探索一種新型立軸式發(fā)電機(jī)組碳粉收集裝置的設(shè)計(jì)研究

王雪松，楊應(yīng)武

（阿壩水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組在長期運(yùn)行過程中，由于碳刷與集電環(huán)環(huán)面的帶壓力接觸，并長期相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨損，而碳刷的主要成分是天然石墨，其硬度和耐磨性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材質(zhì)的集電環(huán)，因此在磨損過程中主要消耗的是碳刷。碳刷經(jīng)高速摩擦產(chǎn)生大量飛舞的碳粉，充斥整個(gè)集電環(huán)室，最終附著在集電環(huán)、碳刷、刷架及集電環(huán)室地面等各處，這些碳粉如果不及時(shí)清理會(huì)導(dǎo)致發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)滑環(huán)拉弧現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)事故。2016年5月26日，某水電站3F機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障，停機(jī)后經(jīng)電氣維護(hù)人員對(duì)發(fā)電機(jī)集電環(huán)室進(jìn)行設(shè)備衛(wèi)生清掃、除塵等工作，報(bào)警故障消除。

1 分析原因

立軸式水輪發(fā)電機(jī)組在長期運(yùn)行時(shí)積累下的碳粉會(huì)附著于集電環(huán)室各處，導(dǎo)致集電環(huán)或碳刷與大地之間的爬電距離降低，最終通過機(jī)架與大地導(dǎo)通，發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障。

2 改進(jìn)方案

目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)立軸式水輪發(fā)電機(jī)組的碳粉收集普遍采用的就是在集電環(huán)室內(nèi)加裝吸碳粉的風(fēng)機(jī)，其原理是利用大吸力風(fēng)機(jī)將飛舞的碳粉吸進(jìn)收集裝置，但這種裝置的缺點(diǎn)也很明顯：吸碳粉的區(qū)域只有風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口附近，稍遠(yuǎn)一些的碳粉還是無法吸收干凈；大吸力電機(jī)帶來的必定是大噪聲，這將導(dǎo)致運(yùn)維人員在發(fā)電機(jī)工作時(shí)不能準(zhǔn)確通過聲音判斷是否有異常；此外，電機(jī)工作時(shí)又無形中增加了集電環(huán)室內(nèi)的熱量，提高危險(xiǎn)性。

基于此，本文對(duì)發(fā)電機(jī)碳粉收集裝置提出了另一種新的方案，利用旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上增加合理數(shù)量的扇葉，與集電環(huán)形成類似離心風(fēng)機(jī)的裝置，將瞬間摩擦出的碳粉吹離集電環(huán)，落至遠(yuǎn)處地面，便于碳粉的收集。相較傳統(tǒng)吸碳粉裝置，本方案的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：工作區(qū)域覆蓋集電環(huán)外圈，可達(dá)360°無死角覆蓋；工作中除少量的風(fēng)聲并不會(huì)產(chǎn)生任何噪聲；工作時(shí)不僅不會(huì)增加熱量，還會(huì)在旋轉(zhuǎn)的過程中降低集電環(huán)室內(nèi)熱量，可謂一舉兩得。

本方案是基于離心風(fēng)扇的工作原理提出，離心風(fēng)扇又稱渦流風(fēng)扇，工作時(shí)，葉片推動(dòng)空氣以與軸相垂直的方向（即徑向）流動(dòng)，如圖1所示為離心風(fēng)扇的工作示意圖，進(jìn)氣方向是沿電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線方向，而空氣流出方向卻是垂直于軸線方向[1]。離心風(fēng)扇的扇葉類似圖2所示。

根據(jù)離心風(fēng)扇的工作原理，在集電環(huán)的環(huán)面上加裝合理數(shù)量的扇葉，與集電環(huán)組成類似離心風(fēng)扇的裝置，經(jīng)改造后的集電環(huán)，在旋轉(zhuǎn)的過程中空氣經(jīng)過扇葉而改變方向，吹向集電環(huán)與碳刷摩擦的部分，使飛舞的碳粉吹離集電環(huán)，落在遠(yuǎn)處的地面，從而達(dá)到自動(dòng)清潔集電環(huán)與碳刷的目的，增加設(shè)備的安全可靠性。改造后的集電環(huán)工作過程示意圖如圖3所示。

圖1 離心風(fēng)扇工作圖Figure 1 Working diagram of centrifugal

圖2 離心風(fēng)扇扇葉Figure 2 Fan blade of a centrifugal fan

圖3 改造后的集電環(huán)工作過程示意圖Figure 3 The schematic diagram of the working process of the transformed collector ring

圖4 碳粉落點(diǎn)示意圖Figure 4 Carbon powder drop point diagram

3 相關(guān)數(shù)據(jù)的確立

3.1 扇葉數(shù)量的確立

本方案的設(shè)計(jì)初衷是將碳粉吹離至集電環(huán)與碳刷最遠(yuǎn)處的角落便于收集，如圖4所示的B點(diǎn)。

當(dāng)扇葉旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)時(shí)，對(duì)碳粉進(jìn)行一次吹掃做功，在不考慮碳粉受重力影響的情況下，碳粉從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程先受風(fēng)的作用力加速運(yùn)動(dòng)，后受到空氣阻力做減速運(yùn)動(dòng)，直至碳粉速度衰減為0，落到B點(diǎn)。又因碳粉直徑非常?。s為0.75×10-4m），扇葉吹掃在碳粉上的作用時(shí)間非常短，因此加速階段可以忽略不計(jì)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程可以看作一次勻減速直線運(yùn)動(dòng)[2]，通過實(shí)際測(cè)量該水電站集電環(huán)室并核查圖紙可知這段距離為S=0.6m。為了防止下一片扇葉對(duì)碳粉進(jìn)行二次做功出現(xiàn)加速度，改變碳粉運(yùn)動(dòng)方向，所以在下一片扇葉的到來之前應(yīng)確保碳粉已落至B點(diǎn)，所以扇葉旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)所需的時(shí)間t應(yīng)等于碳粉移動(dòng)至角落所需要的時(shí)間t，那么得出碳粉移動(dòng)的平均速度為：

S——碳粉運(yùn)動(dòng)軌跡AB的距離，m；

t——碳粉從 A至B的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

通過查該電站集電環(huán)裝配圖紙可知，集電環(huán)直徑為R=0.71m，因此集電環(huán)的周長為：

式中 C——集電環(huán)的周長，m；

R——集電環(huán)的直徑，m；

π——圓周率常數(shù)，取3.14。

通過查該電站發(fā)電機(jī)銘牌可知，轉(zhuǎn)速n=187.5r/min=3.125r/s，因此集電環(huán)的線速度為：

式中 V線——集電環(huán)旋轉(zhuǎn)的線速度，m/s；

R——集電環(huán)的直徑，m；

n——集電環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速，r/s；

π——圓周率常數(shù)，取3.14。

由式（2）、式（3）可計(jì)算出集電環(huán)旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間為：

式中 V線——集電環(huán)旋轉(zhuǎn)的線速度，m/s；

C——集電環(huán)的周長，m；

T——集電環(huán)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間，s。

因勻變速直線運(yùn)動(dòng)中加速度不變（即速度的變化是均勻的），故平均速度 =（初速度+末速度）/2，即：

因末速度V=0，所以有：

V0——碳粉的初始速度，m/s；

V——碳粉的末速度，m/s。

即，當(dāng)只有一片扇葉時(shí)T=t，將式（4）帶入式（1）可得碳粉平均移動(dòng)速度=1.875m/s，碳粉初速度V0=3.75m/s；當(dāng)有兩片扇葉時(shí)T=2t，=3.75m/s，碳粉初速度V0=7.5m/s，當(dāng)有4片扇葉時(shí)T=4t，=7.5m/s，碳粉初速度V0=15m/s…

前文提到，碳粉的直徑非常小，約為D=0.75×10-4m，查表可知石墨的密度為ρ=2.25×10-6g/m3，因此，可計(jì)算出一顆碳粉的質(zhì)量約為m=ρS=0.497×10-10g，如此輕量級(jí)的碳粉重量在空氣中可以忽略不計(jì)，由此可知，碳粉的初速度即可稱為扇葉出風(fēng)口的速度。查風(fēng)速等級(jí)表可知，7.5m/s屬和風(fēng)，地表現(xiàn)象為吹起塵土、灰塵，因此初步確定集電環(huán)風(fēng)扇扇葉數(shù)量為兩片。

3.2 扇葉偏移角度的確立

當(dāng)扇葉出風(fēng)口吹送碳粉運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，由碳粉的運(yùn)動(dòng)軌跡可知，AB兩點(diǎn)間距離S=0.6m，其分解出的水平位移距離通過實(shí)際測(cè)量可知Sx=0.4m，如圖5所示為S與Sx的實(shí)際測(cè)距。由此可計(jì)算出：

式中 Sx——碳粉運(yùn)動(dòng)軌跡的水平位移，m；

S——碳粉運(yùn)動(dòng)軌跡AB的距離，m。

圖5 實(shí)際測(cè)量距離Figure 5 Actual measurement distance

為便于計(jì)算，通過速度分解原理，可將碳粉初速度V0分解為垂直速度V0y和水平速度V0x的矢量圖，如圖6所示。

圖6 碳粉初速度V0分解出的矢量圖Figure 6 Vector diagram decomposed from initial velocity V0 of carbon powder

由此可知：

前文計(jì)算得出V0=0.75m/s，將式（7）帶入式（8）可得：

式中 V0x——碳粉初速度V0分解出的水平速度，m/s；

V0——碳粉的初始速度，m/s。

通過圖7可看出，A點(diǎn)處碳粉延V0x方向運(yùn)動(dòng)，亦是扇葉出風(fēng)口的風(fēng)速方向，同時(shí)A點(diǎn)也受到來自集電環(huán)旋轉(zhuǎn)方向的切向速度V線影響，再次將V0x速度分解后，得出切向速度V線和偏移速度V偏，V0x與V偏形成的夾角θ即是扇葉迎風(fēng)面與集電環(huán)半徑延長線的夾角，即偏移角度。

圖7 V0x水平分解圖Figure 7 V0x horizontal decomposition diagram

由圖7可知：

式中 V線——集電環(huán)旋轉(zhuǎn)的線速度，m/s；

V0x——碳粉初速度V0分解出的水平速度，m/s。

將式（3）和式（9）帶入式（10）可得 出θ=54°，即扇葉偏移角度約為54°。

3.3 扇葉形狀的確立

通過實(shí)際測(cè)量可知，集電環(huán)邊緣距刷握支架邊緣最短距離為15mm，如圖8所示，因此扇葉出風(fēng)口高度不應(yīng)超過此距離，否則會(huì)出現(xiàn)空氣延刷握支架上方流出的橫向氣流，出現(xiàn)不可控的氣流擾動(dòng)[3]。

為保證空氣的流出方向經(jīng)過碳刷與集電環(huán)的摩擦面，最大化吹掃碳粉，扇葉對(duì)空氣的導(dǎo)流方向應(yīng)斜向下流出，上端宜略有傾斜，其傾斜角度即是圖5與圖8中的α角，根據(jù)式（8）可推算出α=48°。扇葉的設(shè)計(jì)圖初步構(gòu)想[4][5]如圖9所示。孤AB為進(jìn)氣方向，圓心在D點(diǎn)，半徑即是BD邊長，上端與AE邊交于A點(diǎn)，ED邊為出氣方向，高度不應(yīng)超過集電環(huán)與刷握支架之間的間隙。

圖8 集電環(huán)與刷握測(cè)距Figure 8 Electric ring and brush grip distance measurement

為滿足出風(fēng)口的風(fēng)延α角送出，需在AE邊加裝一塊導(dǎo)風(fēng)板。為減少空氣延CD邊橫向流出，造成不可控的氣流擾動(dòng)，在弧AC上選取一點(diǎn)B，在BD之間同樣固定一塊導(dǎo)風(fēng)板，封鎖橫向氣流。理論上BD應(yīng)與AE平行，但這樣做會(huì)使進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量大大降低，減少出風(fēng)口的風(fēng)量，降低了扇葉的工作效率，因此在弧AC的中點(diǎn)選取了B點(diǎn)，這樣雖然會(huì)使一部分風(fēng)延BD邊流出，但大部分空氣還是會(huì)延AE邊流出（已做模擬實(shí)驗(yàn)，氣流方向基本與AE邊一致）。值得一提的是，前文計(jì)算的結(jié)果均未考慮碳粉的自重，在BD邊導(dǎo)風(fēng)板的影響下，出風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)向會(huì)比α角度略小，風(fēng)向略微上揚(yáng)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)的碳粉因自重的影響，會(huì)修正這一角度[6]，最終還是會(huì)落至圖4的B點(diǎn)附近。

扇葉在跟隨集電環(huán)旋轉(zhuǎn)的過程中空氣延54°角切入ABDE平面，雖然大部分風(fēng)會(huì)從ED邊送出，但還是會(huì)在AE、BD兩塊導(dǎo)風(fēng)板的邊緣出現(xiàn)漏風(fēng)，為使該漏風(fēng)量不影響ED邊的出風(fēng)方向，且最大化利用切入扇葉的空氣，在AE、BD邊上分別選取F、G兩點(diǎn)，這里G點(diǎn)為BD邊中點(diǎn)，以D點(diǎn)為圓心向上畫弧與AE相交于F點(diǎn)，加裝DEFG平面導(dǎo)風(fēng)板，將扇葉前段形成封閉的桶狀出風(fēng)口，防止扇葉前段漏風(fēng)。3D圖如圖9右側(cè)。

通過實(shí)際測(cè)量，該水電站1F機(jī)組集電環(huán)環(huán)寬約70mm，由式（10）可知，扇葉的偏移角度為54°，在這樣的角度下，扇葉底座即CD邊最大允許長度為100mm，上集電環(huán)距齒盤測(cè)速盤約145mm，因此扇葉的高度不宜超過此距離。通過計(jì)算得出：當(dāng)?shù)鬃碈D邊長為90mm時(shí)，扇葉高度為75.71mm，將固定螺栓的平墊、彈墊計(jì)算在內(nèi)后得出高度約為76mm，各處均符合安裝尺寸。最終扇葉尺寸圖如圖10所示。

圖9 風(fēng)扇設(shè)計(jì)圖Figure 9 Fan design

圖10 扇葉立體圖（單位：mm）Figure 10 Fan leaf stereogram

展開平面圖如圖11所示，圖中藍(lán)色線表示右視圖方向延藍(lán)色線逆時(shí)針彎折90°，紅色線表示與扇葉迎風(fēng)面焊牢，并做防腐處理。

3.4 扇葉的選材與固定方式

考慮到扇葉固定在集電環(huán)上在高轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，因此扇葉的材質(zhì)選擇為2mm厚冷軋鋼板，熱鍍鋅或烤漆，以防止生銹。固定方式采用絲錐攻絲、螺絲固定方式，并加彈墊、平墊、鎖片。螺絲采用φ8mm高強(qiáng)度銅螺栓，保證接觸面不會(huì)發(fā)熱。扇葉安裝于集電環(huán)兩顆定位螺栓中間空隙，采用對(duì)稱安裝，如圖12所示。

圖11 扇葉展開圖（單位：mm）Figure 11 Fan blade expansion

圖12 扇葉安裝位置圖Figure 12 Fan blade installation position diagram

4 結(jié)束語

本方案的設(shè)計(jì)靈感來源于離心風(fēng)機(jī)，相對(duì)于加裝吸碳粉風(fēng)機(jī)而言，其安全性與經(jīng)濟(jì)性是顯著的。經(jīng)改造后的集電環(huán)，在旋轉(zhuǎn)的過程中空氣經(jīng)過扇葉的導(dǎo)風(fēng)板而改變方向，使飛舞的碳粉吹離集電環(huán)，落在遠(yuǎn)處的角落以便于收集清理，從而避免附著于導(dǎo)電設(shè)備上，達(dá)到自動(dòng)清潔集電環(huán)與碳刷的目的。這樣既解決了傳統(tǒng)吸碳粉風(fēng)機(jī)工作區(qū)域小、噪聲大等問題，又降低了經(jīng)濟(jì)成本與維護(hù)成本。