淺談水輪發(fā)電機組推力軸承散熱系統(tǒng)范文

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摘要:概括水輪發(fā)電機組推力軸承的作用及對其散熱研究的必要性，在推力軸承技術(shù)的發(fā)展、推力軸承冷卻方式及其特點等方面作闡述。介紹推力軸承散熱研究的具體方法，對該部分深層次的研究具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:推力軸承;散熱系統(tǒng);流場分析;數(shù)值模擬

1推力軸承散熱研究的必要性

新時期水輪發(fā)電機組的容量不斷增大，大型水輪機組越來越多，其對電網(wǎng)的影響也不可忽略，因此機組的安全、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。推力軸承是立式軸承的一種，承受著機組轉(zhuǎn)動部分的重量以及軸向水推力，在機組的安全穩(wěn)定性方面更是起著舉足輕重的作用。推力軸承的散熱效果直接決定著軸承的使用壽命與機組運行的穩(wěn)定性，油循環(huán)能力不足、推力瓦研刮或者油質(zhì)不達標、機組偏心等眾多因素都是造成瓦溫過高與磨損過快的原因［1］。廣東省三河壩水電站在運行過程中，其2號機組的推力軸承瓦溫達到61℃，超出許可值10℃，機組發(fā)出“故障預告信號”，嚴重影響機組的安全、穩(wěn)定運行，通過對軸瓦的刮研與機組軸線的調(diào)整安裝后，問題才得到解決［2］。該類事故并不少見，自2012年，發(fā)電機組軸瓦燒損已被定為六級設備事件。因此，推力軸承的散熱研究十分重要。

2推力軸承技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

推力軸承的發(fā)展研究主要有物理和機械性能的研究、潤滑性能計算分析和試驗。軸瓦作為軸承的一部分與軸徑直接接觸，在它的材料選擇上，目前應用最廣的有彈性金屬塑料瓦和合金瓦。合金材料主要有巴氏合金、鋁合金、銅合金等，其中巴氏合金瓦有由錫、銻、銅組成的錫基軸承合金和由鉛、錫、銻組成的鉛基軸承合金，結(jié)構(gòu)上有普通軸瓦與雙層軸瓦兩種結(jié)構(gòu)，該類瓦由于具有強大的減磨特性與壓入性，而被廣泛使用。80年代初我國以哈電集團為代表的一些公司也研制出彈性金屬塑料瓦，該類瓦由銅絲層、塑料層以及瓦坯組成，塑料層中常用的如聚四氟乙烯材料［3］，該材料不僅增加了機組的運行可靠性，而且對摩擦損耗與抗劃傷能力都有明顯幫助，目前國內(nèi)應用也非常廣泛，如枕頭壩一級水電站運用該材料，為機組的安全穩(wěn)定運行提供了保證［4］。

總的來說，彈性金屬塑料瓦安裝簡便、可承受壓力大、絕緣性好、允許熱啟動、運行可靠性高，降低了檢修周期，這也是它最大的特點;從軸瓦的形狀上，它們還可以分為扇形瓦與圓形瓦，前者屬于較傳統(tǒng)的軸瓦類型，適用范圍廣，但由于該類型推力瓦瓦面大，在運行過程中，變形不能很好的控制;圓形的推力軸瓦消除了扇形瓦面出現(xiàn)的邊緣效應，且無論從承載力還是潤滑性能上來講都有了很大提高［5］。在機組的運轉(zhuǎn)過程中，推力負荷被分配到多個部件上，支撐結(jié)構(gòu)起著最重要的承載作用。不同的支撐結(jié)構(gòu)，起承載能力也不同［6］，目前，推力軸承支撐結(jié)構(gòu)主要有剛性支承、彈簧簇支承、液壓彈性油箱支承以及彈性圓盤支承等10種支承結(jié)構(gòu)。其中液壓彈性油箱支承屬于單支點支承，可通過彈性油箱的軸向變形改善其受力，應用電站如加拿大丘吉爾瀑布水電站。彈簧簇支承則是一種多支點支承方式，可以適應瓦面綜合變形。綜合各種支承結(jié)構(gòu)，對比如下:①推力軸瓦變形方面，彈簧簇、彈性桿和彈性墊支承結(jié)構(gòu)的支承作用范圍大，故有助于減小軸瓦變形。②推力軸瓦傾斜越靈活，越有助于楔形油膜的形成，但實踐表明，各種結(jié)構(gòu)都能滿足運行要求。③軸瓦負載的均勻程度上，液壓彈性油箱、平衡塊支承在該方面效果較好［7］。推力軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括軸瓦尺寸、支點位置、鏡板厚度、油路循環(huán)結(jié)構(gòu)、拆瓦工具的優(yōu)化等多方面內(nèi)容，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以機組實際運行中出現(xiàn)的問題為基準，例如三峽ALSTOM機組自運行以來就存在鏡板與推力頭不同程度的松動以及兩者連接螺栓斷裂等問題，在提出并實行了改變了鏡板厚度、增加徑向銷釘優(yōu)化方案后，問題得到解決［8］。

3推力軸承散熱系統(tǒng)簡介

就推力軸承散熱冷卻方式而言，目前采用的有內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)冷卻方式在我國應用廣泛，它指的是把推力軸承和油冷卻器放置在同一個油槽中，工作過程中鏡板、推力頭等旋轉(zhuǎn)部件會帶動油的流動，由此潤滑油便在軸承與油冷卻器間流動，將熱量傳遞至冷卻器中的冷卻水，再加上油的對流換熱作用，油溫便得以控制。以冷卻器的形式劃分，將內(nèi)循環(huán)分為立式、臥式、抽屜式冷卻器。但該冷卻方式內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，油槽體積大，有一定的限制性。外循環(huán)冷卻方式是把推力軸承與油冷卻器分開放置，將推力軸承安裝在油槽內(nèi)部，后者在外部。從動力方式上又可以劃分為外加泵與自身泵兩類，根據(jù)管路的損失情況，來確定泵的工作壓力。該循環(huán)方式油槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，油路相對通暢，能有效降低油的攪拌損耗(從計算結(jié)果分析，油的攪拌損耗大約為潤滑損耗的一半)。另外，因油冷卻器放置在油槽外，更方便了檢修與維護。目前大型推力軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)應用的有魯布革、烏江渡、龍羊峽、三峽等水電站。從冷卻效果分析，兩者并沒有明顯差異。

4推力軸承散熱系統(tǒng)流場分析

針對水輪發(fā)電機組推力軸承散熱系統(tǒng)的研究，目前通常都是按照經(jīng)驗來估算的。但機組在運行過程中，由于摩擦作用(油的內(nèi)摩擦與油被攪拌而產(chǎn)生的摩擦)油溫升高，熱油與冷卻器中的冷卻水進行熱量交換后油溫降低，交換后效果如何與油槽中的油流情況有關(guān)，并且軸瓦的溫度分布也會受到影響。因此對推力軸承散熱系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，研究油槽內(nèi)部的流場，對推力軸承潤滑參數(shù)的計算與冷卻器的正確設計和合理安裝都具有重大參考價值。對推力軸承油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬，這一過程中必須獲得潤滑油的速度分布、壓力分布以及溫度分布。但由于這一過程計算量大、工作繁重，并且計算很難收斂，所以在建立實際模型時通常只建立模型的1/Y(Y指推力軸瓦個數(shù))來分析，便于網(wǎng)格的劃分與計算。在這一過程中，應用ICEM軟件建立推力軸承的物理模型，并對間隙和網(wǎng)格搭接部分進行網(wǎng)格剖分，對1/Y推力軸承模型應用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，并設定邊界類型，接著在Fluent軟件中選擇算法，確定邊界和初始條件，增添湍流模型，結(jié)合CFD控制方程中的質(zhì)量守恒方程、動量方程、能量方程對油槽內(nèi)流場進行數(shù)值計算，最終確定優(yōu)化方法。質(zhì)量(連續(xù)性)方程ρt+(ρux)x+(ρuy)y+(ρuz)z=0(1)式中:t為時間;ρ為油的密度;ux、uy、uz分別為速度矢量u→在直角坐標系x、y、z方向上的分量。當流體為定常流動，可以看作是不可壓縮均質(zhì)流體時，上式可以簡化為:uixi=0(2)該方程表達了速度場與密度場之間的聯(lián)系。動量方程:(ρux)t+div(ρux珗u)=div(ugradux)－px+Su(3)(ρuy)t+div(ρuy珗u)=div(ugraduy)－py+Sv(4)(ρuz)t+div(ρuz珗u)=div(ugraduz)－pz+Sw(5)式中:ρ為流體微元上的壓力;Su、Sv、Sw為動量方程的廣義源項;能量方程:(ρT)t+divρ→(uT)=divkcp()gradT+ST(6)式中:cp為油的比熱;T為油溫;k為油的傳熱系數(shù);ST為黏性耗散項。利用該方法進行數(shù)值模擬后，可以為實際的生產(chǎn)活動提供多種參考。

5結(jié)語

目前對推力軸承油冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部流場，以及散熱性能方面的研究不多，但對其研究的意義重大，實用性強。本文介紹的散熱系統(tǒng)研究，是在工程實際需要的基礎上，運用流體力學知識，利用ICEM軟件進行推力軸承的三維建模、網(wǎng)格剖分，再結(jié)合流場分析Fluent軟件進行內(nèi)部油循環(huán)流場分析，總結(jié)出速度、壓力、溫度的分布、變化規(guī)律，最后提出優(yōu)化方案，對機組的穩(wěn)定運行有一定的參考價值。

參考文獻:

［1］張楊．水輪發(fā)電機組推力軸承散熱系統(tǒng)研究綜述［J］．水電站機電技術(shù)，2018，41(1):10－14+71．

［2］何斌生．關(guān)于水輪發(fā)電機組主軸擺度過大及推力軸承瓦溫偏高的分析及處理［J］．水利建設與管理，2017，37(11):91－95．

［3］江曉林，陸明，賓斌．大型水輪發(fā)電機組推力軸承結(jié)構(gòu)型式及特點［J］．水電與新能源，2014(7):33－36+40．

［4］靳帥，張利利，時寒冰．淺析枕頭壩一級水電站機組推力軸承結(jié)構(gòu)［J］．四川水力發(fā)電，2015，34(6):130－132．

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［6］劉琪．水輪發(fā)電機組推力軸承技術(shù)的發(fā)展［J］．黑龍江科學，2014，5(3):67．

［7］曲大莊，武中德，李夢啟，等．推力軸承平衡塊支撐結(jié)構(gòu)的均載能力［J］．大電機技術(shù)，2015(5):1－6+45．

［8］魏玉國．三峽ALSTOM機組推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進［J］．機械工程師，2014(12):238－239．

作者:遠冠陽 田李劍 單位: