高转速卧式水轮发电机组的设计

徐 超，龙 洋，耿东山 ，廖红华 ，李绍武

(1.湖北民族学院科技学院,湖北 恩施 445000 2.湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)



高转速卧式水轮发电机组的设计

徐 超1，龙 洋1，耿东山2，廖红华2，李绍武1

(1.湖北民族学院科技学院,湖北 恩施 445000 2.湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)

针对卧式水轮发电机组,特别是大容量、高转速机组的运行特性,结合某电厂实际情况,介绍了一种两支点卧式水轮发电机组的设计.该机组结构紧凑,具有容量大、体积小、转速髙等优点.在维修、保养上比普通立式机组更加方便,在性能方面也和立式机组接近,且利于偏远地区的运输和安装.特别适用于山区水电站,易于市场推广,能更好的促进我国对水资源的进一步合理开发与利用.

水轮发电机组;高转速;大容量;卧式

随着全球气候变暖等环境问题的日益严重,为应对气候变化,各个国家采取的共同战略之一,就是发展清洁能源,并保障在利用大自然一次能源的同时不会对环境造成破坏[1].现在世界各国开发利用的清洁能源主要是针对水能的研究.我国水资源储量丰富,特别是在西南地区的部分水域还处于未开发的状态,所以大力开发与利用山区水电是推动我国经济可持续发展的有力措施.针对适合我国西南地区的水资源特点,发展大容量的卧式机组是切实可行的[2].然而,目前国内混流式水轮发电机组在水轮机高转速1 000 r/min下与大容量的发电机相匹配的研究很少[3].本文是基于越南某水电站的一种高转速、大容量的水轮发电机组设计,大胆采用了两支点的优化结构,经过近一年的商业运行,机组运行平稳,性能优良,赢得了越南电力部门和用户的好评.

1 机组的总体布置

1.1 机组的主要参数

某水电站高速卧式机组主要设计参数如表1所示.

1.2 机组的总体构造

该大型卧式两支点水轮发电机组,整体布置为水轮机和发电机同轴,采用两轴承的布置方式[4].发电机采用密闭循环空气冷却,在使用、维修以及保养上比立式机组方便.定子、径向推力轴承和径向轴承位于同一底板上.考虑到主轴旋转的动平衡,在发电机侧配有一个大直径飞轮.卧式机组总体布置如图1～2所示.

表1 发电机组主要参数

2 水轮机、发电机的结构特点

水轮机选择参数为HLA743转轮,在设计过程中同时优化进水蜗壳的流道设计,通过模拟分析使管道压力振动以及噪音都控制在合理范围之内,并获得最优的动力性能和较高效率[5].

发电机定子除须重视机座刚度和通风冷却外,其余与常规结构没有太大区别.针对卧式机座的刚度应比相同机座号的立式机座的刚度大的特点,在机座中间设有3道环板.为满足通风冷却的要求,机座的径向宽度加大至2 820 mm.考虑到铜环引线的发热与冷却,在机座出线端适当加大通风孔面积[6].

卧式发电机组飞逸转速时转子外缘的单位重量的离心力(即离心力系数),是评估发电机转子结构设计难度的一个非常的重要指标.关于发电机转子离心力系数的计算公式如下：

式中：Ck表示发电机转子外缘的离心力系数；nr表示发电机的飞逸转速,1 720 r/min；Dr表示发电机转子外径,120 cm.

图3 发电机转子结构图Fig.3 Structure diagram of generator rotor

通过计算得知,转子离心力系数达到4 003.为保证转子满足运行要求,磁极配套压板、冲片分别采用锻钢40 CrNiMo、WDEL 450锻制.转子主轴和磁轭采用锻钢35 CrMo整体锻造的结构,磁极采用鸽尾和斜键固定的结构.转子截面的结构如图3所示.

利用ANSYS软件计算转子飞逸工况下径向变形分布和飞逸工况磁极压板应力分布情况[7-9].具体分布情况如图4～5所示.汇总飞逸工况下受力数据如表2所示.在飞逸工况下所有的应力都明显小于材料的屈服极限,转子高速旋转时的强度满足运行的安全要求.

3 轴承及供油系统

3.1 机组轴承

机组轴承的设计,主要是根据机组载荷、速度的大小来考虑.大致同外径的立方成正比,相应地机组运行中也将产生很大的摩擦功.

根据相关计算,轴承的平均负荷系数K达到230.其他计算结果如表3所示,如采用油盘润滑或油环润滑方式,均难以充分有效带走热量,因此必须选择外循环润滑方式.本水轮发电机组采用外循环径向推力轴承(径向轴承),经水冷却后的润滑油充分冷却轴瓦并有效带走热量,进入稀油站重新循环.

表2 飞逸工况计算结果汇总表

表3 轴承参数计算结果汇总表

设计时在结构上充分考虑了轴承承受较大的径向力和轴向水推力.推力瓦的供油采用环形管喷油,以减少镜板与推力头的外圆搅拌损耗[10-13].

图6 径向推力轴承Fig.6 Radial-thrust bearing

为确保轴承安全可靠运行,考虑到单位压力大于1.6 MPa,在径向轴瓦上设有高压油顶起装置.在启动和停机过程中,在下轴瓦区将5～10 MPa的高压油注入,避免轴承在极限摩擦下由于不能建产油膜而发生半干摩擦烧坏轴瓦,并减少摩擦损耗[14-15].机组径向推力轴承如图6所示.

3.2 机组供油系统

传统的外循环冷却系统大都采用高位油箱、回油箱等结构.因些整个机组所需的供油系统容积要求较大,系统管路复杂,电站投资相对要增加.

通过充分论证,基于日趋完善的供油系统的控制技术,本机组采用高低压稀油站集中供油,取消常用的高位油箱,以减少油箱的容积和电站投资成本.主机停机后,稀油站应延续运行一段时间才能停机,由延时继电器控制或手动停机,其延时时间可根据主机的惯性运动特性及现场具体情况确定.

高压供油系统启动时,高压油泵的吸油管,将润滑油从油箱内吸出,经过单向阀后送到静压轴承的油腔,将轴顶起.机组启动前,当水轮发电机的转动速度达到正常转速的80%时,主机控制屏向稀油站控制箱发讯,停止高压油泵运行.当转速下降到正常转速的80%以下或主机需停机时,向稀油油站控制箱发讯,再次启动高压油泵.

4 结论

本文主要针对飞逸工况下转子、推力轴承等关键部件的运行特性进行验证计算,在保证机组运行安全要求的前提下,采用两支点的布置方式.该卧式机组整体布置为水轮机和发电机同轴,结构紧凑,高转速的特点能更好的配合高速水轮机的运行,运输和使用都极为方便.特别适合在我国的偏远山区水电站推广应用.

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责任编辑：时 凌

Design of High-speed Horizontal Hydro-generator Rotor

XU Chao1，LONG Yang1，GENG Dongshan2，LIAO Honghua2，LI Shaowu1

(1.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China；2.School of Information and Engneering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Based on the operating characteristics of high-capacity high-speed Horizontal Hydro-generator Rotor and the practical situation of a power plant,this paper introduces a design of two fulcrum horizontal Hydro-generator Rotor.This compact unit has the advantages of large capacity,small volume and high speed.It is more convenient than ordinary vertical units in repair,close to vertical units in performance and beneficial to transport and install in remote areas.This unit especially applicable for marketing in mountainous areas.It promotes further reasonable development and utilization of water resources in our country.

hydro-generator rotor;high-speed ;high-capacity;horizontal

2017-03-21.

国家自然科学基金项目(61463014；61263030)

徐超(1984-),男(土家族),硕士,主要从事电力系统及其自动化的研究.

1008-8423(2017)02-0212-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.023

TH123.4

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