林 茂，劉 雄，陳 春，林 飛，李 雷

(1. 華電福新能源股份有限公司古田溪水力發(fā)電廠，福建寧德 352200；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

古田溪水力發(fā)電廠三級(jí)電站1#機(jī)組，由中國(guó)天津ALSTOM水電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造。發(fā)電機(jī)采用空冷單路徑向自循環(huán)通風(fēng)方式，見圖1。目前機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)雖能夠帶走定轉(zhuǎn)子損耗的熱量，但是單路徑向自循環(huán)通風(fēng)方式使下導(dǎo)軸承處存在“死風(fēng)區(qū)”，即此處的空氣不參與通風(fēng)循環(huán)。1#機(jī)組下導(dǎo)軸承處環(huán)境溫度較高，也會(huì)使下導(dǎo)軸承油溫升高，油霧增多溢出，影響機(jī)組絕緣系統(tǒng)的運(yùn)行安全。本文的目的是分析下導(dǎo)軸承處環(huán)境溫度高的原因并通過(guò)計(jì)算研究[1]制定有效的解決方案。

圖1 原機(jī)組結(jié)構(gòu)及通風(fēng)路徑

1 原因分析與計(jì)算論證

1.1 影響下導(dǎo)軸承處溫度的因素

經(jīng)過(guò)對(duì)1#機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)考察，并對(duì)機(jī)組原結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析，認(rèn)為造成下導(dǎo)軸承處環(huán)境溫度過(guò)高的原因主要有兩個(gè)。

1.1.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)下導(dǎo)軸承環(huán)境溫度高的影響

本機(jī)組原通風(fēng)形式采用單路徑向自循環(huán)，轉(zhuǎn)子支架上方設(shè)進(jìn)風(fēng)口，轉(zhuǎn)子支架下圓盤無(wú)通風(fēng)孔。轉(zhuǎn)子支架與磁軛通過(guò)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生循環(huán)冷卻空氣的壓頭，實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)冷卻。循環(huán)風(fēng)路為轉(zhuǎn)子支架上圓盤進(jìn)風(fēng)口—磁軛通風(fēng)溝—磁極極間—?dú)庀丁ㄗ予F心、線圈—空氣冷卻器—定子線圈上端部—轉(zhuǎn)子支架上圓盤進(jìn)風(fēng)口[2]。循環(huán)空氣經(jīng)空氣冷卻器熱交換，將熱量帶走。

由于通風(fēng)路徑為單面通風(fēng)，導(dǎo)致下導(dǎo)軸承周圍的空氣不參與通風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)，即形成一個(gè)“死風(fēng)區(qū)”，此處的空氣不參與循環(huán)導(dǎo)致溫度升高。因此通風(fēng)系統(tǒng)的形式是導(dǎo)致下導(dǎo)軸承周圍環(huán)境溫度高的直接原因。

1.1.2 固定擋風(fēng)板的間隙漏風(fēng)對(duì)下導(dǎo)軸承環(huán)境溫度高的影響

本機(jī)組在轉(zhuǎn)子磁軛下方設(shè)整圈的“L”型固定擋風(fēng)板，擋風(fēng)板與磁軛壓板的間隙為15 mm。由轉(zhuǎn)子磁軛通風(fēng)隙、磁極之間甩出的熱風(fēng)和下端定子線圈周圍的熱風(fēng)在此區(qū)域形成高壓，熱風(fēng)會(huì)通過(guò)擋風(fēng)板與磁軛的間隙進(jìn)入下導(dǎo)軸承處的“死風(fēng)區(qū)”，熱量的累積使此處的溫度升高，因此，擋風(fēng)板泄漏的熱風(fēng)是下導(dǎo)軸承環(huán)境溫度過(guò)高的另一原因。

1.2 下導(dǎo)軸承環(huán)境溫度高的解決方案

根據(jù)目前機(jī)組存在的問(wèn)題，從改善通風(fēng)路徑和直接冷卻下導(dǎo)周圍空氣的途徑出發(fā)，本研究提出三種解決方案[3-4]，具體如下：

方案1改造轉(zhuǎn)子支架，在支架下圓盤開通風(fēng)孔，將單路通風(fēng)改為雙路通風(fēng)；

方案2在整圈的“L”型固定擋風(fēng)板上開設(shè)通風(fēng)孔進(jìn)行壓風(fēng)，消除“死風(fēng)區(qū)”；

方案3在“死風(fēng)區(qū)”內(nèi)增設(shè)壓力源和空氣冷卻器，直接冷卻下導(dǎo)軸承區(qū)域空氣。

1.2.1 改造方案1的分析計(jì)算

為消除“死風(fēng)區(qū)”，將原單路通風(fēng)改為雙路通風(fēng)，需在轉(zhuǎn)子支架下圓盤上開孔，形成與上圓盤對(duì)稱的風(fēng)路結(jié)構(gòu)。這樣不僅能使定轉(zhuǎn)子上下端均勻通風(fēng)，更主要的是強(qiáng)迫“死風(fēng)區(qū)”內(nèi)的空氣進(jìn)入通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)，使此區(qū)域內(nèi)的熱量通過(guò)空氣冷卻器的熱交換帶走。

按照不改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)子支架的主要結(jié)構(gòu)尺寸，只在轉(zhuǎn)子支架的下圓盤上增開進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足通風(fēng)冷卻的要求。

由于轉(zhuǎn)子支架是支撐磁軛、磁極的核心部件，須對(duì)開孔后的支架進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，復(fù)核是否滿足機(jī)組的安全運(yùn)行要求。

轉(zhuǎn)子支架的剛強(qiáng)度分析采用有限元軟件Ansys。轉(zhuǎn)子支架的剛強(qiáng)度模型依據(jù)機(jī)組原設(shè)計(jì)圖紙的尺寸，磁極的質(zhì)量等效為質(zhì)量單元施加在磁軛的外部。計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 轉(zhuǎn)子支架額定工況綜合應(yīng)力分布

圖3 轉(zhuǎn)子支架飛逸工況綜合應(yīng)力分布

轉(zhuǎn)子支架在額定和飛逸工況下的徑向變形及最大綜合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1(外徑方向?yàn)檎?，?nèi)徑方向?yàn)樨?fù)值)。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總

轉(zhuǎn)子支架主要材料為Q345，材料屈服極限為325 MPa。

通過(guò)剛強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果得知，在目前轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)尺寸下增加下方的進(jìn)風(fēng)口，額定工況及飛逸工況時(shí)轉(zhuǎn)子支架的剛強(qiáng)度均不能滿足機(jī)組的安全運(yùn)行要求，因此在原轉(zhuǎn)子支架下方圓盤上開孔的方案不可行。

1.2.2 改造方案2的分析計(jì)算

下機(jī)架處“死風(fēng)區(qū)”的熱空氣主要來(lái)源于“L”型固定擋風(fēng)板間隙的漏風(fēng)。方案2在固定擋風(fēng)板上開孔，通過(guò)管道與新設(shè)計(jì)的冷卻器連接，冷卻器再與軸流風(fēng)機(jī)連接，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行加壓，可以使磁極及氣隙處的漏風(fēng)得到抑制。另外，由軸流風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)經(jīng)冷卻器冷卻后，再進(jìn)入固定擋風(fēng)板形成的空間，與熱風(fēng)相混合，也會(huì)使流至下機(jī)架處的風(fēng)溫降低。這個(gè)方案需將定子層的基礎(chǔ)上風(fēng)道打開，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)風(fēng)。

方案2需設(shè)置4個(gè)空冷器和4個(gè)風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)的壓力約為600 Pa，流量約為2 340 m3/h。冷卻器和軸流風(fēng)機(jī)的布置見圖4。

圖4 固定擋風(fēng)板處增設(shè)冷卻器方案

通過(guò)通風(fēng)計(jì)算得出，總風(fēng)量為12.85 m3/s，基本滿足電機(jī)的冷卻需要。設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)達(dá)到了抑制轉(zhuǎn)子磁極極間及定轉(zhuǎn)子氣隙處的漏風(fēng)作用。

如果將原“L”型固定擋風(fēng)板的間隙由15 mm改為10 mm，經(jīng)分析計(jì)算，下端的漏風(fēng)量將減少約15%，即熱風(fēng)泄漏量減少，使得熱風(fēng)更少的流入下風(fēng)道，利于溫度的改善。此方案需在原下端擋風(fēng)板上攻鉆把合孔，在磁軛的下方增加絕緣擋風(fēng)板，但需將此處的擋風(fēng)板固定牢固。此種方案內(nèi)部的風(fēng)路循環(huán)風(fēng)阻比較大，雖然滿足冷卻的要求，但是損耗大，而且冷風(fēng)沒有完全經(jīng)過(guò)下導(dǎo)軸承外表面，效率低。另外此方案的施工過(guò)程比較繁瑣，不宜于操作，有安全隱患，因此不建議采用此方案。

1.2.3 改造方案3的分析計(jì)算

為了使下機(jī)架處“死風(fēng)區(qū)”內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)來(lái)，在下風(fēng)道安裝軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)分壓風(fēng)和吸風(fēng)兩種。將冷卻器布置在下機(jī)架基礎(chǔ)的風(fēng)道口處，促使下風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)來(lái)的同時(shí)被冷卻，見圖5、圖6。壓風(fēng)的風(fēng)機(jī)和冷卻器設(shè)置2組，吸風(fēng)的風(fēng)機(jī)和冷卻器也設(shè)置2組，風(fēng)機(jī)型號(hào)為XPZF-5S1(2 900 r/min)，風(fēng)機(jī)特性見表2。

圖5 增加風(fēng)機(jī)和冷卻器方案平面圖

圖6 增加風(fēng)機(jī)和冷卻器方案剖面圖

機(jī)號(hào)NO.轉(zhuǎn)速/(r·min-1)工況風(fēng)量/(m3·h-1)全壓/Pa功率/kW噪聲/dB質(zhì)量/kg5S12 900110 29041028 97061037 97070045 82085052 9101 0503.188107

由于電站的基礎(chǔ)在定子層至下機(jī)架層圓周共有12個(gè)風(fēng)道，可將風(fēng)機(jī)安裝在定子層風(fēng)道的蓋板上。

根據(jù)此方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立計(jì)算網(wǎng)絡(luò)[5-7]，通風(fēng)計(jì)算結(jié)果，總風(fēng)量為12.87 m3/s，滿足電機(jī)的冷卻需要。此方案使得下風(fēng)道內(nèi)的空氣形成獨(dú)立的循環(huán)風(fēng)路，同時(shí)冷風(fēng)經(jīng)過(guò)下導(dǎo)軸承表面，可有效降低這一區(qū)域的溫度。

根據(jù)通風(fēng)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)需增設(shè)的空氣冷卻器的性能進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算[8]。按照目前的現(xiàn)有空間尺寸布置了4個(gè)冷卻器，其最大尺寸600 mm×450 mm×280 mm。冷卻器的參數(shù)如下：

每臺(tái)冷卻器風(fēng)量 2.34 m3/s

需排出的損耗 25 kW

水管內(nèi)徑 18 mm

水管外徑 20 mm

水路數(shù) 3

冷卻器進(jìn)水溫度 28 ℃

冷卻器出風(fēng)溫度 35 ℃

單個(gè)冷卻器水量 26.109 m3/h

水壓降 0.86 m H2O

冷卻水溫度升高 0.823 K

通過(guò)冷卻器的溫度降落 9.71 K

傳熱余量 30.13%

同時(shí)也對(duì)采用6臺(tái)冷卻器、3臺(tái)壓風(fēng)、3臺(tái)吸風(fēng)、總損耗50 kW、總風(fēng)量4.88 m3/s的方案進(jìn)行了計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果中看出，由于機(jī)坑尺寸的限制，6臺(tái)冷卻器的尺寸須減小，所以6臺(tái)冷卻器的布置傳熱余量沒有4臺(tái)冷卻器的余量大，冷卻效果有所下降。因此建議按照設(shè)4臺(tái)冷卻器的方案進(jìn)行布置[9]。

冷卻系統(tǒng)布置及參數(shù)：冷卻器采用串聯(lián)方式，冷卻水量約26.109 m3/h，供水管徑DN80。

此方案可保持原機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的獨(dú)立性，原結(jié)構(gòu)無(wú)變動(dòng)，增加的設(shè)備自成系統(tǒng)并具有改善原通風(fēng)系統(tǒng)的作用[10]。與方案2相比此方案效率更高，實(shí)施更宜操作。

2 結(jié)論

本研究分析了古田溪水力發(fā)電廠三級(jí)電站1#機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及下導(dǎo)處溫度高的主要原因，通過(guò)對(duì)3種改造方案的論證，最終推薦有效、實(shí)施性強(qiáng)的方案3作為實(shí)施改造方案。改造后下導(dǎo)軸承處的環(huán)境溫度約為40 ℃，與目前的溫度值相比大約降低10 ℃左右。

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