水轮发电机及发电电动机的新技术浅论

宋威

摘 要：本文首先分析水轮发电机、发电电动机的技术方向，然后研究水轮发电机中立式水轮机、灯泡贯流式水轮发电机、桨叶可移动水轮机的技术进展，以及总结对发电电动机的发展。希望推动水轮机的使用，加快水电开发。

关键词：水轮发电机;发电电动机;新技术

中图分类号：TV734 文献标识码：A

0 引言

水力是一种清洁的可再生能源，在中国拥有丰富水利资源的情况下，加大水力资源的开发，能极大地满足国家能源的增长需求，实现中国电力的可持续发展目标。在大力修建水利设施的背景下，中国在过去几十年的水电取得了辉煌的发展。为此，还要继续开发使用水轮发电机和发电电动机技术，更好地利用水力，保证电网的稳定性。

1 水轮发电机和发电电动机技术的方向

水轮发电机主要朝着易维护、低成本、绿色环保的角度发展，并开发出了无需冷却水的无水技术和无需操作油的无油技术。同时，还扩大了导叶用混合接力器的使用范围，利用混合接力器来实现转桨式转轮电动操作，以及使用新材料扩大润滑轴承的适用范围。随着流动分析技术的发展，当前可以更准确地对水轮机的转轮情况做出预测，完善对转轮的设计。发电电动机在强度和振动分析技术提升的背景下，有了更高的精度和可靠性。

2 水轮机技术的发展

2.1 立式水轮机

常规的立式水轮机比较适合使用在混流式水轮机和轴流式水轮机中，在水电市场有着十分广泛地使用。在国内700 MW的水电站中，由中国制造商所占据的市场份额也是处在主导地位的，可见我国的立式水轮机的发展速度飞快。

2.1.1 电磁设计和结构优化

水轮发电机的电磁参数十分重要，不仅决定了水轮机的性能，也会影响大容量水轮机和电网之间的相互作用情况[1]。所以在设计阶段，就需要做好对电机的稳瞬态参数、电机的阻尼绕组等做好设计工作，最大幅度提升水轮发电机承载能力，改善其动态响应过程。目前，国内的电机制造厂商都已经具备使用电厂数值技术和瞬变过程数值分析技术进行电机参数计算的能力，能在设计阶段就直接对水轮机的工作状态做出模拟，预测水轮机的性能和瞬态故障。在对水轮机的发电结构中，通过使用电磁场数值技术，针对大容量水轮机可以进行磁极极靴形状、阻尼绕组的分布等做出直接和准确的设计，也能对端部的复杂绕组和固定结构利用三维电磁场数值技术对端部绕组和结构的损耗、温升进行详细地分析。

2.1.2 绝缘系统

由于水轮发电机容量和电压在不断提高，导致绝缘系统正在面临越来越大的制造难度，根据发电机组绝缘承受的电场强度变化就可以反映出发电机的绝缘水平。目前，水轮发电机组的绕组绝缘平均电场强度达到2.8 kV/mm。

2.1.3 冷却系统

对于大容量水轮发电机，在发电过程中会大量产生热能，因此对水轮机的冷却是人们所关心的问题。目前，包括空气冷却、水冷冷却、蒸发冷却三种方式。

在电机的内部，只能采用空气作为冷却介质，而且空气冷却的结构简单，可靠性高，因此是很多水轮机所使用的冷却方式。目前，几乎所有的700 MW级以上的发电机都使用了全空冷却技术，例向家坝水电站所使用的800 MW水轮发电机就是全球最大的全空冷水轮发电机。

空气冷却的效率不能满足实际应用要求时，就需要采用水冷或者蒸发冷却的方式，水冷冷却的方式结构过于复杂，而且不能保证安全性，目前在中国市场占比很低，因此，国内一般都是使用蒸发冷却解决空气冷区的不足。蒸发冷却利用了冷却介质的蒸发效应，实现定子绕组内部的冷却循环。由于所使用的冷却介质不导电，因此蒸发冷却要比水冷更加安全。在结构上，其循环借助蒸发效应实现，并没有动力循环泵，有效地简化了整体结构。目前国内的蒸发冷却机组包括李家峡电机站的400 MW机组、三峡地下电站的700 WM机组。

2.1.4 推力轴承

推力轴承是水轮机的重要支撑，决定了水轮发电机运行的成败。在中国大型推力轴承制造不断进步的情况下，我国的大型轴承负荷已经达到了6 000 t。大型水轮机的滑动轴承由扇形瓦组成，其中推力瓦包括巴氏合金瓦、弹性金属塑料瓦[2]。对轴承性能的准确研究一般需要进行轴承的热弹性流体动力数值分析，设计过程中需要做好对推理轴承的数值分析工作。

2.2 灯泡贯流式水轮发动机

该发电机适合使用在低水头位置的流域发电，会设计成较小的直径和较长的铁芯，其电磁设计难度很大，所以定子绕组的选择和阻尼绕组设计十分重要，尤其要重点防止绕组电蚀的情況。该电机由于属于细长的结构，因此冷却设计的难度比较大，必须要考虑通风的方向和方式。对于轴承的设计，重点工作主要是对径向轴承和正反推力轴承的结构设计。

2.3 桨叶可动水轮机

2.3.1 混合操作接力器

电动接力器已经具有较高的稳定性，而且维护也比较简单。但是，电动接力器在提供大容量操作力和实现导叶快速关闭等方面，不如油压接力器。同时，由于电动接力器的部件损坏以后会有较长的维修时间，也会导致电站停机时间较长。为此，目前形成了新一代接力器系统，系统同时具有电动接力器的优点，也克服了过去的不足，即混合操作接力器。该系统通过电动机对油压缸进行操作和控制，利用混合控制满足不同条件下的控制需要。对于轴流式和斜流式等桨叶可动水轮机，可以在流速变化较大的空间内高效运行，目前，一部分斜流式水轮机的导叶和桨叶都使用了混合操作接力器，国内很多中小水利发电站的调速器都使用了电动接力器代替油压操作接力器控制导叶开关。

2.3.2 桨叶开关操作

桨叶的操作通过主机回转通气控制系统实现电动液压混合操作，系统的桨叶驱动电动机安装在发电机上部，使用可逆泵和平衡阀等组成了泵单元，安装在发电机轴和水轮机轴转动部件的内部。通过控制来改变驱动泵相对于主轴的转速进行油缸内压力的调整。如果驱动泵和主轴的转速相同，则驱动泵就处在相对静止的状态，控制桨叶处于静止状态。在桨叶开动时，发电机和主机会以相同的方向旋转，通过控驱动泵比主轴更快的速度达到控制目的。比如主轴的额定转速为500 r/min，电动机以1 500 r/min的速度旋转，那么驱动泵就要以1 000 r/min的速度正向转动。

3 发电机技术的发展

3.1 高转速大容量推力轴承自循环系统

轴循环离心力的自循环轴承润滑油系统和泵控制的强制供油系统有很大区别，一般都会采用自循环系统，但是如果轴的圆周速度过高，泵板的吸油口会从油面吸入空气，降低泵的作用，并将轴的转速限制在40 m/s左右;为了提高转速，目前有效改善了泵板的吸油性能和吐油压力损失，让轴承的回转转速达到了70 m/s[3]。

3.2 防振梁系统

目前开发出可变刚性防振梁，使用粘性流体弹簧，在热胀冷缩作用下不会因为形变导致内部应力，因此具有较高的刚性。因此，刚性防振梁可以有效避免因为热胀冷缩所引起的轴承间隙减小和混凝土基础的高负荷，保证轴系统能够具有较高的刚性。

3.3 抽水蓄能发电电动机

抽水蓄能发电电动机的结构和常规的水轮发电机相同，但是需要使用发电和抽水两种工况的协调需求。电磁方案的设计上，抽水蓄能发电机重点对不同工况转换的瞬态响应进行优化，可以让电机转子有更强的刚度。轴承设计中，目前使用了中心支撑结构，推动了轴承系统的更新换代。

4 结束语

水力作为一种清洁能源，在未来仍然拥有极大的应用前景，虽然中国的整体经济增速在放缓，但是仍需要开发水力提升经济质量。因此，还需要继续做好水轮机的研发，完善能源建设。

参考文献：

[1]罗兴锜，朱国俊，冯建军.水轮机技术进展与发展趋势[J].水力发电学报，2020，39（08）：1-18.

[2]李文锋.贯流式水轮机瞬态流动特性研究[D].西安理工大学，2019.

[3]陈康明.水轮机、发电机的最新技术[J].水电站机电技术，2015，38（06）：67-70.