水轮机高油压桨叶电液全自动调节器的开发与应用

郑程遥，刘安平，劳鹏飞，刘　钰（.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 50665；.武汉三联水电控制设备有限公司，湖北 武汉 4303；3.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 5095）



水轮机高油压桨叶电液全自动调节器的开发与应用

郑程遥1，3，刘安平2，劳鹏飞1，刘钰2
（1.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 510665；2.武汉三联水电控制设备有限公司，湖北 武汉 430223；3.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510925）

摘要：基于压力油的间隙密封原理，构成了一种特殊的高油压旋转受油器，进而衍生出水轮机高油压桨叶电液全自动调节器。与传统的受油器相比，将油的外漏改为了内渗，极大的减少了漏油量；同时，油压的提高（4～25 MPa）使桨叶接力器体积浓缩，可外置于轴端，轮毂内无任何压力油，消除了压力油对河流的污染。

关键词：转桨式水轮机；高油压旋接器；桨叶操作接力器；河流污染

0引言

至少有4种因素推动着转桨式水轮机桨叶电液调节操作油压的高压化。

（1）水轮机电液调节的常规操作油压经历了2.5 MPa、4.0 MPa、6.3 MPa的升压变化，而每一次升压都引发了相关的技术进步［1］，产生了良好的经济效益，因此升压已经成为一种趋势。

（2）自1997年初，我国第1台操作油压达16 MPa、操作功为5 000 N·m的高油压电液调速器［2］投运以来，高油压已成为用户的首选，水利部也将其作为先进技术进行推广。但现有的高油压技术仅适用导叶调节，而对于转桨式水轮机，需要桨叶调节，如果用传统的转桨式水轮机结构，即便6.3 MPa及以下，其密封都无法彻底解决液压油的渗漏问题［3］；采用高油压时，水轮机结构强度和油密封难度极大，从而造成高油压调速器无法在转桨式机组中应用，限制了这一先进技术的推广。

（3）水能资源作为清洁能源的的价值愈显突出，由于转桨式机组较定桨式机组提高水能利用效率10%以上，而且，桨叶与导叶形成最佳协联关系，可避免发生叶片频率fn与压力脉动形成共振，减少疲劳破坏（f叶=Z叶片数×fn），有利于提高设备的稳定性与可靠性。所以，对于转轮直径和容量较小的轴流式机组，都希望采用转桨式［4］，但是，如要用低操作油压，由于其体积大，无法与中小机组匹配，只能采用高油压方案。

（4）对环境影响：传统的中、低油压桨叶调节装置，由于其桨叶接力器置于转轮轮毂体内，压力油自然也是进入转轮体，桨叶的根部转轴与其衬套在叶片长期承受巨大水压力而不断转动的情况下，会产生磨损变形，从而使压力油渗漏到河水中，污染河流。例如：河北某轴流转桨式机组每天的漏油量达到185 L［5］，还有湖南某水电站转桨式机组一年的漏油量达80余t［6］。而桨叶接力器高油压化后，使之体积、重量显著减小，便可将其从水轮机轮毂内移出，外置于轴端，通过纯机械轴传递力矩，控制桨叶。这不仅可使轮毂比减小，提高了水轮机效率，还解决了油对河流的污染问题，保护了生态环境。

综上，转桨式机组桨叶调节的高油压化，对于促进水轮机行业的产品升级，水能资源的更有效利用，生态环境的保护，有着重要的意义。所以，国内外都特别关注转桨式机组高油压操作技术，希望突破这一瓶颈，但由于其技术难度大，迄今仍然停留在理论探索和物理实验阶段。例如：郭建业提出了高油压桨叶调节装置的基本结构和旋转密封的设想［7］；周泰经提出了桨叶电——动操作机构，将桨叶接力器从转轮体内移出的设想方案［6］；安刚等提出了将使用16 MPa

1高油压桨叶自动调节水轮机的结构及核心技术

基于前述原因，吸取了相关单位及专业人士多年共同研究与探索的经验。我们研制出ENT-16H-v（h）型高油压转桨式水轮机结构，并于2014年10月初和2015年4月初分别在广东红桥（灯泡贯流式）和湖南甘溪（轴流转桨式）水电站投入运行，性能优良（已获得发明专利，专利号2015101453802）。

1.1结构总装

ENT-16H-h的结构见图1，基本特征是：操作油压为16 MPa，通过旋转受油器进入桨叶接力器，桨叶接力器外置于轴端，并随主轴一同旋转，接力器的轴向位移，通过主轴的桨叶推拉杆，带动桨叶操作架，使桨叶转动，接力器的位移信号通过磁质传感器传送到微机调速的输入端，以实现导叶、桨叶的自动协联控制。

图1 ENT-16H-h结构图

1.2高压旋转受油器

高压旋转受油器为ENT-16H的核心部件，它的主要功能是将工作压力油通过固定的管路传送到随主轴一并旋转的桨叶接力器中，并通过电磁切换阀切换油路从而控制接力器轴向位移的方向。高压旋转受油器的结构见图2，其关键技术是：高压转动密封结构，装置发热温升计算及装置效率计算，而密封结构尤为关键。高压旋转受油器外套与静止不动的高压进油管连接，连接件宜采用高压软管，以吸收机组的轴向和径向位移。设定转速≤1 500 r/min，桨叶接力器直径≤100 mm，油压10～25 MPa，内泄量﹤50 mL/min，且不允许外泄，油液粘度41.6～46 CST。根据上述参数，采用轴孔精密配合微间隙密封结构，对通流间隙的流体进行节流并产生尽可能大的液阻，使液体产生压力损失，实现泄流面小压力小流量的泄漏，再利用辅助环节最终实现流体密封。

在结构上，轴孔配合既要保证转轴高速旋转，又不允许轴孔表面直接摩擦，同时，又要使间隙漏油量尽可能小，轴孔间泄油量按环状缝隙流量公式计算：

图2高压旋转受油器结构

式（1）中：d为轴径；S为间隙宽度；△P为间隙两端压差；μ为油液动力粘度；L为间隙长度；ε偏心比（e/s）；e为轴孔偏心量。

其中ρ为流体密度；c为流体流速；λ为摩擦系数；L、S的意义同（1）式。

从理论计算和实验研究表明，高压旋转受油器固定衬套和转轴的间隙取0.008～0.022 mm为宜，显然，这样小的间隙不产生摩擦，轴端的支撑方式是十分重要的。此外沉割槽的设置，泄流的处理，组成材料的选择与生产工艺，都要围绕功能和寿命进行设计。

从结构上看，旋转受油器较传统的受油器相比，将传统受油器压力油的外漏改为内渗，极大的减少了漏油量，减少了高油压泵启动频率，节省了厂用电。

1.3推拉杆设计

由于桨叶接力器一般置于发电机侧轴端，而操作架位于水轮机轮叶侧，所以推拉杆较长，应按压杆的稳定条件进行设计，并校核组合压力，当推拉杆的细长比时，按欧拉公式（Euler formula）计算临界载荷Fk：

Fk不小于按常规转桨式机组设计的操作力，在式（4）和式（5）中，n为末端条件参数；E为推拉杆材料弹性模量；J为推拉杆的转动惯量；l为推拉杆长度；k为推拉杆的回旋半径。

fe为材料强度实验值；a为实验常数；m为柔度系数；其中，n、E、fe、m的选取，可见材料力学相关资料。

在实际设计中，往往沿推拉杆轴向设置若干个径向导轴承，以改善推拉杆的刚度，保证其稳定性。

1.4控制保护系统

转桨式机组要求导叶、桨叶保持协联关系，故高油压桨叶自动调节装置装有精度较高，可靠性较好的位移传感器，将接力器的位移信号传给微机调速器，通过调速器的调节控制单元实现导叶、桨叶的协联控制。而接力器活塞的运动方向由电磁阀控制，该电磁阀也控制压力油的通断。

由于旋转受油器的静止衬套与转轴之间的间隙仅有0.01 mm，所以不能完全避免产生卡阻粘接，这时静止的衬套及其外套将与转轴一同旋转，而高压油管又安装在外套上，容易使高压油管中的高压油外泄，造成人身和设备事故，故应建立机电保护系统，当发生卡阻时，静止外套有位移，利用此位移信号，切断高压油的油路，以保证高压操作油密封安全。当然，在实际中，也可加设一套机械保护装置，利用此位移信号触发机械保护装置动作机组关机，以保证机组和其他设备的安全。

1.5水轮机桨叶自润滑系统

由于桨叶接力器外置，转轮体内无油，轮叶通过操作架旋转运动，无任何润滑介质，所以要选择采用性能优越的自润滑材料［10］和合理的密封结构［11］。

2应用实例

2.1广东英德红桥水电站

红桥水电站位于滃江中游段，是滃江干流的第10个梯级，坝址以上集水面积3 121 km2，电站装设2台灯泡贯流式水轮发电机组，其参数如下：

水轮机：

型号GZ1250B-WP-356

最大水头5.38 m

设计水头4.48 m

最小水头3.00 m

额定出力3 667 kW

额定流量91.2 m3/s

转轮直径3.56 m

发电机：

型号SFWG3800-48/4000

额定容量3 500 kW

额定电压6.3 kV

额定功率因数0.9

额定转速125 r/min

经分析，调速器导叶和桨叶调节均采用16 MPa高压油操作有较大的优越性，故选择了ENT-16H-h型水轮机，比采用GD型定桨式机组提高效率15%以上，比采用传统低油压的灯泡贯流式机组节约成本10%，取消了结构复杂、密封困难的传统受油器，取消了调速器压力油罐，取消了高压气系统，代之以小体积的高压储能罐；安装时省去了“盘车”等费时环节。同时，解决了漏油造成油系统电机频繁启动的能耗，杜绝了漏油对河流的污染。

工程于2013年9月11日开工，由于采用ENT-16H-h简化了机电和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2台机组自10月20日投运至今，运行稳定，调节装置工作可靠，免维护。

2.2湖南衡东甘溪水电站

甘溪水轮泵水电站位于洣水河下游段，是一座以灌溉为主，兼顾发电、防洪、通航功能的综合水利枢纽。坝址以上控制流域面积9 869 km2，电站原装有10台轴流定桨式机组，其参数如下：

水轮机：

型号ZD510-LH-180

最大水头12 m

设计水头10 m

最小水头8 m

额定出力1 421 kW

额定流量16.9 m3/s

转轮直径1.8 m

发电机：

型号TSL260/40-24

额定容量1 250 kW

额定电压3 150 V

额定功率因数0.8

额定转速250 r/min

该电站最大的特点是集雨面积大，径流量大，引用流量小，有较多水量损失。为提高效益，在丰水期要增加机组出力，而在枯水期抗旱，要提高机组的效率；因此，解决问题的唯一办法是采用转桨式水轮。由于该转轮直径小（1.8 m），采用中低压油压装置，会因体积大，无法在不改变原机坑的情况下实施。最终，决定采用ENT-16H-v型高压电液自动调节式水轮机。

新机组于2015年4月1日投入运行，单机出力提高到1.6 MW，较原额定出力提高了28%。同时，由于将定桨式改为了转桨式，使得桨叶始终自动与导叶处在最佳协联工况，新机组的振动摆度比未改造的其他定桨机组明显减小；并且新机组的效率也有大幅度提高，这一点，是通过同一出力下，新旧机型尾水出水流量的对比所得出结果。

通过上述例证，无论灯泡贯流式还是轴流式，即对于传统的KAPLAN型水轮机，ENT-16H-v（h）都是其升级产品，具有明显的技术经济优势。

3结语

（1）高油压桨叶电液自动调节式水轮机实现了转桨式水轮机（KAPLAN型）的升级换代，对水轮机的设计制造，对水能资源的开发，将产生良好的技术经济效益。

（2）高油压桨叶电液自动调节式水轮机采用了先进的结构体系，杜绝了转桨式水轮机漏油对河流的污染，保护了生态环境，是环保型绿色水轮机。

（3）高油压桨叶电液自动调节式水轮机，无论是轴流式还是灯泡贯流式，不论是立式还是卧式，都得到了实际应用，并产生了良好的效果，为进一步的改进和推广创造了条件。

参考文献：

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［6］周泰经，吴应文，饶培棠，等.水轮机桨叶的电—机操作机构［C］//水电设备的研究与实践——第十七次中国水电设备学术讨论会论文集.北京：中国水利水电出版社，2009.

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中图分类号：TK730.4+1

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2016）06-0020-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.008

收稿日期：2016-04-01

作者简介：郑程遥（1957-），男，教授级高级工程师，研究方向：水利机电工程。油压操作的导叶与使用常规操作油压的桨叶分开独立设置的方案，并设想下一步将桨叶操作油压提高到16 MPa［8］；章嘉庆等则提出了将旋转器应用到转桨式水轮机［9］等。这些研究，从各个侧面反映了高油压桨叶自动调节水轮机的优越性和相关技术，但没有完整的、系统的形成桨叶电液自动调节的设计方案，更没有真机投入商业运行。所以，开发出真机并投入运行，是行业的重大技术创新。