劉延平，陳 龍，呂 明，邱 明

（河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

潮汐能作為一種可再生資源，蘊藏量大，運行成本低，氣候依賴性小，預(yù)測性強。世界潮汐能蘊藏量約27億kW，可開發(fā)的約占2%，即約5 400萬kW，若轉(zhuǎn)換為電能，年發(fā)電量約1.2萬億kW·h，相當(dāng)于世界總電量的1／10。調(diào)查表明，我國潮汐能蘊藏量為1.1億kW，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)總裝機容量為2 179萬kW，年發(fā)電量624億kW·h。容量在500 kW以上的站點191處，可開發(fā)總裝機容量2 158萬kW。

目前，潮汐能開發(fā)的趨勢偏向于大型化，如俄羅斯計劃的美晉潮汐電站設(shè)計發(fā)電能力為1 500萬kW·h，英國塞泣電站為720萬kW·h，加拿大芬地灣電站為380萬kW·h。預(yù)計到2030年，世界潮汐電站的年發(fā)電總量將達(dá)600億kW·h。目前，我國在運行的潮汐電站有8座，分別為江廈潮汐電站、海山潮汐電站、沙山潮汐電站、岳浦潮汐電站、山東白沙口潮汐電站、江蘇瀏河潮汐電站、福建幸福舉潮汐電站和廣西果子灣潮汐電站，總裝機容量為6 000 kW，年發(fā)電量1 000萬余kW·h。歐美國家紛紛出臺法案大力發(fā)展潮汐能的同時，國家發(fā)改委《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》在重點發(fā)展領(lǐng)域中也提出了積極推進(jìn)海洋能的開發(fā)利用，制定了到2020年建成潮汐電站裝機容量10萬kW的目標(biāo)，潮汐能發(fā)電技術(shù)前景非常廣闊。

目前成熟的潮汐能發(fā)電形式為水庫式，即在海灣或海潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣或河口與外海隔開圍成水庫，并安裝機組進(jìn)行發(fā)電。這種潮汐能發(fā)電方式存在諸多缺陷：建立發(fā)電廠時的建壩等工程需要巨大投資，泥沙沖淤問題難以解決，攔潮壩對水庫區(qū)生態(tài)影響，海岸侵蝕。

針對水庫式潮汐能發(fā)電技術(shù)的諸多缺陷，近年歐美國家興起了無庫式潮汐能發(fā)電技術(shù)。這一技術(shù)在歐美國家一興起就受到了各國的大力支持，并獲得了一定程度的發(fā)展，先后設(shè)計開發(fā)了海流（seaflow）、托卡多（tocardo）等一系列潮汐能試驗樣機［1-3］，并構(gòu)建了多處樣機試驗場。無庫式潮汐電站無需在入?？诮▔?，而是直接在近海淺水區(qū)安裝潮汐能機組進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)展概念省去了傳統(tǒng)潮汐電站土建項目的巨額投資，降低了對氣候的依賴，不占用河道，極大地減小了對生態(tài)的不利影響。該項目的成功應(yīng)用將極大地降低潮汐能發(fā)電的介入門檻［4-6］。

1 無庫式發(fā)電設(shè)備的進(jìn)展

無庫式潮汐能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電原理突破常規(guī)發(fā)電的概念，借鑒風(fēng)能發(fā)電原理，同時考慮海流和風(fēng)的密度等條件的不同設(shè)計開發(fā)而成，因而此類水輪機結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)有庫式機組的結(jié)構(gòu)形式大不相同。根據(jù)機組結(jié)構(gòu)形式不同，目前的潮汐能發(fā)電機組總體可分為2類：水平軸風(fēng)車式發(fā)電機組（圖1a～圖1c）和貫流式發(fā)電機組（圖1d及圖1e）。

1.1 海底風(fēng)車式機組

圖1a為“海流（seaflow）”風(fēng)車式發(fā)電機組?！昂Ａ鳌笔菬o庫式潮汐能設(shè)備發(fā)展的標(biāo)志性工程，項目初期投資600萬歐元。由MCT公司聯(lián)合Banklnvest，EDF-energy等5家公司共同開發(fā)。2003年5月于英國西海岸布里斯托爾海面下20 m深處安裝并試驗成功，首批裝機容量為300 kW／臺。最近又安裝了1 200 kW／臺的機組，在流速為2～3 m／s的海水中工作。該機組形狀宛如一個風(fēng)車，由潮水提供動能沖擊葉片發(fā)電。

圖1 已完成的無庫式潮汐能發(fā)電機樣機［7］

為便于轉(zhuǎn)子出水維護(hù)，“海流”安裝時在海底鉆孔打樁，建造具有提升機構(gòu)的豎塔以適應(yīng)不同深度的海流流速并便于出水維修；為適應(yīng)海水漲落的變化，豎塔有5～10 m露在海面上。每個豎塔兩側(cè)各有一個轉(zhuǎn)子，以節(jié)約成本提高潮汐能利用率。與一般的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機不同，“海流”的每個轉(zhuǎn)子上有2個葉片，葉片通過變槳軸承與轉(zhuǎn)子連接，通過伺服系統(tǒng)實現(xiàn)槳距控制，槳距角在電動機驅(qū)動下隨海流變化，避免過載破壞。由于海水流體密度大且裝置安裝于淺海區(qū)，葉片直徑僅16 m，以15 r／min速度隨海水流動旋轉(zhuǎn)，葉片朝向可以180°轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)漲、退潮雙向發(fā)電的需要。同時機組裝有機械剎車系統(tǒng)以便緊急剎車。機組變速箱和發(fā)電機構(gòu)成一個整體單元，浸沒在海水中，因此不需要額外的冷卻系統(tǒng)，降低了故障率。

圖1b是由挪威Hammerfest Strom與Statoil，Rolls-Royce，ABB 4家公司共同設(shè)計開發(fā)的水平軸風(fēng)車式發(fā)電機（Tideverk）。Tideverk的結(jié)構(gòu)形式與水平軸式風(fēng)力發(fā)電機相同，機組每個轉(zhuǎn)子裝有3個葉片，直徑15 m，全反槳距控制，可實現(xiàn)漲、退潮發(fā)電。Tideverk在海底的受力形式也與水平軸式風(fēng)力發(fā)電機相同，其受力結(jié)構(gòu)如圖2所示［8］。Tideverk在海底的固定方案與“海流”不同，該機組由三角架支承于海底。首批試驗樣機已于2007年在挪威Hammerfest附近的Kvalsundet海域安裝，單機裝機容量為300 kW，為異步發(fā)電機。

圖2 Tideverk在海底的受力形式

圖1c是荷蘭托卡多公司與Teamwork Technology BV聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的水平軸風(fēng)車式潮汐能發(fā)電設(shè)備，命名為Aqua Offshore，于2005年在DenOever下水試驗。目前試驗的樣機槳葉固定，不含變槳距系統(tǒng)。Aqua Offshore機組有河、海兩種類型。河道用機組機架懸浮，葉片直徑2～3.5 m，額定功率30～100 kW；近海用機組在重力作用下用錨固定，葉片直徑10～15 m，額定功率400～1 500 kW。該機組可雙向發(fā)電，為直驅(qū)恒磁場發(fā)電機，適用于中深水域，發(fā)電電壓較高。

1.2 貫流式機組

在全球都在尋求新能源的背景下，美國海軍研究中心支持佛羅里達(dá)水電公司于1995年開始設(shè)計了一種中心開放式無庫容潮汐能發(fā)電機組，如圖1d所示，并于2005年完成了樣機制作。樣機直徑6 m，單機容量120 kW，目前在歐洲Orkney潮汐能技術(shù)中心試驗。該機組顯著特點是中心開放而無軸及槳葉、采用滑動輪帆型轉(zhuǎn)子，水流貫穿通過有一定斜度的帆葉，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其轉(zhuǎn)子如圖3所示［7，9］。發(fā)電機和轉(zhuǎn)子軸承設(shè)計為整體結(jié)構(gòu)，適于高效直流環(huán)繞發(fā)電機。該機組適于中深水域，發(fā)電電壓為中等電壓。

圖3 Open Centre發(fā)電機轉(zhuǎn)子

英國Lunar Energy公司聯(lián)合E.ON公司于2007年設(shè)計開發(fā)了一種新型水平軸雙向發(fā)電潮汐能透平機（Rotech），見圖1e，Rotech已在Glasgow大學(xué)試驗成功。Rotech機組外殼為一喇叭口狀管道，直徑15 m，長19.2 m，以捕獲更多的潮水并提高水流速度。機組設(shè)有偏航系統(tǒng)，調(diào)整機組方向，使海流垂直沖擊葉片，提高水輪機效率。機組高度模塊化，可單獨吊起檢修和維護(hù)，如圖4所示［10］。該機組固定時靠配重的重力作用置于海底，水輪機直徑11.5 m，單機容量1 MW，適于水深40 m的深水水域，發(fā)電電壓為中低電壓。

圖4 Rotech潮汐能機組吊裝圖

2 軸承的應(yīng)用

無庫式潮汐能發(fā)電機組一般安裝于20～40 m的海底，適應(yīng)的海水流速約2～3 m／s，機組用軸承的工作環(huán)境溫度較低，轉(zhuǎn)速約15 r／min，大部分都會受到軸向、徑向、傾覆力矩的聯(lián)合作用，受力狀況復(fù)雜。

2.1 海底風(fēng)車式機組

“海流”在運行過程中由水流驅(qū)動槳葉，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，增速箱增速并最終驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。連接槳葉片與輪轂的變槳軸承為轉(zhuǎn)盤軸承。沒有潮水沖擊力時，變槳軸承受到槳葉片的重力與海水浮力的合力作用；當(dāng)海水沖擊葉片時，槳葉片將承受附加水平力以及由沖擊力引發(fā)的附加力矩作用；當(dāng)海水的沖擊力足以驅(qū)動“海流”運轉(zhuǎn)后，變槳軸承本身繞著風(fēng)車的軸線旋轉(zhuǎn)，則徑向力按正弦規(guī)律周期性變化。除以上正常受力外，海水沖擊力的波動、漲退潮變化等因素都將加劇變槳軸承受力復(fù)雜程度［8，11］。

圖5 “海流”結(jié)構(gòu)簡圖

“海流”的增速箱由德國Jahnel-Kestermann設(shè)計制造。箱體緊湊，由一級行星齒輪和兩級螺旋齒輪和一個空心主軸組成，電纜通過滑環(huán)單元穿過空心軸與輪轂相連，實現(xiàn)測量和槳距控制。負(fù)載最大的第1級齒輪副的載荷由不少于8個小行星輪共同承擔(dān)，用活動銷釘組裝，保證各行星輪的載荷的均衡。負(fù)載較小的第2級齒輪的載荷由5個小行星輪承載。轉(zhuǎn)子軸承除需要承受較大的徑向力以外，還需要承受葉片傳遞的軸向力，因而多采用能同時承受軸向載荷與徑向載荷的圓錐滾子軸承。已制造的樣機就采用雙列圓錐滾子軸承。

2.2 貫流式機組

中心開放式的貫流機組不采用滾動軸承，而是采用滑動軸承。但水平軸式貫流機組中間存在主軸，所以采用滾動軸承作為支承。Rotech內(nèi)部軸承布置尚未見報道。依據(jù)Rotech的樣機結(jié)構(gòu)，其主軸軸承的應(yīng)用情況可借鑒貫流式水輪機軸承的應(yīng)用［12-15］。

貫流式水輪機軸承通常采用三支點單懸臂結(jié)構(gòu)、雙支點單懸臂結(jié)構(gòu)和雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)。三支點單懸臂結(jié)構(gòu)（圖6）轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機導(dǎo)軸承與推力軸承之間，水輪機軸承位于轉(zhuǎn)輪上游側(cè)。三支點單懸臂結(jié)構(gòu)可承受較大載荷，有利于提高軸系的剛度，主軸受力狀態(tài)好，但此種結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整困難。雙支點單懸臂結(jié)構(gòu)（圖7）將發(fā)電機推力軸承與發(fā)電機導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機組合軸承，發(fā)電機轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機組合軸承與水輪機導(dǎo)軸承之間，水輪機轉(zhuǎn)輪位于水輪機導(dǎo)軸承下游側(cè)，適用于中等容量機組，在工地調(diào)整軸系較方便，因而降低了機組成本。雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)（圖8）將發(fā)電機推力軸承與發(fā)電機導(dǎo)軸承合并為發(fā)電機組合軸承，位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子下游側(cè)，水輪機轉(zhuǎn)輪位于水輪機導(dǎo)軸承下游側(cè)，雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)縮短主軸長度使機組結(jié)構(gòu)緊湊，便于軸承的維護(hù)和檢修，是目前已廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。

圖6 三支點單懸臂結(jié)構(gòu)

圖7 雙支點單懸臂結(jié)構(gòu)

圖8 雙支點雙懸臂結(jié)構(gòu)

貫流水輪機轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量大部分集中于輪緣處，從力矩平衡條件看，作用在輪緣處的不均衡力將數(shù)倍放大后作用于軸承上。另外，懸臂結(jié)構(gòu)中均采用了成對安裝的大型推力軸承，并且軸承的軸線與水平面平行，受力側(cè)滾動體在滾道自定心作用的影響下保持在正常的工作位置，而非受力側(cè)滾動體下沉，造成滾道偏磨，這種不對稱的磨損將加大配對推力軸承的間隙。運行過程中受頻繁的正、反向水沖擊力也使軸向間隙有增大的趨勢。

3 結(jié)束語

新能源運動下，國外潮汐能發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，并且投資和研發(fā)力量都有增加的趨勢，而我國的潮汐能利用技術(shù)仍然局限在庫容式的潮汐能發(fā)電設(shè)備上。綜合國外的文獻(xiàn)與研究報告，總結(jié)了目前已經(jīng)具備樣機的無庫式潮汐能發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，探討了這些新型設(shè)備上所用軸承的工況條件。