基于ANSYS的汽机汽前泵推力轴承温度仿真分析

摘 要：汽机汽前泵是火力发电厂必不可少的设备之一，其主要作用是保证轴的正常转动，如果轴承温度过高，会出现轴承失效现象。基于此，为了避免轴承出现热失效现象，采用ANSYS软件对汽机汽前泵推力轴承进行了温度场分析，为相关人员提供参考。

关键词：火力发电厂;汽机;推力轴承;温度;有限元分析

0 引言

随着我国经济技术的发展，大型发电机组的应用越来越广泛，直接影响着电网运行的稳定性、安全性和可靠性。推力轴承是确保机组安全稳定运行的重要组件，在大多数情况下，其负载相对较高。在发电机组实际运行过程中，轴承系统散热不良、轴瓦温度高等因素会直接影响推力轴承的使用寿命，也会严重威胁电力的正常生产。如果推力轴承长时间满负荷运行，其温度超过允许值，就会出现热失效现象，在夏季高温下，即使将推力轴承油冷却器完全打开，轴承温度也会高达85 ℃，为了给轴承降温，必须增加冷却器和冷却水管数量，会增加运营成本。因此，改善推力轴承冷却系统的散热性能变得尤为重要。

1 汽机汽前泵推力轴承的冷却方法分析

推力轴承的润滑和冷却方法可分为两种类型，即内部循环冷却和外部循环冷却。本文主要分析外部循环冷却系统。外部循环冷却主要是指推力轴承和机油冷却器安装在同一油箱上。随着轴承旋转部分的旋转，润滑油在轴承和冷却器之间流动。冷却器中的冷却液可消除轴承中润滑油损失带来的热量并确保推力正常。如果轴承处于热平衡状态，则油温将在指定温度下运行。在外部循环系统中，止推轴承位于油箱内部，油冷却器位于油箱外部。

2 数值模拟在汽机汽前泵推力轴承温度分析中的应用

在推力轴承油循环冷却系统的数值模拟中，需要通过获取润滑油速度分布和压力分布情况来确定润滑油的流动状态，并最终确定分布式散热系统的散热性能和润滑油速度。由于数值模拟计算难以收敛，并且需要占用大量的计算机内存，工作量较为繁重，技术难度也相对较大，因此需要对模型进行必要的简化。在有限元仿真分析过程中，水被认为是一种缓慢的不可压缩的流体，因此可以对具有不同支撑结构的推力轴承油循环冷却系统进行数值模拟。

3 汽机汽前泵推力轴承温度仿真分析

为了对火力发电厂汽机汽前泵推力轴承进行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三维建模软件，建立了采用外部循环冷却的汽机汽前泵推力轴承三维模型，鉴于计算机的性能和计算时间，忽略了对仿真结果影响不大的特征，只保留了必要的部分，通过ANSYS自带的网格划分工具mesh对其进行网格划分，最终网格划分数量为466 752，其网格划分如图1所示。

汽机汽前泵推力轴承和轴直接接触，通过壳体采用螺栓进行固定，外部循环冷却器有冷却油入口和出口，为了简化计算，仅表现了推力轴承的一部分结构。假设汽机汽前泵推力轴承的工作环境温度为15 ℃、25 ℃、35 ℃，将采用外部循环冷却的汽机汽前泵推力轴承的三维模型导入ANSYS中进行求解计算，汽机汽前泵推力轴承在工作温度为15 ℃时的温度分布云图如图2所示，汽机汽前泵推力轴承在工作温度为25 ℃时的温度分布云图如图3所示，汽机汽前泵推力轴承在工作温度为35 ℃时的温度分布云图如图4所示。

根据图2可以发现，当轴承工作环境温度为15 ℃时，汽机汽前泵推力轴承此时的最高温度为45 ℃左右，最低温度为44 ℃左右，最高溫度出现在轴承和机壳接触位置，最低温度出现在轴承内部和冷却油直接接触位置，此时的最高温度仍在安全范围内，且数值相对较小，采用外部循环冷却的汽机汽前泵推力轴承出现热失效的可能性较低。

根据图3可以发现，当轴承的工作环境温度为25 ℃时，汽机汽前泵推力轴承此时的最高温度为60 ℃左右，最低温度为59.6 ℃左右，最高温度出现在轴承和机壳接触的位置，最低温度出现在轴承内部和冷却油直接接触的位置，此时的最高温度仍在安全范围内，且数值相对较小，采用外部循环冷却的汽机汽前泵推力轴承出现热失效的可能性依然较低。

根据图4可以发现，当轴承的工作环境温度为35 ℃时，汽机汽前泵推力轴承此时的最高温度为75 ℃，最低温度为74.4 ℃，最高温度出现在轴承和机壳接触的位置，最低温度出现在轴承内部和冷却油直接接触的位置，此时的最高温度相对较高，但是仍在安全范围值之内，采用外部循环冷却的汽机汽前泵推力轴承出现热失效的可能性相对较高，但是如果冷却油正常工作，轴承仍可以避免出现热失效问题，可以认为采用外部循环冷却，仍可以保证汽机汽前泵推力轴承的正常工作。

4 结语

综上所述，汽机汽前泵推力轴承性能对保证火力发电厂的正常运营具有重要影响，考虑到传统冷却方式下的推力轴承容易出现热失效现象，采取了外部冷却油循环冷却方式，采用ANSYS有限元仿真方法对其进行了验证，发现采用外部循环冷却方式的汽机汽前泵推力轴承可以有效避免出现热失效现象。

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[2] 王艳真，蒋丹，尹忠慰，等.基于CFD的水润滑静压推力轴承承载能力分析[J].东华大学学报（自然科学版），2015（4）：428-432.

收稿日期：2019-12-27

作者简介：宋树全（1986—），男，湖北武汉人，工程师，研究方向：热能动力。