整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的系列研究與開發(fā)

高志遠(yuǎn)，楊雪姣，周 寧，周同旭

（1.中國(guó)電力工程有限公司，北京100048；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300300）

在小流域低水頭水力資源的開發(fā)利用中，小型整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到關(guān)注。在國(guó)外已得到廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也開始研發(fā)這類機(jī)型。1998年天津辰發(fā)電力設(shè)備有限公司陸續(xù)為甘肅、廣東和陜西三個(gè)電站生產(chǎn)了整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，投入運(yùn)行后各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為開發(fā)整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 轉(zhuǎn)輪應(yīng)用

整裝燈泡貫流式機(jī)組是為了滿足水頭低、單機(jī)容量過小、安裝檢修不方便或根本無法拆裝的問題，而專門研制的一種可在制造廠完成制造、裝配后，且形成一個(gè)整體，進(jìn)行必要的試驗(yàn)，合格后整體運(yùn)輸至工地，整體吊入安裝的全新機(jī)型（見圖1）。

圖1

為增加通用性以便推廣，采用常規(guī)燈泡貫流式水輪機(jī)流道，采用常規(guī)的燈泡貫流式轉(zhuǎn)輪。系列產(chǎn)品根據(jù)水頭的高低決定采用4葉片的995及3葉片的1 250 a兩種轉(zhuǎn)輪。

這兩個(gè)轉(zhuǎn)輪處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其效率比目前常用的軸流式、軸伸貫流式機(jī)組高出2%～5%，比半整裝的齒輪增速的燈泡貫流機(jī)組的效率高2%～3%。

2 布置形式

由于采用常規(guī)燈泡貫流轉(zhuǎn)輪和流道，新型整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的電站布置，和大型燈泡貫流式機(jī)組基本相同。由于機(jī)組段采用整裝設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝，水工設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：當(dāng)電站的一次、二次電氣設(shè)備、調(diào)速器安裝完畢，機(jī)組的進(jìn)口管基礎(chǔ)環(huán)及尾水管里襯，基礎(chǔ)板及地腳螺栓按技術(shù)要求埋設(shè)完畢后，機(jī)組整體直接吊入安裝，時(shí)間僅用4～6 d。如進(jìn)行少量的二次混凝土工作，也僅需1個(gè)月左右即可發(fā)電。比常規(guī)立式軸流及軸伸貫流機(jī)組縮短安裝周期約2個(gè)月左右，也比半整裝式增速機(jī)組省去發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)連接工作量。機(jī)組安裝示意圖見下頁(yè)圖2。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型整裝燈泡貫流式機(jī)組采用整裝直聯(lián)式，發(fā)電機(jī)及水輪機(jī)同一轉(zhuǎn)速，采用同一根軸。在廠內(nèi)完成整體裝配，進(jìn)行必要的試驗(yàn)合格后，整體運(yùn)輸至工地，不需解體整體吊入安裝，保證了機(jī)組的性能及快速安裝的特性。

圖2

3.1 水輪機(jī)

水輪機(jī)部分主要由機(jī)殼、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軸承及推力軸承、主軸密封等部件組成。

1）轉(zhuǎn)輪：本系列產(chǎn)品根據(jù)水頭的高低決定采用4葉片的995及3葉片的1 250 a兩種轉(zhuǎn)輪（更高水頭則采用5葉片轉(zhuǎn)輪）。

2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：采用與模型機(jī)導(dǎo)葉數(shù)相同的活動(dòng)導(dǎo)葉。導(dǎo)葉控制系統(tǒng)由導(dǎo)葉臂、連桿、控制環(huán)等組成。通過控制環(huán)與微機(jī)調(diào)速器連接可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉。

3）軸承及推力軸承：均采用進(jìn)口的SKF高質(zhì)量滾動(dòng)軸承，此種軸承的使用壽命不小于50 000 h，軸承的潤(rùn)滑采用油脂潤(rùn)滑。

4）主軸密封：采用盤式密封、填料采用GORE膨體聚四氟乙烯帶狀材料，由流道自然水作為冷卻和潤(rùn)滑水，少量滲水由排水管排至集水井。

5）機(jī)殼：整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)有一個(gè)特殊的機(jī)殼，機(jī)殼由內(nèi)圈和外圈及上、下兩個(gè)固定導(dǎo)葉構(gòu)成。內(nèi)圈作為發(fā)電機(jī)的定子機(jī)座，內(nèi)、外圈的空間作為水力流通之用。上、下固定導(dǎo)葉制成流線型的空腔體，作為通風(fēng)和電纜及管道的通道，同時(shí)固定導(dǎo)葉也是機(jī)組的支撐（見圖3）。

圖3

3.2 發(fā)電機(jī)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是電磁匹配和通風(fēng)散熱，在小型整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，這兩個(gè)問題更為突出。在設(shè)計(jì)整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的過程中，借鑒了大型燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)成果，并在風(fēng)路設(shè)計(jì)中有新的突破，較好地解決了通風(fēng)散熱問題，通過鸚鴿水電站400 kW的運(yùn)行實(shí)踐表明，機(jī)組的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

1）定子：機(jī)殼的內(nèi)圈作為發(fā)電機(jī)的定子機(jī)座，機(jī)殼的內(nèi)圈的內(nèi)徑經(jīng)機(jī)加工后裝有定子鐵心，鐵心與機(jī)殼內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)緊貼，形成“貼壁”結(jié)構(gòu)，機(jī)殼內(nèi)圈的外側(cè)與水接觸，可帶走發(fā)電機(jī)運(yùn)行中20%～25%的發(fā)熱量。定子鐵心采用高導(dǎo)磁無取向的冷軋硅鋼片，定子線圈采用F級(jí)絕緣，采用一次模壓成型工藝。壓板采用非磁性材料，更有效減少渦流損耗。

2）轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由磁極，磁極線圈、轉(zhuǎn)子支架和主軸等組成。磁極沖片選用高導(dǎo)磁材料，磁極線圈設(shè)計(jì)成散熱匝的高效散熱線圈。磁極可根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低設(shè)計(jì)成“T”尾或螺栓與轉(zhuǎn)子支架把合的方式。

3）通風(fēng)方式：采用外加風(fēng)機(jī)管道式強(qiáng)迫風(fēng)冷卻，將上固定導(dǎo)葉的空腔分隔成上、下游2個(gè)通道，冷風(fēng)由上固定導(dǎo)葉的上游通道進(jìn)入，熱風(fēng)由上固定導(dǎo)葉的下游通道排除。定、轉(zhuǎn)子間軸向設(shè)有3條通風(fēng)道：極間通道、氣隙通道和鐵心的齒間通道。風(fēng)機(jī)型號(hào)根據(jù)計(jì)算所需的風(fēng)量和風(fēng)壓選定。

4）主軸：整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用一根軸。主軸由兩個(gè)支點(diǎn)作為支撐。徑向-推力軸承位于轉(zhuǎn)子的上游側(cè)，采用滾動(dòng)軸承。導(dǎo)軸承位于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪上游側(cè)，采用徑向滾動(dòng)軸承。

5）防結(jié)露措施：機(jī)組停機(jī)時(shí)，長(zhǎng)期處在溫度較低、濕度較大的環(huán)境中，機(jī)組裝設(shè)結(jié)露排水管和電加熱裝置，可解決此問題。

3.3 攻克要點(diǎn)

1）高周速ν=12 m/s，不加外來潤(rùn)滑水的密封試驗(yàn)及電站實(shí)測(cè)。

2）超出力時(shí)機(jī)組溫升的實(shí)驗(yàn)、實(shí)測(cè)（包括通風(fēng)試驗(yàn)）。

3）在防止軸電流時(shí)，高速潤(rùn)滑脂滾動(dòng)軸承的溫升測(cè)試。

4）長(zhǎng)引水管道水流系統(tǒng)中小慣量（τa=1.5 s）機(jī)組在手電動(dòng)調(diào)速器操作時(shí)并網(wǎng)的技術(shù)。

5）噪聲及振動(dòng)的評(píng)估（出力由40 kW至420 kW）。

6）停機(jī)時(shí)機(jī)組內(nèi)部凝露的觀察。

鸚鴿電站機(jī)組出力在40～420 kW時(shí)，均穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)的溫升更使人滿意（在超出力420 kW時(shí)，定子線圈溫度為69℃）?？偨Y(jié)該型機(jī)組的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尤其是通過在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)的溫升、通風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸承的溫度、油脂的運(yùn)行情況、主軸密封的潤(rùn)滑摩擦及水輪機(jī)在各不同負(fù)荷下運(yùn)行特性，及對(duì)其噪聲、振動(dòng)的測(cè)定，在小機(jī)組慣量及大水流加速時(shí)間常數(shù)下，配合業(yè)主完滿地進(jìn)行并網(wǎng)的試驗(yàn)。

在這些大量實(shí)測(cè)驗(yàn)證理論、分析及不斷改進(jìn)完善的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了單機(jī)500 kW轉(zhuǎn)輪直徑為1.3 m的新型整裝燈泡貫流式機(jī)組，技術(shù)更先進(jìn)、質(zhì)量更可靠。

4 適用范圍及前景展望

水電作為綠色的再生能源，具有其他能源不可替代的優(yōu)勢(shì)。隨著水力資源的深入開發(fā)，小流域低水頭水力資源的利用越來越受到關(guān)注。因此，整裝燈泡貫流機(jī)組將成為開發(fā)利用小流域低水頭水力資源較好的選擇機(jī)型之一。

新型整裝燈泡貫流式機(jī)組比常用的軸流式、軸伸貫流式及帶齒輪增速的半整裝燈泡機(jī)組有著更高的效率，更小的噪聲及更簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)及良好維護(hù)性能和快速安裝特性。廠房的尺寸及投資可大大節(jié)省。根據(jù)實(shí)踐總結(jié)及計(jì)算、分析，采用此類型產(chǎn)品比以往的小型軸流式、軸伸貫流式機(jī)組可使電站年電能增加5%～10%，電站的總投資降低10%～20%，施工及安裝周期縮短1～3個(gè)月。

為了便于該機(jī)型的推廣和使用，該機(jī)型進(jìn)行了系列化的選型設(shè)計(jì)供選型時(shí)參考。

該標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品按轉(zhuǎn)輪直徑分別為D1=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m，其單機(jī)容量（按水頭及流量分類）由100 kW至2 500 kW，共有48個(gè)基本規(guī)格品種，基本能滿足目前低水頭、小容量電站的選型及參考的需要。本標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中的吸出高度均按海拔為0.0 m計(jì)算。

另，機(jī)組重量一般不超過3.0 t，以方便運(yùn)輸?shù)男枰?。因此，水輪機(jī)水頭在5 m以下，轉(zhuǎn)輪的標(biāo)準(zhǔn)直徑為 0.8 m、0.71 m、0.63 m、0.56 m、0.5 m、0.45 m、0.4 m、0.36 m、0.32 m。標(biāo)準(zhǔn)出力為125 kW、100 kW、75 kW、55 kW、40 kW、30 kW、24 kW、20 kW、16 kW、12 kW。轉(zhuǎn)速最高為1 500 r/min。

整裝燈泡機(jī)組作為經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的產(chǎn)品，成為低水頭小型水電設(shè)備的最佳選擇之一。隨著低水頭水力資源的進(jìn)一步開發(fā)利用，對(duì)環(huán)境要求的提高，新型整裝燈泡貫流式機(jī)組有著極為廣闊應(yīng)用前景。