水轮发电机组推力轴承散热研究

　　水轮发电机组推力轴承散热研究冯小燕张杨王海实2（1.华北水利水电大学电力学院，河南郑州450011；2.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙410004）式及其优缺点等方面做了阐述。结合流体力学的理论知识，详细介绍了推力轴承散热研究的整体思路及研究所需要的湍流模型，对实际研究的开展具有一定的价值。

　　1推力轴承散热研究的必要性对水轮发电机组而言，水流在经过水轮机转轮时会产生轴向力的作用，水轮发电机组推力轴承在运行的时候要承受水轮机转轮、主轴、转子的重量和轴向水推力，其工作条件异常恶劣。随着机组单机容量的不断提高，尺寸不断增大和结构日趋复杂，确保推力轴承在实际运行过程中的安全可靠成为首先要解决的问题。推力轴承的运行可靠性主要取决于轴瓦的支撑方和润滑油的冷却结构（使油路循环合理、散热效果好，同时降低轴瓦的热变形）。

　　对于大型水轮发电机，推力轴承的润滑散热方式非常重要，其工作性能不仅直接关系到推力轴承能否安全运行，同时还影响着机组的出力和效率。因此，对水轮发电机组推力轴承油槽内部流场和温度场进行仿真模拟分析，对于改进其冷却润滑方式、提高推力轴承寿命和推力轴承的结构优化具有重要的意义。

　　2推力轴承技术发展历程在推力轴承材料方面，俄罗斯古比雪夫航空学院在1970年研制成了弹性金属塑料瓦推力轴承，其安装维护简单，运行可靠性高，在工作中所受的限制条件较少。目前，巴氏合金是人们在发电机组领域广为人知的轴承材料，具有减磨特性。

　　在支撑结构方面主要有支柱螺丝托盘支撑、双托盘弹性梁支撑、弹性油箱支撑、多托盘多线支撑等。在循环冷却系统方面，分为外循环冷却与内循环冷却2个方面。推力轴承的技术涉及多个研究方面，包括润滑性能分析、试验，物理和机械的性能研究1. 3推力轴承冷却方式及其优缺点大型水轮发电机推力轴承润滑油冷却方式可以分为内循环冷却和外循环冷却2种，分别应用在不同的场合。内循环冷却方式是指油的冷却器与推力轴承一同安装在油槽内，利用油槽内旋转部件的粘滞作用和油的对流换热形成回路。近年来，内循环冷却方式在冷却管材的选择上虽然有些进展，如用翅片管取代光铜管来提高推力轴承的冷却效果，然而内循环方式油槽内部冷却器布置较为复杂，使损耗大的推力轴承的散热受到了限制。而外加泵外循环系统润滑油的循环是由管路中的电动油泵运行形成的。泵的工作压力根据管路损失计算情况选取，故散热元件可选用冷却效果好、维护方便的不锈钢片叠成的板式换热器。外加泵外循环系统的优点在于油槽内部结构简单，可有效降低油的搅拌损耗，油可直接进入冷却器进行热交换；可根据需要选择油冷却器的数量而不受油槽尺寸的限制；管路中设有并联的备用油泵和换热器，可不停机检修2.推力轴承内循环冷却的机组目前应用于水口、岩滩、五强溪、葛洲坝、小浪底等水电站3，外循环冷却机组目前应用于鲁布革、天生桥级电站以及三峡左岸和右岸等水电站4.在外循环冷却中，导瓦自泵式外循环冷却机组目前应用于白莲河、三峡等电厂5，外加泵外循环冷却机组目前应用于龙滩、宝泉、惠州等电厂6. 4推力轴承散热研究思路推力轴承旋转镜板与推力轴瓦之间的油楔中润滑油的内摩擦和油槽中的油被激烈搅拌而产生的热量使油温升高，冷却器与这些热油交换使油温降低，油槽中的油流情况直接影响油与轴瓦以及油与冷却器的热交换，进而影响到轴瓦的温度分布，因此研究油槽内部的流场，对推力轴承润滑参数的计算，特别是温度场的计算（终计算轴瓦的热变形）提供可靠的边界条件，对冷却器的正确设计和安装具有重要的意义。

　　对推力轴承散热的研究，首先要应用SolidWorks建模软件建立三维推力轴承模型；然后在ICEM中对间隙和网格搭接部分应用结构化网格剖分，对1/12推力轴承模型应用非结构化网格剖分，并设定边界类型，为数值模拟分析做准备；后应用Fluent软件对推力轴承油槽内流场进行数值计算，计算中采用标准模型、分离隐式求解器，对计算得到的油槽内部的压力、速度等参数进行分析，确定优化方法。

　　要实现推力轴承散热的研究，就要应用到计算流体力学。

　　立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门学科，它可以应用计算机数值计算和图像显示的方法，对包含有流体的流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析。CFD的基本思想就是把原来在时间域以及空间域上连续的物理量的场，如速度场、压力场等，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD的主要控制方程就是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的连续性方程、动量方程和能量方程。通过离散求解控制方程，可以得到复杂问题流场内各个位置上的基本物理量的分布情况，以及这些物理量随时间变化的情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。

　　CFD控制方程中的质量守恒方程（即连续性方程）表达了速度场与密度场之间相互制约的关系。

　　扯当流体流动为定常流动，流体看作不可压缩均质流体时，可简化为：CFD控制方程中动量守恒方程（N-S方程）：CFD控制方程中能量守恒方程：其表示流体系统中能量的时间变化率等于单位时间质量力和表面力对系统所做的功加上单位时间外界与系统交换的热量。该热量可以是通过控制面热传导的热量，也可以是热辐射或者内热源传给系统的热量，用Q表示。

　　5湍流模型湍流是种高度复杂的三维不稳定流。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随着时间与空间随机变化。从物理结构上讲，可以把湍流看做各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及转轴的方向分布都是随机的。由于流体内不同尺度的涡旋的随机运动造成湍流的i个重要特点一物理量的脉动7.湍流运动虽然具有非线性并且高度复杂，但已经可以通过某些数值方法对其进行模拟。对湍流运动的数值模拟分为直接数值模拟和非直接数值模拟。直接数值模拟就是直接求解瞬时湍流控制方程；非直接数值模拟就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。直接数值模拟对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用于真正意义上的工程计算，但大量的探索性工作正在进行之中。常见的湍流模型有大涡模拟、单方程模型、标准模型、修正的模型及雷诺应力模型等8.对水轮发电机组推力轴承散热的研究，主要是运用流体力学相关知识，结合ANSYS软件，对推力轴承进行建模、网格划分、边界条件的设置及迭代求解之后，再对其整体压力分布和速度分布等进行分析，根据分析结果，提出推力轴承结构优化的适当措施。