推力軸承油箱分布具有明顯的變化規律，油箱從內徑到外徑，壓力均勻增加，油箱壁面處壓力達到最大。從圖6可以看出，速度最大處在油箱與旋轉部件接觸外圓柱面上，速度從推力軸承油箱內徑到外徑線速度逐漸增加。綜上所述，推力軸承油箱數值模擬計算結果較為合理。

圖5 推力軸承油箱中截面壓力分布云圖

圖6 推力軸承油箱中截面速度分布云圖

通過對不同工況下的推力軸承油箱全流道進行數值模擬計算分析，在CFX后處理中讀取推力軸承油箱進口和推力軸承與鏡板泵交界面處的總壓，得到推力軸承油箱進出口總壓差，進而計算得到推力軸承油箱內部壓頭損失，為了更加直觀地分析，根據計算結果繪制推力軸承油箱內部壓頭損失曲線，推力軸承油箱內部壓頭損失曲線圖見圖7，推力軸承油箱內部壓頭損失隨著流量的增加逐漸增大，但是斜率逐漸減小。

圖7 推力軸承油箱內部壓頭損失曲線圖

4 基于數值模擬的鏡板泵流體動力特性預測分析

4.1 鏡板泵全流道三維幾何建模

模型在擬定計算域的基礎上對部分形狀復雜且對流動計算影響微弱的部分做了一些簡化，如進口、出口管路連接處等，鏡板泵全流道三維幾何模型見圖8。

圖8 鏡板泵全流道三維幾何模型

4.2 計算方法

鏡板泵數值模擬計算方法和介質與推力軸承油箱內流場計算方法一致，經網格無關性驗證后，最終確定全流道網格數563萬。

4.3 邊界條件

進口采用開放性進口，出口采用質量流量出口。流道內近壁區采用壁面函數法處理，由于流體與固體壁面的接觸面為靜止面，流體與壁面接觸的界面沒有滑移，故壁面采用無滑移條件；計算中鏡板為旋轉部件，而油箱和集油槽為靜止部件。因此，油箱與鏡板孔和鏡板孔與集油槽之間存在動靜耦合交界面，采用凍結轉子(Frozen-Rotor)模型進行定常計算。

4.4 計算結果與分析

為預測鏡板泵的的性能，分別對各工況進行了定常計算，針對數值模擬計算結果，對鏡板泵進行內特性和外特性分析。

采用數值模擬完成不同工況下鏡板泵的計算以后，計算不同工況下鏡板泵的揚程、功率、效率，并繪制出不同工況下鏡板泵外特性曲線圖(圖9)，即流量-揚程曲線圖(Q-H)、流量-功率曲線圖(Q-P)、流量-效率曲線圖(Q-η)。

(a)Q-H (b)Q-P (c)Q-η圖9 不同工況下鏡板泵外特性曲線圖

鏡板泵的內特性很難通過實驗得到，為了詳細了解鏡板泵的性能，采用數值模擬對不同工況下的鏡板泵內流場進行分析，其中壓力分布和速度分布是分析鏡板泵的依據，也是了解鏡板泵內特性的重要途徑。

圖10為0.6Qd、1.0Qd、1.4Qd工況下鏡板泵全流道壓力分布云圖，圖11為0.6Qd、1.0Qd、1.4Qd工況下鏡板泵孔流道相對速度分布圖。

對比圖10(a)、(b)、(c)不同工況的鏡板泵全流道壓力分布可知，小流量工況下鏡板泵內部壓力整體偏大，隨著流量的增加，鏡板泵流道內部壓力最大值逐漸變小。從圖5、6可以看出，全流道壓力分布均勻，集油槽處壓力最大，從進口到集油槽，壓力逐漸遞增，鏡板孔壓力從進口到出口呈輻射狀增加，且壓力分布在圓周上具有較好的對稱性，出口管路在彎管彎肘處壓力達到最大值，出口管路壓力值比集油槽小，鏡板泵全流道壓力分布較為合理。

(a)0.6Qd (b)1.0Qd (c)1.4Qd圖10 鏡板泵全流道壓力分布云圖

對比圖11(a)、(b)、(c)不同工況的鏡板泵孔流道相對速度分布圖可知，速度從鏡板孔進口到出口呈輻射狀增加，且速度分布在圓周上具有較好的對稱性。不同工況下鏡板泵孔流道相對速度分布規律和數值基本相同。

(a)0.6Qd (b)1.0Qd (c)1.4Qd圖11 鏡板泵孔流道相對速度分布圖

5 鏡板泵運行參數與裝置特性的匹配驗證

通過對循環冷卻系統的管路特性及推力軸承油箱損耗計算可得到不同工況下鏡板泵的裝置揚程，為了驗證鏡板泵運行參數與裝置特性的匹配是否匹配，將裝置特性曲線和鏡板泵特性曲線畫在一張圖上，兩曲線的交點即為鏡板泵實際運行工況點[11]。鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線見圖12，其中鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線的交點為鏡板泵實際運行工況點，從圖中可以看出，鏡板泵實際運行工況對應的流量略大于設計流量，可以確保推力軸承正常運行。

圖12 鏡板泵特性曲線與裝置特性曲線

6 結 語

采用數值模擬方法對某推力軸承油循環冷卻系統的管路、油箱內流場及鏡板泵進行流體動力特性研究。

(1)通過對油循環管路系統的流阻損失和推力軸承內部損耗的計算繪制裝置特性曲線，再根據鏡板泵特性曲線和裝置特性曲線確定鏡板泵實際運行工況點，將該工況點作為設計工況點，可以確保推力軸承高效運行。

(2)通過鏡板泵特性曲線和裝置特性曲線確定鏡板泵實際運行工況點，實現鏡板泵油循環系統性能預測，提高推力軸承運行的穩定性。

(3)采用的基于數值模擬的推力軸承鏡板泵油循環冷卻系統的流體動力特性預測方法可保證油循環系統的安全性、可靠性和穩定性，減少試驗和縮短產品開發周期。