田仁斌 張承俊 蘇紀(jì)成 陳曉龍 魏學(xué)鋒

摘要：為有效解決大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承普遍存在的油霧污染問(wèn)題，基于“疏”代替“堵”的理念，提出了一種離心式氣密封結(jié)構(gòu)，并在溪洛渡電站某臺(tái)機(jī)組上安裝應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)在機(jī)組大軸上安裝了離心式葉片，葉片隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在流道內(nèi)形成高速高壓的氣流，外溢的油霧則隨氣流進(jìn)入蝸殼流道，最后被油霧吸收系統(tǒng)帶走，阻止了油霧被轉(zhuǎn)子支臂下方的負(fù)壓吸走，油霧治理效果良好。此外還采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了葉片的氣動(dòng)性能及內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。研究結(jié)果為大型水輪機(jī)組軸承油霧治理提供了一種新的解決思路，也為氣密封的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種參考。

關(guān) 鍵 詞：油霧治理; 離心式氣密封; 數(shù)值模擬; 流場(chǎng)分析; 水輪發(fā)電機(jī)組; 溪洛渡水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.034

0 引 言

大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承甩油造成的油霧污染問(wèn)題，嚴(yán)重影響著機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。二灘、瀑布溝、小灣、龍灘等大型水電站在投運(yùn)后，均受到不同程度的來(lái)自推力軸承油霧污染問(wèn)題的困擾，總結(jié)導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)電站存在共通的問(wèn)題：① 隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量大型化的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)組多為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承布置于下機(jī)架位置，推力軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜而油槽空間有限，推力頭帶動(dòng)透平油高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致油槽內(nèi)油劇烈地流動(dòng)，加上油流的高溫，引起了透平油的飛濺和霧化[2];② 大型機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻多采用密閉自循環(huán)空氣冷卻方式，在轉(zhuǎn)子支臂下端進(jìn)風(fēng)口與推力軸承油槽蓋板之間的位置會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓空間，加劇了油槽蓋板間隙處的甩油和油霧外溢，油霧隨著風(fēng)道進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，污染發(fā)電機(jī)設(shè)備[3-4];③ 部分機(jī)組存在轉(zhuǎn)子中心體與推力頭接合面甩油的情況[5]。

針對(duì)以上原因，常采用提升油槽蓋板高度、改進(jìn)油槽蓋板接觸式密封結(jié)構(gòu)、增設(shè)甩油環(huán)、優(yōu)化補(bǔ)氣系統(tǒng)及油霧吸收機(jī)布置方式、降低油槽油位等措施[2-6]對(duì)油霧吸收系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，但是治理效果有限，油污問(wèn)題未得到根本性的解決，這些改造措施主要也是圍繞“堵”的方式來(lái)進(jìn)行。本文在吸收了上述改進(jìn)措施優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于“疏”代替“堵”的理念，提出了一種離心式氣密封結(jié)構(gòu)，并在溪洛渡電站機(jī)組推力軸承上安裝應(yīng)用（見(jiàn)圖1）。由于針對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究成果還很少，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加有限，本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)離心式氣密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析離心式葉片的氣動(dòng)性能和內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律，以為離心式氣密封研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種參考。

1 離心式氣密封設(shè)計(jì)

溪洛渡電站某臺(tái)機(jī)組單機(jī)額定功率770 MW，額定轉(zhuǎn)速125 r/min，機(jī)組為立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷式結(jié)構(gòu)，推力和下導(dǎo)軸承共用一個(gè)油槽，油槽設(shè)計(jì)容量約25 m3，冷卻方式為鏡板泵外循環(huán)，油槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。自投運(yùn)以來(lái)，該機(jī)組推力軸承外甩油引起的油霧污染情況嚴(yán)重，在油槽蓋板、下機(jī)架、定子空冷器等位置均發(fā)現(xiàn)明顯的油污淤積。經(jīng)過(guò)歲修期間的技術(shù)改造，在原有油槽蓋板結(jié)構(gòu)[7]上加裝了離心式氣密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行觀察，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，油霧得到了有效控制，油霧治理效果良好[8]。

1.1 安裝離心式葉片

利用推力頭“U”型槽位置的空間，在推力頭上安裝離心葉片。參考通用離心風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，后向式葉片相比于徑向和前向式具有效率高、風(fēng)量大等特點(diǎn)，同時(shí)考慮直板型葉片在制造及安裝時(shí)的可靠性，并通過(guò)氣密封縮小模型性能試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定離心式葉片采用后向式直板型葉片。另外，為便于葉片的固定，葉片底部及上部焊接有前盤(pán)及后盤(pán)，同時(shí)為減弱前盤(pán)進(jìn)風(fēng)口位置的流動(dòng)分離，前盤(pán)采用了錐形前盤(pán)。機(jī)組大軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)葉片做功，在葉片流道內(nèi)形成高速高壓的氣流，外溢的油霧則隨著氣流被帶走，進(jìn)入油霧吸收系統(tǒng)，避免外溢的油霧被轉(zhuǎn)子支臂下方的負(fù)壓吸走，被帶入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，污染設(shè)備。葉片的氣動(dòng)性能也成為影響密封效果好壞的關(guān)鍵因素。

1.2 改進(jìn)油槽蓋板

取消原有油槽上部蓋板，將蓋板結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)為階梯式，提升了蓋板軸向高度，同時(shí)在蓋板上部預(yù)留有進(jìn)氣接口，與送風(fēng)系統(tǒng)連通，下部則加工有排氣接口，與油霧吸收系統(tǒng)連通，使得送風(fēng)系統(tǒng)的接口與油霧吸收系統(tǒng)的接口在同一蓋板上，這樣的一體式設(shè)計(jì)使得油槽上部蓋板即是葉片的進(jìn)氣導(dǎo)風(fēng)裝置，同時(shí)與油槽下部蓋板處新增的接觸式密封構(gòu)成了蝸殼腔。蝸殼腔截面為周向漸變面，內(nèi)部為楔形空腔，用于收集油槽溢出的油霧和旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的氣流。這樣不僅提升了油槽的軸向空間，而且簡(jiǎn)化了蓋板結(jié)構(gòu)，更加利于加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝。另外，在保持原有油槽下部蓋板的基礎(chǔ)上，增加了支撐螺栓，保證了油槽蓋板的穩(wěn)定性;同時(shí)，為阻止可能的油霧外溢，在蓋板上端與大軸接觸位置，也安裝了接觸式密封齒。

1.3 優(yōu)化送風(fēng)系統(tǒng)及油霧吸收系統(tǒng)

為增大補(bǔ)氣量，送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化為風(fēng)機(jī)送風(fēng)，氣流經(jīng)過(guò)匯流環(huán)管匯集后，通過(guò)12根送風(fēng)支管從油槽上部蓋板向葉片進(jìn)口補(bǔ)氣。油霧吸收系統(tǒng)則由排氣支管與靜電油霧分離裝置組成，周向布置有12臺(tái)靜電油霧分離裝置，從油槽上部蓋板導(dǎo)出的氣流通過(guò)排氣支管引至靜電油霧分離裝置，該裝置將氣流中的油液析出，并排出干凈空氣。

2 離心式氣密封內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 三維建模及網(wǎng)格劃分

本文以前述機(jī)組上應(yīng)用的離心式氣密封作為研究對(duì)象進(jìn)行三維建模。葉輪轉(zhuǎn)速n=125 r/min，送風(fēng)系統(tǒng)支管額定流量Qv=99 m3/h（送風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)風(fēng)速傳感器測(cè)量計(jì)算得到），葉輪內(nèi)徑D1=4 120 mm，葉片為后向式直板型，葉片厚度為5 mm，葉輪前盤(pán)為錐形，葉片進(jìn)口安放角βb1=45 °，葉片數(shù)z=180，葉片出口寬度b2=35 mm。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

為減少計(jì)算量，考慮幾何模型及流動(dòng)的周期性特點(diǎn)，本次計(jì)算只采用模型的1/12作為計(jì)算域，并將計(jì)算域分為進(jìn)口域、葉輪域、蝸殼域。因?yàn)榕c排氣支管連接的油霧吸收裝置的出口直接與大氣相通，且主要通過(guò)靜電吸附作用過(guò)濾排氣管中的油霧，所以本文計(jì)算模型忽略了油霧吸收裝置對(duì)支管氣壓的影響，取用長(zhǎng)210 mm的圓柱管道代替，斷面為出口邊界，且假設(shè)該裝置直接與大氣壓連通。另外，因進(jìn)氣支管測(cè)壓點(diǎn)處分別布置有壓力和風(fēng)速傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到該位置的全壓及風(fēng)量，便于計(jì)算模型邊界條件的設(shè)定，所以同樣取長(zhǎng)210 mm的圓柱管道代替進(jìn)氣支管，其斷面為進(jìn)口邊界，如圖4所示。使用ICEM CFD對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有計(jì)算域均采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，對(duì)流動(dòng)劇烈的葉輪區(qū)域進(jìn)行了加密，同時(shí)考慮葉片壁面流動(dòng)求解采用壁面函數(shù)，要求第一層網(wǎng)格處于湍流核心區(qū)，第一層網(wǎng)格劃分時(shí)，保證葉片壁面Y+值在30～300之間，計(jì)算模型網(wǎng)格如圖5所示，所有區(qū)域最低網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3。

另外，為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免網(wǎng)格誤差對(duì)模擬結(jié)果造成的影響，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，對(duì)比模擬計(jì)算全壓值與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，并綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，最終選擇計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為36.2萬(wàn)個(gè)，其中葉輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)26.3萬(wàn)個(gè)。

2.2 求解器、邊界條件和收斂準(zhǔn)則

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS FLUENT求解器對(duì)離心式氣密封內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬。葉輪旋轉(zhuǎn)采用多重參考坐標(biāo)系模型（MRF）進(jìn)行模擬，葉輪區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，進(jìn)口及蝸殼區(qū)域設(shè)置為靜止域，葉輪與進(jìn)口、蝸殼區(qū)域通過(guò)Interface面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。流體介質(zhì)假設(shè)為空氣，密度ρ=1.225 kg/m3，湍流模型采用RNG k-ε模型[9-10]，壁面函數(shù)采用Scalable Wall Function，壓力-速度耦合選用SIMPLE，壓力插值方式選用Standard，動(dòng)量、湍動(dòng)能、耗散率的離散方式均為Second order up-wind格式[11-12]。壁面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面，周期性邊界設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期性邊界，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，出口為壓力出口，出口全壓設(shè)置為大氣壓，并設(shè)置target mass flow，計(jì)算不同風(fēng)量工況下的流場(chǎng)情況[13-14]。設(shè)置目標(biāo)殘差值，并在進(jìn)出口設(shè)置全壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)殘差值下降至目標(biāo)值或者進(jìn)出口壓差值保持穩(wěn)定時(shí)，則判斷計(jì)算結(jié)果收斂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及流場(chǎng)分析

3.1 葉輪氣動(dòng)性能及試驗(yàn)驗(yàn)證

本文計(jì)算了送風(fēng)系統(tǒng)支管額定流量及附近共8個(gè)不同工況點(diǎn)，并監(jiān)測(cè)葉輪進(jìn)出口位置的全壓及葉輪扭矩，計(jì)算得到葉輪全壓及軸功率曲線(xiàn)如圖6所示。

由葉輪全壓曲線(xiàn)可以看出：計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值變化趨勢(shì)保持一致，計(jì)算值整體略低于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量值，這與計(jì)算模型未考慮下部蓋板接觸式密封處的間隙，且忽略了推力油槽內(nèi)的高溫油霧泄露對(duì)流場(chǎng)的影響有關(guān)。隨著進(jìn)口流量的增大，全壓緩慢上升，在額定流量工況點(diǎn)附近達(dá)到最高約126 Pa的壓升，之后隨著進(jìn)口流量的繼續(xù)增加，全壓則急劇下降。另外，葉輪的軸功率則與進(jìn)口流量成正比，從計(jì)算工況來(lái)看，對(duì)于1/12計(jì)算模型來(lái)說(shuō)，最大軸功率為64 W，而對(duì)整個(gè)葉輪，軸功率損耗最高為768 W，這與水輪發(fā)電機(jī)的能量損耗對(duì)比來(lái)看，可以忽略其對(duì)機(jī)組的影響。

3.2 子午面流場(chǎng)分析

圖7～9為蝸殼出口附近子午面截面的速度、全壓及靜壓云圖。從速度云圖可以看到：葉輪進(jìn)口區(qū)域的低速氣流通過(guò)葉輪流道時(shí)得到了加速，并在葉片壓力面附近達(dá)到最高值，被葉輪甩出的氣流進(jìn)入蝸殼，隨著流道截面面積的增大，速度逐漸降低，動(dòng)壓減小，部分轉(zhuǎn)化為靜壓，靜壓值則逐漸增大，靜壓也在蝸殼區(qū)域內(nèi)達(dá)到最高值。而從全壓云圖來(lái)看：進(jìn)口域的氣流經(jīng)過(guò)葉輪做功后，增壓效果明顯，全壓最大值集中在葉片工作面區(qū)域，且該處氣流速度最大，全壓中動(dòng)壓則占主導(dǎo)地位，另外，在葉輪流道區(qū)域平均全壓可達(dá)到約400 Pa，所以，流道內(nèi)產(chǎn)生的高壓和高速氣流對(duì)從油槽下部蓋板接觸式密封齒位置泄露出的油霧起到了關(guān)鍵的抑制效果。

3.3 軸向等高截面流場(chǎng)分析

圖10～11為葉輪出口中間等高截面位置處的流線(xiàn)圖、速度及靜壓云圖。值得注意的是，在速度云圖上可以觀察到2個(gè)低速區(qū)：區(qū)域A和區(qū)域B。區(qū)域A位于排氣出口及蝸殼過(guò)渡段，從流線(xiàn)可以看出，在該位置氣流被拆分為2路，一路通過(guò)排氣管進(jìn)入油霧吸收系統(tǒng);另一路則繞過(guò)蝸殼過(guò)渡段進(jìn)入下一級(jí)蝸殼。由于在該位置處的截面突然變化，對(duì)流動(dòng)的阻礙作用較大，導(dǎo)致流動(dòng)損失增大，加上部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，所以該處速度較小。

另外，如圖10所示，蝸殼過(guò)渡段對(duì)流動(dòng)的阻礙導(dǎo)致蝸殼內(nèi)的氣流偏向葉輪出口方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而堵塞了部分葉輪流道出口，甚至回流至葉輪流道內(nèi)，導(dǎo)致該部分流道內(nèi)的氣流無(wú)法順暢流出，在流道內(nèi)形成復(fù)雜的漩渦，造成了較大的動(dòng)能損耗，速度變化梯度較大，形成低速區(qū)B。同時(shí)，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，各流道內(nèi)的流動(dòng)非常不均勻，引起該問(wèn)題的部分原因可能是由于機(jī)組旋轉(zhuǎn)軸的存在，導(dǎo)致進(jìn)口域氣流擾動(dòng)較大，葉片進(jìn)口氣流不夠理想，葉輪各流道內(nèi)流量分布不均，這與傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)[15-16]存在差異。另外，受到結(jié)構(gòu)限制，葉輪上布置的葉片較短，葉片做功能力有限，這些因素都對(duì)葉輪的氣動(dòng)性能影響明顯。

從圖11還可以看到：葉片流道內(nèi)靜壓隨流道寬度變寬而增大，且沿著徑向方向逐漸增大，在蝸殼區(qū)域達(dá)到最大值，而沿著周向方向，靜壓隨著蝸殼截面面積擴(kuò)大而增大，該變化趨勢(shì)與子午面上靜壓分布規(guī)律一致。因此可以看到，蝸殼不僅起到了導(dǎo)流的作用，同時(shí)也發(fā)揮著擴(kuò)壓的功能。

4 結(jié) 論

本文介紹了已在溪洛渡水電站某臺(tái)機(jī)組推力軸承油霧治理上應(yīng)用的一種離心式氣密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)采用的“堵”的方式治理，而是利用旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的能量將油霧“疏”導(dǎo)至油霧收集系統(tǒng)，有效地阻止了油霧被轉(zhuǎn)子支臂下方的負(fù)壓吸走，油霧治理效果良好。另外，從流場(chǎng)模擬結(jié)果來(lái)看，葉輪全壓計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量值一致，驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法的可靠性。通過(guò)流場(chǎng)分析加深了對(duì)采用后向式直板型葉片的離心式氣密封內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，分析也發(fā)現(xiàn)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)軸的存在，對(duì)離心葉輪進(jìn)口流場(chǎng)的影響較大，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部流動(dòng)非常不均勻，受到結(jié)構(gòu)限制，在葉輪上布置的葉片較短，流道內(nèi)的流動(dòng)損失較大，同時(shí)，由于排氣出口及蝸殼過(guò)渡段的阻礙，引起的氣流偏向葉輪出口方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)葉輪流道的堵塞情況也比較明顯。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

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（編輯：胡旭東）

Application of centrifugal gas seal in bearing oil mist control and its flow field analysis

TIAN Renbin，ZHANG Chengjun，SU Jicheng，CHEN Xiaolong，WEI Xuefeng

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

To solve the general oil mist pollution in thrust bearings of large hydro-generator units，based on the theory that dredging can obtain better effect than blocking，a new centrifugal gas seal structure was proposed，which was verified in one unit of Xiluodu Hydropower Station.In this structure，centrifugal blades were installed on the main shaft of the unit，and it could turn round with the shaft to generate high speed and high pressure airflow in the entire flow channel.The spilled oil mist will be brought into the volute channel by the airflow above and be absorbed by the oil mist system finally.So the oil mist was prevented from being sucked away by the negative pressure under the rotor hub arm and oil pollution was effectively controlled.In addition，the CFD software was used to conduct three-dimensional numerical simulation on the internal flow field of the centrifugal air seal.The aerodynamic performance of the blades and the internal flow field law were discussed.The simulation results were consistent with the experiment data，which verified the reliability of numerical simulation method.The research results can provide a new solution for bearing oil mist control of large hydro-generator units，and a reference for the research and optimization of gas seals.

Key words：

oil mist control;centrifugal gas seal;numerical simulation;flow field analysis;hydro-generator unit;Xiluodu Hydropower StationAAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64