周東岳，周 攀，秦 俊，周喜軍

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

基于N-S方程的抽水蓄能機(jī)組推力軸承潤(rùn)滑特性研究

周東岳，周 攀，秦 俊，周喜軍

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文建立了抽水蓄能機(jī)組推力軸承潤(rùn)滑油、推力瓦流動(dòng)傳熱流固耦合傳熱計(jì)算模型，得出了推力瓦瓦面、油膜的壓力、溫度分布，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合；油膜溫度分布表明，由于鏡板流動(dòng)邊界層的存在，上塊瓦流出的熱油未與油槽冷油充分摻混即流入本塊瓦油膜，因此本文認(rèn)為加強(qiáng)邊界層內(nèi)外的對(duì)流作用是解決推力瓦溫高的有效措施。

推力軸承；推力瓦溫；計(jì)算流體力學(xué)；流固耦合傳熱

0 序言

推力軸承是抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)的重要部件，近年來(lái)，隨著抽水蓄能機(jī)組向著高水頭、大容量發(fā)展，推力軸承推力瓦溫度過(guò)高的問(wèn)題日趨突出，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的電站如廣蓄二期[1]、惠蓄[2]、十三陵、泰山、白蓮河等多家電站均出現(xiàn)過(guò)推力瓦溫高超過(guò)合同、國(guó)家規(guī)范限值的問(wèn)題。尤其在迎峰度夏期間，機(jī)組技術(shù)供水水溫偏高，潤(rùn)滑油冷卻效果不佳，推力瓦瓦溫過(guò)高，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。對(duì)于推力瓦溫度的研究，可采用試驗(yàn)和計(jì)算方法，試驗(yàn)方法具有結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是由于成本高的限制，不可能對(duì)每座電站推力軸承開(kāi)展試驗(yàn)。

隨著CFD方法的快速發(fā)展，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)推力軸承溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行研究已經(jīng)成為可能。以往的針對(duì)推力軸承相關(guān)問(wèn)題的研究都是以Reynolds方程為基礎(chǔ)[3-5]，Reynolds方程是根據(jù)Navier-Stokes方程及連續(xù)方程，結(jié)合推力軸承油膜流動(dòng)特點(diǎn)，在無(wú)滑移壁面、層流流動(dòng)[6]等假設(shè)下推導(dǎo)而出。無(wú)滑移假設(shè)對(duì)于彈性金屬塑料瓦不再適用；層流流動(dòng)假設(shè)對(duì)于水潤(rùn)滑推力軸承等油膜處于湍流流動(dòng)狀態(tài)求解準(zhǔn)確度有限；并且Reynolds方程只適用于油膜，對(duì)于油膜外的流場(chǎng)不適用，因而以往以Reynolds方程為基礎(chǔ)推力軸承理論模型如熱流體動(dòng)力潤(rùn)滑模型（THD）和熱彈流動(dòng)力潤(rùn)滑模型（TEHD）流體區(qū)域只包含油膜部分，因而油膜的進(jìn)油溫度、推力瓦的表面換熱系數(shù)只能通過(guò)假設(shè)確定。

本文以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，采用流固耦合傳熱計(jì)算方法，對(duì)推力軸承流場(chǎng)、溫度進(jìn)行了計(jì)算，流體區(qū)域包含油膜及油槽，邊界設(shè)置在溫度易于測(cè)定的油槽進(jìn)口，潤(rùn)滑油與推力瓦通過(guò)流固界面溫度耦合方法計(jì)算對(duì)流換熱，避免了以往理論模型需假設(shè)邊界條件的問(wèn)題。

1 推力瓦溫高問(wèn)題分析

推力瓦是承受轉(zhuǎn)子軸向力的部件，依靠推力頭與推力瓦間極薄的楔形油膜避免金屬間直接摩擦，從而減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力及發(fā)熱量。推力瓦溫高問(wèn)題的物理分析：旋轉(zhuǎn)的鏡板帶動(dòng)潤(rùn)滑油進(jìn)入楔形油膜，油膜在鏡面產(chǎn)生高壓，形成對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)系的軸向推力；由于油膜處切向速度的速度梯度極大，產(chǎn)生大量的黏性流動(dòng)耗散，產(chǎn)生的熱量使油膜溫度升高；推力瓦吸收油膜熱量，并通過(guò)金屬的熱傳導(dǎo)向油槽冷油放出熱量；另外，潤(rùn)滑油的黏度隨溫度升高而降低，油膜的非均勻溫度分布影響油膜處潤(rùn)滑油的黏度，進(jìn)而影響推力軸承的流動(dòng)、溫度分布。總之，推力瓦溫高問(wèn)題是推力軸承潤(rùn)滑油流動(dòng)、潤(rùn)滑油與推力瓦流固傳熱、相互耦合、相互影響的問(wèn)題。要得到推力瓦、潤(rùn)滑油準(zhǔn)確的溫度分布、流場(chǎng)分布，必須進(jìn)行流固耦合傳熱計(jì)算。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

潤(rùn)滑油循環(huán)流程：從冷卻器流出的潤(rùn)滑油經(jīng)推力軸承油箱流入推力瓦瓦間油槽，推力頭帶動(dòng)油槽里的油從推力瓦進(jìn)油邊倒角處進(jìn)入油膜，經(jīng)油膜升溫后，從出油邊流出油膜進(jìn)入旋轉(zhuǎn)方向下一個(gè)油槽。由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，部分油從推力瓦的外徑位置流出油膜。兩股油經(jīng)導(dǎo)瓦自泵流入冷卻器，經(jīng)冷卻的潤(rùn)滑油重新回到推力軸承油箱，如此循環(huán)。

對(duì)于上述問(wèn)題，潤(rùn)滑油的循環(huán)流量，推力瓦油槽的油溫等參數(shù)易于確定，問(wèn)題的難點(diǎn)在于油膜的流場(chǎng)、溫度計(jì)算以及潤(rùn)滑油與瓦的傳熱?；谝陨戏治?，本計(jì)算建立了如圖1所示幾何模型，包括推力瓦金屬固體，潤(rùn)滑油流體域的油槽、油膜以及油槽進(jìn)出口區(qū)域。

圖1 推力軸承流固耦合傳熱計(jì)算模型

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

由于油膜處壓力梯度、速度梯度極大，因此要保證計(jì)算的準(zhǔn)確，對(duì)于網(wǎng)格的密度要求較高，本計(jì)算采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格密度的同時(shí)保證了網(wǎng)格質(zhì)量，并控制了網(wǎng)格的單元數(shù)量。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，流體域網(wǎng)格單元數(shù)量為280.2萬(wàn)；瓦塊溫度梯度相對(duì)較小，對(duì)于網(wǎng)格數(shù)量的要求不高，但為保證結(jié)構(gòu)與流體界面溫度傳遞的精度，也應(yīng)進(jìn)行一定程度加密，瓦塊的單元數(shù)量為5萬(wàn)。推力軸承流固耦合傳熱計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 推力軸承流固耦合傳熱計(jì)算網(wǎng)格

2.3 控制方程

連續(xù)方程（質(zhì)量守恒方程），對(duì)于本計(jì)算不考慮潤(rùn)滑油可壓縮性有：

式中：U——速度矢量。

動(dòng)量方程，對(duì)于定常不可壓縮流動(dòng)，N-S方程為：

式中：p——壓力；

τ——控制單元應(yīng)力張量；

S—— 源項(xiàng)，對(duì)于本計(jì)算為重力加速度，可以忽略。

能量方程：

式中：htot——總焓，等于焓與動(dòng)能之和；

λ——導(dǎo)熱率；

T——溫度。

對(duì)于導(dǎo)熱率為常數(shù)的固體穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱有：

2.4 材料屬性、模型參數(shù)及邊界條件

本計(jì)算潤(rùn)滑油采用溫度指數(shù)為101的46號(hào)透平油，推力瓦主材選用導(dǎo)熱率較高的銅，推力瓦鏡面為巴氏合金，相關(guān)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物性參數(shù)表

圖3 46號(hào)透平油溫度—?jiǎng)恿︷ば韵禂?shù)曲線

本計(jì)算推力軸承相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 推力軸承相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

邊界條件設(shè)置：

（1）油槽進(jìn)口給定流量、溫度、壓力。流量值為單塊瓦潤(rùn)滑油循環(huán)流量1.22kg/s；油槽溫度為最惡劣工況下油槽溫度42℃；壓力值為油盆壓力，由于遠(yuǎn)小于油膜壓力，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，給定為1個(gè)大氣壓。

（2）網(wǎng)格兩側(cè)面設(shè)定為周期性交界面。

（3）潤(rùn)滑油與金屬瓦采用無(wú)滑移壁面及固液耦合傳熱界面，且在鏡面設(shè)置4mm厚巴氏合金傳熱間層。

（4）采用滑移網(wǎng)格方法計(jì)算推力頭鏡板面旋轉(zhuǎn)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算驗(yàn)證，最終選定楔形油膜出油邊厚度（最小油膜厚度）為70μm，進(jìn)油邊油膜厚度為170μm進(jìn)行計(jì)算，并與已有推力瓦溫度、壓力試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。油膜以及推力瓦表面溫度、壓力分布見(jiàn)圖4和圖5；已有試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

計(jì)算結(jié)果表明，最大壓力區(qū)域大致呈橢圓形，位于鏡面中部偏出油邊位置；油膜最高溫度區(qū)域位于出油邊與外徑夾角處；鏡面最高溫度區(qū)域位于離出油邊約15%瓦面扇形角度、離外徑約25%瓦寬位置。對(duì)比圖4和圖5，油膜、鏡面的壓力分布幾乎無(wú)差別，即壓力沿油膜厚度變化相對(duì)徑向及環(huán)向極小，這與以往軸承油膜計(jì)算所采用的雷諾方程模型的基本假設(shè)相符。

圖4 油膜溫度、壓力分布計(jì)算結(jié)果

圖5 推力瓦表面溫度、壓力分布計(jì)算結(jié)果

圖6 鏡面壓力、溫度分布試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果偏差表

對(duì)比圖5和圖6及表3，推力瓦鏡面壓力、溫度，表明數(shù)值計(jì)算的壓力、溫度數(shù)值及等值線線性等均吻合較好，存在偏差的原因有：①數(shù)值計(jì)算的誤差；②試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)密度限制。

從圖4油膜溫度分布可以看出，油膜的進(jìn)油邊溫度在325.55K（52.4℃）～345.37K（72.22℃），油膜進(jìn)油的平均溫度約為67℃，比油槽油溫42℃高25℃，分析原因?yàn)椋和屏︻^鏡板面速度邊界層的存在，使得旋轉(zhuǎn)方向上，上一塊推力瓦油膜流出的熱油未與油槽中冷油充分摻混，一部分直接流入本塊瓦的油膜?；谝陨戏治?，本文認(rèn)為可采取破壞推力頭鏡板面流動(dòng)邊界層加強(qiáng)邊界層內(nèi)外的對(duì)流作用從而使冷熱油充分摻混的措施來(lái)解決這一問(wèn)題。

4 結(jié)論

不同于以往雷諾方程模型，本文以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，建立了推力軸承流固耦合傳熱模型，計(jì)算并分析了推力瓦、油膜的溫度、壓力分布，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；油膜溫度分布表明，在油膜進(jìn)口位置相對(duì)油槽即有較大溫升，原因是由于推力頭鏡板面流動(dòng)邊界層的存在，使得旋轉(zhuǎn)方向上，上一塊推力瓦油膜流出的熱油未與油槽中冷油充分摻混，一部分直接流入本塊瓦的油膜。

[1]蔣能定. 廣蓄二期工程抽水蓄能機(jī)組推力軸承事故分析[J].水力發(fā)電. 2001. 11：52-54.

[2]趙補(bǔ)石. 惠蓄A(yù)廠上導(dǎo)及推力軸承換熱器優(yōu)化配置分析與應(yīng)用[J].水力發(fā)電2010.36(9).

[3]武中德. 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承熱彈流潤(rùn)滑性能分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2001. 21(2):147-150.

[4]黃濱. 推力軸承三維熱彈流潤(rùn)滑性能及其振動(dòng)噪聲特性研究[D].杭州：浙江大學(xué).2013.

[5]姜培林. 推力軸承對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的耦合作用研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 1996.13(4):47-51.

[6]張惟斌. 大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承油膜特性分析[J].水力發(fā)電. 2015.41(2):63-66.

周東岳(1987—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電設(shè)備、流體結(jié)構(gòu)、傳熱仿真計(jì)算。

周 攀（1983—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)及輔助設(shè)備。

秦 俊(1977—)，男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站監(jiān)控及電氣二次。

周喜軍（1974—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)及輔助設(shè)備。

Computational Fluid-solid Coupled Heat Transfer Analysis on Trust Bearing of Pumpstorage Set

ZHOU Dongyue，ZHOU Pan，QIN Jun，ZHOU Xijun
（Technology center State Grid Xinyuan Company LTD.， Beijing 100161，China）

The mathematical model of trust bearing temperature analysis based on fluid-solid coupled heat transfer method was set up in this study. The calculation results are consistent with the experimental results. Oil film temperature distribution demonstrates that the convection is insufficient between hot oil and cold oil in the sump because of the boundary layer of thrust block mirror plate. So this study argues that it is an effective method to reduce the temperature of trust bearing pad by strengthen convection between inside and outside the boundary layer.

trust bearing; temperature of trust bearing pad; CFD;fluid-solid coupled heat transfer