轴线倾斜条件下核电站推力轴承润滑特性分析

徐 熙，潘伟龙，谢江红，何少华，范雪晴，蔡 亮

（1. 江苏核电有限公司，连云港 222042；2. 东南大学能源与环境学院，南京 210046）

核主泵是核电站一回路循环系统实现冷却功能的关键，而主泵的推力轴承则是主泵中至关重要的部件。当主泵正常工作时，推力轴承会受到推力盘带来向上的巨大推力；启停过程中，推力轴承则承载起整个主泵转子系统的重力［1］。推力轴承工作时承受较大的载荷，不可避免地会出现轴瓦瓦面磨损、疲劳剥落、温度较高引起烧瓦等轴承失效的现象［2，3］。对轴承润滑可以有效缓解推力轴承的轴瓦磨损，极大程度地提高轴承的使用寿命，核电站主泵止推轴承主要使用油或水进行润滑和冷却。与油相比，水发生气液相变的压力和温度临界点较低，比润滑油更容易在温度较低的情况下或在温度不变、压力突降的情况下发生空化现象，导致轴瓦磨损［4］，存在安全隐患并产生财产损失，因此很多核主泵采用油润滑系统。本文选用油作为润滑介质进行模拟研究。

在核主泵运行过程中，高转速和大负载的工作条件往往会造成润滑油温度的升高，当温度升高较大时会引起润滑液黏度的急剧减少，影响轴承的承载性能［5］。开展推力轴承润滑油液膜温度的研究可以为进一步提升推力轴承的润滑性能提供科学的指导方向，达到提高推力轴承的工作性能以及核电站的安全高效运行的目的。

M.Wasilc Zuk 等［6］通过对推力轴承的二维、三维模型进行CFD 分析，模拟了推力滑动轴承的速度分布、温度分布以及膜厚分布。张植忠［7］对高速重载运行条件下的可倾瓦推力滑动轴承展开研究，通过建立研究对象的动力润滑数学模型并开展数值模拟，计算获得了油膜区域温度、压力场的改变，在此基础上改变推力轴瓦的支点安置位置，评估轴承的润滑性能。Xu 等［8］以高速水润滑径向轴承为研究对象，利用有限差分法求解模型，分析湍流、惯性及不对中所造成的倾斜效应对轴承动静特性以及稳定性的影响。结果表明：倾斜效应改变了轴承承载能力、刚度、阻尼系数和稳定性。Zhang 等［9］对流体动压径向轴承展开研究，建立了轴线倾斜条件下具有表面织构的热弹流体动力学（TEHD）润滑模型，研究轴承表面结构以及轴线倾斜对径向轴承润滑性能的影响。结果表明：轴线倾斜时，轴承选取最佳表面织构能够大大提高轴承的润滑性能。

在当前对推力轴承的研究中，主要关注平行界面推力轴承润滑剂液膜温度场和压力场分布规律。本文通过模拟，研究轴线倾斜条件下的推力轴承润滑特性，全面分析推力轴承在不同工况下的性能特征。

1 物理模型

本文研究的推力轴承为双面开槽推力轴承，止推盘上沿圆周方向均匀分布若干推力轴瓦，推力轴瓦的瓦基材料通常为不锈钢，瓦面的材料一般为石墨。推力盘表面由若干纯碳石墨瓦组成，纯碳石墨盘嵌入不锈钢板之中，在推力盘表面形成冷却槽，其结构如图1所示。

图1 止推盘与推力盘结构Fig.1 Structure diagram of thrust disc and thrust disc

止推盘和推力盘各结构的参数见表1。本文对止推盘和推力盘间隙内油膜的物理模型进行三维构建，用于数值模拟计算。

表1 推力盘及止推盘几何参数Table 1 Geometric parameters of thrust disc and thrust disc

2 数值模拟

2.1 控制方程

由于轴承间隙内的油膜厚度较薄，工作时以层流状态为主，本文考虑将N-S 方程简化为雷诺方程。分析油膜特性时，油膜黏度随温度变化而不断变化，在研究过程中还应考虑能量转换。为了获得轴承间隙油膜特性，必须同时求解连续性方程、动量方程和能量方程。

连续性方程为：

式中，ρ是密度，kg/m3；t是时间，s；u是速度矢量，m/s。

油膜可以看作稳定的不可压缩流体，密度值保持不变，为常数。连续性方程可变换为：

式中，u，v，w分别是在x，y，z方向上的三个速度分量，单位为m/s。

动量方程为：

式中，p为油膜压力，Pa；μ为油膜的动态黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2。

能量方程为：

式中，cp为比热容，J/（kg·℃）；k为传热系数；ST是由于黏性效应机械能转换为热能的耗散函数。

2.2 边界条件

本文运用流体动力学模拟软件FLUENT 模拟平行界面及倾斜界面油膜的温度分布和压力分布，对油膜几何模型进行结构化网格划分，并进行无关性验证。止推盘和推力盘存在相对旋转，间隙内一部分流体随推力盘做旋转运动，一部分流体被束缚在止推盘表面。针对该模型有相对位移的流动问题，本文选用动网格模型。

油膜与推力盘的接触表面设置逆时针旋转，转速设定为1440 r/min，油膜与止推盘接触表面设置为静止壁面，润滑油进口为压力入口，压力值为0.2 MPa，入口温度为300 K；压力出口的压力值设为0，温度值初设为300 K。

3 计算结果分析

3.1 平行界面温度与压力分布

本文以推力盘和止推盘沟槽完全重合为起始位置，选择推力盘旋转0°、3°、6°、11.5°、16.5°、19.5°六个时刻处的温度和压力模拟结果进行分析。

平行界面温度分布如图2 所示，沿径向方向上，由于角速度一定时，半径越大线速度越大，因此半径较大处所造成的速度梯度较大，产生黏性耗散热较多，温度分布随着半径的增大呈现温度逐渐升高的趋势。当供给入推力轴承间隙内润滑油的压力一定时，在推力盘和止推盘的沟槽区域，流通面积更大，流量增大、流速增加，沟槽区域的液膜径向流速增大，因此在油膜上沟槽区的温度较低于无沟槽区域。

图2 平行界面温度分布示意图Fig.2 Schematic diagram of temperature distribution at parallel interfaces

由于推力盘沟槽数为止推盘沟槽数的两倍，当不存在推力盘与止推盘沟槽重合时，在计算周期内（6°～16.5°），如图2（d）所示，相邻两个止推盘a、b 沟槽间始终存在两个推力盘沟槽，一个推力盘c 沟槽沿转速方向即将与止推盘a沟槽重合，另一推力盘d 沟槽随着推力盘的旋转逐渐远离止推盘b 沟槽，油膜最高温度出现在c 沟槽沿转速方向的沟槽侧靠近外边缘处。d 沟槽沿转速方向的沟槽侧温度也为周围区域的温度最高值，由于经历了b 沟槽的冷却，该处的温度值较低于c 沟槽处。

平行界面压力分布如图3 所示。径向方向上，与单面开槽的旋转模型变化趋势相一致，随着半径的增大，压力值呈逐渐降低的趋势。周向方向上，压力分布大致呈周期性变化，沟槽两侧的压力分布不同，沟槽的逆时针侧压力远大于沟槽顺时针侧。同一半径处，沟槽区压力沿顺时针方向逐渐减小，非沟槽区压力沿顺时针方向递增。当存在沟槽重合现象时，推力盘沟槽非重合区域、重合区域、止推盘非重合区域的压力连续平缓变化，同一半径处，沿顺时针方向压力逐渐减少。

图3 平行界面压力分布示意图Fig.3 Schematic diagram of pressure distribution at parallel interfaces

3.2 轴线倾斜界面温度分布

根据核电运行工况，本文对轴线倾斜0.005°、0.01°、0.015°和0.02°四种状态进行模拟。模拟工况较多，四种倾斜状态下，轴线倾斜所造成的影响具有一致性，且随着倾斜的加剧逐渐显现，本文以倾斜0.02°数值模拟结果为例，与平行界面对比分析。

在径向方向上，油膜温度随着半径的增大而升高，周向上液膜较厚的沟槽区温度要低于液膜厚度较薄的非沟槽区域，当存在推力盘沟槽与止推盘沟槽重合时，推力盘非重合区域沟槽、重合区域沟槽、止推盘非重合区域沟槽温度分布规律与平行时一致。由于轴线偏斜所造成图4 中油膜左右半区的厚度变化相反，左侧油膜厚度减少，右侧油膜厚度增加，引起两区域黏性耗散热的增加或减少，使得油膜的温度沿周向的周期性分布规律被打破，但每两个止推盘沟槽间沟槽区域以及非沟槽区域的油膜温度沿周向的变化规律与平行界面的变化规律相同。液膜厚度降低区域的各时刻温度与平行界面相应时刻相比普遍升高，液膜厚度增加的区域各时刻温度与平行界面相应时刻比普遍降低，且随着倾斜角度的增大，轴线倾斜所引起的温度变化幅值越大，引起的温度分布左右不均现象越剧烈。

图4 倾斜0.02°时温度分布Fig.4 Temperature distribution map at an inclination of 0.02 °

由图5 和图6 可知，当轴线倾斜程度为0.005°、0.01°、0.015°、0.02°时，油膜最高温度的升高幅度分别是平行时的118.74%、128.47%、140.32%和154.51%。平行时的最高温度为309.87 K，轴线倾斜0.02°时，最高温度达到了315.25 K，最高温度低于单面开槽油膜的最高温度。最高温度处油膜的动力黏度分别为平行时的93.71%、90.61%、86.96%和82.79%。

图5 平行界面与倾斜界面最高温度对比Fig.5 Comparison of maximum temperatures between parallel and inclined interfaces

图6 润滑油动力黏度变化Fig.6 Dynamic viscosity variation diagram of lubricating oil

3.3 轴线倾斜界面压力分布

如图7 所示，在径向方向，倾斜界面下油膜压力随着半径的增大不断减小，由于轴线倾斜的存在，周向方向的压力分布的周期性变化规律被打破，但每两个止推盘沟槽间隙间沟槽区域以及非沟槽区域的油膜压力沿周向的变化规律与平行界面的变化规律相同。当发生推力盘与止推盘沟槽重合时，重合区域以及邻近的止推盘、推力盘沟槽的非重合区域的压力分布改变也与平行界面相似。轴线倾斜引起润滑油上下半区沿转速流通截面面积发生变化，造成上下半区压力分布的改变，上半区域的压力值较平行界面有所升高，下半区域较平行界面有所降低，这种压力的改变随着轴线倾斜程度的增加而增大。

图7 倾斜0.02°时压力分布Fig.7 Pressure distribution diagram at an inclination of 0.02 °

如图8 所示，当轴线倾斜程度为0.005°、0.01°、0.015°、0.02°时，油膜最高压力的升高幅度分别是平行时的112.22%、124.38%、138.44%和155.16%，较平行时油膜的最高压力为237.63 kPa，轴线倾斜0.02°时，最高压力达到了258.38 kPa。

图8 平行界面与倾斜界面最高压力对比Fig.8 Comparison of maximum pressure between parallel and inclined interfaces

4 结论

本文建立了推力盘和止推盘均开有冷却槽时平行界面与轴线倾斜界面油膜的三维物理模型，对油膜进行网格划分。利用流体动力学仿真软件FLUENT，对平行界面和轴系倾斜两种工作所构成的油膜流场进行了数值仿真模拟，获得了流场的压力分布和温度分布，并分析了油膜流场温度分布和压力分布随轴线倾斜角度的变化规律。

（1）对平行界面研究发现：轴线未发生倾斜时，径向方向，油膜温度随半径增加而上升，压力随半径增大而降低；周向方向，温度和压力沿周向呈现周期性变化规律，沟槽区的油膜温度较低于非沟槽区，沟槽两侧压力存在差异，受挤压侧压力大于另一侧，非沟槽区温度沿转速方向递增，压力则递减。

（2）对倾斜界面研究发现：轴线倾斜会造成油膜温度、压力分布的改变，当倾斜程度从0°变化至0.02°时，双面开槽的推力轴承最高温度、压力的变化幅度在100%～155%和100%～155%的范围内变化。当倾斜0.02°时，油膜最高温度处的动力黏度为平行时的82.79%。

（3）当核主泵轴线倾斜时，润滑油膜分布不均匀，最大温度及最高压力上升，油膜动力黏度下降，导致轴承与其他机械部件的摩擦增加。核电站实际运行中，应定期检查维护润滑系统，监测核主泵轴线倾斜状况并及时调整。