水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)、發(fā)電機(jī)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(hù)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好型的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)品。在水輪機(jī)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(jī)方面，開發(fā)了省略輔機(jī)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(dòng)機(jī)方面，轉(zhuǎn)子的強(qiáng)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(jìn)展。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；發(fā)電機(jī)；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(jià)格購(gòu)買制度的出臺(tái)，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(jī)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(tuán)的技術(shù)基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步開發(fā)。

2　最新的技術(shù)動(dòng)向

為了簡(jiǎn)化維護(hù)、降低成本、保護(hù)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(kuò)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的電動(dòng)操作；

（3）通過新材料的應(yīng)用擴(kuò)大水潤(rùn)滑軸承的使用范圍。

最近通過流動(dòng)分析技術(shù)，提高了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能預(yù)測(cè)精度，能夠開發(fā)更高性能的轉(zhuǎn)輪。而且通過運(yùn)用該技術(shù)，改造現(xiàn)有水電站轉(zhuǎn)輪，較容易提高水輪機(jī)的性能和實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的增容改造。

在發(fā)電機(jī)技術(shù)方面，由于強(qiáng)度和振動(dòng)分析技術(shù)的進(jìn)步，精度更高，設(shè)計(jì)可靠性也提高了。

3　水輪機(jī)技術(shù)

3.1混合操作接力器

在國(guó)內(nèi)多數(shù)中小水力發(fā)電站的調(diào)速器方面，電動(dòng)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(dòng)接力器的維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。可是，電動(dòng)接力器在提供大容量操作力和實(shí)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(dòng)接力器部件損壞后的維修時(shí)間較長(zhǎng)，存在電站停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)的問題。為了解決這些問題，就需要開發(fā)新形式的電動(dòng)接力器。

基于這樣的考慮，富士伏伊特水電很早就進(jìn)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(dòng)接力器的優(yōu)點(diǎn)，又能適用于大容量水電站，也克服了以往電動(dòng)接力器的缺點(diǎn)。

混合操作接力器是通過電動(dòng)機(jī)來控制油壓操作缸的系統(tǒng)，至今已經(jīng)運(yùn)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的混流式水輪機(jī)項(xiàng)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(dòng)的水輪機(jī)，能夠在大流量變動(dòng)范圍內(nèi)高效率運(yùn)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(jī)，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(gè)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(jī)）的槳葉用混合操作接力器。最上部安裝的是電動(dòng)機(jī)，它的下面安裝的是泵組單元。油壓缸裝在水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)。

槳葉的開關(guān)操作通過圖2所示主機(jī)回轉(zhuǎn)同期控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)液壓混合操作。該系統(tǒng)的槳葉驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)裝于發(fā)電機(jī)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(jī)軸和水輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部件內(nèi)部。

表1　水輪機(jī)參數(shù)

圖1　槳葉操作用混合接力器電動(dòng)機(jī)

圖2　槳葉混合操作接力器原理圖

通過控制驅(qū)動(dòng)泵相對(duì)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(dòng)作處于停止?fàn)顟B(tài)

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

（b）槳葉在開動(dòng)作時(shí)

電動(dòng)機(jī)與主機(jī)以相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過控制比主軸更快的轉(zhuǎn)速值來控制。由于驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)以1 500 r/min的正向轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)泵則以1000 r/min的正向轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

（c）槳葉在關(guān)動(dòng)作時(shí)

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

該主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同期控制系統(tǒng)，包括通常的開停機(jī)以及緊急停機(jī)等，常常根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速的變動(dòng)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉開度的控制。

4　發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)（373MVA,50HZ, 428.6r/min），2013年開始安裝，現(xiàn)正在進(jìn)行中。

本發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用了磁極及磁軛的強(qiáng)度解析技術(shù)和適用于高速大容量機(jī)組的線圈等基礎(chǔ)技術(shù)外，同時(shí)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(dòng)機(jī)截面圖。

圖3　英谷拉電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)斷面

4.1轉(zhuǎn)子技術(shù)特點(diǎn)

1）轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(yùn)行特點(diǎn)。抽水蓄能機(jī)組，一般水頭很高，所以為高轉(zhuǎn)速機(jī)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(jì)出能夠承受疲勞強(qiáng)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(jì)

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(píng)價(jià)來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是有必要的。

圖4是英谷拉電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)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(jì)

對(duì)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(yùn)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(shí)，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(gè)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(yùn)行過程中慢慢變小。一方面，在停機(jī)時(shí)，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(dòng)停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，最壞的情況會(huì)拉斷。

英谷拉發(fā)電電動(dòng)機(jī)的磁極線圈構(gòu)成如圖5所示。該發(fā)電電動(dòng)機(jī)容量大、轉(zhuǎn)速高，磁極線圈軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)使得熱膨脹量大，離心力也大。再加上是抽水蓄能機(jī)組，啟停非常頻繁。由于這些因素，在設(shè)計(jì)磁極線圈時(shí)，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(dòng)機(jī)的磁極線圈構(gòu)成

4.2防振梁系統(tǒng)

1）防振梁設(shè)計(jì)的要求

一般高轉(zhuǎn)速大容量機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)必須考慮其熱膨脹因素。運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)各部件由于發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(dòng)時(shí)有必要的剛性而開發(fā)的，同時(shí)能減小內(nèi)部應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)將支持點(diǎn)（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(duì)于熱膨脹和振動(dòng)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(duì)于熱脹冷縮這樣的變形基本不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)于振動(dòng)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(duì)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(gè)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(rùn)滑油系統(tǒng)與需要用泵來強(qiáng)制供油的系統(tǒng)是完全不一樣的?？紤]到附屬設(shè)備的布置空間和維護(hù)，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(shí)，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(jī)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(shí)驗(yàn)裝置（圖8），以開發(fā)新系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)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(dá)到70m/s的使用界限。

圖8　70m/s級(jí)自循環(huán)泵實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yǔ)

以上介紹了水輪發(fā)電機(jī)的最新技術(shù)，今后將根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)進(jìn)行有效的實(shí)際應(yīng)用。我們將進(jìn)一步積極推進(jìn)新技術(shù)的開發(fā)，為水力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展作一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

中圖分類號(hào)：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：陳康明（1975），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。