燈泡貫流式水輪發電機的冷卻方式

【摘要】近年來，燈泡貫流式機組技術得到不斷的發展，機組的容量也越來越大，由于燈泡貫流式發電機組的特殊形式，整個機組浸泡在流道里，使得燈泡貫流式水輪發電機的冷卻方式與立式發電機組有很大的區別，本文介紹集中燈泡貫流式水輪發電機的冷卻方式。

【關鍵詞】冷卻；散熱；貼壁；二次循環水冷卻

1、前言

燈泡貫流式水輪發電機是一種廣泛用于低水頭電站的優良機型。由于這種機組布置特殊，機組環境與通常立式水輪發電機迥異，因此這種機組的通風冷卻系統與立式機組存在較大差異。

本文首先介紹燈泡貫流式水輪發電機冷卻方式的固有特點和難點。然后分析介紹燈泡貫流式水輪發電機常用的冷卻方式，結合國內外的應用實例冷卻方式與結構兩方面進行論述。

2、燈泡貫流式水輪發電機的冷卻方式

燈泡貫流式發電機浸沒于水中，周圍介質是水，燈泡貫流式發電機的冷卻難度要大于普通水輪發電機。普通水輪發電機的周圍介質是空氣，而水的傳熱和熱容量遠大于空氣，從而使燈泡貫流式機組的通風冷卻問題成為燈泡貫流式機組的設計難點之一。

2.1 外部冷卻水冷卻

和常規水輪發電機、發電電動機一樣，在燈泡頭端部或定子上游側圓周方向布置風機，采用常規空–水冷卻器，用經過過濾等處理的河水對冷卻器進行冷卻。這種冷卻結構多用于清水電站和中小型機組中。其優點是冷卻水溫低（河水溫度）、冷卻效果好。但要設置一套供水系統，空氣冷卻器容易污染，需經常檢修。

2.2 河水冷卻方式

河水冷卻方式是燈泡貫流式機組中應用廣泛的冷卻方式，按其熱量帶走的方式，大致可分為散熱片冷卻方式、貼壁冷卻方式、雙層殼式冷卻方式和二次循環水冷卻方式，以及組合應用以上冷卻方式的各種組合冷卻方式。

2.2.1 散熱片冷卻

散熱片冷卻是在燈泡頭內壁、外壁以及發電機機座內壁、外壁裝設散熱片（又稱翅片），以增大散熱面積，加強冷卻效果。散熱片可以是鋼片，也可以是銅片；散熱片與燈泡頭的連接，可以是焊接，也可以采用螺栓連接。散熱片冷卻方式的應用范圍很廣，從數千瓦到25MW。燈泡內裝有風機使冷卻空氣在機內循環。采用這種冷卻方式后，省掉了空氣冷卻器。為了降低熱阻，富士公司將燈泡體外壁由傳統刷防銹涂料改為噴涂一層導熱性能較好的鋁合金，使外壁與河水間的換熱能力提高了約20%。

2.2.2 貼壁冷卻方式

貼壁冷卻方式又稱機殼直接冷卻方式。在這種冷卻方式中，以燈泡殼作為發電機的機殼發電機定子鐵心與機殼直接相連，定子產生的熱量通過熱傳導，直接由定子機殼外表面傳到河水中。而機組旋轉部分產生的熱量則需借助其他冷卻方式（如散熱片冷卻方式）帶走。1950年代，伊林公司首先在Gmunden電站7MW燈泡貫流式機組中采用貼壁冷卻結構。因其結構緊湊，逐漸為許多公司所采用。Alsthom公司在Pierre—Benite電站20MVA及朗斯電站10MW可逆燈泡貫流式機組中，富士公司在日本司巢電站8300kW燈泡貫流式機組中，VA-Tech公司為韓國始華（Sihwa）潮汐電站制造的20MW燈泡貫流式發電機，都采用了這種貼壁冷卻方式。

2.2.3 雙層殼式冷卻套

雙層殼式冷卻套如圖1所示。燈泡貫流式機組的部分燈泡頭為雙層，成為水室冷卻水在兩層殼間循環流動，將熱量傳到河水。

雙層殼式冷卻方式由于冷卻水路為封閉循環水路，故冷卻條件不受河水污濁和環境條件的限制，維護條件較好。配合采用其他措施，雙層殼式冷卻方式可用于大型燈泡貫流式機組中。伊林公司廣泛采用冷卻套冷卻方式。Alsthom公司在Rock Island電站54MVA機組，富士公司在我國百龍灘電站32MW機組及巴基斯坦Chashma電站26MVA機組中，都采用冷卻套冷卻方式。

2.2.4 機內冷卻水自循環冷卻方式

機內冷卻水自循環冷卻方式又叫二次循環水冷卻方式或自備式冷卻方式。發電機有效部件利用閉路空冷方式進行冷卻，空氣用空-水冷卻器冷卻，而冷卻器內的冷卻水借助水泵實現循環，并利用其他散熱方式將熱量傳到河水中。

機內冷卻水自循環冷卻方式需與其他方式配合使用。

2.2.5 機座外內翼管冷卻結構

這種冷卻結構是在機座上裝設多個向外的鋼管用作空氣循環冷卻，鋼管內可焊接冷卻翼片。這種冷卻結構可以增加定子機座外壁與流道水的接觸面積，有利于機座的散熱。但這種結構要增大燈泡體的外徑，對水流也有一些不良影響。所以很少采用。

2.2.6 各種組合式冷卻結構

散熱片、貼壁、雙層殼式和二次循環水冷卻方式可根據情況組配，形成各種組合式冷卻方式，如散熱片-貼壁冷卻方式散熱片-機座雙層殼（冷卻套）式冷卻方式、散熱片-二次循環水組合方式等。

2.3 同時利用河水和外部冷卻水的冷卻方式

在同時利用河水和外部冷卻水的冷卻方式中，冷卻器采用外部冷卻水進行冷卻，同時采用散熱片、定子貼壁等結構，由河水帶走部分熱量。

3、結束語

燈泡貫流式水輪發電機組的發展方興未艾。今后，隨著燈泡貫流式機組向更高水頭、更大容量方向的發展，燈泡貫流式水輪發電機的通風冷卻難度將越來越大。因此，總結國內外經驗，啟迪創新思維，研究冷卻效果更佳、更可靠的通風冷卻方式將是伴隨燈泡貫流式機組發展的一個長期的、艱巨的任務。目前，世界最大的燈泡貫流機組——巴西杰瑞75MW燈泡貫流機組已經運行發電，東方電機承擔了左岸22臺機組的研制，標志著我國燈泡貫流機組研制水平又上了一個新臺階。

作者簡介：徐蘭坤（1997），1999年畢業于華中理工大學電氣工程及其自動化專業，碩士學位，高級工程師，技術管理及專利信息分析與運用。