整裝燈泡貫流式水輪發電機組的系列研究與開發

高志遠，楊雪姣，周 寧，周同旭

（1.中國電力工程有限公司，北京100048；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津300300）

在小流域低水頭水力資源的開發利用中，小型整裝燈泡貫流式水輪發電機組因其結構緊湊、效率高、安裝方便等優點，越來越受到關注。在國外已得到廣泛的應用，在國內也開始研發這類機型。1998年天津辰發電力設備有限公司陸續為甘肅、廣東和陜西三個電站生產了整裝燈泡貫流式水輪發電機組，投入運行后各項指標都達到了設計要求，為開發整裝燈泡貫流式水輪發電機組累積了豐富的經驗。

1 轉輪應用

整裝燈泡貫流式機組是為了滿足水頭低、單機容量過小、安裝檢修不方便或根本無法拆裝的問題，而專門研制的一種可在制造廠完成制造、裝配后，且形成一個整體，進行必要的試驗，合格后整體運輸至工地，整體吊入安裝的全新機型（見圖1）。

圖1

為增加通用性以便推廣，采用常規燈泡貫流式水輪機流道，采用常規的燈泡貫流式轉輪。系列產品根據水頭的高低決定采用4葉片的995及3葉片的1 250 a兩種轉輪。

這兩個轉輪處于國內領先水平，其效率比目前常用的軸流式、軸伸貫流式機組高出2%～5%，比半整裝的齒輪增速的燈泡貫流機組的效率高2%～3%。

2 布置形式

由于采用常規燈泡貫流轉輪和流道，新型整裝燈泡貫流式水輪發電機組的電站布置，和大型燈泡貫流式機組基本相同。由于機組段采用整裝設計，現場整體吊裝，水工設計更加簡單。

根據實踐經驗證明：當電站的一次、二次電氣設備、調速器安裝完畢，機組的進口管基礎環及尾水管里襯，基礎板及地腳螺栓按技術要求埋設完畢后，機組整體直接吊入安裝，時間僅用4～6 d。如進行少量的二次混凝土工作，也僅需1個月左右即可發電。比常規立式軸流及軸伸貫流機組縮短安裝周期約2個月左右，也比半整裝式增速機組省去發電機與水輪機的現場連接工作量。機組安裝示意圖見下頁圖2。

3 結構特點

新型整裝燈泡貫流式機組采用整裝直聯式，發電機及水輪機同一轉速，采用同一根軸。在廠內完成整體裝配，進行必要的試驗合格后，整體運輸至工地，不需解體整體吊入安裝，保證了機組的性能及快速安裝的特性。

圖2

3.1 水輪機

水輪機部分主要由機殼、轉輪、導水機構、導軸承及推力軸承、主軸密封等部件組成。

1）轉輪：本系列產品根據水頭的高低決定采用4葉片的995及3葉片的1 250 a兩種轉輪（更高水頭則采用5葉片轉輪）。

2）導水機構：采用與模型機導葉數相同的活動導葉。導葉控制系統由導葉臂、連桿、控制環等組成。通過控制環與微機調速器連接可實現自動控制導葉的開啟和關閉。

3）軸承及推力軸承：均采用進口的SKF高質量滾動軸承，此種軸承的使用壽命不小于50 000 h，軸承的潤滑采用油脂潤滑。

4）主軸密封：采用盤式密封、填料采用GORE膨體聚四氟乙烯帶狀材料，由流道自然水作為冷卻和潤滑水，少量滲水由排水管排至集水井。

5）機殼：整裝燈泡貫流式水輪發電機組設有一個特殊的機殼，機殼由內圈和外圈及上、下兩個固定導葉構成。內圈作為發電機的定子機座，內、外圈的空間作為水力流通之用。上、下固定導葉制成流線型的空腔體，作為通風和電纜及管道的通道，同時固定導葉也是機組的支撐（見圖3）。

圖3

3.2 發電機

燈泡貫流式水輪發電機的設計難點是電磁匹配和通風散熱，在小型整裝燈泡貫流式水輪發電機的設計中，這兩個問題更為突出。在設計整裝燈泡貫流式水輪發電機的過程中，借鑒了大型燈泡貫流式機組的設計成果，并在風路設計中有新的突破，較好地解決了通風散熱問題，通過鸚鴿水電站400 kW的運行實踐表明，機組的各項技術指標都達到了設計的預期效果。

1）定子：機殼的內圈作為發電機的定子機座，機殼的內圈的內徑經機加工后裝有定子鐵心，鐵心與機殼內圈的內側緊貼，形成“貼壁”結構，機殼內圈的外側與水接觸，可帶走發電機運行中20%～25%的發熱量。定子鐵心采用高導磁無取向的冷軋硅鋼片，定子線圈采用F級絕緣，采用一次模壓成型工藝。壓板采用非磁性材料，更有效減少渦流損耗。

2）轉子：轉子由磁極，磁極線圈、轉子支架和主軸等組成。磁極沖片選用高導磁材料，磁極線圈設計成散熱匝的高效散熱線圈。磁極可根據轉速的高低設計成“T”尾或螺栓與轉子支架把合的方式。

3）通風方式：采用外加風機管道式強迫風冷卻，將上固定導葉的空腔分隔成上、下游2個通道，冷風由上固定導葉的上游通道進入，熱風由上固定導葉的下游通道排除。定、轉子間軸向設有3條通風道：極間通道、氣隙通道和鐵心的齒間通道。風機型號根據計算所需的風量和風壓選定。

4）主軸：整裝燈泡貫流式水輪發電機組屬于機電一體化產品，水輪機和發電機共用一根軸。主軸由兩個支點作為支撐。徑向-推力軸承位于轉子的上游側，采用滾動軸承。導軸承位于水輪機的轉輪上游側，采用徑向滾動軸承。

5）防結露措施：機組停機時，長期處在溫度較低、濕度較大的環境中，機組裝設結露排水管和電加熱裝置，可解決此問題。

3.3 攻克要點

1）高周速ν=12 m/s，不加外來潤滑水的密封試驗及電站實測。

2）超出力時機組溫升的實驗、實測（包括通風試驗）。

3）在防止軸電流時，高速潤滑脂滾動軸承的溫升測試。

4）長引水管道水流系統中小慣量（τa=1.5 s）機組在手電動調速器操作時并網的技術。

5）噪聲及振動的評估（出力由40 kW至420 kW）。

6）停機時機組內部凝露的觀察。

鸚鴿電站機組出力在40～420 kW時，均穩定運行，電機的溫升更使人滿意（在超出力420 kW時，定子線圈溫度為69℃）。總結該型機組的實踐經驗，尤其是通過在現場對電機的溫升、通風的風量、風壓、軸承的溫度、油脂的運行情況、主軸密封的潤滑摩擦及水輪機在各不同負荷下運行特性，及對其噪聲、振動的測定，在小機組慣量及大水流加速時間常數下，配合業主完滿地進行并網的試驗。

在這些大量實測驗證理論、分析及不斷改進完善的基礎上，設計制造了單機500 kW轉輪直徑為1.3 m的新型整裝燈泡貫流式機組，技術更先進、質量更可靠。

4 適用范圍及前景展望

水電作為綠色的再生能源，具有其他能源不可替代的優勢。隨著水力資源的深入開發，小流域低水頭水力資源的利用越來越受到關注。因此，整裝燈泡貫流機組將成為開發利用小流域低水頭水力資源較好的選擇機型之一。

新型整裝燈泡貫流式機組比常用的軸流式、軸伸貫流式及帶齒輪增速的半整裝燈泡機組有著更高的效率，更小的噪聲及更簡潔的結構及良好維護性能和快速安裝特性。廠房的尺寸及投資可大大節省。根據實踐總結及計算、分析，采用此類型產品比以往的小型軸流式、軸伸貫流式機組可使電站年電能增加5%～10%，電站的總投資降低10%～20%，施工及安裝周期縮短1～3個月。

為了便于該機型的推廣和使用，該機型進行了系列化的選型設計供選型時參考。

該標準系列產品按轉輪直徑分別為D1=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m，其單機容量（按水頭及流量分類）由100 kW至2 500 kW，共有48個基本規格品種，基本能滿足目前低水頭、小容量電站的選型及參考的需要。本標準產品中的吸出高度均按海拔為0.0 m計算。

另，機組重量一般不超過3.0 t，以方便運輸的需要。因此，水輪機水頭在5 m以下，轉輪的標準直徑為 0.8 m、0.71 m、0.63 m、0.56 m、0.5 m、0.45 m、0.4 m、0.36 m、0.32 m。標準出力為125 kW、100 kW、75 kW、55 kW、40 kW、30 kW、24 kW、20 kW、16 kW、12 kW。轉速最高為1 500 r/min。

整裝燈泡機組作為經濟、高效、可靠的產品，成為低水頭小型水電設備的最佳選擇之一。隨著低水頭水力資源的進一步開發利用，對環境要求的提高，新型整裝燈泡貫流式機組有著極為廣闊應用前景。