水輪發電機組推力軸承散熱研究

時間:2017-10-26 14:26:00 來源:中國散熱器網 添加人:admin

  水輪發電機組推力軸承散熱研究馮小燕張楊王海實2(1.華北水利水電大學電力學院,河南鄭州450011;2.中國水利水電第八工程局有限公司,湖南長沙410004)式及其優缺點等方面做了闡述。結合流體力學的理論知識,詳細介紹了推力軸承散熱研究的整體思路及研究所需要的湍流模型,對實際研究的開展具有一定的價值。

  1推力軸承散熱研究的必要性對水輪發電機組而言,水流在經過水輪機轉輪時會產生軸向力的作用,水輪發電機組推力軸承在運行的時候要承受水輪機轉輪、主軸、轉子的重量和軸向水推力,其工作條件異常惡劣。隨著機組單機容量的不斷提高,尺寸不斷增大和結構日趨復雜,確保推力軸承在實際運行過程中的安全可靠成為首先要解決的問題。推力軸承的運行可靠性主要取決于軸瓦的支撐方和潤滑油的冷卻結構(使油路循環合理、散熱效果好,同時降低軸瓦的熱變形)。

  對于大型水輪發電機,推力軸承的潤滑散熱方式非常重要,其工作性能不僅直接關系到推力軸承能否安全運行,同時還影響著機組的出力和效率。因此,對水輪發電機組推力軸承油槽內部流場和溫度場進行仿真模擬分析,對于改進其冷卻潤滑方式、提高推力軸承壽命和推力軸承的結構優化具有重要的意義。

  2推力軸承技術發展歷程在推力軸承材料方面,俄羅斯古比雪夫航空學院在1970年研制成了彈性金屬塑料瓦推力軸承,其安裝維護簡單,運行可靠性高,在工作中所受的限制條件較少。目前,巴氏合金是人們在發電機組領域最廣為人知的軸承材料,具有減磨特性。

  在支撐結構方面主要有支柱螺絲托盤支撐、雙托盤彈性梁支撐、彈性油箱支撐、多托盤多線支撐等。在循環冷卻系統方面,分為外循環冷卻與內循環冷卻2個方面。推力軸承的技術涉及多個研究方面,包括潤滑性能分析、試驗,物理和機械的性能研究1. 3推力軸承冷卻方式及其優缺點大型水輪發電機推力軸承潤滑油冷卻方式可以分為內循環冷卻和外循環冷卻2種,分別應用在不同的場合。內循環冷卻方式是指油的冷卻器與推力軸承一同安裝在油槽內,利用油槽內旋轉部件的粘滯作用和油的對流換熱形成回路。近年來,內循環冷卻方式在冷卻管材的選擇上雖然有些進展,如用翅片管取代光銅管來提高推力軸承的冷卻效果,然而內循環方式油槽內部冷卻器布置較為復雜,使損耗大的推力軸承的散熱受到了限制。而外加泵外循環系統潤滑油的循環是由管路中的電動油泵運行形成的。泵的工作壓力根據管路損失計算情況選取,故散熱元件可選用冷卻效果好、維護方便的不銹鋼片疊成的板式換熱器。外加泵外循環系統的優點在于油槽內部結構簡單,可有效降低油的攪拌損耗,油可直接進入冷卻器進行熱交換;可根據需要選擇油冷卻器的數量而不受油槽尺寸的限制;管路中設有并聯的備用油泵和換熱器,可不停機檢修2.推力軸承內循環冷卻的機組目前應用于水口、巖灘、五強溪、葛洲壩、小浪底等水電站3,外循環冷卻機組目前應用于魯布革、天生橋級電站以及三峽左岸和右岸等水電站4.在外循環冷卻中,導瓦自泵式外循環冷卻機組目前應用于白蓮河、三峽等電廠5,外加泵外循環冷卻機組目前應用于龍灘、寶泉、惠州等電廠6. 4推力軸承散熱研究思路推力軸承旋轉鏡板與推力軸瓦之間的油楔中潤滑油的內摩擦和油槽中的油被激烈攪拌而產生的熱量使油溫升高,冷卻器與這些熱油交換使油溫降低,油槽中的油流情況直接影響油與軸瓦以及油與冷卻器的熱交換,進而影響到軸瓦的溫度分布,因此研究油槽內部的流場,對推力軸承潤滑參數的計算,特別是溫度場的計算(最終計算軸瓦的熱變形)提供可靠的邊界條件,對冷卻器的正確設計和安裝具有重要的意義。

  對推力軸承散熱的研究,首先要應用SolidWorks建模軟件建立三維推力軸承模型;然后在ICEM中對間隙和網格搭接部分應用結構化網格剖分,對1/12推力軸承模型應用非結構化網格剖分,并設定邊界類型,為數值模擬分析做準備;最后應用Fluent軟件對推力軸承油槽內流場進行數值計算,計算中采用標準模型、分離隱式求解器,對計算得到的油槽內部的壓力、速度等參數進行分析,確定優化方法。

  要實現推力軸承散熱的研究,就要應用到計算流體力學。

  立在經典流體動力學與數值計算方法基礎之上的一門學科,它可以應用計算機數值計算和圖像顯示的方法,對包含有流體的流動和熱傳導等相關物理現象的系統進行分析。CFD的基本思想就是把原來在時間域以及空間域上連續的物理量的場,如速度場、壓力場等,用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立關于這些離散點上變量之間關系的代數方程組,然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。CFD的主要控制方程就是基于質量守恒、動量守恒和能量守恒的連續性方程、動量方程和能量方程。通過離散求解控制方程,可以得到復雜問題流場內各個位置上的基本物理量的分布情況,以及這些物理量隨時間變化的情況,確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區等。

  CFD控制方程中的質量守恒方程(即連續性方程)表達了速度場與密度場之間相互制約的關系。

  扯當流體流動為定常流動,流體看作不可壓縮均質流體時,可簡化為:CFD控制方程中動量守恒方程(N-S方程):CFD控制方程中能量守恒方程:其表示流體系統中能量的時間變化率等于單位時間質量力和表面力對系統所做的功加上單位時間外界與系統交換的熱量。該熱量可以是通過控制面熱傳導的熱量,也可以是熱輻射或者內熱源傳給系統的熱量,用Q表示。

  5湍流模型湍流是種高度復雜的三維不穩定流。在湍流中流體的各種物理參數,如速度、壓力、溫度等都隨著時間與空間隨機變化。從物理結構上講,可以把湍流看做各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動,這些渦旋的大小及轉軸的方向分布都是隨機的。由于流體內不同尺度的渦旋的隨機運動造成湍流的i個重要特點一物理量的脈動7.湍流運動雖然具有非線性并且高度復雜,但已經可以通過某些數值方法對其進行模擬。對湍流運動的數值模擬分為直接數值模擬和非直接數值模擬。直接數值模擬就是直接求解瞬時湍流控制方程;非直接數值模擬就是不直接計算湍流的脈動特性,而是設法對湍流作某種程度的近似和簡化處理。直接數值模擬對內存空間及計算速度的要求非常高,目前還無法用于真正意義上的工程計算,但大量的探索性工作正在進行之中。常見的湍流模型有大渦模擬、單方程模型、標準模型、修正的模型及雷諾應力模型等8.對水輪發電機組推力軸承散熱的研究,主要是運用流體力學相關知識,結合ANSYS軟件,對推力軸承進行建模、網格劃分、邊界條件的設置及迭代求解之后,再對其整體壓力分布和速度分布等進行分析,根據分析結果,提出推力軸承結構優化的適當措施。

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