高轉(zhuǎn)速臥式水輪發(fā)電機組的設(shè)計

徐 超，龍 洋，耿東山 ，廖紅華 ，李紹武

(1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院,湖北 恩施 445000 2.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

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高轉(zhuǎn)速臥式水輪發(fā)電機組的設(shè)計

徐 超1，龍 洋1，耿東山2，廖紅華2，李紹武1

(1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院,湖北 恩施 445000 2.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

針對臥式水輪發(fā)電機組,特別是大容量、高轉(zhuǎn)速機組的運行特性,結(jié)合某電廠實際情況,介紹了一種兩支點臥式水輪發(fā)電機組的設(shè)計.該機組結(jié)構(gòu)緊湊,具有容量大、體積小、轉(zhuǎn)速髙等優(yōu)點.在維修、保養(yǎng)上比普通立式機組更加方便,在性能方面也和立式機組接近,且利于偏遠地區(qū)的運輸和安裝.特別適用于山區(qū)水電站,易于市場推廣,能更好的促進我國對水資源的進一步合理開發(fā)與利用.

水輪發(fā)電機組;高轉(zhuǎn)速;大容量;臥式

隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的日益嚴重,為應(yīng)對氣候變化,各個國家采取的共同戰(zhàn)略之一,就是發(fā)展清潔能源,并保障在利用大自然一次能源的同時不會對環(huán)境造成破壞[1].現(xiàn)在世界各國開發(fā)利用的清潔能源主要是針對水能的研究.我國水資源儲量豐富,特別是在西南地區(qū)的部分水域還處于未開發(fā)的狀態(tài),所以大力開發(fā)與利用山區(qū)水電是推動我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有力措施.針對適合我國西南地區(qū)的水資源特點,發(fā)展大容量的臥式機組是切實可行的[2].然而,目前國內(nèi)混流式水輪發(fā)電機組在水輪機高轉(zhuǎn)速1 000 r/min下與大容量的發(fā)電機相匹配的研究很少[3].本文是基于越南某水電站的一種高轉(zhuǎn)速、大容量的水輪發(fā)電機組設(shè)計,大膽采用了兩支點的優(yōu)化結(jié)構(gòu),經(jīng)過近一年的商業(yè)運行,機組運行平穩(wěn),性能優(yōu)良,贏得了越南電力部門和用戶的好評.

1 機組的總體布置

1.1 機組的主要參數(shù)

某水電站高速臥式機組主要設(shè)計參數(shù)如表1所示.

1.2 機組的總體構(gòu)造

該大型臥式兩支點水輪發(fā)電機組,整體布置為水輪機和發(fā)電機同軸,采用兩軸承的布置方式[4].發(fā)電機采用密閉循環(huán)空氣冷卻,在使用、維修以及保養(yǎng)上比立式機組方便.定子、徑向推力軸承和徑向軸承位于同一底板上.考慮到主軸旋轉(zhuǎn)的動平衡,在發(fā)電機側(cè)配有一個大直徑飛輪.臥式機組總體布置如圖1～2所示.

表1 發(fā)電機組主要參數(shù)

2 水輪機、發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點

水輪機選擇參數(shù)為HLA743轉(zhuǎn)輪,在設(shè)計過程中同時優(yōu)化進水蝸殼的流道設(shè)計,通過模擬分析使管道壓力振動以及噪音都控制在合理范圍之內(nèi),并獲得最優(yōu)的動力性能和較高效率[5].

發(fā)電機定子除須重視機座剛度和通風(fēng)冷卻外,其余與常規(guī)結(jié)構(gòu)沒有太大區(qū)別.針對臥式機座的剛度應(yīng)比相同機座號的立式機座的剛度大的特點,在機座中間設(shè)有3道環(huán)板.為滿足通風(fēng)冷卻的要求,機座的徑向?qū)挾燃哟笾? 820 mm.考慮到銅環(huán)引線的發(fā)熱與冷卻,在機座出線端適當(dāng)加大通風(fēng)孔面積[6].

臥式發(fā)電機組飛逸轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子外緣的單位重量的離心力(即離心力系數(shù)),是評估發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計難度的一個非常的重要指標(biāo).關(guān)于發(fā)電機轉(zhuǎn)子離心力系數(shù)的計算公式如下：

式中：Ck表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子外緣的離心力系數(shù)；nr表示發(fā)電機的飛逸轉(zhuǎn)速,1 720 r/min；Dr表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑,120 cm.

圖3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of generator rotor

通過計算得知,轉(zhuǎn)子離心力系數(shù)達到4 003.為保證轉(zhuǎn)子滿足運行要求,磁極配套壓板、沖片分別采用鍛鋼40 CrNiMo、WDEL 450鍛制.轉(zhuǎn)子主軸和磁軛采用鍛鋼35 CrMo整體鍛造的結(jié)構(gòu),磁極采用鴿尾和斜鍵固定的結(jié)構(gòu).轉(zhuǎn)子截面的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

利用ANSYS軟件計算轉(zhuǎn)子飛逸工況下徑向變形分布和飛逸工況磁極壓板應(yīng)力分布情況[7-9].具體分布情況如圖4～5所示.匯總飛逸工況下受力數(shù)據(jù)如表2所示.在飛逸工況下所有的應(yīng)力都明顯小于材料的屈服極限,轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的強度滿足運行的安全要求.

3 軸承及供油系統(tǒng)

3.1 機組軸承

機組軸承的設(shè)計,主要是根據(jù)機組載荷、速度的大小來考慮.大致同外徑的立方成正比,相應(yīng)地機組運行中也將產(chǎn)生很大的摩擦功.

根據(jù)相關(guān)計算,軸承的平均負荷系數(shù)K達到230.其他計算結(jié)果如表3所示,如采用油盤潤滑或油環(huán)潤滑方式,均難以充分有效帶走熱量,因此必須選擇外循環(huán)潤滑方式.本水輪發(fā)電機組采用外循環(huán)徑向推力軸承(徑向軸承),經(jīng)水冷卻后的潤滑油充分冷卻軸瓦并有效帶走熱量,進入稀油站重新循環(huán).

表2 飛逸工況計算結(jié)果匯總表

表3 軸承參數(shù)計算結(jié)果匯總表

設(shè)計時在結(jié)構(gòu)上充分考慮了軸承承受較大的徑向力和軸向水推力.推力瓦的供油采用環(huán)形管噴油,以減少鏡板與推力頭的外圓攪拌損耗[10-13].

圖6 徑向推力軸承Fig.6 Radial-thrust bearing

為確保軸承安全可靠運行,考慮到單位壓力大于1.6 MPa,在徑向軸瓦上設(shè)有高壓油頂起裝置.在啟動和停機過程中,在下軸瓦區(qū)將5～10 MPa的高壓油注入,避免軸承在極限摩擦下由于不能建產(chǎn)油膜而發(fā)生半干摩擦燒壞軸瓦,并減少摩擦損耗[14-15].機組徑向推力軸承如圖6所示.

3.2 機組供油系統(tǒng)

傳統(tǒng)的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)大都采用高位油箱、回油箱等結(jié)構(gòu).因些整個機組所需的供油系統(tǒng)容積要求較大,系統(tǒng)管路復(fù)雜,電站投資相對要增加.

通過充分論證,基于日趨完善的供油系統(tǒng)的控制技術(shù),本機組采用高低壓稀油站集中供油,取消常用的高位油箱,以減少油箱的容積和電站投資成本.主機停機后,稀油站應(yīng)延續(xù)運行一段時間才能停機,由延時繼電器控制或手動停機,其延時時間可根據(jù)主機的慣性運動特性及現(xiàn)場具體情況確定.

高壓供油系統(tǒng)啟動時,高壓油泵的吸油管,將潤滑油從油箱內(nèi)吸出,經(jīng)過單向閥后送到靜壓軸承的油腔,將軸頂起.機組啟動前,當(dāng)水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)動速度達到正常轉(zhuǎn)速的80%時,主機控制屏向稀油站控制箱發(fā)訊,停止高壓油泵運行.當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到正常轉(zhuǎn)速的80%以下或主機需停機時,向稀油油站控制箱發(fā)訊,再次啟動高壓油泵.

4 結(jié)論

本文主要針對飛逸工況下轉(zhuǎn)子、推力軸承等關(guān)鍵部件的運行特性進行驗證計算,在保證機組運行安全要求的前提下,采用兩支點的布置方式.該臥式機組整體布置為水輪機和發(fā)電機同軸,結(jié)構(gòu)緊湊,高轉(zhuǎn)速的特點能更好的配合高速水輪機的運行,運輸和使用都極為方便.特別適合在我國的偏遠山區(qū)水電站推廣應(yīng)用.

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責(zé)任編輯：時 凌

Design of High-speed Horizontal Hydro-generator Rotor

XU Chao1，LONG Yang1，GENG Dongshan2，LIAO Honghua2，LI Shaowu1

(1.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China；2.School of Information and Engneering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Based on the operating characteristics of high-capacity high-speed Horizontal Hydro-generator Rotor and the practical situation of a power plant,this paper introduces a design of two fulcrum horizontal Hydro-generator Rotor.This compact unit has the advantages of large capacity,small volume and high speed.It is more convenient than ordinary vertical units in repair,close to vertical units in performance and beneficial to transport and install in remote areas.This unit especially applicable for marketing in mountainous areas.It promotes further reasonable development and utilization of water resources in our country.

hydro-generator rotor;high-speed ;high-capacity;horizontal

2017-03-21.

國家自然科學(xué)基金項目(61463014；61263030)

徐超(1984-),男(土家族),碩士,主要從事電力系統(tǒng)及其自動化的研究.

1008-8423(2017)02-0212-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.023

TH123.4

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