抽水蓄能机组不同工况下推力轴承油膜特性研究

聂 赛，刘 泽，秦 程，洪云来，胥千鑫，李岩伟，张 智，张玉全，郑 源

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安县 330600；2.河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 210098；3.河海大学水利水电学院，江苏省南京市 210098）

0 引言

在抽水蓄能电站实际运行过程中水轮机的推力轴承不仅要承受发电机组转子质量，还同时要承受轴向水推力等载荷，保证其可靠性对水电站的安全高效运行至关重要；推力轴承的油膜对推力轴承的工作性能起着至关重要的作用，因此对推力轴承油膜特性进行研究显得尤为重要[1]。

对推力轴承油膜特性的研究以往大多数以Reynolds方程为基础[2，3]，其中 Reynolds方程是根据N -S方程及连续方程推导得出，由于其对 N-S方程中的惯性项、油膜曲率等因素进行了忽略，实际求解中对油膜外的流场模拟分析并不适用[4，5]。随着近几年来CFD方法的飞速发展，对推力轴承油膜的温度场、速度场及压力场进行模拟分析已成为可能[6，7]。王正伟[8]和许艳[9，10]等利用ARMD软件在一并考虑轴承刚度及阻尼的情况下，对水轮机机组转子进行了动力学计算。章志平[6]等利用FLUENT软件对优化后的推力瓦进行了数值模拟计算和实验验证，表明模拟结果与试验基本吻合。屈波[11]等运用CFD方法发现推力轴承轴瓦的弹性模量的适当降低，将有利于轴承寿命的延长。

本文将洪屏抽水蓄能机组的推力轴承作为研究对象，并做一定结构简化。以N-S方程为基础，利用AUTOCAD和NX软件进行三维建模，采用ICEM软件对模型进行网格划分工作、FlUENT流体分析软件对推力轴承油膜在不同工况下进行模拟。

1 计算模型

1.1 推力瓦结构及润滑油流动区域几何模型

洪屏抽水蓄能电站推力轴承由12块分块推力瓦组成，推力瓦面两侧分别设计成2道锲形斜面，便于机组开启前通过高压油泵将压力油输送到轴瓦和镜板之间，在轴瓦表面先形成静压油膜。当水轮机机组运转到额定转速时，使之不再依靠高压油泵的作用，利用推力瓦和镜板间形成的动压油膜承受发电机组转子质量及机轴向水推力。瓦面结构简图如图1所示。为减少计算的工作量同时提高计算的精度，在本次计算中只选取润滑油流动区域的1/12进行计算，最终建立如图2所示的几何模型。

图1 推力瓦瓦面结构简图Figure 1 Structural diagram of thrust pad surface

图2 润滑油流动区域几何模型Figure 2 Geometric model of lubricating oil flow region

1.2 模型的计算网格划分

计算模型分为油膜与非油膜区域两部分，其中鉴于前者区域厚度较小对其采用结构网格进行划分，同时将油膜部分的中间平面和两边斜面区域进行分块划分，并将各块区域相接部分采用交界面连接；后者区域结构相对简单且厚度较大采用非结构化网格进行划分，同样将其与油膜区域交接处采用交界面连接。对油膜和非油膜区域进行网格数量无关性检验后，最终确定油膜区域网格数目为20万，非油膜区域网格数目为25万；最终得到计算网格如图3所示。

图3 润滑油流动区域网格划分Figure 3 Meshing of lubricating oil flow region

1.3 模型的求解器及边界条件设置

利用FLUENT流体分析软件对计算模型进行模拟，压力速度耦合方程采用SIMPLEC方法进行求解，另外对方程组中对流项、湍动能和耗散率皆采用二阶迎风格式差分。其中润滑油进口和出口分别位于模型内侧和外侧其边界条件相应设置为velocity-inlet条件和out flow条件，将镜板面设置为wall条件，将模型的左右两个侧面设置为周期性边界条件。

2 计算结果及分析

2.1 不同转速下的瓦面压力分布

由于推力轴承实际运作过程中所形成油膜厚度较小，油膜压强在厚度方向上的变化可以忽略不计，因此可以将油膜最上层表面的压力分布近似为瓦面的压力分布。最终得出水轮机运转过程中不同转速下所对应的推力瓦上表面压力分布情况如图4所示。

图4 不同转速下推力瓦上表面压力分布Figure 4 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different speeds

可见不同转速下所对应的油膜压力分布趋势基本一致，最大压力区域大致呈椭圆形，位于瓦面中心位置且随着与中心位置的距离增加而环向减小；整体上随着水轮机转速的提高，瓦面上的压力分布逐步加大。以水轮机转速n=725r/min和n=50r/min两种工况为例，其压力最大值之间相差接近一个量级；这说明水轮机转速将直接影响到油膜压力的大小，水轮机应尽量减少低转速运转的时间，避免因形成的油膜压力不足而对水轮机推力轴承和推力瓦造成磨损。

2.2 不同进口流速下的瓦面压力分布

水轮机压力油在不同进口流速下所对应的推力瓦上表面压力分布如图5所示。与图4中压力分布趋势类似，最大压力区域大致呈椭圆形，位于瓦面中部位置，压力值随着与中心位置的距离增加而环向减小。与图4中随着水轮机转速的提高瓦面上的压力分布加大不同，图5中的瓦面压力出现了随着进口流速的增大，先减小后增大再减小的趋势；这说明在水轮机运转过程中选择合适的压力油进口流速至关重要，过大的流速将会造成资源浪费，而过低的流速则可能造成压力油温度过高产生烧瓦现象。

图5 不同进口流速下推力瓦上表面压力分布Figure 5 Pressure distribution on upper surface of thrust pad at different inlet velocity

2.3 油膜厚度方向上的速度变化

以水轮机额定转速500r/min的工况为例，以油膜最上层表面为参考面，沿垂直于参考面方向向下移动不同的距离δ得到速度云图，如图6所示。

图6 不同垂向距离下速度云图Figure 6 Velocity nephogram under different vertical distances

可以发现，虽然油膜很薄，但其速度分布沿垂向方向存在较大差异。在抽水蓄能机组运转过程中，镜板会因黏滞阻力的存在而对贴近其表面的润滑油产生明显的拖拽作用，因此可以看出图6（a）中速度分布跟镜板速度类似；其在同一径向距离上，速度值大小基本一致，且速度值大小会随着径向距离的增加而线性增加。对比图6（a）、（b）、（c）可以明显看出在油膜的厚度方向上瓦面的右上角部分速度下降较缓慢，左上角部分速度下降较迅速，而且随着δ值的增大瓦面各个部分之间的速度差值逐渐缩小，其中δ=0.02mm和δ=0.035mm之间速度差值明显小于δ=0mm和δ=0.035mm之间。

3 结论

本文以Navier-Stokes方程为基础，结合洪屏抽水蓄能电站推力瓦结构，建立出了润滑油流动区域三维模型，计算并分析了不同工况下的油膜的压力分布及油膜厚度方向的速度变化，结果表明：

（1）油膜压力的大小随着水轮机转速的增大而增大，在水轮机开机运行时应选择合理的启动方式，尽量避免长时间低转速运行。

（2）油膜压力的大小并不简单随着水轮机压力油进口流速的增大而增加，在水轮机运转过程中应根据实际工况选择合适的压力油进口流量。

（3）通过对同一油膜厚度不同垂向位置的速度云图的比较分析，发现随着垂向位置的增加油膜不同厚度层下的速度分布差值逐渐缩小。