水輪機、發(fā)電機的最新技術(shù)

陳　康　　明　譯

（杭州江河水電科技有限公司，浙江 杭州 310012）

水輪機、發(fā)電機的最新技術(shù)

陳康明譯

（杭州江河水電科技有限公司，浙江 杭州 310012）

摘要：我們致力于生產(chǎn)成本低、維護簡單、環(huán)境友好型的水輪機、發(fā)電機產(chǎn)品。在水輪機方面，開發(fā)了不需要冷卻水和操作油的無水和無油技術(shù)，在發(fā)電機方面，開發(fā)了省略輔機和高轉(zhuǎn)速化的技術(shù)。開發(fā)的混合操作接力器不僅用于導(dǎo)葉接力器，也能用于槳葉接力器。在高轉(zhuǎn)速大容量水力發(fā)電電動機方面，轉(zhuǎn)子的強度解析技術(shù)，可變剛性防振系統(tǒng)，以及為了省略輔助系統(tǒng)的面向高轉(zhuǎn)速推力軸承自循環(huán)泵系統(tǒng)的開發(fā)有了新進展。

關(guān)鍵詞：水輪機；發(fā)電機；新技術(shù)；混合操作接力器

1　前言

2011年的東日本大地震以來，作為原子能發(fā)電的代替，可再生能源更加受到重視。由于可再生能源固定價格購買制度的出臺，加速了可再生能源的開發(fā)。水力發(fā)電是能夠提供穩(wěn)定電源的發(fā)電方式，一般水力發(fā)電承擔(dān)基荷作用，抽水蓄能發(fā)電能夠起到可再生能源發(fā)電增加后的電力系統(tǒng)平衡作用。

富士電機為了在水力發(fā)電事業(yè)上與伏伊特合作，成立了富士伏伊特水電，致力于開發(fā)各種新技術(shù)。抽水蓄能發(fā)電方面在伏伊特集團的技術(shù)基礎(chǔ)上得到了進一步開發(fā)。

2　最新的技術(shù)動向

為了簡化維護、降低成本、保護環(huán)境，開發(fā)了不需要冷卻水和操作油的無水和無油技術(shù)。以下是正在開發(fā)的新技術(shù)：

（1）擴大導(dǎo)葉用混合接力器的使用范圍；

（2）通過混合接力器的使用實現(xiàn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的電動操作；

（3）通過新材料的應(yīng)用擴大水潤滑軸承的使用范圍。

最近通過流動分析技術(shù)，提高了水輪機轉(zhuǎn)輪性能預(yù)測精度，能夠開發(fā)更高性能的轉(zhuǎn)輪。而且通過運用該技術(shù)，改造現(xiàn)有水電站轉(zhuǎn)輪，較容易提高水輪機的性能和實現(xiàn)水輪機的增容改造。

在發(fā)電機技術(shù)方面，由于強度和振動分析技術(shù)的進步，精度更高，設(shè)計可靠性也提高了。

3　水輪機技術(shù)

3.1混合操作接力器

在國內(nèi)多數(shù)中小水力發(fā)電站的調(diào)速器方面，電動接力器代替了油壓操作接力器操作導(dǎo)葉的開關(guān)。這是由于電動接力器的維護簡單等優(yōu)點已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。可是，電動接力器在提供大容量操作力和實現(xiàn)導(dǎo)葉快速關(guān)閉方面不如油壓接力器。另外，由于電動接力器部件損壞后的維修時間較長，存在電站停機時間較長的問題。為了解決這些問題，就需要開發(fā)新形式的電動接力器。

基于這樣的考慮，富士伏伊特水電很早就進行了混合操作接力器的開發(fā)。開發(fā)出了新一代調(diào)速器系統(tǒng)，該調(diào)速器系統(tǒng)即有電動接力器的優(yōu)點，又能適用于大容量水電站，也克服了以往電動接力器的缺點。

混合操作接力器是通過電動機來控制油壓操作缸的系統(tǒng)，至今已經(jīng)運用于很多水電站。根據(jù)使用情況來看，導(dǎo)葉的關(guān)閉速度很快，現(xiàn)在已經(jīng)用于之前使用非電動調(diào)速系統(tǒng)的混流式水輪機項目的改造。

3.2槳葉的開關(guān)操作

軸流式和斜流式等槳葉可動的水輪機，能夠在大流量變動范圍內(nèi)高效率運行。安裝于山形企業(yè)局的橫川水電站和新野川第一水電站的斜流式水輪機，導(dǎo)葉和槳葉的開關(guān)操作都采用了混合操作接力器。2個電站的主要參數(shù)見表1。圖1是橫川水電站（立軸斜流水輪機）的槳葉用混合操作接力器。最上部安裝的是電動機，它的下面安裝的是泵組單元。油壓缸裝在水輪機機坑內(nèi)。

槳葉的開關(guān)操作通過圖2所示主機回轉(zhuǎn)同期控制系統(tǒng)來實現(xiàn)電動液壓混合操作。該系統(tǒng)的槳葉驅(qū)動電動機裝于發(fā)電機上部的靜止部件上，由可逆泵和平衡閥等組成的泵組單元安裝于發(fā)電機軸和水輪機軸的轉(zhuǎn)動部件內(nèi)部。

表1　水輪機參數(shù)

圖1　槳葉操作用混合接力器電動機

圖2　槳葉混合操作接力器原理圖

通過控制驅(qū)動泵相對與主軸的轉(zhuǎn)速來調(diào)整油缸內(nèi)的壓力，從而完成槳葉的開關(guān)操作。

（a）槳葉開關(guān)動作處于停止?fàn)顟B(tài)

使驅(qū)動泵與主軸維持在相同轉(zhuǎn)速，驅(qū)動泵就維持在相對停止?fàn)顟B(tài)。

（b）槳葉在開動作時

電動機與主機以相同的方向旋轉(zhuǎn)時，通過控制比主軸更快的轉(zhuǎn)速值來控制。由于驅(qū)動泵與主軸的轉(zhuǎn)速差通過泵的作用在油壓缸內(nèi)產(chǎn)生壓力差，從而操作槳葉的活塞桿。假設(shè)主軸額定轉(zhuǎn)速500 r/min，使電動機以1 500 r/min的正向轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動泵則以1000 r/min的正向轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

（c）槳葉在關(guān)動作時

電動機與主機以相反的方向旋轉(zhuǎn)。使得安裝在轉(zhuǎn)動部件內(nèi)的驅(qū)動泵以與主機相反的方向旋轉(zhuǎn)，在油壓缸內(nèi)產(chǎn)生關(guān)動作的油壓差。假設(shè)主機額定轉(zhuǎn)速是500 r/min，使電動機以500 r/min的反向轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動泵則以1000 r/min的相對反向轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

該主機轉(zhuǎn)動同期控制系統(tǒng)，包括通常的開停機以及緊急停機等，常常根據(jù)主機轉(zhuǎn)速的變動來控制電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對槳葉開度的控制。

4　發(fā)電機技術(shù)

富士伏伊特水電在2008年中標(biāo)了南非Eskom公司英谷拉電站的大型發(fā)電電動機（373MVA,50HZ, 428.6r/min），2013年開始安裝，現(xiàn)正在進行中。

本發(fā)電電動機采用了磁極及磁軛的強度解析技術(shù)和適用于高速大容量機組的線圈等基礎(chǔ)技術(shù)外，同時還采用了可變剛性防振系統(tǒng)和高速大容量推力軸承自循環(huán)泵系統(tǒng)等特殊技術(shù)。圖3是英谷拉電站的發(fā)電電動機截面圖。

圖3　英谷拉電站發(fā)電電動機斷面

4.1轉(zhuǎn)子技術(shù)特點

1）轉(zhuǎn)子設(shè)計要求

抽水蓄能水電站是為了解決電力使用高峰負(fù)荷問題，具有啟停頻繁等運行特點。抽水蓄能機組，一般水頭很高，所以為高轉(zhuǎn)速機組，轉(zhuǎn)子由于高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生高離心力和溫度上升。而且，由于啟停頻繁、離心力、熱量等的原因在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生交變應(yīng)力。因此，設(shè)計出能夠承受疲勞強度、熱應(yīng)力、熱變形的轉(zhuǎn)子是非常重要的。

2）磁極與轉(zhuǎn)子磁軛的設(shè)計

離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在磁極與轉(zhuǎn)子磁軛接合部等高應(yīng)力部位，頻繁起停等引起的極高的交變應(yīng)力反復(fù)作用。另外，在形狀變化很大的部位存在應(yīng)力集中。在這樣的部位，基于低循環(huán)疲勞和高循環(huán)疲勞的壽命評價來設(shè)計結(jié)構(gòu)是有必要的。

圖4是英谷拉電站發(fā)電電動機的磁極和磁軛的應(yīng)力分析結(jié)果。磁極與磁軛的安裝部位和磁軛的磁極支撐部位采用了避免應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)。

圖4　英谷拉電站磁極和磁軛的應(yīng)力分析

3）磁極線圈的設(shè)計

對于磁極線圈，需要考慮反復(fù)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、熱變形。線圈在運行中產(chǎn)生的離心力作用于外圈的絕緣法蘭盤上。在此狀態(tài)下電流流過時，線圈由于溫度上升產(chǎn)生一定的膨脹。

離心力產(chǎn)生的力和熱膨脹產(chǎn)生的力的方向是不同的，由于這個原因，需要通過控制絕緣板和磁極線圈間的摩擦力系數(shù)來取得平衡。離心力由于絕緣法蘭與磁極線圈間的摩擦系數(shù)的存在，成為防止熱膨脹延伸的力。防止延伸的力與熱膨脹的力之間的差值由磁極線圈來承受，磁極線圈內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。一般磁極線圈采用的銅材的蠕變特性較差，內(nèi)部的壓應(yīng)力在運行過程中慢慢變小。一方面，在停機時，由于蠕變壓應(yīng)力變小，磁極線圈產(chǎn)生熱收縮現(xiàn)象。因此，磁極線圈在每次啟動停止時會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，最壞的情況會拉斷。

英谷拉發(fā)電電動機的磁極線圈構(gòu)成如圖5所示。該發(fā)電電動機容量大、轉(zhuǎn)速高，磁極線圈軸向長度長使得熱膨脹量大，離心力也大。再加上是抽水蓄能機組，啟停非常頻繁。由于這些因素，在設(shè)計磁極線圈時，外周側(cè)的線圈材料采用蠕變特性好的含銀銅材。

圖5　英谷拉發(fā)電電動機的磁極線圈構(gòu)成

4.2防振梁系統(tǒng)

1）防振梁設(shè)計的要求

一般高轉(zhuǎn)速大容量機組的軸具有足夠的剛性來傳遞扭矩，軸系的剛性受軸的支撐結(jié)構(gòu)剛性的影響。特別是發(fā)電電動機的上部軸承，為了提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速，多采用設(shè)置與基礎(chǔ)混凝土之間的防振梁來提高支撐剛性。

防振梁的設(shè)計必須考慮其熱膨脹因素。運行時，發(fā)電機各部件由于發(fā)電機室內(nèi)溫度上升產(chǎn)生熱膨脹。而混凝土基礎(chǔ)在發(fā)電機運行中基本沒有熱膨脹，二者間產(chǎn)生不可忽視的位移差，防振梁由于位移差產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力。由于此內(nèi)部應(yīng)力的存在，發(fā)生過由于軸承間隙過度收縮導(dǎo)致的燒瓦，以及混凝土基礎(chǔ)破壞的案例。為了解決這些隱患，需要在結(jié)構(gòu)上采取減小內(nèi)部應(yīng)力的措施。

2）固定剛性防振梁

圖6是使用板簧的傳統(tǒng)固定剛性防振梁。此結(jié)構(gòu)是為了確保在振動時有必要的剛性而開發(fā)的，同時能減小內(nèi)部應(yīng)力。設(shè)計時將支持點（A），（B）的位置調(diào)整到合適位置來保證防振梁有最合適的剛性，對于熱膨脹和振動是相同的取值。

3）可變剛性防振梁

英谷拉電站使用的新型可變剛性防振梁如圖7所示。粘性流體彈簧對于熱脹冷縮這樣的變形基本不會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，對于振動這樣的較高頻率的負(fù)荷有較高的剛性。因此，此剛性防振梁能夠防止熱膨脹引起的軸承間隙減小和對于混凝土基礎(chǔ)的高負(fù)荷，軸系能夠發(fā)揮較高的支持剛性。

此剛性防振梁已經(jīng)用于數(shù)個電站，使用情況較好。

圖7　英谷拉電站的新型可變剛性防振梁

4.3高轉(zhuǎn)速大容量推力軸承自循環(huán)系統(tǒng)

利用軸旋轉(zhuǎn)離心力的自循環(huán)軸承潤滑油系統(tǒng)與需要用泵來強制供油的系統(tǒng)是完全不一樣的。考慮到附屬設(shè)備的布置空間和維護，一般都希望采用自循環(huán)系統(tǒng)。但是當(dāng)軸的圓周速度過高時，泵板的吸油口從油面吸入空氣，泵的作用效果顯著下降。因此，以往將圓周速度40m/s左右作為軸承自循環(huán)系統(tǒng)的適用界限。

富士電機以及富士伏伊特水電為了提高軸承自循環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速使用上限，制作了大型實驗裝置（圖8），以開發(fā)新系統(tǒng)。該實驗裝置改善了泵板的吸油性能和吐油的壓力損失，使得軸承自循環(huán)系統(tǒng)能夠適用于軸承回轉(zhuǎn)圓周速度達到70m/s的使用界限。

圖8　70m/s級自循環(huán)泵實驗裝置

圖9 英谷拉電站的自循環(huán)泵系統(tǒng)構(gòu)成

英谷拉發(fā)電機的軸承回轉(zhuǎn)圓周速度為58m/s，推力軸承采用了該系統(tǒng)（圖9）。

5　結(jié)語

以上介紹了水輪發(fā)電機的最新技術(shù)，今后將根據(jù)機組特點進行有效的實際應(yīng)用。我們將進一步積極推進新技術(shù)的開發(fā)，為水力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展作一點貢獻。

中圖分類號：TK730

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0067-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.019

收稿日期：2015-03-25

作者簡介：陳康明（1975），男，工程師，從事水輪機設(shè)計開發(fā)工作。