離心式氣密封在軸承油霧治理中的應用及流場分析

田仁斌 張承俊 蘇紀成 陳曉龍 魏學鋒

摘要：為有效解決大型水輪發電機組推力軸承普遍存在的油霧污染問題，基于“疏”代替“堵”的理念，提出了一種離心式氣密封結構，并在溪洛渡電站某臺機組上安裝應用。該結構在機組大軸上安裝了離心式葉片，葉片隨軸轉動，在流道內形成高速高壓的氣流，外溢的油霧則隨氣流進入蝸殼流道，最后被油霧吸收系統帶走，阻止了油霧被轉子支臂下方的負壓吸走，油霧治理效果良好。此外還采用計算流體力學軟件對該結構的內部流場進行了三維數值模擬，分析了葉片的氣動性能及內部流場規律，計算結果與現場試驗結果一致，驗證了計算方法的可靠性。研究結果為大型水輪機組軸承油霧治理提供了一種新的解決思路，也為氣密封的研究及優化設計提供了一種參考。

關 鍵 詞：油霧治理; 離心式氣密封; 數值模擬; 流場分析; 水輪發電機組; 溪洛渡水電站

中圖法分類號： TV734

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.034

0 引 言

大型水輪發電機組推力軸承甩油造成的油霧污染問題，嚴重影響著機組的穩定運行[1]。二灘、瀑布溝、小灣、龍灘等大型水電站在投運后，均受到不同程度的來自推力軸承油霧污染問題的困擾，總結導致該問題的主要原因，發現此類電站存在共通的問題：① 隨著水輪發電機組單機容量大型化的發展趨勢，機組多為立軸半傘式結構，推力軸承布置于下機架位置，推力軸承結構復雜而油槽空間有限，推力頭帶動透平油高速旋轉，導致油槽內油劇烈地流動，加上油流的高溫，引起了透平油的飛濺和霧化[2];② 大型機組發電機定子冷卻多采用密閉自循環空氣冷卻方式，在轉子支臂下端進風口與推力軸承油槽蓋板之間的位置會產生較大的負壓空間，加劇了油槽蓋板間隙處的甩油和油霧外溢，油霧隨著風道進入發電機內部，污染發電機設備[3-4];③ 部分機組存在轉子中心體與推力頭接合面甩油的情況[5]。

針對以上原因，常采用提升油槽蓋板高度、改進油槽蓋板接觸式密封結構、增設甩油環、優化補氣系統及油霧吸收機布置方式、降低油槽油位等措施[2-6]對油霧吸收系統進行改進，但是治理效果有限，油污問題未得到根本性的解決，這些改造措施主要也是圍繞“堵”的方式來進行。本文在吸收了上述改進措施優點的基礎上，基于“疏”代替“堵”的理念，提出了一種離心式氣密封結構，并在溪洛渡電站機組推力軸承上安裝應用（見圖1）。由于針對該結構的研究成果還很少，對其內部流動規律的認識更加有限，本文采用計算流體力學軟件對離心式氣密封結構內部流場進行了三維數值模擬，分析離心式葉片的氣動性能和內部流場規律，以為離心式氣密封研究及優化設計提供一種參考。

1 離心式氣密封設計

溪洛渡電站某臺機組單機額定功率770 MW，額定轉速125 r/min，機組為立軸半傘式密閉自循環全空冷式結構，推力和下導軸承共用一個油槽，油槽設計容量約25 m3，冷卻方式為鏡板泵外循環，油槽結構如圖2所示。自投運以來，該機組推力軸承外甩油引起的油霧污染情況嚴重，在油槽蓋板、下機架、定子空冷器等位置均發現明顯的油污淤積。經過歲修期間的技術改造，在原有油槽蓋板結構[7]上加裝了離心式氣密封結構，如圖3所示，經過長期運行觀察，該裝置運行穩定，油霧得到了有效控制，油霧治理效果良好[8]。

1.1 安裝離心式葉片

利用推力頭“U”型槽位置的空間，在推力頭上安裝離心葉片。參考通用離心風機葉輪設計經驗，后向式葉片相比于徑向和前向式具有效率高、風量大等特點，同時考慮直板型葉片在制造及安裝時的可靠性，并通過氣密封縮小模型性能試驗臺試驗驗證，最終確定離心式葉片采用后向式直板型葉片。另外，為便于葉片的固定，葉片底部及上部焊接有前盤及后盤，同時為減弱前盤進風口位置的流動分離，前盤采用了錐形前盤。機組大軸的旋轉帶動葉片一起轉動，通過葉片做功，在葉片流道內形成高速高壓的氣流，外溢的油霧則隨著氣流被帶走，進入油霧吸收系統，避免外溢的油霧被轉子支臂下方的負壓吸走，被帶入發電機內部，污染設備。葉片的氣動性能也成為影響密封效果好壞的關鍵因素。

1.2 改進油槽蓋板

取消原有油槽上部蓋板，將蓋板結構重新設計為階梯式，提升了蓋板軸向高度，同時在蓋板上部預留有進氣接口，與送風系統連通，下部則加工有排氣接口，與油霧吸收系統連通，使得送風系統的接口與油霧吸收系統的接口在同一蓋板上，這樣的一體式設計使得油槽上部蓋板即是葉片的進氣導風裝置，同時與油槽下部蓋板處新增的接觸式密封構成了蝸殼腔。蝸殼腔截面為周向漸變面，內部為楔形空腔，用于收集油槽溢出的油霧和旋轉葉片產生的氣流。這樣不僅提升了油槽的軸向空間，而且簡化了蓋板結構，更加利于加工和現場安裝。另外，在保持原有油槽下部蓋板的基礎上，增加了支撐螺栓，保證了油槽蓋板的穩定性;同時，為阻止可能的油霧外溢，在蓋板上端與大軸接觸位置，也安裝了接觸式密封齒。

1.3 優化送風系統及油霧吸收系統

為增大補氣量，送風系統優化為風機送風，氣流經過匯流環管匯集后，通過12根送風支管從油槽上部蓋板向葉片進口補氣。油霧吸收系統則由排氣支管與靜電油霧分離裝置組成，周向布置有12臺靜電油霧分離裝置，從油槽上部蓋板導出的氣流通過排氣支管引至靜電油霧分離裝置，該裝置將氣流中的油液析出，并排出干凈空氣。

2 離心式氣密封內部流場數值模擬

2.1 三維建模及網格劃分

本文以前述機組上應用的離心式氣密封作為研究對象進行三維建模。葉輪轉速n=125 r/min，送風系統支管額定流量Qv=99 m3/h（送風系統啟動時，通過風速傳感器測量計算得到），葉輪內徑D1=4 120 mm，葉片為后向式直板型，葉片厚度為5 mm，葉輪前盤為錐形，葉片進口安放角βb1=45 °，葉片數z=180，葉片出口寬度b2=35 mm。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

為減少計算量，考慮幾何模型及流動的周期性特點，本次計算只采用模型的1/12作為計算域，并將計算域分為進口域、葉輪域、蝸殼域。因為與排氣支管連接的油霧吸收裝置的出口直接與大氣相通，且主要通過靜電吸附作用過濾排氣管中的油霧，所以本文計算模型忽略了油霧吸收裝置對支管氣壓的影響，取用長210 mm的圓柱管道代替，斷面為出口邊界，且假設該裝置直接與大氣壓連通。另外，因進氣支管測壓點處分別布置有壓力和風速傳感器，能夠實時監測到該位置的全壓及風量，便于計算模型邊界條件的設定，所以同樣取長210 mm的圓柱管道代替進氣支管，其斷面為進口邊界，如圖4所示。使用ICEM CFD對計算域進行網格劃分，所有計算域均采用非結構四面體網格，對流動劇烈的葉輪區域進行了加密，同時考慮葉片壁面流動求解采用壁面函數，要求第一層網格處于湍流核心區，第一層網格劃分時，保證葉片壁面Y+值在30～300之間，計算模型網格如圖5所示，所有區域最低網格質量均大于0.3。

另外，為保證數值計算結果的準確性，避免網格誤差對模擬結果造成的影響，對網格進行了無關性驗證，對比模擬計算全壓值與試驗測量數據，并綜合考慮計算精度和計算效率，最終選擇計算域總網格數為36.2萬個，其中葉輪區域網格數26.3萬個。

2.2 求解器、邊界條件和收斂準則

本文采用計算流體力學軟件ANSYS FLUENT求解器對離心式氣密封內流場進行定常數值模擬。葉輪旋轉采用多重參考坐標系模型（MRF）進行模擬，葉輪區域設置為旋轉域，進口及蝸殼區域設置為靜止域，葉輪與進口、蝸殼區域通過Interface面進行數據傳遞。流體介質假設為空氣，密度ρ=1.225 kg/m3，湍流模型采用RNG k-ε模型[9-10]，壁面函數采用Scalable Wall Function，壓力-速度耦合選用SIMPLE，壓力插值方式選用Standard，動量、湍動能、耗散率的離散方式均為Second order up-wind格式[11-12]。壁面均設置為無滑移壁面，周期性邊界設置為旋轉周期性邊界，進口邊界條件設置為壓力進口，出口為壓力出口，出口全壓設置為大氣壓，并設置target mass flow，計算不同風量工況下的流場情況[13-14]。設置目標殘差值，并在進出口設置全壓監測點，當殘差值下降至目標值或者進出口壓差值保持穩定時，則判斷計算結果收斂。

3 數值模擬結果及流場分析

3.1 葉輪氣動性能及試驗驗證

本文計算了送風系統支管額定流量及附近共8個不同工況點，并監測葉輪進出口位置的全壓及葉輪扭矩，計算得到葉輪全壓及軸功率曲線如圖6所示。

由葉輪全壓曲線可以看出：計算值與試驗測量值變化趨勢保持一致，計算值整體略低于現場試驗測量值，這與計算模型未考慮下部蓋板接觸式密封處的間隙，且忽略了推力油槽內的高溫油霧泄露對流場的影響有關。隨著進口流量的增大，全壓緩慢上升，在額定流量工況點附近達到最高約126 Pa的壓升，之后隨著進口流量的繼續增加，全壓則急劇下降。另外，葉輪的軸功率則與進口流量成正比，從計算工況來看，對于1/12計算模型來說，最大軸功率為64 W，而對整個葉輪，軸功率損耗最高為768 W，這與水輪發電機的能量損耗對比來看，可以忽略其對機組的影響。

3.2 子午面流場分析

圖7～9為蝸殼出口附近子午面截面的速度、全壓及靜壓云圖。從速度云圖可以看到：葉輪進口區域的低速氣流通過葉輪流道時得到了加速，并在葉片壓力面附近達到最高值，被葉輪甩出的氣流進入蝸殼，隨著流道截面面積的增大，速度逐漸降低，動壓減小，部分轉化為靜壓，靜壓值則逐漸增大，靜壓也在蝸殼區域內達到最高值。而從全壓云圖來看：進口域的氣流經過葉輪做功后，增壓效果明顯，全壓最大值集中在葉片工作面區域，且該處氣流速度最大，全壓中動壓則占主導地位，另外，在葉輪流道區域平均全壓可達到約400 Pa，所以，流道內產生的高壓和高速氣流對從油槽下部蓋板接觸式密封齒位置泄露出的油霧起到了關鍵的抑制效果。

3.3 軸向等高截面流場分析

圖10～11為葉輪出口中間等高截面位置處的流線圖、速度及靜壓云圖。值得注意的是，在速度云圖上可以觀察到2個低速區：區域A和區域B。區域A位于排氣出口及蝸殼過渡段，從流線可以看出，在該位置氣流被拆分為2路，一路通過排氣管進入油霧吸收系統;另一路則繞過蝸殼過渡段進入下一級蝸殼。由于在該位置處的截面突然變化，對流動的阻礙作用較大，導致流動損失增大，加上部分動壓轉化為靜壓，所以該處速度較小。

另外，如圖10所示，蝸殼過渡段對流動的阻礙導致蝸殼內的氣流偏向葉輪出口方向運動，進而堵塞了部分葉輪流道出口，甚至回流至葉輪流道內，導致該部分流道內的氣流無法順暢流出，在流道內形成復雜的漩渦，造成了較大的動能損耗，速度變化梯度較大，形成低速區B。同時，葉輪流道內的流動相當復雜，各流道內的流動非常不均勻，引起該問題的部分原因可能是由于機組旋轉軸的存在，導致進口域氣流擾動較大，葉片進口氣流不夠理想，葉輪各流道內流量分布不均，這與傳統離心風機進口流場[15-16]存在差異。另外，受到結構限制，葉輪上布置的葉片較短，葉片做功能力有限，這些因素都對葉輪的氣動性能影響明顯。

從圖11還可以看到：葉片流道內靜壓隨流道寬度變寬而增大，且沿著徑向方向逐漸增大，在蝸殼區域達到最大值，而沿著周向方向，靜壓隨著蝸殼截面面積擴大而增大，該變化趨勢與子午面上靜壓分布規律一致。因此可以看到，蝸殼不僅起到了導流的作用，同時也發揮著擴壓的功能。

4 結 論

本文介紹了已在溪洛渡水電站某臺機組推力軸承油霧治理上應用的一種離心式氣密封結構。該結構有別于傳統采用的“堵”的方式治理，而是利用旋轉葉片產生的能量將油霧“疏”導至油霧收集系統，有效地阻止了油霧被轉子支臂下方的負壓吸走，油霧治理效果良好。另外，從流場模擬結果來看，葉輪全壓計算值與現場試驗測量值一致，驗證了該數值模擬方法的可靠性。通過流場分析加深了對采用后向式直板型葉片的離心式氣密封內部流場規律的認識，分析也發現，機組旋轉軸的存在，對離心葉輪進口流場的影響較大，導致葉輪內部流動非常不均勻，受到結構限制，在葉輪上布置的葉片較短，流道內的流動損失較大，同時，由于排氣出口及蝸殼過渡段的阻礙，引起的氣流偏向葉輪出口方向的運動，對葉輪流道的堵塞情況也比較明顯。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

參考文獻：

[1] 楊舉，王濤，周峰峰，等.葛洲壩水電站發電機推力軸承油霧防治分析[J].人民長江，2018，49（17）：103-106.

[2] 劉健.龍灘水電站發電機軸承甩油原因分析及治理[J].水力發電，2017，43（4）：65-68.

[3] 武彬，任澤民，敬燕飛.瀑布溝水電站發電機油霧的治理研究及應用[J].大電機技術，2016（5）：52-55.

[4] 王偉，孫文艷，范江艷，等.大型水輪發電機組油霧問題分析與處理[J].水電與新能源，2017（2）：74-77.

[5] 張德選，張曉剛.巨型水輪發電機推力軸承甩油處理[J].水電站機電技術，2016，39（1）：68-71.

[6] 謝林，邵建林，黃國豪.二灘水電站6號發電機推力/下導油槽防甩油分析及處理[J].水電站機電技術，2017，40（3）：37-38.

[7] 姬升陽，蔡偉，張永生，等.溪洛渡右岸機組推導軸承甩油原因分析及處理[J].水電站機電技術，2014，37（5）：23-25.

[8] 張承俊，蘇紀成.溪洛渡電站機組推導軸承離心式氣密封裝置投運報告[R].昭通：溪洛渡水力發電廠，2020.

[9] 楊偉剛，蔣博彥，趙康發，等.多翼離心風機數值模擬中湍流模型的適用性研究[J].流體機械，2017，45（10）：1-6.

[10] 竇勇，李嵩，黃東濤.非設計工況下離心通風機性能數值預估[J].風機技術，2007（4）：3-7.

[11] 周水清.低速風機內部非定常流動分離控制及應用研究[D].武漢：華中科技大學，2015.

[12] 曾慶松.基于控制速度分布的離心式通風機葉輪優化設計方法研究及內流場分析[D].杭州：浙江大學，2013.

[13] 李嵩，朱之墀.風機氣動性能數值模擬的地位和技巧（二）[J].風機技術，2013，55（6）：83-87.

[14] YU Z，LI S，HE W，et al.Numerical simulation of flow field for a whole centrifugal fan and analysis of the effects of blade inlet angle and impeller gap[J].Taylor & Francis Group，2005，11（2）：263-283.

[15] 蔣博彥，劉輝，王軍，等.多翼離心風機小流量工況流動特性PIV研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2017，45（5）：98-103.

[16] LIU X，DANG Q，XI G.Performance improvement of centrifugal fan by using CFD[J].Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2008，2（2）：130-140.

（編輯：胡旭東）

Application of centrifugal gas seal in bearing oil mist control and its flow field analysis

TIAN Renbin，ZHANG Chengjun，SU Jicheng，CHEN Xiaolong，WEI Xuefeng

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

To solve the general oil mist pollution in thrust bearings of large hydro-generator units，based on the theory that dredging can obtain better effect than blocking，a new centrifugal gas seal structure was proposed，which was verified in one unit of Xiluodu Hydropower Station.In this structure，centrifugal blades were installed on the main shaft of the unit，and it could turn round with the shaft to generate high speed and high pressure airflow in the entire flow channel.The spilled oil mist will be brought into the volute channel by the airflow above and be absorbed by the oil mist system finally.So the oil mist was prevented from being sucked away by the negative pressure under the rotor hub arm and oil pollution was effectively controlled.In addition，the CFD software was used to conduct three-dimensional numerical simulation on the internal flow field of the centrifugal air seal.The aerodynamic performance of the blades and the internal flow field law were discussed.The simulation results were consistent with the experiment data，which verified the reliability of numerical simulation method.The research results can provide a new solution for bearing oil mist control of large hydro-generator units，and a reference for the research and optimization of gas seals.

Key words：

oil mist control;centrifugal gas seal;numerical simulation;flow field analysis;hydro-generator unit;Xiluodu Hydropower StationAAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64