■ 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 胡濱

水力發(fā)電設(shè)備通常分為4種類型：（1）水斗式（即沖擊式、貝爾登式）：主要用于高水頭（1000米左右）機(jī)組；（2）混流式（即徑向軸流式、法蘭西式）：主要用于中水頭（幾百米左右）機(jī)組；（3）軸流式（即定槳式、轉(zhuǎn)槳式）：主要用于低水頭（幾十米左右）機(jī)組；（4）貫流式：主要用于超低水頭（10米左右）機(jī)組。

當(dāng)今世界水力資源的開(kāi)發(fā)利用率很不均衡：有的很高，如歐盟各國(guó)，大容量、高水頭水電站站址幾乎都被利用；而發(fā)展中國(guó)家、特別是中國(guó)，潛力很大。然而，用于超低水頭（10m 左右）電站的貫流式機(jī)組，卻倍受青睞，因?yàn)樗擞糜诹看竺鎻V的中小型江河流域外，還可用于遼闊的海洋潮汐發(fā)電站。傳統(tǒng)的貫流式機(jī)組都采用臥軸式，然而近年來(lái)又創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了一種新型立軸的貫流式機(jī)組。

1 臥軸的貫流式機(jī)組

1.1 燈泡形貫流式

燈泡式機(jī)組屬于軸流式水電機(jī)組的一個(gè)分枝，是一種新型機(jī)蛆，它比傳統(tǒng)的軸流定槳或轉(zhuǎn)槳式機(jī)組重量減輕了20%～30%，它的轉(zhuǎn)動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)軸線幾乎與水流平行而不像轉(zhuǎn)槳式那樣垂直。水流經(jīng)過(guò)尾水管肘管時(shí)要轉(zhuǎn)90。以上的拐彎，對(duì)于上下游水位相差不大的低水頭電站來(lái)說(shuō).平面尺寸和跨度間隔太大。

1.2 軸伸型貫流式

水輪機(jī)置于流道中，發(fā)電機(jī)則置于陸地上，其間用長(zhǎng)軸傳動(dòng)，或通過(guò)齒輪增速器使發(fā)電機(jī)加速。當(dāng)水頭很低，甚至低子5m時(shí), 采用這種又稱為豎井式的機(jī)組則可通過(guò)增遮器來(lái)加大容量，而燈泡式機(jī)組卻只能增大泡體直徑來(lái)提高功率。

1.3 圓環(huán)形全貫流

這種機(jī)型水輪機(jī)在流道中，而發(fā)電機(jī)則裝在水輪機(jī)外圍，轉(zhuǎn)子磁極直接裝在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片外緣，其間采用迷宮密封來(lái)防止流道中的水漏到電機(jī)內(nèi)部。這種機(jī)型特點(diǎn)：直徑較大，可以增大功率，卻不必像燈泡式那樣加大泡體直徑和流道開(kāi)挖量。

1.4 圓筒形正交形貫流式

這是最新機(jī)型。與前述3種機(jī)型不同，它們的旋轉(zhuǎn)軸線幾乎都與水流流線平行。而該型則是垂直，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪呈圓筒形，通常為3～4個(gè)葉片，葉片斷面類似螺槳的，兩面翼型不同，葉片長(zhǎng)度方向與軸線平行。但斷面翼型沿葉片全長(zhǎng)都是一樣，便于成型加工、大量生產(chǎn)。這種機(jī)型的過(guò)水能力比軸流轉(zhuǎn)槳式大1.4倍，機(jī)組重量卻減少約55%，混凝土用量也少12%，很有前途。

2 立軸的貫流式

近年來(lái)，日本開(kāi)發(fā)了一種采用立軸結(jié)構(gòu)布置型式的大容量燈泡式水輪發(fā)電機(jī)組，其最大功率13.5MW，有效水頭15.54m，最大流量100m3/s，現(xiàn)己完成安裝、調(diào)試、運(yùn)行。

2.1 為什么采用立式

該電站之所以采用立式，有以下兩個(gè)方面原因：(1)建站場(chǎng)地條件限制，即河流保護(hù)、道路周圍條件等很難確保建站面積；(2)原有大壩等建筑物的限制，引水和排水等管道受限制。為了解決這些問(wèn)題，果斷決定采用建站條件方面自由度較大的立軸燈泡式，以便降低土木建筑費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)性。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

在基本結(jié)構(gòu)方面，立式與臥式相同。只有以下幾點(diǎn)區(qū)別：(1)立式采用具有4個(gè)支臂的下機(jī)架來(lái)支撐水推力、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)自重等負(fù)載。(2)立式推力軸承和導(dǎo)軸承布置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的下面，屬于2軸承傘型結(jié)構(gòu)。(3)立式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是向下拆卸的，因此可控制轉(zhuǎn)輪葉片的接力器裝設(shè)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部。（4）機(jī)組按立軸配置，殼體便可兼作導(dǎo)水通道，從而減少開(kāi)挖面積。由于廠房占地面積較小，也就不受場(chǎng)地條件的限制。（5）立式機(jī)組的拆卸和組裝是按部套為單位進(jìn)行的，便于維護(hù)，與臥式相比可縮短大修時(shí)間。（6）立軸式機(jī)組采用新的通風(fēng)冷卻方式，可以省略鼓風(fēng)機(jī)、空氣冷卻器、冷水循環(huán)泵等輔機(jī)裝置。

3 科研試驗(yàn)與驗(yàn)證

在大容量領(lǐng)域，燈泡式水電機(jī)組采用立軸型式當(dāng)屬世界首次。為了確保機(jī)組性能和運(yùn)行可靠性，事前進(jìn)行了大量科研試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛強(qiáng)度試驗(yàn)和水力實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行確認(rèn)。

3.1 水輪機(jī)性能

橫壓式水輪機(jī)吸出管形狀為圓錐形，而立軸式的吸出管則為肘形，在彎曲部分產(chǎn)生較大水頭損失，尤其在全負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域?qū)⑹剐式档?。為使這種效率降低減到最小，從轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)目和轉(zhuǎn)輪外徑兩方面進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，在真機(jī)上而不是模型上研究的結(jié)果表明，當(dāng)有效水頭為15m和流量為120m3／s時(shí)，轉(zhuǎn)輪直徑為3.9m、4枚葉片時(shí)立式水輪機(jī)的效率曲線與轉(zhuǎn)輪直徑為3.6m、5枚葉片時(shí)臥式的效率曲線幾乎重合。在真機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又在4葉片的模型轉(zhuǎn)輪上進(jìn)行了肘形尾水管的試驗(yàn)，確認(rèn)了立式具有與臥式同等的性能和特性。

3.2 泡體支撐剛度

承受水推力、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)自重的泡體機(jī)架，如果剛度不夠就會(huì)產(chǎn)生撓度，并在運(yùn)行中使相鄰導(dǎo)葉之間產(chǎn)生干涉，因此對(duì)泡體機(jī)架支臂數(shù)目增加的可能性進(jìn)行了研究。

(1)支臂數(shù)目對(duì)水輪機(jī)性能的影響，是通過(guò)水頭損失計(jì)算確認(rèn)的。當(dāng)支臂數(shù)目增加到4個(gè)時(shí)，證明對(duì)水輪機(jī)性能沒(méi)有影響。(2)泡體剛性解析，是采用有限元法進(jìn)行的。為了準(zhǔn)確地確定撓度，在下述5種工況下進(jìn)行了泡體變形和應(yīng)力的解析：停機(jī)充水前，停機(jī)充水后，全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷切斷時(shí)，短路時(shí)。結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)荷切斷時(shí)，泡體的撓度最大，此時(shí)的撓度對(duì)導(dǎo)葉的側(cè)面間隙沒(méi)有影響已被確認(rèn)。

此外，為了確認(rèn)運(yùn)行時(shí)機(jī)組的固有振頻不與飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)的旋轉(zhuǎn)頻率或短路時(shí)的電源頻率發(fā)生共振，還在泡體模型上進(jìn)行了剛性解析，對(duì)發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分聯(lián)軸模型進(jìn)行了固有振頻解析，結(jié)果表明，發(fā)生的振動(dòng)模式與其它頻率共振的可能性是沒(méi)有的，這一點(diǎn)也被確認(rèn)。

3.3 水力穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

立式機(jī)組由上向下垂直取水，運(yùn)行中必然要產(chǎn)生旋渦，它對(duì)正常運(yùn)行的影響便成為課題。對(duì)此，制作了具有一般取水口形狀的模型，對(duì)取水口的水深與吸入旋渦發(fā)生界限之間的關(guān)系進(jìn)行了水力穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，得到了水深與旋渦發(fā)生狀況之間的關(guān)系曲線，驗(yàn)證了對(duì)正常運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響的旋渦發(fā)生的程度。

4 采用的新技術(shù)

(1)省略空氣冷卻器——?dú)v來(lái)燈泡式發(fā)電機(jī)采用空氣冷卻器冷卻方式，該冷卻器設(shè)置在泡體的頭部艙內(nèi)，并由水泵從外部江河抽取和供給冷卻水。電機(jī)定轉(zhuǎn)子的熱量由風(fēng)扇等送風(fēng)裝置驅(qū)動(dòng)并在泡體內(nèi)循環(huán)，通過(guò)冷卻器進(jìn)行熱交換。而立式則采用直接水冷方式，即電機(jī)內(nèi)部熱量由轉(zhuǎn)子上、下風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)在泡體內(nèi)循環(huán)，并通過(guò)燈泡外殼上的散熱翅片直接散熱到周圍的江河中，從而省略了空氣冷卻器、冷卻水循環(huán)泵甚至鼓風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備。

(2)省略油冷卻器——傳統(tǒng)的軸承冷卻方式是由油泵從下部潤(rùn)滑油槽抽上來(lái)，通過(guò)油冷卻器冷卻后供給上部潤(rùn)滑油槽，冷油靠自重流向軸承，屬于重力供油方式。而立軸式則不同，是在泡體下機(jī)架設(shè)置有兩層殼壁的油室，由推力頭旋轉(zhuǎn)的泵油作用使?jié)櫥驮谳S承油槽和油室之間循環(huán)，并通過(guò)油室周圍的江河水使?jié)櫥屠鋮s，從而省略了油冷卻器、油泵、潤(rùn)滑油槽、水泵等輔助設(shè)備。

(3)縮短大修時(shí)間——臥式燈泡機(jī)組的組裝、拆卸是通過(guò)泡體上部開(kāi)設(shè)的艙門進(jìn)行的，該艙門尺寸對(duì)部件大小有限制，部件尺寸小，數(shù)量必然多，裝拆對(duì)間就長(zhǎng)。而立式，則不必從上部開(kāi)設(shè)艙門，部件尺寸可增大，部件數(shù)目減少，裝拆較快，從而大大縮短檢修時(shí)間。

4 結(jié)論

用于超低水頭電站的燈泡形貫流式機(jī)組，從傳統(tǒng)的臥軸式到立軸的貫流式是一種創(chuàng)新，它擴(kuò)大了電站選址的范圍，還特別適用于老電站的技術(shù)改造。