徐利君，楊雄，洪云來，聶賽，章志平，孫潔，張玉全，鄭源

(1. 江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西 宜春 330600； 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098)

對于大多數(shù)水電站的軸承，甩油、油霧逸出都是不可避免的現(xiàn)象[1].高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)組會致使動壓油膜產(chǎn)生大量高溫[2]，潤滑油因高溫和離心力以油滴、油霧的形態(tài)從油槽中甩出、逸出.世界各地有許多電站的軸承都因油冷卻系統(tǒng)故障而被迫停機(jī)[3-5]，軸瓦因高溫?zé)龤У碾娬疽膊辉谏贁?shù)，如ROSEIRS水電站[6]、龍門灘二級水電站[7]、奧路捷水電站[8]等.據(jù)統(tǒng)計(jì)，Cataract電站的油霧泄漏導(dǎo)致軸承溫度居高不下[9]；巖灘電站的油霧泄漏嚴(yán)重污染了發(fā)電機(jī)內(nèi)部的環(huán)境，縮短了發(fā)電機(jī)定子壽命[10]；古田溪電站的油霧泄漏導(dǎo)致油盆油位每天下降5～8 mm.

為了獲得更好的治理效果，一些學(xué)者也結(jié)合試驗(yàn)來分析問題[11-12]，但通常試驗(yàn)設(shè)備昂貴且耗時耗力.隨著近30 a來數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，大量學(xué)者針對透平油潤滑及其泄漏開展了數(shù)值模擬研究[13-14]，提出了很多性能優(yōu)良的軸承結(jié)構(gòu)[15-17].也有一些學(xué)者對軸承甩油霧問題開展了數(shù)模研究，JANG等[18]指出，軸承甩油最主要原因是運(yùn)行時的離心力，而油霧的產(chǎn)生則源于油膜承受巨大壓力后因黏性剪切應(yīng)變產(chǎn)生的高溫.龐嘉揚(yáng)等[19]通過對擋油環(huán)增設(shè)迷宮密封結(jié)構(gòu)以及通氣平壓孔來改進(jìn)下導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用VOF兩相流模型和SSTk-ω湍流模型對下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)油氣混合物流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)會使得油霧外逸量減少78.21%.張承志[20]結(jié)合CFD對水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承油槽內(nèi)部流場進(jìn)行研究, 分析了機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下的蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布、溫度分布、液面的形狀以及壓力分布等規(guī)律.陶虹[21]從水導(dǎo)軸承的流體動力潤滑理論入手, 對水導(dǎo)軸承的性能參數(shù)進(jìn)行理論分析，并采用數(shù)值分析的方法對軸領(lǐng)泵的流動特性進(jìn)行分析.張楊等[22]采用數(shù)值模擬的方法分析了國內(nèi)某水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)內(nèi)部流場，其研究結(jié)果可為推力軸承油循環(huán)散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

以上圍繞水電站軸承油槽油霧問題展開的數(shù)值模擬研究，可以從設(shè)計(jì)的角度優(yōu)化油槽結(jié)構(gòu)和油冷卻循環(huán)系統(tǒng)，有助于提升機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性.然而，以上研究都是圍繞著空氣-潤滑油兩相流開展的，并未考慮到油霧的存在.針對軸承甩油霧問題，對油霧的產(chǎn)生進(jìn)行精準(zhǔn)定位以及探究瓦溫、轉(zhuǎn)速、油位等變量對油霧聚集、分布的影響是至關(guān)重要的.因此，若要對油槽內(nèi)流場進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析，更好地抑制油霧生成及逸出，考慮對空氣-潤滑油-油霧三相流進(jìn)行計(jì)算是非常有意義的.文中基于ANSYS Fluent軟件，建立洪屏抽水蓄能電站推力軸承三維模型，使用VOF多相流模型、Lee蒸發(fā)冷凝模型和RNGk-ε湍流模型，對油槽內(nèi)流場進(jìn)行求解，探究油槽內(nèi)溫度、流速的分布規(guī)律，分析油位高度變化對油槽內(nèi)壓力、潤滑油分布、油霧聚集的影響，為合理設(shè)置推力油槽運(yùn)行工況參數(shù)提供一定的理論基礎(chǔ).

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 三維模型及基本參數(shù)

圖1為江西洪屏抽蓄電站的推力軸承油槽模型.在建模的過程中，簡化了一些不重要的部件結(jié)構(gòu)，如內(nèi)銷釘、外銷釘?shù)?，模型的基本參?shù)：油槽直徑為3 300 mm，推力軸瓦內(nèi)徑、外徑分別為890，2 010 mm，瓦數(shù)為12，瓦寬×瓦長為560 mm×316 mm，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，正常油位為720 mm，高報(bào)警油位為815 mm.

圖1 推力軸承油槽模型

電站采用外加泵外循環(huán)冷卻方式，對油槽中的潤滑油進(jìn)行冷卻.在壓力的作用下，冷油經(jīng)過進(jìn)油管流入內(nèi)油箱，后經(jīng)噴油管將潤滑油噴射到軸瓦所在區(qū)域.潤滑油從軸承瓦的楔形間隙進(jìn)入軸瓦和鏡板間隙處，形成動壓油膜，承受機(jī)組全部旋轉(zhuǎn)部件的重力及軸向水推力.機(jī)組在運(yùn)行過程中，透平油因黏性剪切應(yīng)變升溫，變?yōu)闊嵊停笤陔x心力作用下被甩出，流入溢流箱，從出油管排出.

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 VOF模型

由于油槽內(nèi)存在著空氣、液態(tài)潤滑油及油霧3種物質(zhì)，文中采用VOF模型來對其進(jìn)行計(jì)算，并追蹤、捕捉不同相之間的交界面.在計(jì)算過程中，不考慮油霧-空氣之間的相對速度，假設(shè)氣相和液相的物性參數(shù)為常數(shù)，油、空氣以及油霧之間沒有互相滲透，且各相共用一套動量方程和能量方程，即速度場、能量場各相共享.連續(xù)性方程、動量方程、能量方程如下式所示.

連續(xù)性方程為

(1)

(2)

(3)

式中：αA，αL，αV分別為空氣、液態(tài)油以及油霧的體積分?jǐn)?shù)；ρA，ρL，ρV分別為空氣、油以及油霧的密度；v為速度；SaL和SaV為液態(tài)油、油霧的質(zhì)量源項(xiàng)，用于計(jì)算蒸發(fā)和冷凝過程中的傳質(zhì)情況.

動量方程為

(4)

式中：p為壓力；F為相間作用力；μ為動力黏度；g為重力加速度，文中取Z軸負(fù)方向.

能量方程為

(5)

式中：E為能量；keff為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；Sh為相變時的能量轉(zhuǎn)移.

1.2.2 湍流模型

相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型而言，RNGk-ε模型在流體旋轉(zhuǎn)上更加具有優(yōu)勢，可以適應(yīng)因軸旋轉(zhuǎn)攪油而產(chǎn)生的旋流，能更好地反映流線彎曲程度較大的流動情況.文中選用RNGk-ε湍流模型來封閉RANS方程，紊流動能k及其耗散率ε的輸運(yùn)方程形式為

(6)

(7)

式中:Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力而產(chǎn)生的湍流；C1ε,C2ε,C3ε為常量,C1ε=1.42,C2ε=1.68，C3ε=tanh|v/u|；ak和aε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，αk=αε≈1.393；Rε為方程ε的附加項(xiàng).

1.2.3 蒸發(fā)-冷凝模型

當(dāng)油槽內(nèi)溫度升高，液態(tài)油會向氣態(tài)轉(zhuǎn)化，這一過程存在著質(zhì)量傳輸和能量轉(zhuǎn)移.文中使用蒸發(fā)-冷凝模型中的Lee模型來計(jì)算這一傳質(zhì)過程.Lee模型的蒸發(fā)和冷凝計(jì)算公式為

(8)

式中:r為相變傳質(zhì)系數(shù)；T為液態(tài)潤滑油溫度；Ts為油霧蒸汽飽和溫度.

1.3 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

考慮到油槽整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于ICEM軟件，采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行離散.對于一些尺寸較小的部件，如噴油管、擋油管等結(jié)構(gòu)，則進(jìn)行局部加密處理.圖2為推力軸承油槽的網(wǎng)格劃分示意圖.

圖2 推力軸承油槽網(wǎng)格劃分示意圖

在正式開展數(shù)模計(jì)算之前，要對網(wǎng)格的無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，以排除網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果精度的影響.取5種不同的網(wǎng)格劃分方案，網(wǎng)格單元數(shù)分別為1 797 455，3 108 171，4 443 559，6 054 796以及8 280 618.對計(jì)算穩(wěn)定后流場內(nèi)某點(diǎn)的流速v、壓力p進(jìn)行分析，如圖3所示圖中e為誤差值.

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到600萬左右時，壓力和流速誤差都在1%以內(nèi)，可以認(rèn)為此時的計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格劃分情況無關(guān)，在之后的計(jì)算中，都使用600萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.

1.4 求解方法與邊界條件

求解方法：使用VOF模型計(jì)算空氣-油-油霧三相流，并捕捉不同相之間的交界面，同時使用隱式算法，通過隱式體積力來平衡壓力梯度和動量方程中的體積力，以提高解的收斂性.使用Lee模型來實(shí)現(xiàn)油-油霧之間的蒸發(fā)傳質(zhì)過程.將鏡板和推力頭設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面(轉(zhuǎn)速為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速500 r/min)，來模擬穩(wěn)態(tài)過程中油槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動情況.為了保證計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性，選擇Coupled算法進(jìn)行壓力-速度耦合求解，以及二階精度的空間離散格式.計(jì)算過程中，將壓力參考點(diǎn)取在油管進(jìn)口斷面中心點(diǎn)位置，根據(jù)現(xiàn)場測壓情況，將參考壓力設(shè)為0.3 MPa.

根據(jù)電站現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置.在建模的過程中，由于忽略了軸瓦與鏡板間隙油膜的存在，因此將軸瓦假定為一個恒定的高溫?zé)嵩?具體的邊界條件設(shè)置如下：

1) 進(jìn)口邊界采用質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口質(zhì)量流量為12.54 kg/s.進(jìn)口截面的湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為219 mm，油溫為35 ℃.

2) 出口邊界條件：自由出流，且相對壓力為0.此時熱油先流入溢流箱內(nèi)，再經(jīng)油管流出.

3) 壁面邊界條件：推力頭和鏡板為旋轉(zhuǎn)部件，其他壁面均為無滑移的靜止壁面.

4) 溫度邊界條件：初始化時，油槽內(nèi)潤滑油的溫度是40 ℃，進(jìn)油管的油溫是35 ℃，軸瓦溫度取60 ℃.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為探究油槽油位變化對油槽內(nèi)流動特性、潤滑油分布以及油霧聚集情況的影響，在正常油位和高報(bào)警油位之間選取幾組油位高度，如表1所示,表中h為油位,h′為油位相對值，對這5種工況進(jìn)行數(shù)模計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行分析.

值得說明的是,在下文的表述中，油位指的是機(jī)組停機(jī)時靜止?fàn)顟B(tài)下潤滑油的液面高度，而潤滑油液面變化指的是機(jī)組運(yùn)行時潤滑油液面的波動、浪涌情況.

表1 計(jì)算工況油位

2.1 油槽內(nèi)流場特性分析

2.1.1 油槽內(nèi)流速分布特性

圖4為推力軸承油槽速度分布云圖，可以看出，當(dāng)機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，推力頭及鏡板的運(yùn)動速度為10～24 m/s，且推力頭斜面的速度分布最大.受轉(zhuǎn)動部件影響，擋油管以及推力頭與擋油板之間的流體也以一定速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這會導(dǎo)致動、靜部件摩擦生熱，潤滑油溫度升高、黏度降低；與此同時，油在離心力的作用下飛濺，透平油與空氣的接觸面積增大，透平油霧化加劇[20]；而油槽內(nèi)部件的攪動及旋轉(zhuǎn)，使得潤滑油反復(fù)撞擊油槽內(nèi)部件，不斷形成油沫.此外，在流速大的區(qū)域，會引起壓力下降，當(dāng)油槽內(nèi)外壓差較大時，也會引起油霧的泄漏.

圖4 推力軸承油槽速度分布云圖

2.1.2 油槽內(nèi)溫度分布特性

圖5為推力軸承油槽溫度T分布云圖.

圖5 推力軸承油槽溫度分布云圖

可以看出，油槽溫度基本在40.00 ℃，低溫區(qū)域主要包括進(jìn)油管、內(nèi)油箱、噴油管以及軸承瓦間隙區(qū)域.在運(yùn)行過程中承受機(jī)組全部旋轉(zhuǎn)部件重量以及軸向水推力的油膜會因黏性剪切應(yīng)力產(chǎn)生大量高溫，推力瓦溫度同時升高，并向周圍流體不斷進(jìn)行熱傳遞，這不但會使?jié)櫥湍こ袎盒阅茏儾睿⒓觿櫥偷撵F化，而且也易誘發(fā)燒瓦事故.當(dāng)冷油經(jīng)進(jìn)油管、內(nèi)油箱和噴油管進(jìn)入軸承瓦間隙后，就會因壓力流入鏡板和軸瓦的楔形間隙，起到冷卻和散熱的作用.

2.1.3 油槽內(nèi)壓力分布特性

對于推力軸承油槽而言，流速和溫度分布主要由機(jī)組轉(zhuǎn)速以及外循環(huán)泵的性能決定，與油位變化關(guān)系不大，故上文只對流速、溫度在油槽內(nèi)的分布規(guī)律進(jìn)行簡要論述.圖6為推力軸承油槽壓力分布云圖，圖中X,Y,Z分別為推力軸承沿X,Y,Z方向的坐標(biāo)軸.可以看出，高壓區(qū)域集中在進(jìn)油管及內(nèi)油箱位置，其次是噴油管及軸瓦間隙，壓力最低的區(qū)域在擋油管壓油葉柵以上部位.圖7為擋油管外側(cè)的壓力p變化曲線，下面結(jié)合油位變化情況對這一區(qū)域的壓力變化規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步分析.

圖6 推力軸承油槽壓力分布云圖

圖7為擋油管外側(cè)的壓力變化曲線，圖中h為油箱中的油位高度.對于圖7的曲線變化規(guī)律，可做如下分析：① 在Z=0.58 m前后，擋油管外側(cè)的壓力呈現(xiàn)完全不同的變化趨勢，這主要與潤滑油的分布有關(guān)；Z<0.58 m時，擋油管外側(cè)充滿著潤滑油，此時，潤滑油主要受重力影響，因此，隨著位置高度的增加，壓力總體呈現(xiàn)下降趨勢，到達(dá)液體表面時，壓力降至最低；當(dāng)Z>0.58 m時，擋油管外側(cè)主要充斥著氣體，此時，受溫度影響更加明顯，結(jié)合圖8曲線a2上的溫度變化，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位置高度增加時，分子熱運(yùn)動更為劇烈，致使擋油管側(cè)壁受的壓力有所增加.② 在擋油管壓油葉柵的前后區(qū)域，壓力變化非常顯著，從正常油位至高報(bào)警油位，壓力分別下降了9 250，10 150，10 500，10 750以及10 250 Pa，平均下降壓力為10 180 Pa，擋油管壓油葉柵上部的低壓區(qū)域與轉(zhuǎn)子運(yùn)動造成的鼓風(fēng)區(qū)域聯(lián)通，易引發(fā)內(nèi)甩油現(xiàn)象.③ 潤滑油油位上升，會使得擋油管外側(cè)壓力值增加，從正常油位至高報(bào)警油位，壓力值分別增加了6.47%，8.27%，10.07%及13.69%.

圖7 擋油管外側(cè)的壓力變化曲線

圖8 曲線a2上的溫度變化(h=815 mm)

2.2 油位高度變化對潤滑油相分布的影響

圖9為推力軸承油槽潤滑油體積分?jǐn)?shù)云圖，9a—9c分別為軸承油槽潤滑油分布的主視圖、俯視圖以及剖視圖；9d—9h為不同油位高度下C-C剖面上的潤滑油分布情況.受轉(zhuǎn)動部件影響，從擋油板至推力油槽外壁面，油面變化近似拋物狀，呈現(xiàn)“外高內(nèi)低”的變化趨勢.這一結(jié)論與龐嘉揚(yáng)等[19]得到的數(shù)模結(jié)果較為一致.圖10則更為詳細(xì)地描述了油面高度h變化情況，曲線的大致走勢呈拋物狀，這表明了潤滑油主要受離心力做拋物運(yùn)動，但曲線并不光滑，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動帶來的攪油、油液撞擊以及油霧蒸發(fā)等也會對油面造成一定的影響.

圖9 推力軸承油槽潤滑油體積分?jǐn)?shù)云圖

根據(jù)圖9d—9h以及圖10，也可以看出，當(dāng)初始油位從720 mm變化到815 mm時，油槽內(nèi)的油面高度走勢基本一致，但油面之間的高度差并不如靜止時的那么大，這與潤滑油的攪動、旋流以及蒸發(fā)都有關(guān).在這幾種不同的初始油位下，油面波動依次為23，23，28，21，17 mm.

圖10 油槽內(nèi)部的油位高度變化曲線

2.3 油位高度變化對油霧生成和聚集的影響

當(dāng)油位高度變化時，也會影響油霧的分布與聚集.圖11為推力油槽油霧體積分?jǐn)?shù)云圖.油霧在產(chǎn)生之后主要向著2個區(qū)域聚集，其一為擋油板與推力頭之間的區(qū)域，這一區(qū)域上方與油槽密封相連，當(dāng)油霧聚集到一定程度，并且密封齒出現(xiàn)材料破壞而無法隨軸運(yùn)動時，就會發(fā)生外甩油事件；其二為擋油管處的區(qū)域，此區(qū)域與受轉(zhuǎn)子運(yùn)動影響的“鼓風(fēng)區(qū)”相連，當(dāng)內(nèi)外壓差增大到一定程度時，便會發(fā)生內(nèi)甩油事件.

從圖11a—11e可以看出，當(dāng)油槽內(nèi)的初始油位升高時，會對油霧的聚集產(chǎn)生較大影響，尤其是對于極易發(fā)生內(nèi)甩油的擋油管區(qū)域.當(dāng)h=720 mm時，油霧主要聚集在擋油管壓油葉柵下方，并沒有向外逸出的趨勢，說明此時擋油管的壓油葉柵可以起到較好的阻油霧作用；當(dāng)h為745～795 mm時，油霧已經(jīng)越過壓油葉柵，向著擋油管上部移動，此時，壓油葉柵的阻油霧作用越來越弱；在h=815 mm時，結(jié)合圖11f，可以觀察到油霧即將完全通過擋油管，并從擋油管逸出，這時，壓油葉柵基本喪失作用.在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子造成的風(fēng)扇作用，擋油管壓油葉柵以上區(qū)域的油霧極易受負(fù)壓影響，從而逸出，到達(dá)發(fā)電機(jī)內(nèi)部，附著在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線棒，磁極、磁軛等部件上，油霧的腐蝕作用會降低這些部件的絕緣性能，影響機(jī)組的使用壽命.此外，油霧可能會溢出到滑環(huán)室內(nèi)，造成滑環(huán)與碳刷接觸打火，影響滑環(huán)壽命.為了運(yùn)行安全和環(huán)境安全，不建議推力軸承油槽運(yùn)行在較高油位下.

圖11 推力油槽油霧體積分?jǐn)?shù)云圖

3 結(jié) 論

文中建立了江西洪屏抽蓄電站推力軸承三維模型，對油槽內(nèi)的空氣-潤滑油-油霧三相流進(jìn)行了定常數(shù)值計(jì)算.結(jié)論如下：

1) 油槽內(nèi)的流速和溫度分布主要由機(jī)組轉(zhuǎn)速以及外循環(huán)泵的性能決定，與油位變化關(guān)系不大.擋油管區(qū)域外壁面的壓力分布主要與油槽內(nèi)的相分布有關(guān).

2) 油霧在產(chǎn)生之后主要向著2個區(qū)域聚集，其一為擋油板與推力頭之間的區(qū)域，其二為擋油管處的區(qū)域.

3) 隨著油位高速增加，壓油葉柵逐漸喪失其阻油霧作用，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在高報(bào)警油位下(h=815 mm)，油霧即將逸出擋油管，為了運(yùn)行安全和環(huán)境安全，不建議推力軸承油槽運(yùn)行在較高油位下.