浅谈水轮发电机组推力轴承散热系统范文

摘要:概括水轮发电机组推力轴承的作用及对其散热研究的必要性，在推力轴承技术的发展、推力轴承冷却方式及其特点等方面作阐述。介绍推力轴承散热研究的具体方法，对该部分深层次的研究具有一定的参考价值。

关键词:推力轴承;散热系统;流场分析;数值模拟

1推力轴承散热研究的必要性

新时期水轮发电机组的容量不断增大，大型水轮机组越来越多，其对电网的影响也不可忽略，因此机组的安全、稳定运行至关重要。推力轴承是立式轴承的一种，承受着机组转动部分的重量以及轴向水推力，在机组的安全稳定性方面更是起着举足轻重的作用。推力轴承的散热效果直接决定着轴承的使用寿命与机组运行的稳定性，油循环能力不足、推力瓦研刮或者油质不达标、机组偏心等众多因素都是造成瓦温过高与磨损过快的原因［1］。广东省三河坝水电站在运行过程中，其2号机组的推力轴承瓦温达到61℃，超出许可值10℃，机组发出“故障预告信号”，严重影响机组的安全、稳定运行，通过对轴瓦的刮研与机组轴线的调整安装后，问题才得到解决［2］。该类事故并不少见，自2012年，发电机组轴瓦烧损已被定为六级设备事件。因此，推力轴承的散热研究十分重要。

2推力轴承技术的发展现状

推力轴承的发展研究主要有物理和机械性能的研究、润滑性能计算分析和试验。轴瓦作为轴承的一部分与轴径直接接触，在它的材料选择上，目前应用最广的有弹性金属塑料瓦和合金瓦。合金材料主要有巴氏合金、铝合金、铜合金等，其中巴氏合金瓦有由锡、锑、铜组成的锡基轴承合金和由铅、锡、锑组成的铅基轴承合金，结构上有普通轴瓦与双层轴瓦两种结构，该类瓦由于具有强大的减磨特性与压入性，而被广泛使用。80年代初我国以哈电集团为代表的一些公司也研制出弹性金属塑料瓦，该类瓦由铜丝层、塑料层以及瓦坯组成，塑料层中常用的如聚四氟乙烯材料［3］，该材料不仅增加了机组的运行可靠性，而且对摩擦损耗与抗划伤能力都有明显帮助，目前国内应用也非常广泛，如枕头坝一级水电站运用该材料，为机组的安全稳定运行提供了保证［4］。

总的来说，弹性金属塑料瓦安装简便、可承受压力大、绝缘性好、允许热启动、运行可靠性高，降低了检修周期，这也是它最大的特点;从轴瓦的形状上，它们还可以分为扇形瓦与圆形瓦，前者属于较传统的轴瓦类型，适用范围广，但由于该类型推力瓦瓦面大，在运行过程中，变形不能很好的控制;圆形的推力轴瓦消除了扇形瓦面出现的边缘效应，且无论从承载力还是润滑性能上来讲都有了很大提高［5］。在机组的运转过程中，推力负荷被分配到多个部件上，支撑结构起着最重要的承载作用。不同的支撑结构，起承载能力也不同［6］，目前，推力轴承支撑结构主要有刚性支承、弹簧簇支承、液压弹性油箱支承以及弹性圆盘支承等10种支承结构。其中液压弹性油箱支承属于单支点支承，可通过弹性油箱的轴向变形改善其受力，应用电站如加拿大丘吉尔瀑布水电站。弹簧簇支承则是一种多支点支承方式，可以适应瓦面综合变形。综合各种支承结构，对比如下:①推力轴瓦变形方面，弹簧簇、弹性杆和弹性垫支承结构的支承作用范围大，故有助于减小轴瓦变形。②推力轴瓦倾斜越灵活，越有助于楔形油膜的形成，但实践表明，各种结构都能满足运行要求。③轴瓦负载的均匀程度上，液压弹性油箱、平衡块支承在该方面效果较好［7］。推力轴承的结构优化包括轴瓦尺寸、支点位置、镜板厚度、油路循环结构、拆瓦工具的优化等多方面内容，结构的优化以机组实际运行中出现的问题为基准，例如三峡ALSTOM机组自运行以来就存在镜板与推力头不同程度的松动以及两者连接螺栓断裂等问题，在提出并实行了改变了镜板厚度、增加径向销钉优化方案后，问题得到解决［8］。

3推力轴承散热系统简介

就推力轴承散热冷却方式而言，目前采用的有内循环与外循环两种。内循环冷却方式在我国应用广泛，它指的是把推力轴承和油冷却器放置在同一个油槽中，工作过程中镜板、推力头等旋转部件会带动油的流动，由此润滑油便在轴承与油冷却器间流动，将热量传递至冷却器中的冷却水，再加上油的对流换热作用，油温便得以控制。以冷却器的形式划分，将内循环分为立式、卧式、抽屉式冷却器。但该冷却方式内部结构复杂，油槽体积大，有一定的限制性。外循环冷却方式是把推力轴承与油冷却器分开放置，将推力轴承安装在油槽内部，后者在外部。从动力方式上又可以划分为外加泵与自身泵两类，根据管路的损失情况，来确定泵的工作压力。该循环方式油槽内部结构简单，油路相对通畅，能有效降低油的搅拌损耗(从计算结果分析，油的搅拌损耗大约为润滑损耗的一半)。另外，因油冷却器放置在油槽外，更方便了检修与维护。目前大型推力轴承外循环冷却系统应用的有鲁布革、乌江渡、龙羊峡、三峡等水电站。从冷却效果分析，两者并没有明显差异。

4推力轴承散热系统流场分析

针对水轮发电机组推力轴承散热系统的研究，目前通常都是按照经验来估算的。但机组在运行过程中，由于摩擦作用(油的内摩擦与油被搅拌而产生的摩擦)油温升高，热油与冷却器中的冷却水进行热量交换后油温降低，交换后效果如何与油槽中的油流情况有关，并且轴瓦的温度分布也会受到影响。因此对推力轴承散热系统进行数值模拟，研究油槽内部的流场，对推力轴承润滑参数的计算与冷却器的正确设计和合理安装都具有重大参考价值。对推力轴承油循环冷却系统的数值模拟，这一过程中必须获得润滑油的速度分布、压力分布以及温度分布。但由于这一过程计算量大、工作繁重，并且计算很难收敛，所以在建立实际模型时通常只建立模型的1/Y(Y指推力轴瓦个数)来分析，便于网格的划分与计算。在这一过程中，应用ICEM软件建立推力轴承的物理模型，并对间隙和网格搭接部分进行网格剖分，对1/Y推力轴承模型应用非结构化网格剖分，并设定边界类型，接着在Fluent软件中选择算法，确定边界和初始条件，增添湍流模型，结合CFD控制方程中的质量守恒方程、动量方程、能量方程对油槽内流场进行数值计算，最终确定优化方法。质量(连续性)方程ρt+(ρux)x+(ρuy)y+(ρuz)z=0(1)式中:t为时间;ρ为油的密度;ux、uy、uz分别为速度矢量u→在直角坐标系x、y、z方向上的分量。当流体为定常流动，可以看作是不可压缩均质流体时，上式可以简化为:uixi=0(2)该方程表达了速度场与密度场之间的联系。动量方程:(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为流体微元上的压力;Su、Sv、Sw为动量方程的广义源项;能量方程:(ρT)t+divρ→(uT)=divkcp()gradT+ST(6)式中:cp为油的比热;T为油温;k为油的传热系数;ST为黏性耗散项。利用该方法进行数值模拟后，可以为实际的生产活动提供多种参考。

5结语

目前对推力轴承油冷却系统的内部流场，以及散热性能方面的研究不多，但对其研究的意义重大，实用性强。本文介绍的散热系统研究，是在工程实际需要的基础上，运用流体力学知识，利用ICEM软件进行推力轴承的三维建模、网格剖分，再结合流场分析Fluent软件进行内部油循环流场分析，总结出速度、压力、温度的分布、变化规律，最后提出优化方案，对机组的稳定运行有一定的参考价值。

参考文献:

［1］张杨．水轮发电机组推力轴承散热系统研究综述［J］．水电站机电技术，2018，41(1):10－14+71．

［2］何斌生．关于水轮发电机组主轴摆度过大及推力轴承瓦温偏高的分析及处理［J］．水利建设与管理，2017，37(11):91－95．

［3］江晓林，陆明，宾斌．大型水轮发电机组推力轴承结构型式及特点［J］．水电与新能源，2014(7):33－36+40．

［4］靳帅，张利利，时寒冰．浅析枕头坝一级水电站机组推力轴承结构［J］．四川水力发电，2015，34(6):130－132．

［5］曲鹏．立式电机推力轴承的发展现状［J］．上海大中型电机，2014(4):15－18．

［6］刘琪．水轮发电机组推力轴承技术的发展［J］．黑龙江科学，2014，5(3):67．

［7］曲大庄，武中德，李梦启，等．推力轴承平衡块支撑结构的均载能力［J］．大电机技术，2015(5):1－6+45．

［8］魏玉国．三峡ALSTOM机组推力轴承结构优化改进［J］．机械工程师，2014(12):238－239．

作者:远冠阳 田李剑 单位: