顏赟成 王文歡 張 悅 遲志偉 潘衛(wèi)國(guó)

(1.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 201306；2.上海電力大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201306)

混流式水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承承擔(dān)著機(jī)組的水推力和轉(zhuǎn)動(dòng)部件高達(dá)幾百噸甚至上千噸的質(zhì)量，是保證軸系安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，推力軸承通過(guò)潤(rùn)滑油微米級(jí)厚度的油膜使轉(zhuǎn)動(dòng)部件鏡板和靜止部件軸瓦分離。而油膜受到剪切的作用將產(chǎn)生熱量，將使得油膜溫度上升，形成不均勻的溫度分布[1]。軸承最高溫度是影響其潤(rùn)滑性能的重要因素。研究人員對(duì)不同軸瓦材料、形狀的推力軸承進(jìn)行了研究。于曉東等[2]針對(duì)一種圓形可傾瓦推力軸承采用Fortran語(yǔ)言和VB編寫(xiě)了仿真程序，計(jì)算軸承潤(rùn)滑特性，得到瓦面的油膜厚度、油膜壓力和溫度分布。張松林[3]針對(duì)曲面瓦推力軸承采用正交試驗(yàn)法，利用Fluent軟件對(duì)推力軸承進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和承載特性分析。唐乾皓[4]針對(duì)軸承油膜的流動(dòng)特性及介質(zhì)物性參數(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用CFX與ARMD軟件對(duì)軸承油膜溫度進(jìn)行仿真計(jì)算。

為進(jìn)一步研究推力軸承油膜潤(rùn)滑冷卻情況，本文作者基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)某混流式水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承實(shí)際運(yùn)行情況和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Solidworks和Ansys軟件建立了推力軸承數(shù)值模擬計(jì)算模型，分析了推力軸承在高載荷下軸瓦的變形情況。此外，基于正交試驗(yàn)法，研究運(yùn)行參數(shù)條件對(duì)推力軸承油膜溫度分布的影響，得出各因素對(duì)最高溫度的影響程度，選出最優(yōu)工況。研究結(jié)果對(duì)推力軸承運(yùn)行狀態(tài)的判斷，以及對(duì)水電站的運(yùn)行和檢修都有著一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 推力軸承幾何模型

某混流式水電站水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示。推力軸承安裝在頂蓋上方的軸承支架上，主要由推力頭、鏡板、軸瓦、瓦托、彈性油箱、水冷管和油槽等部件構(gòu)成[5]。推力頭與鏡板為旋轉(zhuǎn)部件，它們由螺栓連接。16塊推力軸瓦為固定部件，均勻分布在油槽內(nèi)，下方由彈性油箱支撐。整個(gè)鏡板和軸瓦浸沒(méi)在油槽的潤(rùn)滑油中。

圖1 推力軸承結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值模型建立

針對(duì)推力軸承這類周期對(duì)稱性旋轉(zhuǎn)模型，只需建立1/16推力軸承模型進(jìn)行計(jì)算就能研究分析整個(gè)推力軸承[6]。選用Solidworks軟件建立模型，建模后導(dǎo)入Ansys Scdm和Mesh簡(jiǎn)化模型和劃分網(wǎng)格。為降低計(jì)算工作量和提升結(jié)果準(zhǔn)確性，只需要?jiǎng)澐纸](méi)在潤(rùn)滑油內(nèi)的流體和固體部分。如圖2所示，模型包括鏡板、楔形油膜、軸瓦、瓦托和彈性油箱。對(duì)物理模型劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在油膜厚度方向上進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格如圖3所示。整個(gè)模擬仿真分析基于Ansys Worchbench平臺(tái)下完成，將物理模型導(dǎo)入Geometry軟件中進(jìn)行模型檢驗(yàn)。完成模型檢查后，再導(dǎo)入Ansys Mesh軟件中劃分網(wǎng)格。使用Fluent對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。最后待Fluent模擬計(jì)算收斂后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-POST進(jìn)行結(jié)果后處理。流程圖如圖4所示。

圖2 計(jì)算模型

圖3 油膜網(wǎng)格加密

圖4 仿真模擬計(jì)算流程

1.3 流動(dòng)狀態(tài)確定

雷諾數(shù)Re是一種能夠用于表征流體流動(dòng)特點(diǎn)的無(wú)量綱數(shù)，可以用來(lái)確定楔形油膜的流動(dòng)狀態(tài)[7-10]。

(1)

式中：ρ為油膜密度；v為油膜流速；hm為油膜平均厚度；μ為油膜動(dòng)力黏度。

當(dāng)Re=1 000～1 500時(shí)，可以判斷為潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀態(tài)從層流變?yōu)橥牧鱗7]。取Re=1 000為臨界雷諾數(shù)，結(jié)合電站實(shí)際轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油參數(shù)，計(jì)算得到臨界油膜厚度為0.751 mm。實(shí)際推力軸承油膜厚度平均油膜厚度為0.075 mm，可以判斷出潤(rùn)滑油處在層流的流動(dòng)狀態(tài)。

1.4 邊界條件設(shè)置

為研究推力軸承在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，軸瓦變形對(duì)楔形油膜的影響，采用Ansys Workbench軟件進(jìn)行流固耦合模擬計(jì)算，其中鏡板上表面施加載荷為所承受的軸向載荷；鏡板各表面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，方向?yàn)轫槙r(shí)針；油膜左右兩側(cè)設(shè)為周期邊界，油膜在內(nèi)、外徑的進(jìn)出口面均設(shè)為壓力邊界，流動(dòng)狀態(tài)設(shè)為層流；輸入推力軸承和潤(rùn)滑油的物性條件，邊界條件的設(shè)置如圖5所示。初始條件設(shè)為該機(jī)組的額定工況，運(yùn)行參數(shù)和材料屬性分別如表1和表2所示。計(jì)算流體域得到油膜壓力和溫度分布后，進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，抑制流體域模型，導(dǎo)入油膜壓力和溫度的模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)軸瓦進(jìn)行變形分析。

圖5 油膜邊界設(shè)置

表1 主要技術(shù)參數(shù)

表2 材料屬性

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了能夠精確計(jì)算推力軸承潤(rùn)滑油油膜溫度分布和壓力分布，劃分了不同數(shù)量和大小的網(wǎng)格，網(wǎng)格參數(shù)如表3所示。通過(guò)對(duì)比模擬計(jì)算的推力軸承在額定工況下的油膜最高溫度，驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，圖6所示為不同網(wǎng)格線長(zhǎng)度參數(shù)下的油膜最高溫度仿真計(jì)算結(jié)果。

表3 不同參數(shù)的網(wǎng)格

圖6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

從圖6中可以看出，第四組網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果較為精確，已經(jīng)接近實(shí)際運(yùn)行時(shí)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，并且模擬計(jì)算的效率較高。后面三組數(shù)據(jù)在計(jì)算結(jié)果上與第四組相差甚微，但計(jì)算時(shí)間大幅度增加，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存極大，故最終決定選擇第四組約為83萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)仿真模擬計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 油膜溫度場(chǎng)分布

隨著推力軸承高速旋轉(zhuǎn)，在鏡板與推力軸瓦之間的潤(rùn)滑油受到剪切力和黏性耗散的作用，油膜溫度會(huì)上升，熱量通過(guò)熱對(duì)流方式傳遞到推力軸瓦上，軸瓦的最大溫度大小和分布情況是推力軸承最關(guān)鍵的潤(rùn)滑特性參數(shù)，決定著水電站的安全性和壽命。

圖7所示為模擬仿真所得的溫度分布云圖，沿徑向方向溫度逐漸升高，在推力軸瓦外徑處靠近油膜較薄處達(dá)到最大值330.2 K，而且高溫區(qū)域面積較大，已經(jīng)超出運(yùn)行手冊(cè)限定的安全范圍，若不采取相應(yīng)的措施，軸瓦必然會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)檢修。模擬仿真所得的計(jì)算結(jié)果與該水電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)相吻合，證明了模擬計(jì)算結(jié)果的合理性和正確性。

圖7 油膜溫度分布

2.2 油膜壓力分布

在水輪發(fā)電機(jī)高載荷運(yùn)行過(guò)程中，推力軸瓦受到巨大的軸向正壓力。由于鏡板下表面與推力軸瓦上表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成推力軸瓦的瓦面沿彈性油箱支撐中心產(chǎn)生一定的傾角，這樣鏡板下表面與軸瓦上表面間就形成了一個(gè)楔形間隙潤(rùn)滑油油膜，通過(guò)楔形油膜將鏡板和推力頭頂起，楔形油膜就承擔(dān)了整個(gè)軸向壓力。

圖8所示為楔形油膜壓力分布云圖，油膜壓力主要分布在1.748×105～2.43×105Pa。在推力軸瓦瓦面中心偏向楔形潤(rùn)滑油油膜較大厚度的出油邊界的位置，存在一個(gè)圓形的高壓區(qū)域，且壓力大小沿著高壓中心向軸瓦邊界方向減小，到達(dá)瓦面邊界處降到最小值。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)不存在負(fù)壓，從而避免了潤(rùn)滑油在軸瓦間隙之間的回流，不會(huì)產(chǎn)生熱量滯留聚集的現(xiàn)象，也抑制了潤(rùn)滑油空化帶來(lái)的振動(dòng)影響。

圖8 油膜壓力分布

2.3 軸瓦變形量

推力軸承需要承載整個(gè)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的全部質(zhì)量和極大的軸向水推力，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，推力軸瓦不可避免地會(huì)發(fā)生機(jī)械變形和熱變形，不同材料形狀和結(jié)構(gòu)的軸瓦其變形程度也會(huì)有所不同。如果推力軸瓦的總變形量太大，楔形油膜無(wú)法保持一定的形狀結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑性能和冷卻效果將會(huì)惡化，影響推力軸承的正常運(yùn)行，增加出現(xiàn)故障的概率。

采用Ansys Workbench軟件對(duì)推力軸承進(jìn)行單項(xiàng)流固耦合模擬仿真計(jì)算，分析了推力軸瓦的變形情況。將Fluent仿真模擬的推力軸瓦的壓力分布與溫度分布計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)入到Static Strictural軟件模塊中進(jìn)行流固耦合模擬計(jì)算，流固耦合計(jì)算流程和計(jì)算結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 流固耦合流程

圖10 軸瓦變形量

推力軸瓦總體呈現(xiàn)向下凹陷的趨勢(shì)，凹變形量最大集中在軸瓦中心處，整體變形量為0.163～1.468 μm，僅為最小油膜厚度大小的0.33%～2.9%，凹變形量極小，基本不會(huì)影響鏡板和推力軸瓦間隙內(nèi)潤(rùn)滑油的流動(dòng)情況。因此，極小的推力軸瓦變形量對(duì)后續(xù)計(jì)算推力軸承潤(rùn)滑特性模擬仿真的誤差極小，可以忽略推力軸瓦變形對(duì)油膜模擬研究的影響。

3 推力軸承運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

推力軸承油膜的溫度分布體現(xiàn)了軸承運(yùn)行穩(wěn)定性，其最高溫度決定著推力軸承的安全穩(wěn)定性[8]。文中研究的推力軸承在最高載荷下，在軸瓦外徑處靠近油膜較薄處達(dá)到最大值超出運(yùn)行手冊(cè)限定的安全范圍，需對(duì)軸承運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)際混流式水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承在高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，油膜的厚度和軸瓦的傾角會(huì)保持一定的數(shù)值基本不變。因此，文中不考慮油膜厚度和傾角對(duì)油膜溫度的影響。由于影響軸承溫度的因素較多，文中選用正交試驗(yàn)的研究方法。

3.1 正交試驗(yàn)方案確定

正交試驗(yàn)法有“均勻分散，齊整可比”的優(yōu)點(diǎn)，是一種效率高、覆蓋面廣、成本低的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[11]，采用正交試驗(yàn)方法夠全面地研究各個(gè)參數(shù)對(duì)軸瓦溫度的影響程度。選擇入口壓力pin(A)、鏡板轉(zhuǎn)速n(B)和入口油溫Tin(C)作為正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素。各因素都選取三水平，建立正交試驗(yàn)方案如表4所示，作為數(shù)值模擬仿真的計(jì)算工況。

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Fluent軟件對(duì)潤(rùn)滑油油膜參照正交設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算得到的推力軸瓦溫度分布云圖和油膜最高溫度如圖11和表4所示。

根據(jù)現(xiàn)行的立式水輪發(fā)電機(jī)彈性金屬塑料推力軸瓦技術(shù)條件[12]中第4.2.5a條所規(guī)定：塑料瓦最高溫度不得超過(guò)328 K。在圖11、表4中的全部9個(gè)工況中，其中工況1、3、7、8、9的油膜最高溫度符合技術(shù)文件規(guī)定，推力軸承能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行；而工況2、4、5、6的油膜最高溫度超過(guò)安全閾值，容易造成燒瓦事故。特別是工況4，相比所有工況的軸瓦溫度最高，即在潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力7 MPa、鏡板轉(zhuǎn)速14.28 rad/s、潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度304 K下，軸瓦的溫度最高達(dá)到339.32 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)技術(shù)文件規(guī)定。

由表4可以看出，隨著潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力和進(jìn)油溫度增加，推力軸瓦溫度會(huì)隨之上升；而隨著鏡板轉(zhuǎn)速增加，推力軸瓦溫升減小。

對(duì)圖11中正交試驗(yàn)?zāi)M得到的油膜最高溫度進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示。

圖11 各工況油膜溫度分布

表5 極差分析

Ri的計(jì)算值越大表示第i個(gè)因素對(duì)推力軸瓦溫度越是關(guān)鍵。從表5可得到：RA>RC>RB，由此可以判斷出潤(rùn)滑油油膜的入口壓力是影響軸瓦溫度的第一因素，入口油溫是第二因素，鏡板轉(zhuǎn)速是第三因素。因RB相對(duì)于RA、RC較小，即鏡板轉(zhuǎn)速對(duì)最高溫度的影響較小，可不考慮其影響。

圖12示出了油膜進(jìn)油壓力與最高溫度的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)比較接近，即油膜的進(jìn)油壓力是推力軸承軸瓦總壓的一部分，由于機(jī)組總質(zhì)量不變，在運(yùn)行時(shí)，水推力的變化直接影響到進(jìn)油壓力，水推力越大，發(fā)電機(jī)機(jī)組載荷越大，推力軸承油膜進(jìn)油壓力越大，會(huì)導(dǎo)致油膜最高溫度超出技術(shù)文件規(guī)定。因此，根據(jù)我國(guó)黃河流域多泥沙的水力特性，水電站在設(shè)計(jì)初期水頭的選取和排沙措施的設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格計(jì)算和進(jìn)行復(fù)核，既保證水電站的供電量又確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

分析得到各工況的推力軸承在內(nèi)徑處入口油溫是影響的推力軸瓦最高溫度的次要因素。從圖13可以看出入口油溫與軸瓦最高溫度的變化趨勢(shì)幾乎同步，因此，水電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)要時(shí)刻監(jiān)測(cè)推力軸瓦內(nèi)徑處的潤(rùn)滑油溫度，始終保持在安全的溫度范圍內(nèi)，從而提升機(jī)組的壽命和水電站的安全。若溫度有突然上升或持續(xù)超溫的情況，可以加大進(jìn)入冷卻器的冷水流量和增大冷水壓力和流速，增強(qiáng)冷卻效果，從而降低推力軸承油箱內(nèi)潤(rùn)滑油的溫度。

圖13 各工況入口油溫和最高溫度關(guān)系

同時(shí)，從表5中的極差分析結(jié)果能夠得到推力軸承最優(yōu)工況組合為A3B3C3，即潤(rùn)滑油入口壓力為3 MPa，入口油溫為294 K，鏡板轉(zhuǎn)速為10 rad/s，該最優(yōu)運(yùn)行工況下的最高溫度為320.42 K，滿足技術(shù)文件規(guī)定，可確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

(1)對(duì)某水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的溫度分布和壓力分布軸瓦變形情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：油膜的高壓區(qū)域出現(xiàn)在軸瓦中心偏向進(jìn)油邊的位置，并且呈圓形形狀，從中心高壓區(qū)域向四周壓力逐漸降低，但不存在負(fù)壓；油膜最高溫度出現(xiàn)在靠近周向出油邊的外徑處；該推力軸承軸瓦變形量極小，可以忽略其對(duì)軸承安全運(yùn)行的影響；但該推力軸承在軸瓦外徑處最大溫度已超出安全運(yùn)行范圍，而且高溫區(qū)域面積較大，影響軸承安全運(yùn)行。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)研究了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)軸承溫度的影響。結(jié)果表明：油膜的入口壓力對(duì)軸承溫度影響最大，其次是入口油溫，鏡板轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫度的影響很小；隨著潤(rùn)滑油的進(jìn)油壓力和進(jìn)油溫度增加，推力軸瓦溫度會(huì)隨之上升，而隨著鏡板轉(zhuǎn)速增加，推力軸瓦溫升減小。