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(fā)利用中，小型整裝燈泡貫流式水輪發(fā)電機組因其結構緊湊、效率高、安裝方便等優(yōu)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(fā)這類機型。1998年天津辰發(fā)電力設備有限公司陸續(xù)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(fā)電機組，投入運行后各項指標都達到了設計要求，為開發(fā)整裝燈泡貫流式水輪發(fā)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(guī)燈泡貫流式水輪機流道，采用常規(guī)的燈泡貫流式轉輪。系列產品根據(jù)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(guī)燈泡貫流轉輪和流道，新型整裝燈泡貫流式水輪發(fā)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(xiàn)場整體吊裝，水工設計更加簡單。

根據(jù)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(huán)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(fā)電。比常規(guī)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(fā)電機與水輪機的現(xiàn)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(lián)式，發(fā)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(jù)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(shù)相同的活動導葉。導葉控制系統(tǒng)由導葉臂、連桿、控制環(huán)等組成。通過控制環(huán)與微機調速器連接可實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)電機

燈泡貫流式水輪發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機運行中20%～25%的發(fā)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(jù)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(jù)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(fā)電機組屬于機電一體化產品，水輪機和發(fā)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(huán)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(tǒng)中小慣量（τa=1.5 s）機組在手電動調速器操作時并網(wǎng)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(wěn)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℃）?？偨Y該型機組的實踐經驗，尤其是通過在現(xiàn)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(shù)下，配合業(yè)主完滿地進行并網(wǎng)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(yōu)勢。隨著水力資源的深入開發(fā)，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(fā)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(jié)省。根據(jù)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(guī)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?shù)男枰?。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(fā)利用，對環(huán)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。