霍新新,王 森,武中德,范壽孝,劉 琪

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

通常，立式水輪發(fā)電機(jī)組按照結(jié)構(gòu)不同可分為懸式機(jī)組、傘式機(jī)組和半傘式機(jī)組，對立式機(jī)組而言，推力軸承和導(dǎo)軸承起軸向和徑向支撐作用。由于摩擦散熱需要，通常在軸承的油槽中儲存有大量潤滑油。在機(jī)組運(yùn)行過程中，潤滑油受轉(zhuǎn)動部件的帶動，與油槽結(jié)構(gòu)件之間產(chǎn)生激烈的撞擊作用，同時摩擦熱量使油溫升高，降低潤滑油粘度，因此在立式機(jī)組中容易發(fā)生油霧及甩油問題。從油槽中溢出的油霧凝結(jié)在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線棒的表面，給發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子裝配增加了難度，這種情況在傘式機(jī)組和半傘式機(jī)組中尤為嚴(yán)重。油霧問題還會降低絕緣材料的使用壽命，甚至引發(fā)電氣故障。

在水電設(shè)備發(fā)展歷程中，油槽甩油現(xiàn)象一直是困擾設(shè)計(jì)者的一大難題。葛洲壩、小灣、洪家渡水電站均發(fā)生過推力軸承油槽甩油現(xiàn)象[1-3]。導(dǎo)致油槽甩油現(xiàn)象發(fā)生的原因十分復(fù)雜，一般認(rèn)為甩油現(xiàn)象受結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方案及流體運(yùn)動特點(diǎn)的綜合影響，因此解決甩油問題也就變得十分棘手，通常從零部件制造工藝規(guī)劃、提升加工精度和增加油霧收集裝置三方面入手解決軸承甩油問題，取得一定成效[4-6]。此文從潤滑油混合均勻性、油槽液面波動特點(diǎn)、油槽甩油過程三方面對常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)油槽進(jìn)行潤滑油流動狀態(tài)仿真分析，提出油槽防甩油的具體措施。

1 油槽幾何結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，在某些水輪發(fā)電機(jī)組中，通常將推力軸承和導(dǎo)軸承組合在一起，共用1個冷卻油槽。這種油槽中結(jié)構(gòu)件多，位置復(fù)雜，更容易引發(fā)油槽甩油現(xiàn)象。選取一種推力軸承和導(dǎo)軸承組合油槽，通過粒子流分析法進(jìn)行潤滑油流動狀態(tài)仿真分析，油槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 推力軸承與導(dǎo)軸承組合結(jié)構(gòu)Fig.1 Combined structure of thrust bearing and guide bearing

圖1中，1為推力軸承，2為導(dǎo)軸承，3為油槽，4為旋轉(zhuǎn)件，A區(qū)域?yàn)橛筒凵喜靠拷D(zhuǎn)件區(qū)域，B區(qū)域?yàn)橛筒凵喜靠拷獗趨^(qū)域。

2 油槽流動狀態(tài)仿真分析

根據(jù)油槽幾何結(jié)構(gòu)，分別建立旋轉(zhuǎn)零部件和靜止零部件模型，液面高度為常規(guī)機(jī)組運(yùn)行要求中規(guī)定的導(dǎo)軸承高度的1/2，潤滑油物理參數(shù)見表1。將旋轉(zhuǎn)零部件轉(zhuǎn)速由0升至428 r/min，并穩(wěn)定運(yùn)行7 s。

表1 潤滑油物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of lubricating oil

2.1 潤滑油混合性研究

將潤滑油分為上、中、下三個區(qū)域，在油槽最外端分別隨機(jī)選取2個粒子，分析在機(jī)組轉(zhuǎn)動過程中粒子Z方向(軸向)的位移變化如圖2所示。

圖2 粒子Z方向位移Particle displacement in Z-direction

從仿真分析結(jié)果可知，在機(jī)組轉(zhuǎn)動過程中，6個被選粒子在Z方向運(yùn)動軌跡是波動的，通過觀察單個粒子Z方向位移的極大值、極小值可知：潤滑油在油槽中混合均勻性較好，由于劇烈的攪動作用，在油槽內(nèi)將不存在局部冷熱油分區(qū)現(xiàn)象，保證了潤滑油溫度的一致性。

2.2 油槽液面波動特性

對油槽中潤滑油液面在機(jī)組轉(zhuǎn)動過程中的波動狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，分別選取0 s(初始狀態(tài))、0.8 s、2.58 s三個時段的液面狀態(tài)如圖3所示。

圖3 液面波動狀態(tài)Fig.3 Fluctuation state of oil

從仿真分析結(jié)果可知，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高，油槽中液面逐漸形成外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低的潤滑油“攀爬”現(xiàn)象，受離心作用影響，潤滑油逐漸聚集在油槽的B區(qū)域，形成高峰。

2.3 甩油過程

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到6.8 s時，機(jī)組轉(zhuǎn)速已經(jīng)穩(wěn)定在428 r/min，此時油槽內(nèi)部液面流動狀態(tài)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定運(yùn)行時液面波動狀態(tài)Fig.4 Oil fluctuation state during stable operation

從仿真分析結(jié)果可知，此時油槽中潤滑油與油槽結(jié)構(gòu)件之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，部分潤滑油由于撞擊反彈作用，最終匯聚在油槽的A區(qū)域，此區(qū)域與油槽的油擋裝置區(qū)域接近，容易發(fā)生甩油現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

從潤滑油混合均勻性、油槽液面波動特點(diǎn)、油槽甩油過程三方面對常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組油槽進(jìn)行潤滑油流動狀態(tài)仿真分析，得出如下結(jié)論，提出防甩油措施。

1)在推力軸承和導(dǎo)軸承組合的油槽中，受旋轉(zhuǎn)零部件影響，油槽潤滑油混合均勻性較好，不會存在油槽局部冷熱油分區(qū)現(xiàn)象。

2)隨著機(jī)組轉(zhuǎn)動，油槽中潤滑油逐漸出現(xiàn)外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低的潤滑油“攀爬”現(xiàn)象。為防止油槽甩油現(xiàn)象發(fā)生，在油槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)在B區(qū)域預(yù)留足夠大的空間，能容納潤滑油“攀爬”現(xiàn)象。

3)按照常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組油槽液面設(shè)定準(zhǔn)則，潤滑油在油擋裝置區(qū)域極易發(fā)生甩油現(xiàn)象，可從兩方面入手解決：一是在機(jī)組運(yùn)行條件允許的情況下，盡量降低潤滑油液面，或增加油擋與液面之間的空間；二是在油槽的A區(qū)域設(shè)計(jì)副油擋等裝置，有效阻隔潤滑油的溢出。