水輪機(jī)高油壓槳葉電液全自動(dòng)調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(lián)水電控制設(shè)備有限公司，湖北 武漢 4303；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 5095）

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水輪機(jī)高油壓槳葉電液全自動(dòng)調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(lián)水電控制設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430223；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

摘要：基于壓力油的間隙密封原理，構(gòu)成了一種特殊的高油壓旋轉(zhuǎn)受油器，進(jìn)而衍生出水輪機(jī)高油壓槳葉電液全自動(dòng)調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的受油器相比，將油的外漏改為了內(nèi)滲，極大的減少了漏油量；同時(shí)，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(nèi)無(wú)任何壓力油，消除了壓力油對(duì)河流的污染。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；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(dòng)著轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉電液調(diào)節(jié)操作油壓的高壓化。

（1）水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)的常規(guī)操作油壓經(jīng)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(fā)了相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步［1］，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此升壓已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

（2）自1997年初，我國(guó)第1臺(tái)操作油壓達(dá)16 MPa、操作功為5 000 N·m的高油壓電液調(diào)速器［2］投運(yùn)以來(lái)，高油壓已成為用戶(hù)的首選，水利部也將其作為先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行推廣。但現(xiàn)有的高油壓技術(shù)僅適用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，而對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，需要槳葉調(diào)節(jié)，如果用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，即便6.3 MPa及以下，其密封都無(wú)法徹底解決液壓油的滲漏問(wèn)題［3］；采用高油壓時(shí)，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和油密封難度極大，從而造成高油壓調(diào)速器無(wú)法在轉(zhuǎn)槳式機(jī)組中應(yīng)用，限制了這一先進(jìn)技術(shù)的推廣。

（3）水能資源作為清潔能源的的價(jià)值愈顯突出，由于轉(zhuǎn)槳式機(jī)組較定槳式機(jī)組提高水能利用效率10%以上，而且，槳葉與導(dǎo)葉形成最佳協(xié)聯(lián)關(guān)系，可避免發(fā)生葉片頻率fn與壓力脈動(dòng)形成共振，減少疲勞破壞（f葉=Z葉片數(shù)×fn），有利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。所以，對(duì)于轉(zhuǎn)輪直徑和容量較小的軸流式機(jī)組，都希望采用轉(zhuǎn)槳式［4］，但是，如要用低操作油壓，由于其體積大，無(wú)法與中小機(jī)組匹配，只能采用高油壓方案。

（4）對(duì)環(huán)境影響：傳統(tǒng)的中、低油壓槳葉調(diào)節(jié)裝置，由于其槳葉接力器置于轉(zhuǎn)輪輪轂體內(nèi)，壓力油自然也是進(jìn)入轉(zhuǎn)輪體，槳葉的根部轉(zhuǎn)軸與其襯套在葉片長(zhǎng)期承受巨大水壓力而不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)槳式機(jī)組每天的漏油量達(dá)到185 L［5］，還有湖南某水電站轉(zhuǎn)槳式機(jī)組一年的漏油量達(dá)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(jī)輪轂內(nèi)移出，外置于軸端，通過(guò)純機(jī)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(jī)效率，還解決了油對(duì)河流的污染問(wèn)題，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

綜上，轉(zhuǎn)槳式機(jī)組槳葉調(diào)節(jié)的高油壓化，對(duì)于促進(jìn)水輪機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)，水能資源的更有效利用，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，有著重要的意義。所以，國(guó)內(nèi)外都特別關(guān)注轉(zhuǎn)槳式機(jī)組高油壓操作技術(shù)，希望突破這一瓶頸，但由于其技術(shù)難度大，迄今仍然停留在理論探索和物理實(shí)驗(yàn)階段。例如：郭建業(yè)提出了高油壓槳葉調(diào)節(jié)裝置的基本結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)密封的設(shè)想［7］；周泰經(jīng)提出了槳葉電——?jiǎng)硬僮鳈C(jī)構(gòu)，將槳葉接力器從轉(zhuǎn)輪體內(nèi)移出的設(shè)想方案［6］；安剛等提出了將使用16 MPa

1高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)

基于前述原因，吸取了相關(guān)單位及專(zhuān)業(yè)人士多年共同研究與探索的經(jīng)驗(yàn)。我們研制出ENT-16H-v（h）型高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)槳式）水電站投入運(yùn)行，性能優(yōu)良（已獲得發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)2015101453802）。

1.1結(jié)構(gòu)總裝

ENT-16H-h的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，基本特征是：操作油壓為16 MPa，通過(guò)旋轉(zhuǎn)受油器進(jìn)入槳葉接力器，槳葉接力器外置于軸端，并隨主軸一同旋轉(zhuǎn)，接力器的軸向位移，通過(guò)主軸的槳葉推拉桿，帶動(dòng)槳葉操作架，使槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，接力器的位移信號(hào)通過(guò)磁質(zhì)傳感器傳送到微機(jī)調(diào)速的輸入端，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉的自動(dòng)協(xié)聯(lián)控制。

圖1 ENT-16H-h結(jié)構(gòu)圖

1.2高壓旋轉(zhuǎn)受油器

高壓旋轉(zhuǎn)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(guò)固定的管路傳送到隨主軸一并旋轉(zhuǎn)的槳葉接力器中，并通過(guò)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(zhuǎn)受油器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其關(guān)鍵技術(shù)是：高壓轉(zhuǎn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，裝置發(fā)熱溫升計(jì)算及裝置效率計(jì)算，而密封結(jié)構(gòu)尤為關(guān)鍵。高壓旋轉(zhuǎn)受油器外套與靜止不動(dòng)的高壓進(jìn)油管連接，連接件宜采用高壓軟管，以吸收機(jī)組的軸向和徑向位移。設(shè)定轉(zhuǎn)速≤1 500 r/min，槳葉接力器直徑≤100 mm，油壓10～25 MPa，內(nèi)泄量﹤50 mL/min，且不允許外泄，油液粘度41.6～46 CST。根據(jù)上述參數(shù)，采用軸孔精密配合微間隙密封結(jié)構(gòu)，對(duì)通流間隙的流體進(jìn)行節(jié)流并產(chǎn)生盡可能大的液阻，使液體產(chǎn)生壓力損失，實(shí)現(xiàn)泄流面小壓力小流量的泄漏，再利用輔助環(huán)節(jié)最終實(shí)現(xiàn)流體密封。

在結(jié)構(gòu)上，軸孔配合既要保證轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，又不允許軸孔表面直接摩擦，同時(shí)，又要使間隙漏油量盡可能小，軸孔間泄油量按環(huán)狀縫隙流量公式計(jì)算：

圖2高壓旋轉(zhuǎn)受油器結(jié)構(gòu)

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(dòng)力粘度；L為間隙長(zhǎng)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(shù)；L、S的意義同（1）式。

從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，高壓旋轉(zhuǎn)受油器固定襯套和轉(zhuǎn)軸的間隙取0.008～0.022 mm為宜，顯然，這樣小的間隙不產(chǎn)生摩擦，軸端的支撐方式是十分重要的。此外沉割槽的設(shè)置，泄流的處理，組成材料的選擇與生產(chǎn)工藝，都要圍繞功能和壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從結(jié)構(gòu)上看，旋轉(zhuǎn)受油器較傳統(tǒng)的受油器相比，將傳統(tǒng)受油器壓力油的外漏改為內(nèi)滲，極大的減少了漏油量，減少了高油壓泵啟動(dòng)頻率，節(jié)省了廠用電。

1.3推拉桿設(shè)計(jì)

由于槳葉接力器一般置于發(fā)電機(jī)側(cè)軸端，而操作架位于水輪機(jī)輪葉側(cè)，所以推拉桿較長(zhǎng)，應(yīng)按壓桿的穩(wěn)定條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并校核組合壓力，當(dāng)推拉桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，按歐拉公式（Euler formula）計(jì)算臨界載荷Fk：

Fk不小于按常規(guī)轉(zhuǎn)槳式機(jī)組設(shè)計(jì)的操作力，在式（4）和式（5）中，n為末端條件參數(shù)；E為推拉桿材料彈性模量；J為推拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；l為推拉桿長(zhǎng)度；k為推拉桿的回旋半徑。

fe為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值；a為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；m為柔度系數(shù)；其中，n、E、fe、m的選取，可見(jiàn)材料力學(xué)相關(guān)資料。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往沿推拉桿軸向設(shè)置若干個(gè)徑向?qū)лS承，以改善推拉桿的剛度，保證其穩(wěn)定性。

1.4控制保護(hù)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)槳式機(jī)組要求導(dǎo)葉、槳葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，故高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)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(hào)傳給微機(jī)調(diào)速器，通過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制單元實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉的協(xié)聯(lián)控制。而接力器活塞的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)受油器的靜止襯套與轉(zhuǎn)軸之間的間隙僅有0.01 mm，所以不能完全避免產(chǎn)生卡阻粘接，這時(shí)靜止的襯套及其外套將與轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)，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(shè)備事故，故應(yīng)建立機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生卡阻時(shí)，靜止外套有位移，利用此位移信號(hào)，切斷高壓油的油路，以保證高壓操作油密封安全。當(dāng)然，在實(shí)際中，也可加設(shè)一套機(jī)械保護(hù)裝置，利用此位移信號(hào)觸發(fā)機(jī)械保護(hù)裝置動(dòng)作機(jī)組關(guān)機(jī)，以保證機(jī)組和其他設(shè)備的安全。

1.5水輪機(jī)槳葉自潤(rùn)滑系統(tǒng)

由于槳葉接力器外置，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無(wú)油，輪葉通過(guò)操作架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)任何潤(rùn)滑介質(zhì)，所以要選擇采用性能優(yōu)越的自潤(rùn)滑材料［10］和合理的密封結(jié)構(gòu)［11］。

2應(yīng)用實(shí)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(gè)梯級(jí)，壩址以上集水面積3 121 km2，電站裝設(shè)2臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其參數(shù)如下：

水輪機(jī)：

型號(hào)GZ1250B-WP-356

最大水頭5.38 m

設(shè)計(jì)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(zhuǎn)輪直徑3.56 m

發(fā)電機(jī)：

型號(hào)SFWG3800-48/4000

額定容量3 500 kW

額定電壓6.3 kV

額定功率因數(shù)0.9

額定轉(zhuǎn)速125 r/min

經(jīng)分析，調(diào)速器導(dǎo)葉和槳葉調(diào)節(jié)均采用16 MPa高壓油操作有較大的優(yōu)越性，故選擇了ENT-16H-h型水輪機(jī)，比采用GD型定槳式機(jī)組提高效率15%以上，比采用傳統(tǒng)低油壓的燈泡貫流式機(jī)組節(jié)約成本10%，取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封困難的傳統(tǒng)受油器，取消了調(diào)速器壓力油罐，取消了高壓氣系統(tǒng)，代之以小體積的高壓儲(chǔ)能罐；安裝時(shí)省去了“盤(pán)車(chē)”等費(fèi)時(shí)環(huán)節(jié)。同時(shí)，解決了漏油造成油系統(tǒng)電機(jī)頻繁啟動(dòng)的能耗，杜絕了漏油對(duì)河流的污染。

工程于2013年9月11日開(kāi)工，由于采用ENT-16H-h簡(jiǎn)化了機(jī)電和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2臺(tái)機(jī)組自10月20日投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)裝置工作可靠，免維護(hù)。

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(fā)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(tái)軸流定槳式機(jī)組，其參數(shù)如下：

水輪機(jī)：

型號(hào)ZD510-LH-180

最大水頭12 m

設(shè)計(jì)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(zhuǎn)輪直徑1.8 m

發(fā)電機(jī)：

型號(hào)TSL260/40-24

額定容量1 250 kW

額定電壓3 150 V

額定功率因數(shù)0.8

額定轉(zhuǎn)速250 r/min

該電站最大的特點(diǎn)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(jī)組出力，而在枯水期抗旱，要提高機(jī)組的效率；因此，解決問(wèn)題的唯一辦法是采用轉(zhuǎn)槳式水輪。由于該轉(zhuǎn)輪直徑?。?.8 m），采用中低壓油壓裝置，會(huì)因體積大，無(wú)法在不改變?cè)瓩C(jī)坑的情況下實(shí)施。最終，決定采用ENT-16H-v型高壓電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)。

新機(jī)組于2015年4月1日投入運(yùn)行，單機(jī)出力提高到1.6 MW，較原額定出力提高了28%。同時(shí)，由于將定槳式改為了轉(zhuǎn)槳式，使得槳葉始終自動(dòng)與導(dǎo)葉處在最佳協(xié)聯(lián)工況，新機(jī)組的振動(dòng)擺度比未改造的其他定槳機(jī)組明顯減小；并且新機(jī)組的效率也有大幅度提高，這一點(diǎn)，是通過(guò)同一出力下，新舊機(jī)型尾水出水流量的對(duì)比所得出結(jié)果。

通過(guò)上述例證，無(wú)論燈泡貫流式還是軸流式，即對(duì)于傳統(tǒng)的KAPLAN型水輪機(jī)，ENT-16H-v（h）都是其升級(jí)產(chǎn)品，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

（1）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)（KAPLAN型）的升級(jí)換代，對(duì)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造，對(duì)水能資源的開(kāi)發(fā)，將產(chǎn)生良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系，杜絕了轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)漏油對(duì)河流的污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，是環(huán)保型綠色水輪機(jī)。

（3）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)，無(wú)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(shí)際應(yīng)用，并產(chǎn)生了良好的效果，為進(jìn)一步的改進(jìn)和推廣創(chuàng)造了條件。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：鄭程遙（1957-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：水利機(jī)電工程。油壓操作的導(dǎo)葉與使用常規(guī)操作油壓的槳葉分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置的方案，并設(shè)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(zhuǎn)器應(yīng)用到轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)［9］等。這些研究，從各個(gè)側(cè)面反映了高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的優(yōu)越性和相關(guān)技術(shù)，但沒(méi)有完整的、系統(tǒng)的形成槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，更沒(méi)有真機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行。所以，開(kāi)發(fā)出真機(jī)并投入運(yùn)行，是行業(yè)的重大技術(shù)創(chuàng)新。