水轮机、发电机的最新技术

2015-07-28陈康明

水电站机电技术 2015年6期

关键词：水轮机新技术发电机

陈　康　　明　译

（杭州江河水电科技有限公司，浙江杭州 310012）

水轮机、发电机的最新技术

陈康明译

（杭州江河水电科技有限公司，浙江杭州 310012）

摘要：我们致力于生产成本低、维护简单、环境友好型的水轮机、发电机产品。在水轮机方面，开发了不需要冷却水和操作油的无水和无油技术，在发电机方面，开发了省略辅机和高转速化的技术。开发的混合操作接力器不仅用于导叶接力器，也能用于桨叶接力器。在高转速大容量水力发电电动机方面，转子的强度解析技术，可变刚性防振系统，以及为了省略辅助系统的面向高转速推力轴承自循环泵系统的开发有了新进展。

关键词：水轮机；发电机；新技术；混合操作接力器

1　前言

2011年的东日本大地震以来，作为原子能发电的代替，可再生能源更加受到重视。由于可再生能源固定价格购买制度的出台，加速了可再生能源的开发。水力发电是能够提供稳定电源的发电方式，一般水力发电承担基荷作用，抽水蓄能发电能够起到可再生能源发电增加后的电力系统平衡作用。

富士电机为了在水力发电事业上与伏伊特合作，成立了富士伏伊特水电，致力于开发各种新技术。抽水蓄能发电方面在伏伊特集团的技术基础上得到了进一步开发。

2　最新的技术动向

为了简化维护、降低成本、保护环境，开发了不需要冷却水和操作油的无水和无油技术。以下是正在开发的新技术：

（1）扩大导叶用混合接力器的使用范围；

（2）通过混合接力器的使用实现转桨式转轮的电动操作；

（3）通过新材料的应用扩大水润滑轴承的使用范围。

最近通过流动分析技术，提高了水轮机转轮性能预测精度，能够开发更高性能的转轮。而且通过运用该技术，改造现有水电站转轮，较容易提高水轮机的性能和实现水轮机的增容改造。

在发电机技术方面，由于强度和振动分析技术的进步，精度更高，设计可靠性也提高了。

3　水轮机技术

3.1混合操作接力器

在国内多数中小水力发电站的调速器方面，电动接力器代替了油压操作接力器操作导叶的开关。这是由于电动接力器的维护简单等优点已经被广泛认可。可是，电动接力器在提供大容量操作力和实现导叶快速关闭方面不如油压接力器。另外，由于电动接力器部件损坏后的维修时间较长，存在电站停机时间较长的问题。为了解决这些问题，就需要开发新形式的电动接力器。

基于这样的考虑，富士伏伊特水电很早就进行了混合操作接力器的开发。开发出了新一代调速器系统，该调速器系统即有电动接力器的优点，又能适用于大容量水电站，也克服了以往电动接力器的缺点。

混合操作接力器是通过电动机来控制油压操作缸的系统，至今已经运用于很多水电站。根据使用情况来看，导叶的关闭速度很快，现在已经用于之前使用非电动调速系统的混流式水轮机项目的改造。

3.2桨叶的开关操作

轴流式和斜流式等桨叶可动的水轮机，能够在大流量变动范围内高效率运行。安装于山形企业局的横川水电站和新野川第一水电站的斜流式水轮机，导叶和桨叶的开关操作都采用了混合操作接力器。2个电站的主要参数见表1。图1是横川水电站（立轴斜流水轮机）的桨叶用混合操作接力器。最上部安装的是电动机，它的下面安装的是泵组单元。油压缸装在水轮机机坑内。

桨叶的开关操作通过图2所示主机回转同期控制系统来实现电动液压混合操作。该系统的桨叶驱动电动机装于发电机上部的静止部件上，由可逆泵和平衡阀等组成的泵组单元安装于发电机轴和水轮机轴的转动部件内部。

表1　水轮机参数

图1　桨叶操作用混合接力器电动机

图2　桨叶混合操作接力器原理图

通过控制驱动泵相对与主轴的转速来调整油缸内的压力，从而完成桨叶的开关操作。

（a）桨叶开关动作处于停止状态

使驱动泵与主轴维持在相同转速，驱动泵就维持在相对停止状态。

（b）桨叶在开动作时

电动机与主机以相同的方向旋转时，通过控制比主轴更快的转速值来控制。由于驱动泵与主轴的转速差通过泵的作用在油压缸内产生压力差，从而操作桨叶的活塞杆。假设主轴额定转速500 r/min，使电动机以1 500 r/min的正向转速旋转，驱动泵则以1000 r/min的正向转速转动。

（c）桨叶在关动作时

电动机与主机以相反的方向旋转。使得安装在转动部件内的驱动泵以与主机相反的方向旋转，在油压缸内产生关动作的油压差。假设主机额定转速是500 r/min，使电动机以500 r/min的反向转速旋转，驱动泵则以1000 r/min的相对反向转速转动。

该主机转动同期控制系统，包括通常的开停机以及紧急停机等，常常根据主机转速的变动来控制电动机的转速，从而实现对桨叶开度的控制。

4　发电机技术

富士伏伊特水电在2008年中标了南非Eskom公司英谷拉电站的大型发电电动机（373MVA,50HZ, 428.6r/min），2013年开始安装，现正在进行中。

本发电电动机采用了磁极及磁轭的强度解析技术和适用于高速大容量机组的线圈等基础技术外，同时还采用了可变刚性防振系统和高速大容量推力轴承自循环泵系统等特殊技术。图3是英谷拉电站的发电电动机截面图。

图3　英谷拉电站发电电动机断面

4.1转子技术特点

1）转子设计要求

抽水蓄能水电站是为了解决电力使用高峰负荷问题，具有启停频繁等运行特点。抽水蓄能机组，一般水头很高，所以为高转速机组，转子由于高转速产生高离心力和温度上升。而且，由于启停频繁、离心力、热量等的原因在转子上产生交变应力。因此，设计出能够承受疲劳强度、热应力、热变形的转子是非常重要的。

2）磁极与转子磁轭的设计

离心力与转速的平方成正比。在磁极与转子磁轭接合部等高应力部位，频繁起停等引起的极高的交变应力反复作用。另外，在形状变化很大的部位存在应力集中。在这样的部位，基于低循环疲劳和高循环疲劳的寿命评价来设计结构是有必要的。

图4是英谷拉电站发电电动机的磁极和磁轭的应力分析结果。磁极与磁轭的安装部位和磁轭的磁极支撑部位采用了避免应力集中的结构。

图4　英谷拉电站磁极和磁轭的应力分析

3）磁极线圈的设计

对于磁极线圈，需要考虑反复产生的热应力、热变形。线圈在运行中产生的离心力作用于外圈的绝缘法兰盘上。在此状态下电流流过时，线圈由于温度上升产生一定的膨胀。

离心力产生的力和热膨胀产生的力的方向是不同的，由于这个原因，需要通过控制绝缘板和磁极线圈间的摩擦力系数来取得平衡。离心力由于绝缘法兰与磁极线圈间的摩擦系数的存在，成为防止热膨胀延伸的力。防止延伸的力与热膨胀的力之间的差值由磁极线圈来承受，磁极线圈内部产生压应力。一般磁极线圈采用的铜材的蠕变特性较差，内部的压应力在运行过程中慢慢变小。一方面，在停机时，由于蠕变压应力变小，磁极线圈产生热收缩现象。因此，磁极线圈在每次启动停止时会产生拉伸应力，最坏的情况会拉断。

英谷拉发电电动机的磁极线圈构成如图5所示。该发电电动机容量大、转速高，磁极线圈轴向长度长使得热膨胀量大，离心力也大。再加上是抽水蓄能机组，启停非常频繁。由于这些因素，在设计磁极线圈时，外周侧的线圈材料采用蠕变特性好的含银铜材。

图5　英谷拉发电电动机的磁极线圈构成

4.2防振梁系统

1）防振梁设计的要求

一般高转速大容量机组的轴具有足够的刚性来传递扭矩，轴系的刚性受轴的支撑结构刚性的影响。特别是发电电动机的上部轴承，为了提高轴系的临界转速，多采用设置与基础混凝土之间的防振梁来提高支撑刚性。

防振梁的设计必须考虑其热膨胀因素。运行时，发电机各部件由于发电机室内温度上升产生热膨胀。而混凝土基础在发电机运行中基本没有热膨胀，二者间产生不可忽视的位移差，防振梁由于位移差产生较大的内部应力。由于此内部应力的存在，发生过由于轴承间隙过度收缩导致的烧瓦，以及混凝土基础破坏的案例。为了解决这些隐患，需要在结构上采取减小内部应力的措施。

2）固定刚性防振梁

图6是使用板簧的传统固定刚性防振梁。此结构是为了确保在振动时有必要的刚性而开发的，同时能减小内部应力。设计时将支持点（A），（B）的位置调整到合适位置来保证防振梁有最合适的刚性，对于热膨胀和振动是相同的取值。

3）可变刚性防振梁

英谷拉电站使用的新型可变刚性防振梁如图7所示。粘性流体弹簧对于热胀冷缩这样的变形基本不会产生内部应力，对于振动这样的较高频率的负荷有较高的刚性。因此，此刚性防振梁能够防止热膨胀引起的轴承间隙减小和对于混凝土基础的高负荷，轴系能够发挥较高的支持刚性。

此刚性防振梁已经用于数个电站，使用情况较好。