水輪機高油壓槳葉電液全自動調節器的開發與應用

鄭程遙，劉安平，勞鵬飛，劉　鈺（.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 50665；.武漢三聯水電控制設備有限公司，湖北 武漢 4303；3.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 5095）

?

水輪機高油壓槳葉電液全自動調節器的開發與應用

鄭程遙1，3，劉安平2，勞鵬飛1，劉鈺2
（1.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665；2.武漢三聯水電控制設備有限公司，湖北 武漢 430223；3.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510925）

摘要：基于壓力油的間隙密封原理，構成了一種特殊的高油壓旋轉受油器，進而衍生出水輪機高油壓槳葉電液全自動調節器。與傳統的受油器相比，將油的外漏改為了內滲，極大的減少了漏油量；同時，油壓的提高（4～25 MPa）使槳葉接力器體積濃縮，可外置于軸端，輪轂內無任何壓力油，消除了壓力油對河流的污染。

關鍵詞：轉槳式水輪機；高油壓旋接器；槳葉操作接力器；河流污染

0引言

至少有4種因素推動著轉槳式水輪機槳葉電液調節操作油壓的高壓化。

（1）水輪機電液調節的常規操作油壓經歷了2.5 MPa、4.0 MPa、6.3 MPa的升壓變化，而每一次升壓都引發了相關的技術進步［1］，產生了良好的經濟效益，因此升壓已經成為一種趨勢。

（2）自1997年初，我國第1臺操作油壓達16 MPa、操作功為5 000 N·m的高油壓電液調速器［2］投運以來，高油壓已成為用戶的首選，水利部也將其作為先進技術進行推廣。但現有的高油壓技術僅適用導葉調節，而對于轉槳式水輪機，需要槳葉調節，如果用傳統的轉槳式水輪機結構，即便6.3 MPa及以下，其密封都無法徹底解決液壓油的滲漏問題［3］；采用高油壓時，水輪機結構強度和油密封難度極大，從而造成高油壓調速器無法在轉槳式機組中應用，限制了這一先進技術的推廣。

（3）水能資源作為清潔能源的的價值愈顯突出，由于轉槳式機組較定槳式機組提高水能利用效率10%以上，而且，槳葉與導葉形成最佳協聯關系，可避免發生葉片頻率fn與壓力脈動形成共振，減少疲勞破壞（f葉=Z葉片數×fn），有利于提高設備的穩定性與可靠性。所以，對于轉輪直徑和容量較小的軸流式機組，都希望采用轉槳式［4］，但是，如要用低操作油壓，由于其體積大，無法與中小機組匹配，只能采用高油壓方案。

（4）對環境影響：傳統的中、低油壓槳葉調節裝置，由于其槳葉接力器置于轉輪輪轂體內，壓力油自然也是進入轉輪體，槳葉的根部轉軸與其襯套在葉片長期承受巨大水壓力而不斷轉動的情況下，會產生磨損變形，從而使壓力油滲漏到河水中，污染河流。例如：河北某軸流轉槳式機組每天的漏油量達到185 L［5］，還有湖南某水電站轉槳式機組一年的漏油量達80余t［6］。而槳葉接力器高油壓化后，使之體積、重量顯著減小，便可將其從水輪機輪轂內移出，外置于軸端，通過純機械軸傳遞力矩，控制槳葉。這不僅可使輪轂比減小，提高了水輪機效率，還解決了油對河流的污染問題，保護了生態環境。

綜上，轉槳式機組槳葉調節的高油壓化，對于促進水輪機行業的產品升級，水能資源的更有效利用，生態環境的保護，有著重要的意義。所以，國內外都特別關注轉槳式機組高油壓操作技術，希望突破這一瓶頸，但由于其技術難度大，迄今仍然停留在理論探索和物理實驗階段。例如：郭建業提出了高油壓槳葉調節裝置的基本結構和旋轉密封的設想［7］；周泰經提出了槳葉電——動操作機構，將槳葉接力器從轉輪體內移出的設想方案［6］；安剛等提出了將使用16 MPa

1高油壓槳葉自動調節水輪機的結構及核心技術

基于前述原因，吸取了相關單位及專業人士多年共同研究與探索的經驗。我們研制出ENT-16H-v（h）型高油壓轉槳式水輪機結構，并于2014年10月初和2015年4月初分別在廣東紅橋（燈泡貫流式）和湖南甘溪（軸流轉槳式）水電站投入運行，性能優良（已獲得發明專利，專利號2015101453802）。

1.1結構總裝

ENT-16H-h的結構見圖1，基本特征是：操作油壓為16 MPa，通過旋轉受油器進入槳葉接力器，槳葉接力器外置于軸端，并隨主軸一同旋轉，接力器的軸向位移，通過主軸的槳葉推拉桿，帶動槳葉操作架，使槳葉轉動，接力器的位移信號通過磁質傳感器傳送到微機調速的輸入端，以實現導葉、槳葉的自動協聯控制。

圖1 ENT-16H-h結構圖

1.2高壓旋轉受油器

高壓旋轉受油器為ENT-16H的核心部件，它的主要功能是將工作壓力油通過固定的管路傳送到隨主軸一并旋轉的槳葉接力器中，并通過電磁切換閥切換油路從而控制接力器軸向位移的方向。高壓旋轉受油器的結構見圖2，其關鍵技術是：高壓轉動密封結構，裝置發熱溫升計算及裝置效率計算，而密封結構尤為關鍵。高壓旋轉受油器外套與靜止不動的高壓進油管連接，連接件宜采用高壓軟管，以吸收機組的軸向和徑向位移。設定轉速≤1 500 r/min，槳葉接力器直徑≤100 mm，油壓10～25 MPa，內泄量﹤50 mL/min，且不允許外泄，油液粘度41.6～46 CST。根據上述參數，采用軸孔精密配合微間隙密封結構，對通流間隙的流體進行節流并產生盡可能大的液阻，使液體產生壓力損失，實現泄流面小壓力小流量的泄漏，再利用輔助環節最終實現流體密封。

在結構上，軸孔配合既要保證轉軸高速旋轉，又不允許軸孔表面直接摩擦，同時，又要使間隙漏油量盡可能小，軸孔間泄油量按環狀縫隙流量公式計算：

圖2高壓旋轉受油器結構

式（1）中：d為軸徑；S為間隙寬度；△P為間隙兩端壓差；μ為油液動力粘度；L為間隙長度；ε偏心比（e/s）；e為軸孔偏心量。

其中ρ為流體密度；c為流體流速；λ為摩擦系數；L、S的意義同（1）式。

從理論計算和實驗研究表明，高壓旋轉受油器固定襯套和轉軸的間隙取0.008～0.022 mm為宜，顯然，這樣小的間隙不產生摩擦，軸端的支撐方式是十分重要的。此外沉割槽的設置，泄流的處理，組成材料的選擇與生產工藝，都要圍繞功能和壽命進行設計。

從結構上看，旋轉受油器較傳統的受油器相比，將傳統受油器壓力油的外漏改為內滲，極大的減少了漏油量，減少了高油壓泵啟動頻率，節省了廠用電。

1.3推拉桿設計

由于槳葉接力器一般置于發電機側軸端，而操作架位于水輪機輪葉側，所以推拉桿較長，應按壓桿的穩定條件進行設計，并校核組合壓力，當推拉桿的細長比時，按歐拉公式（Euler formula）計算臨界載荷Fk：

Fk不小于按常規轉槳式機組設計的操作力，在式（4）和式（5）中，n為末端條件參數；E為推拉桿材料彈性模量；J為推拉桿的轉動慣量；l為推拉桿長度；k為推拉桿的回旋半徑。

fe為材料強度實驗值；a為實驗常數；m為柔度系數；其中，n、E、fe、m的選取，可見材料力學相關資料。

在實際設計中，往往沿推拉桿軸向設置若干個徑向導軸承，以改善推拉桿的剛度，保證其穩定性。

1.4控制保護系統

轉槳式機組要求導葉、槳葉保持協聯關系，故高油壓槳葉自動調節裝置裝有精度較高，可靠性較好的位移傳感器，將接力器的位移信號傳給微機調速器，通過調速器的調節控制單元實現導葉、槳葉的協聯控制。而接力器活塞的運動方向由電磁閥控制，該電磁閥也控制壓力油的通斷。

由于旋轉受油器的靜止襯套與轉軸之間的間隙僅有0.01 mm，所以不能完全避免產生卡阻粘接，這時靜止的襯套及其外套將與轉軸一同旋轉，而高壓油管又安裝在外套上，容易使高壓油管中的高壓油外泄，造成人身和設備事故，故應建立機電保護系統，當發生卡阻時，靜止外套有位移，利用此位移信號，切斷高壓油的油路，以保證高壓操作油密封安全。當然，在實際中，也可加設一套機械保護裝置，利用此位移信號觸發機械保護裝置動作機組關機，以保證機組和其他設備的安全。

1.5水輪機槳葉自潤滑系統

由于槳葉接力器外置，轉輪體內無油，輪葉通過操作架旋轉運動，無任何潤滑介質，所以要選擇采用性能優越的自潤滑材料［10］和合理的密封結構［11］。

2應用實例

2.1廣東英德紅橋水電站

紅橋水電站位于滃江中游段，是滃江干流的第10個梯級，壩址以上集水面積3 121 km2，電站裝設2臺燈泡貫流式水輪發電機組，其參數如下：

水輪機：

型號GZ1250B-WP-356

最大水頭5.38 m

設計水頭4.48 m

最小水頭3.00 m

額定出力3 667 kW

額定流量91.2 m3/s

轉輪直徑3.56 m

發電機：

型號SFWG3800-48/4000

額定容量3 500 kW

額定電壓6.3 kV

額定功率因數0.9

額定轉速125 r/min

經分析，調速器導葉和槳葉調節均采用16 MPa高壓油操作有較大的優越性，故選擇了ENT-16H-h型水輪機，比采用GD型定槳式機組提高效率15%以上，比采用傳統低油壓的燈泡貫流式機組節約成本10%，取消了結構復雜、密封困難的傳統受油器，取消了調速器壓力油罐，取消了高壓氣系統，代之以小體積的高壓儲能罐；安裝時省去了“盤車”等費時環節。同時，解決了漏油造成油系統電機頻繁啟動的能耗，杜絕了漏油對河流的污染。

工程于2013年9月11日開工，由于采用ENT-16H-h簡化了機電和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2臺機組自10月20日投運至今，運行穩定，調節裝置工作可靠，免維護。

2.2湖南衡東甘溪水電站

甘溪水輪泵水電站位于洣水河下游段，是一座以灌溉為主，兼顧發電、防洪、通航功能的綜合水利樞紐。壩址以上控制流域面積9 869 km2，電站原裝有10臺軸流定槳式機組，其參數如下：

水輪機：

型號ZD510-LH-180

最大水頭12 m

設計水頭10 m

最小水頭8 m

額定出力1 421 kW

額定流量16.9 m3/s

轉輪直徑1.8 m

發電機：

型號TSL260/40-24

額定容量1 250 kW

額定電壓3 150 V

額定功率因數0.8

額定轉速250 r/min

該電站最大的特點是集雨面積大，徑流量大，引用流量小，有較多水量損失。為提高效益，在豐水期要增加機組出力，而在枯水期抗旱，要提高機組的效率；因此，解決問題的唯一辦法是采用轉槳式水輪。由于該轉輪直徑小（1.8 m），采用中低壓油壓裝置，會因體積大，無法在不改變原機坑的情況下實施。最終，決定采用ENT-16H-v型高壓電液自動調節式水輪機。

新機組于2015年4月1日投入運行，單機出力提高到1.6 MW，較原額定出力提高了28%。同時，由于將定槳式改為了轉槳式，使得槳葉始終自動與導葉處在最佳協聯工況，新機組的振動擺度比未改造的其他定槳機組明顯減小；并且新機組的效率也有大幅度提高，這一點，是通過同一出力下，新舊機型尾水出水流量的對比所得出結果。

通過上述例證，無論燈泡貫流式還是軸流式，即對于傳統的KAPLAN型水輪機，ENT-16H-v（h）都是其升級產品，具有明顯的技術經濟優勢。

3結語

（1）高油壓槳葉電液自動調節式水輪機實現了轉槳式水輪機（KAPLAN型）的升級換代，對水輪機的設計制造，對水能資源的開發，將產生良好的技術經濟效益。

（2）高油壓槳葉電液自動調節式水輪機采用了先進的結構體系，杜絕了轉槳式水輪機漏油對河流的污染，保護了生態環境，是環保型綠色水輪機。

（3）高油壓槳葉電液自動調節式水輪機，無論是軸流式還是燈泡貫流式，不論是立式還是臥式，都得到了實際應用，并產生了良好的效果，為進一步的改進和推廣創造了條件。

參考文獻：

［1］潘熙和，賈寶良，吳應文.我國水輪機調速技術最新進展與展望［J］.中國水能及電氣化，2007，24（5）：79-83.

［2］郭建業.高油壓水輪機調速器技術及應用［M］.武漢：長江出版社，2007.

［3］郝繼武，王春雷.轉槳式水輪機轉輪葉片密封結構改進［J］.大電機技術，2006（3）：47-50.

［4］姜茜.轉槳式水輪機技術新發展［J］.東方電機，2013（5）：66-68.

［5］齊津安.軸流轉槳式水輪機槳葉漏油現場處理［J］.水電站機電技術，2006，29（4）：76-77.

［6］周泰經，吳應文，饒培棠，等.水輪機槳葉的電—機操作機構［C］//水電設備的研究與實踐——第十七次中國水電設備學術討論會論文集.北京：中國水利水電出版社，2009.

［7］郭建業.用于轉槳式水輪機的高油壓調速器［C］//2009中國水電控制設備論文集.武漢：長江出版社，2009.

［8］安剛，方斌臣，周國斌，等.轉槳式水輪機高油壓調速系統的研究與應用［J］.中國水能及電氣化，2009（11）：31-34.

［9］章嘉慶，廖思宇.旋轉器在轉槳式水輪機中的應用［J］.小水電，2014（2）：19-26.

［10］佩雷拉P，斯米特P，利亞希K，等.自潤滑軸承在轉槳式水輪機輪轂中的應用［J］.水利水電快報，2010，31（10）：30-33.

［11］伍宏偉，陳前榮.軸流轉槳式水輪機槳葉密封結構的改進［J］.小水電，2013（6）：56-60.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）06-0020-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.008

收稿日期：2016-04-01

作者簡介：鄭程遙（1957-），男，教授級高級工程師，研究方向：水利機電工程。油壓操作的導葉與使用常規操作油壓的槳葉分開獨立設置的方案，并設想下一步將槳葉操作油壓提高到16 MPa［8］；章嘉慶等則提出了將旋轉器應用到轉槳式水輪機［9］等。這些研究，從各個側面反映了高油壓槳葉自動調節水輪機的優越性和相關技術，但沒有完整的、系統的形成槳葉電液自動調節的設計方案，更沒有真機投入商業運行。所以，開發出真機并投入運行，是行業的重大技術創新。