水輪機、發電機的最新技術

陳　康　　明　譯

（杭州江河水電科技有限公司，浙江 杭州 310012）

水輪機、發電機的最新技術

陳康明譯

（杭州江河水電科技有限公司，浙江 杭州 310012）

摘要：我們致力于生產成本低、維護簡單、環境友好型的水輪機、發電機產品。在水輪機方面，開發了不需要冷卻水和操作油的無水和無油技術，在發電機方面，開發了省略輔機和高轉速化的技術。開發的混合操作接力器不僅用于導葉接力器，也能用于槳葉接力器。在高轉速大容量水力發電電動機方面，轉子的強度解析技術，可變剛性防振系統，以及為了省略輔助系統的面向高轉速推力軸承自循環泵系統的開發有了新進展。

關鍵詞：水輪機；發電機；新技術；混合操作接力器

1　前言

2011年的東日本大地震以來，作為原子能發電的代替，可再生能源更加受到重視。由于可再生能源固定價格購買制度的出臺，加速了可再生能源的開發。水力發電是能夠提供穩定電源的發電方式，一般水力發電承擔基荷作用，抽水蓄能發電能夠起到可再生能源發電增加后的電力系統平衡作用。

富士電機為了在水力發電事業上與伏伊特合作，成立了富士伏伊特水電，致力于開發各種新技術。抽水蓄能發電方面在伏伊特集團的技術基礎上得到了進一步開發。

2　最新的技術動向

為了簡化維護、降低成本、保護環境，開發了不需要冷卻水和操作油的無水和無油技術。以下是正在開發的新技術：

（1）擴大導葉用混合接力器的使用范圍；

（2）通過混合接力器的使用實現轉槳式轉輪的電動操作；

（3）通過新材料的應用擴大水潤滑軸承的使用范圍。

最近通過流動分析技術，提高了水輪機轉輪性能預測精度，能夠開發更高性能的轉輪。而且通過運用該技術，改造現有水電站轉輪，較容易提高水輪機的性能和實現水輪機的增容改造。

在發電機技術方面，由于強度和振動分析技術的進步，精度更高，設計可靠性也提高了。

3　水輪機技術

3.1混合操作接力器

在國內多數中小水力發電站的調速器方面，電動接力器代替了油壓操作接力器操作導葉的開關。這是由于電動接力器的維護簡單等優點已經被廣泛認可。可是，電動接力器在提供大容量操作力和實現導葉快速關閉方面不如油壓接力器。另外，由于電動接力器部件損壞后的維修時間較長，存在電站停機時間較長的問題。為了解決這些問題，就需要開發新形式的電動接力器。

基于這樣的考慮，富士伏伊特水電很早就進行了混合操作接力器的開發。開發出了新一代調速器系統，該調速器系統即有電動接力器的優點，又能適用于大容量水電站，也克服了以往電動接力器的缺點。

混合操作接力器是通過電動機來控制油壓操作缸的系統，至今已經運用于很多水電站。根據使用情況來看，導葉的關閉速度很快，現在已經用于之前使用非電動調速系統的混流式水輪機項目的改造。

3.2槳葉的開關操作

軸流式和斜流式等槳葉可動的水輪機，能夠在大流量變動范圍內高效率運行。安裝于山形企業局的橫川水電站和新野川第一水電站的斜流式水輪機，導葉和槳葉的開關操作都采用了混合操作接力器。2個電站的主要參數見表1。圖1是橫川水電站（立軸斜流水輪機）的槳葉用混合操作接力器。最上部安裝的是電動機，它的下面安裝的是泵組單元。油壓缸裝在水輪機機坑內。

槳葉的開關操作通過圖2所示主機回轉同期控制系統來實現電動液壓混合操作。該系統的槳葉驅動電動機裝于發電機上部的靜止部件上，由可逆泵和平衡閥等組成的泵組單元安裝于發電機軸和水輪機軸的轉動部件內部。

表1　水輪機參數

圖1　槳葉操作用混合接力器電動機

圖2　槳葉混合操作接力器原理圖

通過控制驅動泵相對與主軸的轉速來調整油缸內的壓力，從而完成槳葉的開關操作。

（a）槳葉開關動作處于停止狀態

使驅動泵與主軸維持在相同轉速，驅動泵就維持在相對停止狀態。

（b）槳葉在開動作時

電動機與主機以相同的方向旋轉時，通過控制比主軸更快的轉速值來控制。由于驅動泵與主軸的轉速差通過泵的作用在油壓缸內產生壓力差，從而操作槳葉的活塞桿。假設主軸額定轉速500 r/min，使電動機以1 500 r/min的正向轉速旋轉，驅動泵則以1000 r/min的正向轉速轉動。

（c）槳葉在關動作時

電動機與主機以相反的方向旋轉。使得安裝在轉動部件內的驅動泵以與主機相反的方向旋轉，在油壓缸內產生關動作的油壓差。假設主機額定轉速是500 r/min，使電動機以500 r/min的反向轉速旋轉，驅動泵則以1000 r/min的相對反向轉速轉動。

該主機轉動同期控制系統，包括通常的開停機以及緊急停機等，常常根據主機轉速的變動來控制電動機的轉速，從而實現對槳葉開度的控制。

4　發電機技術

富士伏伊特水電在2008年中標了南非Eskom公司英谷拉電站的大型發電電動機（373MVA,50HZ, 428.6r/min），2013年開始安裝，現正在進行中。

本發電電動機采用了磁極及磁軛的強度解析技術和適用于高速大容量機組的線圈等基礎技術外，同時還采用了可變剛性防振系統和高速大容量推力軸承自循環泵系統等特殊技術。圖3是英谷拉電站的發電電動機截面圖。

圖3　英谷拉電站發電電動機斷面

4.1轉子技術特點

1）轉子設計要求

抽水蓄能水電站是為了解決電力使用高峰負荷問題，具有啟停頻繁等運行特點。抽水蓄能機組，一般水頭很高，所以為高轉速機組，轉子由于高轉速產生高離心力和溫度上升。而且，由于啟停頻繁、離心力、熱量等的原因在轉子上產生交變應力。因此，設計出能夠承受疲勞強度、熱應力、熱變形的轉子是非常重要的。

2）磁極與轉子磁軛的設計

離心力與轉速的平方成正比。在磁極與轉子磁軛接合部等高應力部位，頻繁起停等引起的極高的交變應力反復作用。另外，在形狀變化很大的部位存在應力集中。在這樣的部位，基于低循環疲勞和高循環疲勞的壽命評價來設計結構是有必要的。

圖4是英谷拉電站發電電動機的磁極和磁軛的應力分析結果。磁極與磁軛的安裝部位和磁軛的磁極支撐部位采用了避免應力集中的結構。

圖4　英谷拉電站磁極和磁軛的應力分析

3）磁極線圈的設計

對于磁極線圈，需要考慮反復產生的熱應力、熱變形。線圈在運行中產生的離心力作用于外圈的絕緣法蘭盤上。在此狀態下電流流過時，線圈由于溫度上升產生一定的膨脹。

離心力產生的力和熱膨脹產生的力的方向是不同的，由于這個原因，需要通過控制絕緣板和磁極線圈間的摩擦力系數來取得平衡。離心力由于絕緣法蘭與磁極線圈間的摩擦系數的存在，成為防止熱膨脹延伸的力。防止延伸的力與熱膨脹的力之間的差值由磁極線圈來承受，磁極線圈內部產生壓應力。一般磁極線圈采用的銅材的蠕變特性較差，內部的壓應力在運行過程中慢慢變小。一方面，在停機時，由于蠕變壓應力變小，磁極線圈產生熱收縮現象。因此，磁極線圈在每次啟動停止時會產生拉伸應力，最壞的情況會拉斷。

英谷拉發電電動機的磁極線圈構成如圖5所示。該發電電動機容量大、轉速高，磁極線圈軸向長度長使得熱膨脹量大，離心力也大。再加上是抽水蓄能機組，啟停非常頻繁。由于這些因素，在設計磁極線圈時，外周側的線圈材料采用蠕變特性好的含銀銅材。

圖5　英谷拉發電電動機的磁極線圈構成

4.2防振梁系統

1）防振梁設計的要求

一般高轉速大容量機組的軸具有足夠的剛性來傳遞扭矩，軸系的剛性受軸的支撐結構剛性的影響。特別是發電電動機的上部軸承，為了提高軸系的臨界轉速，多采用設置與基礎混凝土之間的防振梁來提高支撐剛性。

防振梁的設計必須考慮其熱膨脹因素。運行時，發電機各部件由于發電機室內溫度上升產生熱膨脹。而混凝土基礎在發電機運行中基本沒有熱膨脹，二者間產生不可忽視的位移差，防振梁由于位移差產生較大的內部應力。由于此內部應力的存在，發生過由于軸承間隙過度收縮導致的燒瓦，以及混凝土基礎破壞的案例。為了解決這些隱患，需要在結構上采取減小內部應力的措施。

2）固定剛性防振梁

圖6是使用板簧的傳統固定剛性防振梁。此結構是為了確保在振動時有必要的剛性而開發的，同時能減小內部應力。設計時將支持點（A），（B）的位置調整到合適位置來保證防振梁有最合適的剛性，對于熱膨脹和振動是相同的取值。

3）可變剛性防振梁

英谷拉電站使用的新型可變剛性防振梁如圖7所示。粘性流體彈簧對于熱脹冷縮這樣的變形基本不會產生內部應力，對于振動這樣的較高頻率的負荷有較高的剛性。因此，此剛性防振梁能夠防止熱膨脹引起的軸承間隙減小和對于混凝土基礎的高負荷，軸系能夠發揮較高的支持剛性。

此剛性防振梁已經用于數個電站，使用情況較好。

圖7　英谷拉電站的新型可變剛性防振梁

4.3高轉速大容量推力軸承自循環系統

利用軸旋轉離心力的自循環軸承潤滑油系統與需要用泵來強制供油的系統是完全不一樣的。考慮到附屬設備的布置空間和維護，一般都希望采用自循環系統。但是當軸的圓周速度過高時，泵板的吸油口從油面吸入空氣，泵的作用效果顯著下降。因此，以往將圓周速度40m/s左右作為軸承自循環系統的適用界限。

富士電機以及富士伏伊特水電為了提高軸承自循環系統的轉速使用上限，制作了大型實驗裝置（圖8），以開發新系統。該實驗裝置改善了泵板的吸油性能和吐油的壓力損失，使得軸承自循環系統能夠適用于軸承回轉圓周速度達到70m/s的使用界限。

圖8　70m/s級自循環泵實驗裝置

圖9 英谷拉電站的自循環泵系統構成

英谷拉發電機的軸承回轉圓周速度為58m/s，推力軸承采用了該系統（圖9）。

5　結語

以上介紹了水輪發電機的最新技術，今后將根據機組特點進行有效的實際應用。我們將進一步積極推進新技術的開發，為水力發電事業的發展作一點貢獻。

中圖分類號：TK730

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0067-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.019

收稿日期：2015-03-25

作者簡介：陳康明（1975），男，工程師，從事水輪機設計開發工作。