水轮发电机组轴承结构对油雾外逸现象的抑制作用

庞嘉扬，刘小兵，曾永忠，余志顺，宋罕

(西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

近年来，随着对水力发电工程的深入研究发现，电站水轮发电机组轴承油雾外逸现象普遍存在，油雾的外逸对生态环境和电站安全运行造成了极大的影响，因此有效解决电站的轴承油雾外逸问题就显得尤为迫切.

目前，已有较多学者对电站轴承油雾外逸问题进行了研究.BRAJDIC-MITIDIERI等[1]借助两相流模型从润滑内特性研究了滑动轴承的工作原理.AKBARZADEH[2]研究了立式水电站的油润滑可倾瓦推力轴承的热流数值计算方法，并采用此计算方法分析了推力瓦数、预紧系数、轴心位置和轴转速对轴承润滑性能的影响.SHUN[3]研究了涡轮增压器的润滑油膜在纯液态以及含有气泡并引入空穴模型的2种情况下，润滑特性的变化情况.ROUF等[4]通过在巴氏合金轴瓦瓦面下方埋设冷却水管路来降低油膜温度，然后采用有限差分法求解雷诺方程、能量方程和广义傅里叶热传导方程对此结构的轴承进行数值模拟，结果表明冷却回路基本合理，与传统冷却系统相比，轴承整体温度显著降低.KIM等[5]在考虑了润滑油密度和黏度的三维变化的前提下，研究了环境参数、支点位置和工况对推力轴承的影响.WALICKI等[6]、WASILCZUK等[7]分别分析了轴承壁面多孔性对油流场压力分布的影响以及推力轴承二维和三维流动，得到了速度、油膜厚度、温度分布规律.ZHAO等[8]采用有限差分法对水润滑轴承特性进行仿真、理论分析和试验研究，确定了水润滑径向滑动轴承的水动力特性.唐乾皓等[9-10]针对某核主泵推力瓦温过高的问题，设计不同结构轴瓦改善瓦间流场，提高油系统冷却性能.孙丹等[11]建立了基于CFD的滑动轴承两相流模型，研究了两相流下轴承的润滑，分析了滑动轴承气穴分布的特点和影响因素，此外还研究了三油楔滑动轴承的润滑特性.李涵等[12]利用平均流量方程和流量因子，研究了轴颈和轴瓦表面形貌对轴承润滑特性的影响.罗跃纲等[13]针对带有迷宫密封的航空发动机转子系统气流激振的问题，分析了系统非线性动力学特性以及失稳转速和密封力的影响因素及其影响规律.张艾萍等[14]分析了不同油膜厚度下的油膜特性及其对轴承振动幅值的影响,以实现在ANSYS中多物理场的耦合分析.王琪等[15]、李承军[16]基于抽水蓄能水轮发电机组，研究油雾成因和油雾的外逸方式，改进了机组的几何结构，彻底解决了油雾治理难题.马新红等[17]考察了小浪底电厂6号机组轴承的运行情况，对轴承进行了全方位的分析, 通过密封、油位和结构等不同改进措施，缓解了轴承油雾外逸现象.

文中以某轴领泵内循环式内置冷却器下导轴承(下文以下导轴承为简称)为原型，优化密封结构，增设平压孔，设计新型下导轴承结构.采用VOF两相流模型进行数值模拟计算，并对油气混合物运动特性和相分布进行分析.对比2种不同下导轴承结构的润滑油外逸量、外逸方式和流场特性差异，从结构上寻找下导轴承油雾逸出的原因.

1 下导轴承油循环系统及结构改进

1.1 下导轴承结构三维模型

下导轴承油循环系统结构如图1所示.浸油式内循环冷却下导轴承轴领在与轴瓦中心位置开设8个与水平面呈45°直径为16 mm的轴领泵孔，在高速旋转的主轴带领下，轴领内腔的润滑油产生压头，迫使润滑油从轴领泵孔流入轴领与轴瓦间隙，对高速旋转的轴领和静止的轴瓦起润滑作用，避免轴瓦被高温烧坏，并对润滑油的循环过程提供动力.根据轴领泵工作原理，将下导轴承油系统计算域分为旋转域和静止域2部分.图2为下导轴承油系统三维模型，其参数：轴领泵孔直径D1为16 mm，下导轴瓦内直径D2为900.2 mm，水轮机额定转速n为500 rad/min，轴瓦瓦块数Z为8，轴领泵孔数N为8.

图1 下导轴承油循环系统结构

图2 下导轴承油系统三维模型

1.2 下导轴承油系统油雾外逸机理分析

在浸油式内循环下导轴承油系统中，下导中心线以下空间一般会被润滑油完全浸没.水轮发电机组运行时，下导轴承油槽内的润滑油受到轴领的搅动和离心力联合作用，油箱内的润滑油相互碰撞、撞击，形成油沫、油雾.在油循环系统内部和外界压力差的驱动作用下，油沫、油雾沿轴领内壁面爬升，从挡油环与主轴之间的空腔外逸出去，导致下导轴承油系统发生油雾外逸现象.

1.3 下导轴承改进结构

图3为下导轴承改进结构三维模型.为了解决水轮发电机组下导轴承油系统在运行过程中油箱内部润滑油雾外逸的问题，在不改变机组油系统工作原理、轴承整体结构和轴瓦数量的条件下，通过对挡油环增设4级迷宫密封结构，并在轴领顶端增设4个直径为8 mm的均匀分布通气平压孔来改进下导轴承结构.迷宫密封结构从几何结构上减少了油雾的外逸量，通气平压孔与大气相通，通过大气压平衡油箱内部压力，减小油箱内外压力差，改进结构从几何结构和物理因素这2个方面同时对油雾逸出起到抑制作用.

图3 下导轴承改进结构三维模型

2 下导轴承油系统数值计算方法

在电站实际运行过程中，下导轴承油系统内部流动情况复杂，包含非定常三维非线性湍流流动和热流动，油膜厚度为0.2 mm，采用近似湍流模型进行数值模拟计算.

2.1 数学模型

下导轴承油气两相流计算采用VOF模型，轴领作为旋转部件，与轴瓦之间形成动静交接，必须考虑剪切应力对油膜的影响，故采用SST湍流模型中的k-ω方程.

对于计算流场的方程组，可用以下方程进行描述：

1) VOF两相流模型

ρ=αgρg+αvρv,

(1)

μ=αgμg+αvμv,

(2)

式中：αg,αv分别为油、气两相体积分数；ρg,ρv分别为油、气两相密度；μg,μv分别为油、气两相黏度.

2) 湍流模型

湍流动能k

(3)

比耗散率ω

(4)

2.2 网格划分

本研究对象包括油膜、冷却器和轴瓦等复杂部件，旋转域中油膜厚度极薄，必须采用高质量的六面体网格，静止域包括了冷却器和轴瓦瓦块等复杂的结构，采用非结构四面体网格划分.为保证网格质量和动静交接面网格节点连接的准确性，对静止域中动静交接面以及尺寸微小的计算域进行网格加密处理和调整.以下导轴承油系统压差为标准，验证网格无关性如表1所示，表中S为网格数，Tj为计算油温，Ts为实际油温，e为误差.最终选择网格数为17 965 008的网格数据进行计算.

表1 网格无关性验证

2.3 边界条件及润滑油参数

数值计算求解需要合理的边界条件，将旋转域与静止域的交界面、旋转域上各表面(除挡油环表面)设定为旋转交界面，转速为500 r/min.根据牛顿内摩擦定律和结构效率推算，在极端条件下考虑到热耗散等情况，油膜与轴瓦交界面设置为75 ℃的发热面，传热模型采用Total Energy模型.润滑油采用L-TSA46#透平油，密度为891 kg/m3,运动黏度为0.044 75 Pa·s.

3 2种下导轴承结构数值计算分析

下导轴承中润滑油的外逸与油箱内部流场特性紧密相关，油箱流场特性可以反映出润滑油的热量变化和油气两相的分布情况，2种不同轴承结构的压力分布也可作为分析油雾外逸的重要参数，油雾的外逸方式和外逸原理是研究2种不同轴承结构的重要依据.

3.1 选取流场特征轴面

下导轴承作为一种旋转部件，其圆周方向上流场特性相似，为了准确分析2种不同下导轴承结构的流场特性的差异性，选择相同对比尺度的特征轴面.图4为特征轴面和监测点选取图，如图所示，以水轮机安装布置X平面作为特征轴面，依据特征轴面定性和定量分析润滑油外逸原理和油箱内部压力分布，以轴领和挡油环间的空腔作为润滑油外逸的主要通道来研究油气两相分布情况.

图4 特征轴面和监测点选取

3.2 油箱温度分布分析

图5为2种结构特征轴面温度分布.根据轴承结构改进前后2次计算结果，取特征轴面对温度T进行对比分析，电站水轮发电机组下导轴承结构改进优化对油箱内部温度变化影响不大，油箱内部润滑油整体温度约为42 ℃，电站实际运行过程中，下导轴承油箱中的润滑油监测温度为45.5 ℃，由此可见，此次数值计算结果准确可靠.油箱温度变化主要发生在润滑油从轴领与轴瓦间隙间流出来后的区域.这是因为轴瓦与轴领摩擦产生的热量从热油传送到油箱的冷油中，发生对冲，含热量的润滑油进入冷却器，热量通过冷却器中的冷却水被带出到外界，使油箱内部温度场达到平衡状态.

图5 2种结构特征轴面温度分布

3.3 油箱压力分布分析

图6为2种结构特征轴面压力分布.2次计算结果做压力p对比分析.由于油箱中的润滑油受到重力和离心力的共同作用，下导轴承油箱中下导中心线以上部分压力变化范围小，下导中心线以下部分压力均匀变化，油箱底部靠近油箱外缘压力最大，下导轴承结构改进前后，油箱内压力分布规律一致，改进后的下导轴承油箱整体压力变化小，保证了下导轴承结构的运行稳定性.图7为2种结构压力差值.选取特征轴面上8个监测点，对压力做数据分析发现，结构改进后油箱内部压差小于结构改进前油箱内部压差pd，通过通气平压孔向轴领和挡油环之间的空腔中补气，平衡油箱内外压差使空腔负压区减少，油雾运动的驱动力减小，有效地减少了在压差作用下从轴领和挡油环之间的空腔中外逸的润滑油，因此改进后的下导轴承结构对轴承油雾的逸出有了明显的抑制作用.

图6 2种结构特征轴面压力分布

图7 2种结构压力差值

图8为2种结构轴领泵孔压力分布.

2种结构的轴领泵孔内压力分布规律、趋势大致相同，说明轴承结构对轴领泵孔内的压力没有影响，轴领泵孔的压力变化主要与水轮机工况有关.由于轴领泵孔出口过流面积增大，导致流速降低，使油气混合物速度势能转变为压力能，轴领泵孔内部压力高，从轴领泵孔入口至轴领泵孔出口，压力变化均匀增加，最大压力达到63 826.4 Pa.

3.4 油箱油气混合物相分析

图9为2种结构油气分布.特征轴面中以油相体积分数Vo代表油气分布，红色为润滑油，蓝色为空气，油箱下导中心线以下部分主要为润滑油.原结构内部流态紊乱，油箱内外压差大，轴领与挡油环间的空腔中油气交界面高，空气进入了润滑油内部，浪涌现象严重.油箱内部气泡数量多，体积大，气泡在润滑油中的不均匀分布对下导轴承结构的运行稳定性产生了影响，加剧了润滑油的碰撞，导致油沫、油雾的产生.改进后的下导轴承结构挡油环安装了4级迷宫密封，轴领内壁面升高的润滑油受到迷宫密封挡板的作用，不能从空腔中外逸出去，轴领与挡油环间的空腔中油气交界面低；改进结构的润滑油中气泡数量少，体积较小，油箱内部含气率降低，保证了油箱内部流态的稳定和机组运行的稳定性；润滑油液面波动振幅小，液面平缓，油箱内部稳定，减少了热油之间的碰撞，很大程度上抑制了油沫和油雾的产生.

图9 2种结构油气分布

图10为2种结构油雾外逸通道及外逸体积分数.通过对结构外逸通道中润滑油的外逸量局部放大后发现，原结构中润滑油主要从挡油环和轴领之间的空腔发生外逸，最大外逸体积分数达到0.010 6；改进结构中轴领与挡油环之间的空腔中油雾外逸量小，少量油沫、油雾在挡油环密封作用下，从密封级间回流到油箱，润滑油主要通过通气平压孔外逸，挡油环与主轴内润滑油的体积分数(浓度)最大为0.002 31.改进后的下导轴承结构润滑油外逸量最大体积分数为改造前的21.79%，下导轴承润滑油的外逸量大大减少.

图10 2种结构油雾外逸通道及外逸体积分数

4 结 论

文中在研究原结构和改进结构的流场特性和润滑油两相分布差异性的基础上，开展了关于轴承结构对水轮发电机组油雾外逸现象的抑制作用研究，得出以下结论：

1) 通过对比2种结构内部数值计算结果压力分布，定性分析了油雾外逸现象是由于油箱内外下导轴承密封结构缺失和油箱内外压力差较大引起的；选取油箱内部8个监测点压力值，计算对应两点压力差值，对比分析表明通气平压孔可以有效缓解油箱内外压力差，减少油雾外逸运动的驱动力。

2) 改进结构增设了密封结构和通气平压孔，新增结构改善了油箱内部流场，并减少了润滑油内气泡的数量，保证了下导轴承的运行稳定性，证实了结构的几何参数和环境物理因素是影响油雾逸出的重要因素.改进后的下导轴承结构油雾外逸量减少了78.21%，油雾外逸得到显著抑制.