渔子溪电站水轮发电机组下导轴承油雾成因分析及优化设计
水力发电作为一种具有可再生、运营成本低和效率高等特点的清洁能源发电方式，已经成为人类社会发展过程中的一种重要能源转换方式。通常情况下，立式水轮发电机组轴承的甩油和油雾外逸现象会同时发生，这两个问题既相对独立，又存在密切的关系。而水轮发电机组下导轴承的油雾外逸现象是长期困扰水电站安全和绿色运行的严重问题，长期以来面对轴承油雾产生机理开展针对性的研究一直是一个盲点。油雾的外逸一般不会很快造成设备事故，短期内也不会危害人体健康，但其危害会随着时间的积累逐渐表现出来。本课题针对渔子溪电站水轮发电机组下导轴承油雾外逸现象严重的问题开展了研究，并实施了改进。主要研究成果如下： 1、对渔子溪电站水轮发电机组下导轴承内部油气混合物的流动进行了数值计算。本研究进行了下导轴承结构三维模型建模和网格划分，基于VOF两相流模型、SSTk-ω湍流模型和传热模型，对下导轴承结构内部油气混合物两相流进行了计算，重点分析了下导轴承结构内部油气混合物的内流场特性和油气分布特性。计算结果表明，下导轴承原结构油雾外逸量大，最高达到2.52%，下导轴承室内外压力差大，油气流体运动状态紊乱，润滑油内出现数量多、体积大的气泡，轴承室内油气交界面波动状态紊乱。 2、根据渔子溪电站水轮发电机组下导轴承内部油气混合物流动的数值计算结果和下导轴承结构，综合分析了下导轴承油雾成因，结果发现，下导轴承动、静部件之间的油膜在润滑油粘性作用下摩擦生热，使下导油槽内的油温升高，油箱中局部润滑油温度较高，使少量润滑油发生汽化，从而形成油雾，气态油雾漂浮在油箱内，聚集在油箱内壁面，部分油雾从下导轴承轴瓦瓦块上方的间隙中外逸出油箱，导致润滑油的泄漏。机组在运行过程中，下导轴承油箱内的润滑油受到离心力和轴领搅拌的共同作用，导致部分空气进入润滑油内，形成气泡，气泡在油箱内运动的过程中状态发生变化，发生破裂。气泡破裂时，会加剧油沫、油雾的形成，漂浮在油箱内，并在油箱内外压力差的驱动下，从挡油环和主轴间的空腔外逸。同时由于油箱内有复杂的结构部件，包括下导轴瓦、冷却器等，油箱内的润滑油相互碰撞，甚至相互撞击，形成油沫、油雾。根据油雾成因结果分析，对下导轴承原结构进行改进，增设迷宫密封结构和通气平压孔。 3、根据渔子溪电站水轮发电机组下导轴承改进方案，设计了5种不同迷宫密封间隙的下导轴承结构，并按照立式水轮发电机组转速范围的6种不同转速工况，进行了两相流动特性和温度场数值模拟分析，结果表明，挡油环附近的流态得到改善，通气平压孔的增设和挡油环迷宫密封的改进，使轴领与挡油环之间的空腔内部压力增加，流态稳定，气态油雾的散发量减少了78.21%，明显地抑制了渔子溪电站水轮发电机组下导轴承油雾外逸现象，对电站的安全运行起到了很好的保护作用。由于密封间隙越小越可以降低油雾外逸量，但从工程效益、轴承油雾外逸抑制效果和水轮机结构部件工艺制造等角度考虑，提出渔子溪电站对下导轴承迷宫密封间隙选为6～8mm改进方案。 4、渔子溪电站下导轴承结构采取“在挡油环和轴领内壁面增设4级密封间隙为6mm的迷宫密封结构，轴领顶端增设4个直径为8mm的通气平压孔，呈均匀分布”的改进方案，并将改进后的结构安装于渔子溪电站，电站下导轴承长期工作状态表明该改进方案对油雾外逸抑制效果优异。本研究成果对解决类似立式水轮发电机组电站的油雾外逸情况，也具有较大的指导作用。
水轮发电机组;下导轴承;油雾外逸;优化设计
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
刘小兵
2022
中文
TM312;TM303.5
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）