水輪發電機主軸軸承油霧收集處理裝置流場模擬與仿真

李忠凱 徐 翔 秦紅玲 趙益俊

(1.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.中國科學院蘭州化學物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室,蘭州 730000;3.重慶華能水電設備制造有限公司,重慶 404100)

長期以來,水輪發電機組軸承油霧問題未得到根本性解決,產生了一系列的危害：溢出的油霧與碳刷集電環磨損的粉塵相結合,引起設備絕緣下降,引發勵磁系統故障等事故[1]；油霧可能會進入空氣、江水,造成污染[2].目前,對油霧廢氣的處理普遍采用單體離心式風機將油霧廢氣抽出到生產環境之外,但同樣會造成污染[3].

近年來,越來越多的學者對油霧流動展開了理論、計算等方面的研究.戴春祥等運用CFD 軟件進行數值模擬,分析油霧在油霧收集分離箱里的壓力和體積分布規律[3].葉和平等利用CFD 軟件對機加工車間的集中式空調系統的噴口送風側回風和下送風側回風兩種氣流組織形式分別進行數值模擬,并對車間內的油霧顆粒分布情況進行分析研究[4].季運康等將CFD 技術與網格變形技術應用到油霧探測器探頭氣道流場的優化工作中,實現流場形狀參數化控制、試驗方案自動化運行,運用近似響應面組合優化求取最優解[5].以上學者通過對油霧流動的模擬,研究了油霧流動時的規律,并運用于實際.為了從理論上證明設計裝置的可行性,本文根據所設計的直排式吸油霧裝置[6]以及實際工況條件,運用CFD 軟件對油霧及其流動狀態進行數值模擬和仿真分析,獲得了油霧流場的壓力云圖、速度云圖等,并分析了油霧粘度、入口形狀、出口形狀等參數對流場的影響.

1 裝置介紹

本文所設計的水電站水輪發電機軸承油霧收集處理裝置三維模型如圖1所示.該裝置布置在法蘭盤上,安裝在機座上,中間是主軸,殼體四周平均設置4個進風口和4個出風口,相鄰夾角為45°.圖2為流場部分的局部放大圖,進風口略高于出風口,并在殼體內部設置有斜齒齒槽,在進出風口存在風壓的條件下,主軸帶動從進風口進入的新鮮空氣旋轉,驅動流場中原有的油霧經齒槽從出風口流出.

圖1 水輪發電機主軸油霧收集處理裝置

圖2 斜齒輪放大圖

2 理論分析

為了便于分析和計算油霧流場,采用歐拉-歐拉法進行數值模擬.

1)質量守恒方程

式中：ρ是油霧的密度(氣霧狀的油霧,密度是不定的)；t是時間；Sm是加入到連續相的質量(例如油霧的蒸發)[7],成為源項.

2)動量守恒方程

式中：p是靜壓；τij是應力張量,且τij=,這里μ是油霧的動力粘度；g i和F i分別為i方向上的重力體積和外部體積力,F i包含了流場模型的相關源項,如多孔介質和自定義源項.

3)能量守恒方程

式中：E=h-,對于理想氣體,h=對于不可壓縮氣體,h=是組分j′的質量分數；keff=k+kt,是有效導熱系數,其中kt是湍流導熱系數(由湍流模型定義)；是組分j′的擴散流量；Sh包括了化學反應熱及其他用戶定義的體積熱源項；方程右邊的前3項分別描述了熱傳導、組分擴散和粘性耗散帶來的能量運輸.

4)氣體狀態方程[8]

氣體的密度通過狀態方程來求解,其中M m是組分m的分子量；Y m是組分m的質量分數；R是通用氣體常數.

3 建模仿真

根據三維模型,用ANSYS 構建的流場如圖3所示.節點數大約為17萬個,單元數大約為87萬個,僅考慮了轉軸和支座之間124 mm 高度,以及齒輪輪槽的空間影響.

圖3 流場三維模型

油霧收集分離箱的邊界條件主要是設置各個進出口的邊界特性,如圖4所示.A 為入口1(inlet1),B為入口2(inlet2),C 為入口3(inlet3),D 為入口4(inlet4),E為出口1(outlet1),F 為出口2(outlet2),G 為出口3(outlet3),H 為出口4(outlet4),I為旋轉壁面(wall).

圖4 邊界條件設置

圖5 出口局部放大

將入口流速設置為13.8 m/s(由入口尺寸和流量計算得到)；出口壓力為0；旋轉壁面設置為-17.49 rad/s(由轉軸轉速計算得到),負號表示沿Y軸順時針旋轉；油霧的動力粘度暫定為μ=1.8×10-4Pa·s.通過Fluent軟件計算得到壓力云圖、速度云圖和出口截面云圖,分別如圖6～8所示.Y軸的方向由下到上,底面的y的坐標為0,y=16 mm 為出口截面中心的高度,y=70 mm 為入口截面中心的高度.

圖6 不同截面下的壓力云圖

圖7 不同截面下的速度云圖

圖8 出口截面云圖

由于斜齒齒槽的存在,軸向高度也影響到流場的分布.圖6 和圖7 分別顯示了不同高度的云圖,將y=16 mm 云圖下的出口處和y=70 mm 云圖下的入口處放大,如圖9～10所示.圖9中出口處和圖10入口處的軸線分別用于提取數據.

圖9 y=16 mm 的出口云圖

圖10 y=70 mm 的入口云圖

從圖9和圖10可以看出,壓力最大的地方在入口處內壁,約為287 Pa,并由于主軸旋轉的影響,入口1靠近出口4處的壓力會比入口1到出口1方向的壓力大,其他幾個入口同樣；由于主軸的旋轉,油霧速度最快的地方在內壁面,約為32 m/s.此外,出口處壓力接近于0,速度約為15 m/s,從內到外,從上到下,有一定的梯度變化.

4 影響因素分析

為了盡快把油霧排除,使流量增加,死區減小,本文提出幾種影響油霧流場當前狀態的因素并進行數值模擬和仿真.入口流速設置為13.8 m/s(由入口尺寸和流量計算得到),出口壓力為0.

4.1 油霧粘度

由于機油在長期揮發過程中會形成不同濃度的油霧,導致油霧粘度的變化.為此,依次修改運動粘度為9.0×10-5、1.8×10-4、4.5×10-4、9.0×10-4Pa·s.根據計算結果,得到出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線分別如圖11～12所示.

圖11 不同粘度下的出口軸線處壓力和流速分布

X軸的坐標是出口處的軸線,在圖9中有標注.圖11中X軸左邊的點靠近旋轉壁面,右邊的點靠近出口截面.由圖11可以看出：隨著油霧粘度增大,出口處的壓力和流速整體都變大,這是因為主軸的旋轉帶動了油霧的流動,粘度越大,油霧流動時受到的影響也越大.結合圖9中軸線的位置可以看出,靠近內壁的地方變化明顯,但是靠近出口截面的地方壓力和流速與原來的數值幾乎沒有差異,說明隨著粘度增大,靠近旋轉壁面的地方會受到更大的影響,而越靠近出口,受到的影響越小.

X軸的坐標是入口處的軸線,在圖10中有標注.圖12中X軸左邊的點靠近入口截面,右邊的點靠近旋轉壁面.由圖12可以看出,隨著油霧粘度增大,入口處的壓力整體增大,高速區域也增大.同樣是由于主軸的旋轉,帶動了油霧的流動,所以粘度越大,油霧受到的影響越大.流速從內壁到入口處以一定梯度減小,但是在入口截面處的流速幾乎不受粘度影響.

圖12 不同粘度下的入口處壓力和流速分布

4.2 入口形狀

由圖1可以看到進風口和出風口的形狀和位置,在圖3的建模中,進風口的管道流域是一個寬為107 mm、高為32 mm 的長方形；出風口的管道流域是一個寬為67 mm、高為32 mm 的長方形.進風口和出風口分別連接進氣和出氣的管道,入口截面與出口截面是一個直徑為32 mm 的圓.改變進風口長方形管道的尺寸,見表1.

表1 入口方案表

得到5種方案下的出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線,分別如圖13～14所示.

圖13 不同入口形狀下的入口處壓力和流速分布

由圖13可以看出隨著進風口寬度增大,入口處的低壓區域減小,高速區域增大；隨著高度增大,入口處的壓力整體增大,低速區域減小.

如圖14所示,改變進風口管道的寬度對出口的壓力與流速幾乎沒有影響.改變進風口管道的高度對出口的壓力與流速影響很小,基本可以忽略不計.

圖14 不同入口形狀下的出口處壓力和流速分布

4.3 出口形狀

改變出風口長方形管道的尺寸,見表2.

表2 出口方案表

得到5種方案下的出口軸線處和入口軸線處的壓力分布和速度分布曲線,分別如圖15～16所示.

圖15 不同出口形狀下的入口處壓力和流速分布

從圖15可以得出結論,隨著出風口管道寬度增加,入口的壓力會整體增大,高速區域增大；隨著出風口管道高度增大,入口的壓力會明顯增大,但是高速區域上會減小.

從圖16可以得出結論,隨著出風口管道寬度增加,出口處的壓力整體增大,高速區域增大；隨著出風口管道高度增大,出風口壓力整體增大,但是低速區域增大,主要是因為出風口高度增大,油霧分層流動,但是入口的流量保持一定,所以單個截面上流速會有所降低.

圖16 不同出口形狀下的出口處壓力和流速分布

5 結論

本文對油霧處理的流場進行了建模,用Fluent軟件進行了數值模擬和仿真,并從粘度、入口形狀、出口形狀3個角度分析了對油霧流場的影響,為今后對油霧流場的分析提供了參考.

1)在有旋轉壁面幫助油霧流動的情況下,隨著油霧粘度增大,入口處的壓力整體增大,高速區域也增大.流速從內壁到入口處以一定梯度減小,但是在入口截面處的流速幾乎不受粘度影響；出口處的壓力和流速整體都變大,尤其是靠近內壁的地方變化明顯,但是靠近出口截面的地方壓力和流速與原來的數值幾乎沒有差異.

2)隨著進風口寬度增大,入口處的低壓區域減小,高速區域增大；隨著高度增大,入口處的壓力整體增大,低速區域減小.改變進風口的寬度或高度對出口的壓力與流速的影響都很小,基本可以忽略不計.

3)隨著出風口管道寬度增加,出入口的壓力都會整體增大,出入口高速區域也會增大.隨著出風口管道高度增大,出入口的壓力整體上都會增大,但是入口處高速區域上會減小,出口處速區域增大,整體速度減小.