燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式

【摘要】近年來，燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)得到不斷的發(fā)展，機(jī)組的容量也越來越大，由于燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組的特殊形式，整個(gè)機(jī)組浸泡在流道里，使得燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式與立式發(fā)電機(jī)組有很大的區(qū)別，本文介紹集中燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式。

【關(guān)鍵詞】冷卻；散熱；貼壁；二次循環(huán)水冷卻

1、前言

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)是一種廣泛用于低水頭電站的優(yōu)良機(jī)型。由于這種機(jī)組布置特殊，機(jī)組環(huán)境與通常立式水輪發(fā)電機(jī)迥異，因此這種機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)與立式機(jī)組存在較大差異。

本文首先介紹燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的固有特點(diǎn)和難點(diǎn)。然后分析介紹燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)常用的冷卻方式，結(jié)合國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例冷卻方式與結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行論述。

2、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式

燈泡貫流式發(fā)電機(jī)浸沒于水中，周圍介質(zhì)是水，燈泡貫流式發(fā)電機(jī)的冷卻難度要大于普通水輪發(fā)電機(jī)。普通水輪發(fā)電機(jī)的周圍介質(zhì)是空氣，而水的傳熱和熱容量遠(yuǎn)大于空氣，從而使燈泡貫流式機(jī)組的通風(fēng)冷卻問題成為燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

2.1 外部冷卻水冷卻

和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)一樣，在燈泡頭端部或定子上游側(cè)圓周方向布置風(fēng)機(jī)，采用常規(guī)空–水冷卻器，用經(jīng)過過濾等處理的河水對冷卻器進(jìn)行冷卻。這種冷卻結(jié)構(gòu)多用于清水電站和中小型機(jī)組中。其優(yōu)點(diǎn)是冷卻水溫低（河水溫度）、冷卻效果好。但要設(shè)置一套供水系統(tǒng)，空氣冷卻器容易污染，需經(jīng)常檢修。

2.2 河水冷卻方式

河水冷卻方式是燈泡貫流式機(jī)組中應(yīng)用廣泛的冷卻方式，按其熱量帶走的方式，大致可分為散熱片冷卻方式、貼壁冷卻方式、雙層殼式冷卻方式和二次循環(huán)水冷卻方式，以及組合應(yīng)用以上冷卻方式的各種組合冷卻方式。

2.2.1 散熱片冷卻

散熱片冷卻是在燈泡頭內(nèi)壁、外壁以及發(fā)電機(jī)機(jī)座內(nèi)壁、外壁裝設(shè)散熱片（又稱翅片），以增大散熱面積，加強(qiáng)冷卻效果。散熱片可以是鋼片，也可以是銅片；散熱片與燈泡頭的連接，可以是焊接，也可以采用螺栓連接。散熱片冷卻方式的應(yīng)用范圍很廣，從數(shù)千瓦到25MW。燈泡內(nèi)裝有風(fēng)機(jī)使冷卻空氣在機(jī)內(nèi)循環(huán)。采用這種冷卻方式后，省掉了空氣冷卻器。為了降低熱阻，富士公司將燈泡體外壁由傳統(tǒng)刷防銹涂料改為噴涂一層導(dǎo)熱性能較好的鋁合金，使外壁與河水間的換熱能力提高了約20%。

2.2.2 貼壁冷卻方式

貼壁冷卻方式又稱機(jī)殼直接冷卻方式。在這種冷卻方式中，以燈泡殼作為發(fā)電機(jī)的機(jī)殼發(fā)電機(jī)定子鐵心與機(jī)殼直接相連，定子產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)，直接由定子機(jī)殼外表面?zhèn)鞯胶铀小６鴻C(jī)組旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的熱量則需借助其他冷卻方式（如散熱片冷卻方式）帶走。1950年代，伊林公司首先在Gmunden電站7MW燈泡貫流式機(jī)組中采用貼壁冷卻結(jié)構(gòu)。因其結(jié)構(gòu)緊湊，逐漸為許多公司所采用。Alsthom公司在Pierre—Benite電站20MVA及朗斯電站10MW可逆燈泡貫流式機(jī)組中，富士公司在日本司巢電站8300kW燈泡貫流式機(jī)組中，VA-Tech公司為韓國始華（Sihwa）潮汐電站制造的20MW燈泡貫流式發(fā)電機(jī)，都采用了這種貼壁冷卻方式。

2.2.3 雙層殼式冷卻套

雙層殼式冷卻套如圖1所示。燈泡貫流式機(jī)組的部分燈泡頭為雙層，成為水室冷卻水在兩層殼間循環(huán)流動(dòng)，將熱量傳到河水。

雙層殼式冷卻方式由于冷卻水路為封閉循環(huán)水路，故冷卻條件不受河水污濁和環(huán)境條件的限制，維護(hù)條件較好。配合采用其他措施，雙層殼式冷卻方式可用于大型燈泡貫流式機(jī)組中。伊林公司廣泛采用冷卻套冷卻方式。Alsthom公司在Rock Island電站54MVA機(jī)組，富士公司在我國百龍灘電站32MW機(jī)組及巴基斯坦Chashma電站26MVA機(jī)組中，都采用冷卻套冷卻方式。

2.2.4 機(jī)內(nèi)冷卻水自循環(huán)冷卻方式

機(jī)內(nèi)冷卻水自循環(huán)冷卻方式又叫二次循環(huán)水冷卻方式或自備式冷卻方式。發(fā)電機(jī)有效部件利用閉路空冷方式進(jìn)行冷卻，空氣用空-水冷卻器冷卻，而冷卻器內(nèi)的冷卻水借助水泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)，并利用其他散熱方式將熱量傳到河水中。

機(jī)內(nèi)冷卻水自循環(huán)冷卻方式需與其他方式配合使用。

2.2.5 機(jī)座外內(nèi)翼管冷卻結(jié)構(gòu)

這種冷卻結(jié)構(gòu)是在機(jī)座上裝設(shè)多個(gè)向外的鋼管用作空氣循環(huán)冷卻，鋼管內(nèi)可焊接冷卻翼片。這種冷卻結(jié)構(gòu)可以增加定子機(jī)座外壁與流道水的接觸面積，有利于機(jī)座的散熱。但這種結(jié)構(gòu)要增大燈泡體的外徑，對水流也有一些不良影響。所以很少采用。

2.2.6 各種組合式冷卻結(jié)構(gòu)

散熱片、貼壁、雙層殼式和二次循環(huán)水冷卻方式可根據(jù)情況組配，形成各種組合式冷卻方式，如散熱片-貼壁冷卻方式散熱片-機(jī)座雙層殼（冷卻套）式冷卻方式、散熱片-二次循環(huán)水組合方式等。

2.3 同時(shí)利用河水和外部冷卻水的冷卻方式

在同時(shí)利用河水和外部冷卻水的冷卻方式中，冷卻器采用外部冷卻水進(jìn)行冷卻，同時(shí)采用散熱片、定子貼壁等結(jié)構(gòu)，由河水帶走部分熱量。

3、結(jié)束語

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)展方興未艾。今后，隨著燈泡貫流式機(jī)組向更高水頭、更大容量方向的發(fā)展，燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻難度將越來越大。因此，總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，啟迪創(chuàng)新思維，研究冷卻效果更佳、更可靠的通風(fēng)冷卻方式將是伴隨燈泡貫流式機(jī)組發(fā)展的一個(gè)長期的、艱巨的任務(wù)。目前，世界最大的燈泡貫流機(jī)組——巴西杰瑞75MW燈泡貫流機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電，東方電機(jī)承擔(dān)了左岸22臺(tái)機(jī)組的研制，標(biāo)志著我國燈泡貫流機(jī)組研制水平又上了一個(gè)新臺(tái)階。

作者簡介：徐蘭坤（1997），1999年畢業(yè)于華中理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，技術(shù)管理及專利信息分析與運(yùn)用。