無庫(kù)式潮汐能發(fā)電設(shè)備發(fā)展及其軸承應(yīng)用

劉延平，陳 龍，呂 明，邱 明

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

潮汐能作為一種可再生資源，蘊(yùn)藏量大，運(yùn)行成本低，氣候依賴性小，預(yù)測(cè)性強(qiáng)。世界潮汐能蘊(yùn)藏量約27億kW，可開發(fā)的約占2%，即約5 400萬(wàn)kW，若轉(zhuǎn)換為電能，年發(fā)電量約1.2萬(wàn)億kW·h，相當(dāng)于世界總電量的1／10。調(diào)查表明，我國(guó)潮汐能蘊(yùn)藏量為1.1億kW，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)總裝機(jī)容量為2 179萬(wàn)kW，年發(fā)電量624億kW·h。容量在500 kW以上的站點(diǎn)191處，可開發(fā)總裝機(jī)容量2 158萬(wàn)kW。

目前，潮汐能開發(fā)的趨勢(shì)偏向于大型化，如俄羅斯計(jì)劃的美晉潮汐電站設(shè)計(jì)發(fā)電能力為1 500萬(wàn)kW·h，英國(guó)塞泣電站為720萬(wàn)kW·h，加拿大芬地灣電站為380萬(wàn)kW·h。預(yù)計(jì)到2030年，世界潮汐電站的年發(fā)電總量將達(dá)600億kW·h。目前，我國(guó)在運(yùn)行的潮汐電站有8座，分別為江廈潮汐電站、海山潮汐電站、沙山潮汐電站、岳浦潮汐電站、山東白沙口潮汐電站、江蘇瀏河潮汐電站、福建幸福舉潮汐電站和廣西果子灣潮汐電站，總裝機(jī)容量為6 000 kW，年發(fā)電量1 000萬(wàn)余kW·h。歐美國(guó)家紛紛出臺(tái)法案大力發(fā)展潮汐能的同時(shí)，國(guó)家發(fā)改委《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》在重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中也提出了積極推進(jìn)海洋能的開發(fā)利用，制定了到2020年建成潮汐電站裝機(jī)容量10萬(wàn)kW的目標(biāo)，潮汐能發(fā)電技術(shù)前景非常廣闊。

目前成熟的潮汐能發(fā)電形式為水庫(kù)式，即在海灣或海潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣或河口與外海隔開圍成水庫(kù)，并安裝機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。這種潮汐能發(fā)電方式存在諸多缺陷：建立發(fā)電廠時(shí)的建壩等工程需要巨大投資，泥沙沖淤問題難以解決，攔潮壩對(duì)水庫(kù)區(qū)生態(tài)影響，海岸侵蝕。

針對(duì)水庫(kù)式潮汐能發(fā)電技術(shù)的諸多缺陷，近年歐美國(guó)家興起了無庫(kù)式潮汐能發(fā)電技術(shù)。這一技術(shù)在歐美國(guó)家一興起就受到了各國(guó)的大力支持，并獲得了一定程度的發(fā)展，先后設(shè)計(jì)開發(fā)了海流（seaflow）、托卡多（tocardo）等一系列潮汐能試驗(yàn)樣機(jī)［1-3］，并構(gòu)建了多處樣機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)。無庫(kù)式潮汐電站無需在入海口建壩，而是直接在近海淺水區(qū)安裝潮汐能機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)展概念省去了傳統(tǒng)潮汐電站土建項(xiàng)目的巨額投資，降低了對(duì)氣候的依賴，不占用河道，極大地減小了對(duì)生態(tài)的不利影響。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用將極大地降低潮汐能發(fā)電的介入門檻［4-6］。

1 無庫(kù)式發(fā)電設(shè)備的進(jìn)展

無庫(kù)式潮汐能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電原理突破常規(guī)發(fā)電的概念，借鑒風(fēng)能發(fā)電原理，同時(shí)考慮海流和風(fēng)的密度等條件的不同設(shè)計(jì)開發(fā)而成，因而此類水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)有庫(kù)式機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式大不相同。根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)形式不同，目前的潮汐能發(fā)電機(jī)組總體可分為2類：水平軸風(fēng)車式發(fā)電機(jī)組（圖1a～圖1c）和貫流式發(fā)電機(jī)組（圖1d及圖1e）。

1.1 海底風(fēng)車式機(jī)組

圖1a為“海流（seaflow）”風(fēng)車式發(fā)電機(jī)組?！昂Ａ鳌笔菬o庫(kù)式潮汐能設(shè)備發(fā)展的標(biāo)志性工程，項(xiàng)目初期投資600萬(wàn)歐元。由MCT公司聯(lián)合Banklnvest，EDF-energy等5家公司共同開發(fā)。2003年5月于英國(guó)西海岸布里斯托爾海面下20 m深處安裝并試驗(yàn)成功，首批裝機(jī)容量為300 kW／臺(tái)。最近又安裝了1 200 kW／臺(tái)的機(jī)組，在流速為2～3 m／s的海水中工作。該機(jī)組形狀宛如一個(gè)風(fēng)車，由潮水提供動(dòng)能沖擊葉片發(fā)電。

圖1 已完成的無庫(kù)式潮汐能發(fā)電機(jī)樣機(jī)［7］

為便于轉(zhuǎn)子出水維護(hù)，“海流”安裝時(shí)在海底鉆孔打樁，建造具有提升機(jī)構(gòu)的豎塔以適應(yīng)不同深度的海流流速并便于出水維修；為適應(yīng)海水漲落的變化，豎塔有5～10 m露在海面上。每個(gè)豎塔兩側(cè)各有一個(gè)轉(zhuǎn)子，以節(jié)約成本提高潮汐能利用率。與一般的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同，“海流”的每個(gè)轉(zhuǎn)子上有2個(gè)葉片，葉片通過變槳軸承與轉(zhuǎn)子連接，通過伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)槳距控制，槳距角在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下隨海流變化，避免過載破壞。由于海水流體密度大且裝置安裝于淺海區(qū)，葉片直徑僅16 m，以15 r／min速度隨海水流動(dòng)旋轉(zhuǎn)，葉片朝向可以180°轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)漲、退潮雙向發(fā)電的需要。同時(shí)機(jī)組裝有機(jī)械剎車系統(tǒng)以便緊急剎車。機(jī)組變速箱和發(fā)電機(jī)構(gòu)成一個(gè)整體單元，浸沒在海水中，因此不需要額外的冷卻系統(tǒng)，降低了故障率。

圖1b是由挪威Hammerfest Strom與Statoil，Rolls-Royce，ABB 4家公司共同設(shè)計(jì)開發(fā)的水平軸風(fēng)車式發(fā)電機(jī)（Tideverk）。Tideverk的結(jié)構(gòu)形式與水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同，機(jī)組每個(gè)轉(zhuǎn)子裝有3個(gè)葉片，直徑15 m，全反槳距控制，可實(shí)現(xiàn)漲、退潮發(fā)電。Tideverk在海底的受力形式也與水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同，其受力結(jié)構(gòu)如圖2所示［8］。Tideverk在海底的固定方案與“海流”不同，該機(jī)組由三角架支承于海底。首批試驗(yàn)樣機(jī)已于2007年在挪威Hammerfest附近的Kvalsundet海域安裝，單機(jī)裝機(jī)容量為300 kW，為異步發(fā)電機(jī)。

圖2 Tideverk在海底的受力形式

圖1c是荷蘭托卡多公司與Teamwork Technology BV聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的水平軸風(fēng)車式潮汐能發(fā)電設(shè)備，命名為Aqua Offshore，于2005年在DenOever下水試驗(yàn)。目前試驗(yàn)的樣機(jī)槳葉固定，不含變槳距系統(tǒng)。Aqua Offshore機(jī)組有河、海兩種類型。河道用機(jī)組機(jī)架懸浮，葉片直徑2～3.5 m，額定功率30～100 kW；近海用機(jī)組在重力作用下用錨固定，葉片直徑10～15 m，額定功率400～1 500 kW。該機(jī)組可雙向發(fā)電，為直驅(qū)恒磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)，適用于中深水域，發(fā)電電壓較高。

1.2 貫流式機(jī)組

在全球都在尋求新能源的背景下，美國(guó)海軍研究中心支持佛羅里達(dá)水電公司于1995年開始設(shè)計(jì)了一種中心開放式無庫(kù)容潮汐能發(fā)電機(jī)組，如圖1d所示，并于2005年完成了樣機(jī)制作。樣機(jī)直徑6 m，單機(jī)容量120 kW，目前在歐洲Orkney潮汐能技術(shù)中心試驗(yàn)。該機(jī)組顯著特點(diǎn)是中心開放而無軸及槳葉、采用滑動(dòng)輪帆型轉(zhuǎn)子，水流貫穿通過有一定斜度的帆葉，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其轉(zhuǎn)子如圖3所示［7，9］。發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子軸承設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，適于高效直流環(huán)繞發(fā)電機(jī)。該機(jī)組適于中深水域，發(fā)電電壓為中等電壓。

圖3 Open Centre發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

英國(guó)Lunar Energy公司聯(lián)合E.ON公司于2007年設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型水平軸雙向發(fā)電潮汐能透平機(jī)（Rotech），見圖1e，Rotech已在Glasgow大學(xué)試驗(yàn)成功。Rotech機(jī)組外殼為一喇叭口狀管道，直徑15 m，長(zhǎng)19.2 m，以捕獲更多的潮水并提高水流速度。機(jī)組設(shè)有偏航系統(tǒng)，調(diào)整機(jī)組方向，使海流垂直沖擊葉片，提高水輪機(jī)效率。機(jī)組高度模塊化，可單獨(dú)吊起檢修和維護(hù)，如圖4所示［10］。該機(jī)組固定時(shí)靠配重的重力作用置于海底，水輪機(jī)直徑11.5 m，單機(jī)容量1 MW，適于水深40 m的深水水域，發(fā)電電壓為中低電壓。

圖4 Rotech潮汐能機(jī)組吊裝圖

2 軸承的應(yīng)用

無庫(kù)式潮汐能發(fā)電機(jī)組一般安裝于20～40 m的海底，適應(yīng)的海水流速約2～3 m／s，機(jī)組用軸承的工作環(huán)境溫度較低，轉(zhuǎn)速約15 r／min，大部分都會(huì)受到軸向、徑向、傾覆力矩的聯(lián)合作用，受力狀況復(fù)雜。

2.1 海底風(fēng)車式機(jī)組

“海流”在運(yùn)行過程中由水流驅(qū)動(dòng)槳葉，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，增速箱增速并最終驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。連接槳葉片與輪轂的變槳軸承為轉(zhuǎn)盤軸承。沒有潮水沖擊力時(shí)，變槳軸承受到槳葉片的重力與海水浮力的合力作用；當(dāng)海水沖擊葉片時(shí)，槳葉片將承受附加水平力以及由沖擊力引發(fā)的附加力矩作用；當(dāng)海水的沖擊力足以驅(qū)動(dòng)“海流”運(yùn)轉(zhuǎn)后，變槳軸承本身繞著風(fēng)車的軸線旋轉(zhuǎn)，則徑向力按正弦規(guī)律周期性變化。除以上正常受力外，海水沖擊力的波動(dòng)、漲退潮變化等因素都將加劇變槳軸承受力復(fù)雜程度［8，11］。

圖5 “海流”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

“海流”的增速箱由德國(guó)Jahnel-Kestermann設(shè)計(jì)制造。箱體緊湊，由一級(jí)行星齒輪和兩級(jí)螺旋齒輪和一個(gè)空心主軸組成，電纜通過滑環(huán)單元穿過空心軸與輪轂相連，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和槳距控制。負(fù)載最大的第1級(jí)齒輪副的載荷由不少于8個(gè)小行星輪共同承擔(dān)，用活動(dòng)銷釘組裝，保證各行星輪的載荷的均衡。負(fù)載較小的第2級(jí)齒輪的載荷由5個(gè)小行星輪承載。轉(zhuǎn)子軸承除需要承受較大的徑向力以外，還需要承受葉片傳遞的軸向力，因而多采用能同時(shí)承受軸向載荷與徑向載荷的圓錐滾子軸承。已制造的樣機(jī)就采用雙列圓錐滾子軸承。

2.2 貫流式機(jī)組

中心開放式的貫流機(jī)組不采用滾動(dòng)軸承，而是采用滑動(dòng)軸承。但水平軸式貫流機(jī)組中間存在主軸，所以采用滾動(dòng)軸承作為支承。Rotech內(nèi)部軸承布置尚未見報(bào)道。依據(jù)Rotech的樣機(jī)結(jié)構(gòu)，其主軸軸承的應(yīng)用情況可借鑒貫流式水輪機(jī)軸承的應(yīng)用［12-15］。

貫流式水輪機(jī)軸承通常采用三支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)、雙支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)和雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)。三支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)（圖6）轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承與推力軸承之間，水輪機(jī)軸承位于轉(zhuǎn)輪上游側(cè)。三支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)可承受較大載荷，有利于提高軸系的剛度，主軸受力狀態(tài)好，但此種結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整困難。雙支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)（圖7）將發(fā)電機(jī)推力軸承與發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機(jī)組合軸承，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)組合軸承與水輪機(jī)導(dǎo)軸承之間，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪位于水輪機(jī)導(dǎo)軸承下游側(cè)，適用于中等容量機(jī)組，在工地調(diào)整軸系較方便，因而降低了機(jī)組成本。雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)（圖8）將發(fā)電機(jī)推力軸承與發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機(jī)組合軸承，位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下游側(cè)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪位于水輪機(jī)導(dǎo)軸承下游側(cè)，雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)縮短主軸長(zhǎng)度使機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，便于軸承的維護(hù)和檢修，是目前已廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。

圖6 三支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)

圖7 雙支點(diǎn)單懸臂結(jié)構(gòu)

圖8 雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)

貫流水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量大部分集中于輪緣處，從力矩平衡條件看，作用在輪緣處的不均衡力將數(shù)倍放大后作用于軸承上。另外，懸臂結(jié)構(gòu)中均采用了成對(duì)安裝的大型推力軸承，并且軸承的軸線與水平面平行，受力側(cè)滾動(dòng)體在滾道自定心作用的影響下保持在正常的工作位置，而非受力側(cè)滾動(dòng)體下沉，造成滾道偏磨，這種不對(duì)稱的磨損將加大配對(duì)推力軸承的間隙。運(yùn)行過程中受頻繁的正、反向水沖擊力也使軸向間隙有增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

新能源運(yùn)動(dòng)下，國(guó)外潮汐能發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，并且投資和研發(fā)力量都有增加的趨勢(shì)，而我國(guó)的潮汐能利用技術(shù)仍然局限在庫(kù)容式的潮汐能發(fā)電設(shè)備上。綜合國(guó)外的文獻(xiàn)與研究報(bào)告，總結(jié)了目前已經(jīng)具備樣機(jī)的無庫(kù)式潮汐能發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，探討了這些新型設(shè)備上所用軸承的工況條件。