混合磁懸浮水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子承重系統(tǒng)可行性分析

馬宏忠,王 斌,鞠 平

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇南京 210098)

理論分析結(jié)果[1]表明,針對(duì)立軸式水輪機(jī)組轉(zhuǎn)子軸向負(fù)荷所設(shè)計(jì)的混合磁懸浮承重系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下列基本目標(biāo):(a)承擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)組的大部分自重和軸向水推力,即承擔(dān)機(jī)組大部分的軸向負(fù)荷(減載);(b)與推力軸承和導(dǎo)軸承相結(jié)合,能可靠穩(wěn)定地完成機(jī)組整體承重的任務(wù);(c)若永磁懸浮裝置的材料有良好的物理力學(xué)性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù),則可以提供可靠的永磁懸浮推力,該推力主要承擔(dān)部分固定軸向負(fù)荷;(d)電磁懸浮裝置的電磁推力可以根據(jù)機(jī)組軸向負(fù)荷的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),但電磁裝置的尺寸需要滿足布線要求和線圈散熱條件;(e)降低損耗、減少摩擦、容易維護(hù)等.為了驗(yàn)證該理論分析結(jié)果的正確性,本文利用陜西安康水電站水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子承重?cái)?shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[1]所建立的永磁懸浮裝置和電磁懸浮裝置數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析,并利用自建的混合磁懸浮承重系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算優(yōu)化的Excel計(jì)算表,動(dòng)態(tài)地分析了數(shù)學(xué)模型各參數(shù)變化對(duì)磁浮力計(jì)算結(jié)果的影響.

1 安康水電站簡(jiǎn)介

安康水電站位于陜西省安康市上游18 km的漢江上[2],安裝了4臺(tái)型號(hào)為SF-200-56/12800、額定功率為200MW的水輪發(fā)電機(jī)組(額定電壓13.8 kV,額定電流9560A,額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min),總裝機(jī)容量800MW.發(fā)電機(jī)組為裝有上導(dǎo)軸承的半傘式結(jié)構(gòu),頂部裝有直徑達(dá)5.4m的大型同軸交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī),額定容量2.5MV·A.水輪機(jī)型號(hào)為HL-220-LT-550,轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,平均水頭76.2m.

該水電站轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用推力軸承支承方式,其推力總負(fù)荷為16MN,計(jì)算損耗300kW左右,攪拌損耗60kW,總損耗360kW.整個(gè)發(fā)電機(jī)組的承重包括轉(zhuǎn)輪、主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及蝸殼上部部分混凝土的重量,還有隨水流量變化的軸向水推力,計(jì)劃利用混合磁懸浮裝置提供約占承重總負(fù)荷80%的磁浮力(12.8MN左右)[3-4].

2 混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算涉及機(jī)電2個(gè)方面的內(nèi)容,其一般步驟為:(a)系統(tǒng)工作方式及結(jié)構(gòu)形式選擇;(b)系統(tǒng)承載力及所需最大電磁吸力估計(jì);(c)工作點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定;(d)線圈安匝數(shù),線圈發(fā)熱及溫升的校核等.本文分別對(duì)永磁懸浮裝置和電磁懸浮裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),按照設(shè)計(jì)先后順序給出永磁懸浮裝置和電磁懸浮裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),并建立聯(lián)合各項(xiàng)裝置參數(shù)的Excel數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化表格.

2.1 永磁懸浮裝置參數(shù)計(jì)算

2.1.1 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

以水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑為參照,永磁懸浮裝置的外徑初選為5m,內(nèi)徑選為2m(略大于主軸直徑d).通過(guò)對(duì)永磁材料的選擇以及磁體和氣隙厚度的設(shè)計(jì),使永磁體間氣隙的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T左右.利用文獻(xiàn)[1]式(3)計(jì)算得永磁懸浮力

即永磁懸浮部分承擔(dān)5.32MN的重量.

永磁懸浮裝置所能提供的懸浮推力在設(shè)計(jì)安裝后將不能進(jìn)行調(diào)節(jié),其穩(wěn)定性主要取決于永磁材料的穩(wěn)定性、物理力學(xué)性能指標(biāo)和各種磁性能指標(biāo).除此之外,用于固定永磁體的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)也至關(guān)重要.

2.1.2 永磁材料物理力學(xué)性能指標(biāo)驗(yàn)證

永磁材料的物理力學(xué)性能指標(biāo)包括密度、硬度、電阻率和抗壓強(qiáng)度等,這些指標(biāo)都與永磁體的材料、形狀和制備工藝有關(guān),其中抗壓強(qiáng)度指標(biāo)在永磁懸浮支承裝置中顯得尤為重要.燒結(jié)NdFeB永磁材料的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)如下[5]:密度7.45g/cm3,硬度570HV,電阻率150μ Ω·cm,抗壓強(qiáng)度780MPa.

根據(jù)實(shí)例計(jì)算數(shù)據(jù),永磁懸浮裝置承擔(dān)5MN左右的總承重重量,即提供的懸浮推力約為5MN.根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸,可得永磁體磁極的面積

式中:d01——永磁體外徑,m;d02——永磁體內(nèi)經(jīng),m.作用在永磁體磁極上的平均壓強(qiáng)為

遠(yuǎn)小于燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的抗壓強(qiáng)度(780MPa),符合設(shè)計(jì)要求[6-7].

由于永磁懸浮推力是不可調(diào)的,永磁懸浮裝置承擔(dān)的力主要是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸重量的一部分,屬于不變的重量,而變化幅度大的機(jī)組軸向水推力由懸浮推力可調(diào)的電磁懸浮裝置提供.

2.2 電磁懸浮裝置參數(shù)計(jì)算

2.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

本實(shí)例混合磁懸浮承重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總承重重量為12.80MN,永磁懸浮裝置分擔(dān)約5.42MN的總承重重量,則電磁懸浮裝置應(yīng)該分擔(dān)的總承重重量F2約為7.38MN.設(shè)計(jì)調(diào)整電磁懸浮裝置的靜態(tài)工作點(diǎn),使其可以提供最大的懸浮力,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的設(shè)計(jì)值為1.2T,則電磁裝置磁極的有效受力面積為

式中 μ0=4π×10-7H/m.

電磁裝置磁極采用環(huán)形結(jié)構(gòu),為保證內(nèi)、外環(huán)通過(guò)的磁通量相等,設(shè)定內(nèi)、外磁環(huán)的面積相等,即 S1=S2,取每個(gè)磁環(huán)的面積為6.31m2,d1=2m,則,實(shí)際取 d2=3.5m.

實(shí)際內(nèi)環(huán)面積

實(shí)際外環(huán)面積

實(shí)際磁極總面積

實(shí)際最大磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.2.2 電氣參數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)定的尺寸計(jì)算磁路的磁阻和總磁壓,進(jìn)而確定勵(lì)磁線圈的安匝數(shù).

氣隙的磁阻(氣隙寬度δ0取5mm):根據(jù)文獻(xiàn)[1]式(5)有Rm=2.47×103H-1.

鐵心部分的磁阻:暫取 h1=h3=80mm,h2=120mm,根據(jù)文獻(xiàn)[1]式(6)有R′m=1.95×103H-1.

磁路總磁阻為

根據(jù)文獻(xiàn)[1]式(8),磁路總磁壓為

實(shí)際取U′m=kUm=40.58 kA.式中k為考慮磁漏后磁動(dòng)勢(shì)放大系數(shù),一般取 k=1.2.為了減少勵(lì)磁損耗,可以利用較小的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁懸浮,在線圈窗口高度容許和散熱條件滿足的情況下可以適當(dāng)增加電磁鐵繞組的線圈匝數(shù)[8-9].

2.2.3 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定值的合理性分析

電磁推力支承裝置溫升參數(shù)是一個(gè)極其重要的設(shè)計(jì)參數(shù),電磁裝置就必須根據(jù)實(shí)際散熱條件和允許溫升進(jìn)行設(shè)計(jì).

在有效磁極面積及勵(lì)磁安匝數(shù)一定的條件下,線圈溫升主要與激磁電流、線圈匝數(shù)和線圈窗口高度等參數(shù)有關(guān),并且勵(lì)磁窗口的高度應(yīng)該滿足布線要求且留有一定的裕度.這些參數(shù)間的關(guān)系為相互制約關(guān)系,必須綜合考慮這些參數(shù)的影響,才能設(shè)計(jì)出最佳溫升指標(biāo).

受線圈散熱條件及通過(guò)的最大電流限制,電流密度只能在一定范圍內(nèi)取值.對(duì)勵(lì)磁繞組來(lái)說(shuō),其電流密度j的取值范圍為3～5A/mm2.導(dǎo)線直徑與最大電流 I的關(guān)系為

式中d0為線圈導(dǎo)線的直徑,mm.

由式(6)可得d0≥1.69mm,實(shí)際取導(dǎo)線標(biāo)稱直徑為1.784mm,則該導(dǎo)線的最大電阻率為0.0075 Ω/m.

勵(lì)磁線圈窗口高度h2的選取既要滿足線圈繞組的布線要求,還要滿足散熱要求.一般根據(jù)繞組體積要求確定線圈窗口高度h2.若要滿足布線要求,必須

式中:ky——裕度系數(shù),一般取ky=1.2;kt——線圈下線的填充系數(shù),一般取kt=0.5;N ——線圈匝數(shù);l——線圈窗口寬度.由式(7)可得h2≥60mm,實(shí)際取h2=120mm(＞60mm),故不存在布線問(wèn)題,窗口較大線圈容易散熱.

2.3 混合磁懸浮承重系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

混合磁懸浮承重系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和尺寸之間相互影響、關(guān)系復(fù)雜,尤其是電磁懸浮裝置,還需要考慮布線空間、激磁線圈允許通過(guò)最大電流密度和裝置散熱性等問(wèn)題.在裝置設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以充分利用Excel表格計(jì)算中公式嵌入的特點(diǎn),將各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系引入.結(jié)合本實(shí)例的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程,建立了系統(tǒng)裝置的參數(shù)計(jì)算優(yōu)化表格,其主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 混合磁懸浮承重裝置主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab le 1 Calculated resu lts of parameters for m ixed magnetic-levitation weight support device

3 混合磁懸浮承重系統(tǒng)的損耗與傳統(tǒng)軸承推力損耗的比較

混合磁懸浮承重系統(tǒng)的損耗主要是電磁懸浮裝置部分的勵(lì)磁損耗.勵(lì)磁線圈的電阻為

式中:L——?jiǎng)?lì)磁線圈總長(zhǎng)度;d23——繞組區(qū)域中心線處的直徑;N——線圈匝數(shù);ρ——導(dǎo)線的電阻率.

所需要的勵(lì)磁直流電壓為

勵(lì)磁損耗為

從表1可以看出,如果采用傳統(tǒng)的推力軸承作支承,則總損耗為360 kW,而采用電磁懸浮和永磁懸浮相結(jié)合的方式,勵(lì)磁損耗不超過(guò)30kW,不到傳統(tǒng)損耗的10%,體現(xiàn)出了本文所提出的混合磁懸浮支承的優(yōu)勢(shì).上述安康水電站的1臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的額定裝機(jī)容量為 200MW,其勵(lì)磁損耗與之相比非常小,不到0.015%.再考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)磁懸浮承重為總垂直負(fù)荷的80%,還有20%的軸向負(fù)荷,近似取對(duì)應(yīng)的損耗約為360×20%=72 kW,隨著控制水平的提高,磁懸浮承重的比例可進(jìn)一步提高,這部分損耗將更小.因此,從功率損耗方面看,磁懸浮支承方式是合理可靠的[10].

必須指出,如果所取勵(lì)磁線圈匝數(shù)不同(符合繞組要求),勵(lì)磁電流大小和功率損耗也會(huì)發(fā)生變化,如表2所示.

從表2可以看出,適當(dāng)增加勵(lì)磁線圈的匝數(shù),可以減小勵(lì)磁電流和勵(lì)磁損耗,但會(huì)增大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸[11-12].

表2 勵(lì)磁線圈匝數(shù)變化對(duì)各項(xiàng)數(shù)值影響的比較Table 2 Values of influences of exciting coil circles on various parameters

4 結(jié) 論

本文利用安康水電站水輪發(fā)電機(jī)組承重系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了混合磁懸浮水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子承重系統(tǒng)的分析計(jì)算,并與該發(fā)電機(jī)組所用的推力軸承支承系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了比較.結(jié)果表明:水輪發(fā)電機(jī)組的重量可以由磁懸浮力來(lái)分擔(dān);磁懸浮承重系統(tǒng)可減小軸承摩擦,降低損耗,減少發(fā)熱,降低機(jī)組對(duì)承重軸承的要求,解決傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組推力支承系統(tǒng)存在的老化、摩擦和機(jī)械維護(hù)問(wèn)題,有效延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子承重系統(tǒng)的壽命.

[1]馬宏忠,王斌,鞠平.混合磁懸浮水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子承重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(3):342-346.(MA Hong-zhong,WANG Bin,JU Ping.Design and modeling of mixed magnetic-levitation weight support system of hydroelectric generating set[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2010,38(3):342-346.(in Chinese))

[2]江大川,劉淑琴,虞烈,等.電磁推力支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,31(12):17-22.(JIANG Dachuan,LIU Shu-qin,YU Lie,et al.Study for designing the constructional parameters of electromagnetic thrust supporting systems[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,1997,31(12):17-22.(in Chinese))

[3]劉漢城,王彬,崔健光,等.安康水電站發(fā)電機(jī)推力軸承綜合性能試驗(yàn)[J].水電站機(jī)電技術(shù),1995(3):18-27.(LIU Hancheng,WANG Bin,CUI Jian-guang,et al.Comprehensive performance test for generator thrust bearing of Ankang hydropower station[J].Mechanical&Electrical Technique of Hyd ropower Station,1995(3):18-27.(in Chinese))

[4]李維暉,張宏.磁懸浮裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2001,14(2):5-8.(LI Wei-hui,ZHANG Hong.The design and research of magnetic-suspension devisce[J].Physical Experiment of College,2001,14(2):5-8.(in Chinese))

[5]嚴(yán)密,彭曉領(lǐng).磁學(xué)基礎(chǔ)與磁性材料[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006.

[6]石富.稀土永磁材料制備技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[7]張玉民,戚伯云.電磁學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[8]閆穎鑫,董宏林,段廣仁.軸向磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].軸承,2006(7):8-10.(YAN Ying-xin,DONG Hong-lin,DUAN Guangren.Structure design of axial magnetis suspension bearing[J].Bearing,2006(7):8-10.(in Chinese))

[9]趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社,2006.

[10]汪希平,張直明,于良,等.軸向磁懸浮軸承的力學(xué)特性分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2000,17(3):29-34.(WANG Xi-ping,ZHANG Zhi-ming,YU Liang,et al.Analysis on dynamic performances of magnetic levitated thrust bearing[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,2000,17(3):29-34.(in Chinese))

[11]武建軍,鄭曉靜,周又和.磁懸浮車體-單跨彈性軌道耦合控制系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,39(3):22-26.(WU Jian-jun,ZHENG Xiao-jing,ZHOU You-he.Analyses on the dynamical stability of the coupling control system for maglev vehicle travelling on a single-span flexible guideway[J].Journal of Lanzhou University:Natural Science Edition,2003,39(3):22-26.(in Chinese))

[12]鄧智泉,仇志堅(jiān),王曉琳,等.無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(1):104-108.(DENG Zhi-quan,QIU Zhi-jian,WANG Xiao-lin,et al.Study on rotor flux orientation control of permanent magnet bearingless synchronous motors[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(1):104-108.(in Chinese))