楼 勇， 张 书 友， 曾 辉， 万 晶 宇， 冯 波， 李 冬 冬， 王 青 华

(1.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090； 2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江 安吉 313302)

0 引 言

某抽水蓄能机组为三相立轴悬式空冷可逆式同步电机，单机容量300 MW，转速500 rpm。发电机推力轴承布置在上机架上油槽中，与布置在同一机架下方的上导轴承共用上机架，下导轴承布置在下机架中心体内。上、下导轴承共同承受各种运行工况下径向力和磁拉力[1，2]。采用稀油润滑的滑动轴承，多数情况要受甩油问题的困扰[3，4]。大港水电站2号机组曾出现上导轴承甩油导致运行液位明显下降的现象，严重影响电站安全运行，后采取加装圆弧形挡油环等措施后甩油现象得到抑制[5-7]。扬州第二发电有限责任公司的立式循环泵1B机组推力轴承也曾发生严重甩油，造成机组不能正常运行，后通过增加挡油圈的高度才消除了甩油现象[3]。二滩水电站首次运行时，甩油量达1.07 kg/h，下导轴承油位下降40 mm仍甩油不止，最终通过加装甩油密封环与直角挡油环解决甩油问题[8]。广蓄B厂机组每运行350 h，上导轴承至少出现一次油位低警报，每次需补油80 L，经过三次试验确定增加新型挡油环的解决方案[9，10]。甩油对机组的安全运行极其不利，严重时会发生轴瓦烧毁事故，引起机组不正常停机，影响到电站的经济效益，国内外大多根据工程经验解决机组故障，很少采用计算流体力学的方法对甩油现象的成因与抑制措施进行研究。

1 导轴承建模

1.1 导轴承的结构

某抽蓄导轴承轴瓦采用分块扇形巴氏合金材料，稀油润滑筒式瓦、轴承双向旋转设计，用自身泵进行油循环。与国内常规设计相比，导轴承除浸油高度低外，还有一个显著的特点即内挡油圈顶面与静止液位高度差低，分别为77 mm、82 mm，而一般均要求大于200 mm。厂家要求现场安装时内挡油圈与大轴同心度调整相对较严(不大于0.25 mm)，但机组实际运行后上、下导轴承油槽均出现甩油现象[1]。为此，厂家专门在上、下导轴承内挡油圈上分别安装了密封环，装在静止液位以下20 mm处，来抑制甩油现象。

1.2 VOF模型

VOF模型对每一相流体引入一个体积分数函数，在每个控制单元中，所有相的体积分数的和为1。如果第q相流体的体积分数记为αq，那么就会出现三种情况αq= 0表示第q相流体在单元中是空的；αq= 1表示第q相流体在单元中是充满的；0 <αq< 1表示单元中既包含第q相流体也包含其他相流体[11，12]。

计算中只有空气和润滑油两相，设控制单元中油的体积分数为α1，空气相体积分数为α2，则有:

α1+α2=1

(1)

1.3 计算模型

基于导轴承特殊装配结构，对不影响轴领部位流场或旋转后液位高低的不必要结构进行简化，例如油盆侧面底部凸台、远离轴领扰动部位的冷却器及导轴承间隙等。用连通大气的稳压管代替冷却器部位的复杂结构，对凸台和轴承间隙等部位采用抹平和替代等方法简化。

图1为化简后计算模型示意图。图中a、c处与大气连通，模拟稳压管。d和e处为静止液面，静止液位以下均为ISO 46号润滑油。b处为临界液面，当润滑油液位超过b处液位时发生甩油现象。f处为轴领旋转壁面，转动中心为g。图中除密封环顶部与静止液面间距h(h=20 mm为设计高度)外，均为固定值。

图1 计算模型示意图

轴领附近高速旋转的润滑油在离心力与偏心泵的作用下，造成液位剧烈波动，挡油密封环起阻隔作用，有效降低润滑油液位波动高度。假设环形油盆中心与主轴中心重合忽略偏心泵作用，研究密封环安装位置对液位高度的影响，图2给出了密封环示意图。表1给出了密封环几何安装尺寸。

1.4 网格划分

网格划分是CFD计算中的重要环节，网格质量和布置的合理性对计算精确性和收敛速度具有很大影响。为提高计算精度，采用二维结构化网格，并对流动变化剧烈的齿顶处进行适当加密。笔者采用壁面函数法将壁面的物理量与湍流核心区联系，并将y+值控制在30～150区间范围内，网格数据共计约1.2万。

图2 密封环结构示意图

表1 密封几何与安装位置尺寸

1.5 计算工况设置

笔者采用VOF模型，设定空气为主项，ISO 46号润滑油为次项，因油盆容量较大，且在冷却器的作用下，盆内润滑油温度不会发生剧烈变化，此处假设润滑油温度恒定为38 ℃。计算采用湍流模型k-ε，湍流强度5%，壁面设置为绝热光滑无滑移壁面，轴领壁面为转动壁面，转速为额定工况500 rpm，时间步长为0.1 ms。计算前设定初始状态下润滑油项在计算域内所占比例，计算采用非定常方法，用PISO算法对速度-压力的耦合方程进行求解。待液位不随时间变化后，即可认为流场接近于长时间运行的稳定状态。

2 计算结果分析

2.1 甩油动态特性

图3给出了液位随时间动态变化情况，密封间隙与安装位置为导轴承设计值Cr=2。图中截取两个时刻(t=0.3 s、0.9 s)观察不同时刻油盆内液位状态。在粘性力的作用下轴领带动润滑油高速旋转，在离心力的作用下，轴领壁面处润滑油液位陡升至轴领顶端，呈柱状。随时间推移，上升油柱宽度不断增加(t>0.9 s后基本稳定)并有甩出油盆的趋势。

(a)t=0.3 s

(b)t=0.9 s图3 液位动态变化

2.2 密封间隙对甩油的抑制作用

图4给出了液位高度随密封间隙变化图。选取不同密封间隙Cr=1、3 mm，密封安装高度h取20 mm与实际工况吻合。对比不同密封间隙对甩油的抑制效果。从图4中可以看出，密封间隙为取1 mm时上升液柱宽度相对其他工况较窄，通过间隙可以抑制甩油。结合图4与图3计算结果可得，当密封间隙为Cr≥2 mm时，密封间隙的变化对液位几乎不产生影响，密封间隙的变化对甩油的抑制效果并不明显。

(a)Cr=1 mm

(b)Cr=3 mm图4 液位高度随密封间隙变化

(a)h=30 mm

(b)h=10 mm图5 液位高度随密封安装高度变化

2.3 密封安装高度对甩油的抑制作用

图5给出了液位高度随密封安装高度变化情况。计算工况选取不同密封安装高度，密封间隙Cr取2 mm与实际工况吻合，对比不同密封安装高度对甩油的抑制效果。其中h=30 mm为最低安装位置，每种工况间隔20 mm。图5表明，随密封安装高度的增加，上升液柱宽度有减小趋势，对甩油现象具有抑制作用。

3 结 语

抽蓄机组导轴承甩油会造成润滑油浪费并对定子与转子绕组造成污染，加速绝缘材料的老化，且甩油严重时，使得润滑油液位过低，瓦温升高过快，可能导致干摩擦而引发烧瓦事故。笔者基于VOF模型，采用计算流体力学方法对抑制甩油的关键部件，即甩油迷宫密封环特性进行研究，计算模拟甩油过程，得到液位动态变化特性，并得出密封间隙与密封环安装位置对液位的影响规律。减小密封间隙可抑制导轴承甩油现象，仅在密封间隙小于2 mm时有效。提高密封环安装高度，对抑制甩油效果明显，但当密封环下端上升至静止油位以上，继续提高安装高度其抑制效果将不再提升。调节甩油迷宫环间隙与安装高度完全可抑制导轴承甩油现象，研究成果可为导轴承优化设计与维护提供指导。