论燃气轮机发电机组滑油系统的设计与仿真

摘 要 随着燃气轮机产业的不断发展、分布式能源不断推广，其使用场合对其稳定性也越来越高。于是，对燃气轮机的辅助系统要求也越来越高，其中滑油系统就是保障燃气轮机、齿轮箱、发电机轴承冷却的关键系统之一。所以，本文根据燃气轮机发电机组设计、运行、维护要求，并根据其相关技术参数，通过流体力学、工程热力学的相关理论对滑油系统进行CFD仿真。

关键词 燃气轮机；滑油系统；仿真

引言

滑油系统是燃气轮机发电机组的一个重要组成部分，对燃气轮机轴承、齿轮箱轴瓦及传动齿轮齿面、发电机轴承等进行润滑[1]。滑油系统的作用就是对燃气轮机、齿轮箱、发电机提供足够流量的、温度要求的滑油。如果不能提供合格的滑油量，那么燃气轮机轴承、发电机轴承将积聚磨损以致金属表面发热、烧熔，使轴承遭到损坏。基于以上所述，提出燃气轮机发电机组滑油系统仿真的研究，研究适合燃气轮机发电机组需要的稳态模型，并根据各个项目的实际情况，设计出一套经济、安全、符合要求的滑油系统，为今后燃气轮机发电机组滑油系统的优化具有一定的推动作用。

CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真即通过计算流体动力学，是流体力学的一个分支。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物。它以电子计算机为工具，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。本文通过滑油系统的设计要求通过C#编程语言开发CFD仿真工具。实现对滑油系统在计算机上完成模拟及验算。

1 滑油系统概述

滑油既能使转动部件的轴与轴瓦的摩擦减小，又能带走摩擦中产生的热量及杂质。燃气轮机发电机组的滑油系统是开式自循环的滑油系统，该系统能连续不断地为转动部件提供满足一定压力、流量、温度及过滤精度要求的滑油，确保机组连续运行的润滑及散热需求。该系统的组成有：滑油箱、滑油泵、油冷器、双油滤、油雾分离器及各种元器件。滑油系统主要是在燃机启动、正常运行以及停机过程中为燃气轮机发电机组提供数量足够、压力和温度适当、清洁的滑油，吸收燃气轮机、齿轮箱、 发电机运行时轴瓦及各润滑部件产生的热量，从而防止轴承烧毁、轴颈过热弯曲而引起的振动；滑油系统还为启动用液力变扭器提供工作油及冷却润滑用油；另外，发电机滑油母管上还有一分支流向发电机顶起油系统[2]。滑油系统的工作流程是：燃机启动前，先启动辅泵打循环，时间不少于规定时间。规定时间后，如系统压力不低于相关要求，即可起动主机，此时主泵开始工作。如系统压力不断上升，当主泵转速达到额定转速时，停辅泵。母管压力达到规定要求。主泵工作时，将滑油由油箱中抽出，经由旁路的节流孔板经冷却器冷却，后通过温控阀调节，然后经过油滤过滤后进入母管。后经压力调节阀分别送往发动机、齿轮箱、主机等润滑点。

滑油系统的主要作用：

2 滑油系统的设计

滑油系统是保障燃气轮机发电机组可靠的运行的关键。通过搜索掌握相關的滑油设计相关的资料后，根据API614等相关规范，总结出了一种适应机组的滑油系统设计方法，最后根据相关标准和实际项目需求，为项目方案设计相匹配的滑油系统，并对该系统的泵阀仪表进行了计算和选型。

例如：滑油管路应与其他管系隔开。为保证质量纯净的滑油连续不断地进入润滑点，滑油系统中必须设置过滤设备。滤器前后应设有压力表。在计算细滤器的空隙时，滑油流量应大于压力泵流量的8%～10%，以防滤器的部分空隙堵塞而影响供油。滑油泵的进油管应延伸至最低工作液面以下适当高度，并应与出油口尽量远离[3]。

3 滑油系统的仿真

计算机仿真是在计算机上建立研究对象的模型并进行实验的过程。在建模中，首先要了解研究对象中存在的物理现象，建立数学模型，并转换为计算机可以理解的形式，成为仿真模型[4]。建立数学模型是仿真的重要环节，数学模型的准确与否直接关系到仿真模型的仿真精度。主机滑油系统仿真模型包括滑油泵模型、滑油箱模型、滑油冷却器模型、滑油滤模型、油气分离模型、滑油热力学模型、三通阀温度控制模型。通过C#平台编程、调试、设计出仿真程序。通过本程序实现滑油系统供给情况、压力流量状态、润滑点状态的仿真。通过曲线表示滑油系统的运行情况，可模拟现场实际情况的工况；实现了滑油系统的仿真操作。这将更直观地、仿真出燃气轮机发电机组滑油系统的真实运行情况；随着项目的实际要求，可方便扩展和修正仿真程序；可实现不同工况下的设备选型分析。

滑油系统的仿真可将计算器变成完全交互式的仿真试验台。实现系统装配的零成本模型，揭示出无法从屋里测试中得到的相关工程信息。通过在仿真中输入相关设置，可将模型设计与分析设计进行关联，实现过程的自动化。仿真的主要优点在于验算和比较结果。仿真包含的条件可以不同，每个部件也可蚕蛹不同的材料和工作条件。每种不同的设置组合称为“工况”。模型的仿真有助于分析这些工况。

4 结束语

提出通过CFD仿真的方法来验算滑油系统的工况要求；同时，可大幅度降低设计余量，提高设备选型准确性，对滑油系统的设计计算精度有较大提高。随着计算机仿真功能的不断拓展，仿真对设计缺陷的预防提供了有效的验算手段。

参考文献

[1] 赵博天.滑油系统管路铺设的计算机辅助设计[J].机械设计与制造，2011，（10）：87-88.

[2] 张勇.燃气轮机发电机组滑油系统冲洗[C].中国航空学会轻型燃气轮机学术交流会.中国航空学会轻型燃气轮机学术交流会论文集.北京：中国航空学会，2008：49.

[3] 冯金红.船舶主机滑油系统的设计与实现[D].大连：大连海事大学，2009.

[4] 翁史烈.现代燃气轮机装置[M].上海：上海交通大学出版社，2015：79.

作者简介

赵博天，从事燃气轮机发电机成套设计工作，工程师。

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