燈泡貫流式水電機(jī)組的演進(jìn)及技術(shù)特征

1、燈泡貫流式水電機(jī)組的演進(jìn)及技術(shù)特征引 言在當(dāng)前的反擊式水輪發(fā)電機(jī)組中， 貫流式水輪發(fā)電機(jī)組較為常見，并且被廣泛應(yīng)用于低水頭大流量水電站。 而在貫流式水輪發(fā)電機(jī)中，有一種將機(jī)組發(fā)電機(jī)組安裝在密封的、外形酷似燈泡的殼體中，將水輪機(jī)安裝于燈泡插口處，這種機(jī)組被稱為燈泡貫流式機(jī)組， 其所適用的水頭范圍較廣， 工作效率高，因而倍受青睞。1 燈泡貫流式水電機(jī)組概述貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，主要在于其引水部件、轉(zhuǎn)輪以及排水部件等， 都需要布置于同一條軸線上， 水流平直通過，是一種適用于開發(fā)利用低水頭、大流量水力資源的良好機(jī)型。 而貫流式機(jī)組又包括了各種不同的機(jī)型，其中以燈泡貫流式機(jī)組最為廣泛使用，具有較強(qiáng)的

2、適應(yīng)性。燈泡貫流式機(jī)組所采用的是水平布置（見圖 1），其水輪機(jī)并沒有蝸殼，土建過程中的開挖量也相對(duì)較小。 而發(fā)電機(jī)裝置則是設(shè)置于燈泡形殼體內(nèi)，安置在水輪機(jī)流道中。 機(jī)組中采用直錐擴(kuò)散形的尾水管，因此流道短且平直、對(duì)稱，具有良好的水流特性，此外還具備轉(zhuǎn)輪效率較高、過流量大、建設(shè)周期短、總體投資省等優(yōu)勢(shì)。 但是該機(jī)組也存在一定的缺點(diǎn)，比如單位電量耗水量大、油系統(tǒng)復(fù)雜、安裝及大修難度大等。2 燈泡貫流式水電機(jī)組的發(fā)展燈泡貫流式機(jī)組出現(xiàn)于 1936 年，因?yàn)榫哂休^高的工作效率，且過流量大、建設(shè)周期短、投資少，所以倍受青睞。 我國的燈泡貫流式機(jī)組起步較晚，但是通過積極引進(jìn)、消化并吸收國外先進(jìn)技術(shù)，尤其是

3、在近十年以來，通過中外合資的方式，為燈泡貫流式機(jī)組的開發(fā)與研究提供了重要支持。在這種情況下，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，國內(nèi)的相關(guān)廠家已經(jīng)在該水電機(jī)組的燈泡機(jī)組設(shè)計(jì)與制造方面， 大大提高了能力和水平。 有些大型燈泡機(jī)組通常由國內(nèi)的廠家來實(shí)行設(shè)計(jì)與制造，其中只有轉(zhuǎn)輪、葉片此類個(gè)別的部件需要通過國外引進(jìn)， 自己生產(chǎn)不僅能夠提高國內(nèi)的燈泡機(jī)組制造水準(zhǔn)與質(zhì)量，還可以減低資金，避免不必要的支出，并縮短建設(shè)工期，因此，這種機(jī)組采購模式非常值得推廣。目前，我國先后投產(chǎn)了一批 30MW 燈泡機(jī)組，此外，湖南的洪江水電站、 青海尼那水電站于 2003 年， 分別投產(chǎn)了45MW 和 40MW 的燈泡機(jī)組， 這都是我國燈

4、泡機(jī)組設(shè)計(jì)制造能力提升至國際水平的標(biāo)志， 具備自行設(shè)計(jì)制造大型燈泡機(jī)組的能力。位于廣西梧州長(zhǎng)洲的水電站，投產(chǎn)安裝了 42MW 燈泡機(jī)組 15 臺(tái)，該水電站的機(jī)組工程建設(shè)，是目前世界上裝機(jī)容量最大的， 所用機(jī)組分別由國內(nèi)的 4 個(gè)廠家聯(lián)合生產(chǎn)。 于2005 年開始建設(shè)投產(chǎn)的廣西橋鞏水電站 ,則設(shè)計(jì)安裝了 8 臺(tái)燈大型泡機(jī)組，這些機(jī)組的單機(jī)容量達(dá)到 57MW,該機(jī)組在單機(jī)容量方面，位列世界第二。近幾年我國大型燈泡機(jī)組建設(shè)工程， 大多采用國際合作生產(chǎn)模式，即機(jī)組轉(zhuǎn)輪、葉片使用國外引進(jìn)，其余部件從國內(nèi)廠家采購。 有的機(jī)組建設(shè)項(xiàng)目受到工期的限制，會(huì)將主軸、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、輪轂等分包至國外廠家，從而保證工程的交

5、貨工期，同時(shí)增加機(jī)組單價(jià)。 而國際合作的生產(chǎn)模式也為國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與研究帶來了便利。3 燈泡貫流式機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)3.1機(jī)組的整體布置在燈泡貫流機(jī)組中， 水輪機(jī)通常與發(fā)電機(jī)使用同一根主軸，以水平的狀態(tài)來布置，其中轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，則采用兩個(gè)支點(diǎn)的雙懸臂結(jié)構(gòu)，然后在一端設(shè)置發(fā)電機(jī)的導(dǎo)軸承。 為了避免轉(zhuǎn)子和主軸連接后， 可能產(chǎn)生的撓度問題， 可實(shí)施以下兩種對(duì)策：根據(jù)實(shí)際測(cè)得的變形量，在導(dǎo)軸的承支架與瓦支架之間加墊，使推力軸承能夠良好接觸；將連接定子和管型座的法蘭面改造為斜面。在該機(jī)組中，起到重要支撐作用的就是管形座，前端的燈泡頭設(shè)置，需要依靠來自水平和垂直方向上的輔助支撐。 由于燈泡體的結(jié)構(gòu)是薄殼，需

6、要嚴(yán)格測(cè)量其應(yīng)力應(yīng)變、模態(tài)和固有頻率， 為保持燈泡體處于靜、 動(dòng)不同狀態(tài)下的穩(wěn)定性提供依據(jù)，從而避免其遭受有害振動(dòng)的影響，帶來安全運(yùn)行隱患。通過對(duì)管形座的不斷研究， 如今的管形座結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大改變，其設(shè)計(jì)由繁到簡(jiǎn)，制作過程所需要的鋼材使用量也減少了，現(xiàn)在的管形座、尾水管的里村中所埋設(shè)的部件，已經(jīng)改為使用錨筋，能夠更好地將埋入部件與混凝土牢固結(jié)合。 此外，為了達(dá)到安裝和檢修要求，還可以在其上游側(cè)，加設(shè)發(fā)電機(jī)豎井，而在下游側(cè)設(shè)水輪機(jī)豎井，中部豎井只需要通過管形座上的立柱，就可以順利抵達(dá)主軸。3.2水輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)3.2.1 轉(zhuǎn)輪葉片加工轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)， 首先需要重視的是需要在外緣側(cè)預(yù)留一定的凸臺(tái)，這么做

7、的作用在于以下方面：降低轉(zhuǎn)輪室的容積損失，以及槳葉和轉(zhuǎn)輪室之間的流量損失；改善轉(zhuǎn)輪葉片的背面空蝕問題；提高葉片端部強(qiáng)度。由于轉(zhuǎn)輪葉片通常都需要密封， 建議采用多層 V 形橡膠密封圈來密封，這樣能夠不拆卸葉片，直接進(jìn)行密封的更換。3.2.2 錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)通常具有較高要求，是燈泡貫流式機(jī)組設(shè)計(jì)制造的重要環(huán)節(jié)，其基本特點(diǎn)是：該環(huán)節(jié)的內(nèi)外導(dǎo)水環(huán)、導(dǎo)葉、控制環(huán)等，所采用的結(jié)構(gòu)件的制作通常便于控制，外觀好看，且工期較短；設(shè)計(jì)導(dǎo)葉密合面時(shí)，其立面通常會(huì)采用剛性密封，并在密合面上加鋪不銹鋼；采用偏心銷對(duì)導(dǎo)葉立面間隙進(jìn)行調(diào)整； 使用方鍵聯(lián)接導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂；通常采用彎曲連桿的方式來保護(hù)導(dǎo)

8、葉；使用數(shù)控立車來對(duì)內(nèi)外導(dǎo)水環(huán)進(jìn)行加工；設(shè)計(jì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)整體吊裝的方式為優(yōu)先。3.2.3 燈泡體的支承結(jié)構(gòu)燈泡體支承的方式和結(jié)構(gòu)往往有多種， 目前大多都采用上下兩瓣的固定導(dǎo)葉支承方式，如圖 2 所示。 該支承方式是利用水推力與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩， 分別由上下方的兩個(gè)固定導(dǎo)葉進(jìn)行支承，運(yùn)用防振支撐與外殼支架作為輔助，從而增加燈泡體的固有頻率。3.2.4 燈泡體結(jié)構(gòu)燈泡體屬于大型柔性結(jié)構(gòu)，由于燈泡體通常設(shè)置于水中，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵在于燈泡體的密封。 可以在燈泡體與外部水體相接觸的法蘭部位，使用雙重填料來密封，以防漏水，這種雙重填密結(jié)構(gòu)，及其適用的位置如圖 34 所示。 另外，還可以在雙重填料間，

9、設(shè)置能夠進(jìn)行漏水檢測(cè)的槽。 需要注意的是，在組合、安裝過程中，需要適當(dāng)施加水壓，以此檢查填料的密封性；如果在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中發(fā)生漏水問題，可以及時(shí)封入特殊填料，確保密封性。3.3燈泡式水輪發(fā)電機(jī)3.3.1 定 子因?yàn)榘l(fā)電機(jī)內(nèi)部不需要設(shè)置火災(zāi)報(bào)警器或自動(dòng)噴水裝置，大大簡(jiǎn)化了其構(gòu)造，所以釘子線圈應(yīng)當(dāng)采用具有阻燃性的材料，例如聚酰胺薄板、加強(qiáng)型玻璃纖維樹脂板、石墨環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂云母薄板等，這些材料的阻燃性、自熄性以及不易燃性都相對(duì)較好。 即使實(shí)在線棒下線時(shí)，如果是使用石墨作為襯槽的話，就可以起到非常好的阻燃效果。3.3.2 主軸與軸承主軸一般由 2 根軸構(gòu)成， 而水輪機(jī)法蘭與發(fā)電機(jī)軸之間的連接，則需

10、要采用專用的工具，是用 3 個(gè)螺栓當(dāng)做聯(lián)合支承點(diǎn)，來安裝連接。 主軸則分別由發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承和水輪機(jī)導(dǎo)軸承來進(jìn)行支承，必要情況下，可以同床加工推力頭和主軸熱套，以確保鏡面和主軸的中心線能夠始終保持垂直。3.3.3 導(dǎo)軸承和正反向推力軸承在一些大型燈泡貫流式機(jī)組中， 軸系的支承方式往往采用的是二導(dǎo)、三導(dǎo)兩種，并且以二導(dǎo)支承雙臂結(jié)構(gòu)較為常見，該支承方式即是由正反向的推力軸承、導(dǎo)軸承共同組成，其特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：導(dǎo)軸承是筒式瓦的結(jié)構(gòu)模式，用扇形板來支撐；正向推力軸承的支撐，則使用的是彈性圓盤，反向推力軸承采用的是整圓瓦剛性支撐，或橡膠墊支撐；推力鏡板運(yùn)用分兩瓣的結(jié)構(gòu)支撐，注意選材時(shí)應(yīng)綜合考慮材料的表面硬

11、度和可焊性；將高壓油的頂起油室進(jìn)行改造，變成矩形的結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)?shù)亟档蛯?duì)油質(zhì)的要求；由于在設(shè)計(jì)中考慮了主軸撓度因素，對(duì)軸承可能產(chǎn)生的影響，因而設(shè)計(jì)得更加易于安裝；充分研究了控制軸承潤(rùn)滑油和高壓油頂起的方法。3.3.4 主軸的密封一般來說，可以將主軸的密封分為檢修密封、工作密封兩個(gè)部分：檢修密封是一種較為常見的空氣圍帶結(jié)構(gòu)，安裝在主軸法蘭的外緣上，由三個(gè)部分組成，即密封殼體、密封支架和檢修密封。 注意檢修密封應(yīng)當(dāng)在中泄水錐之前進(jìn)行安裝；工作密封，由不銹鋼滑環(huán)、滑環(huán)支架、密封環(huán)、密封環(huán)支架以及密封外殼構(gòu)成， 不銹鋼滑環(huán)與密封環(huán)之間， 會(huì)形成止水磨擦面，然后由燈泡頭取水，供其潤(rùn)滑冷卻。4 結(jié) 語燈泡貫流式機(jī)組因?yàn)槠渥陨砭哂械慕Y(jié)構(gòu)緊湊、 占據(jù)空間小等優(yōu)勢(shì)，在近年來的低水頭電站建設(shè)工程中，逐漸取代了傳統(tǒng)的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組， 開始為