世界首台立轴大型灯泡式水电机组的开发应用

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 胡滨

水力发电设备通常分为4种类型：（1）水斗式（即冲击式、贝尔登式）：主要用于高水头（1000米左右）机组；（2）混流式（即径向轴流式、法兰西式）：主要用于中水头（几百米左右）机组；（3）轴流式（即定桨式、转桨式）：主要用于低水头（几十米左右）机组；（4）贯流式：主要用于超低水头（10米左右）机组。

当今世界水力资源的开发利用率很不均衡：有的很高，如欧盟各国，大容量、高水头水电站站址几乎都被利用；而发展中国家、特别是中国，潜力很大。然而，用于超低水头（10m 左右）电站的贯流式机组，却倍受青睐，因为它除了用于量大面广的中小型江河流域外，还可用于辽阔的海洋潮汐发电站。传统的贯流式机组都采用卧轴式，然而近年来又创新开发了一种新型立轴的贯流式机组。

1 卧轴的贯流式机组

1.1 灯泡形贯流式

灯泡式机组属于轴流式水电机组的一个分枝，是一种新型机蛆，它比传统的轴流定桨或转桨式机组重量减轻了20%～30%，它的转动部分旋转轴线几乎与水流平行而不像转桨式那样垂直。水流经过尾水管肘管时要转90。以上的拐弯，对于上下游水位相差不大的低水头电站来说.平面尺寸和跨度间隔太大。

1.2 轴伸型贯流式

水轮机置于流道中，发电机则置于陆地上，其间用长轴传动，或通过齿轮增速器使发电机加速。当水头很低，甚至低子5m时, 采用这种又称为竖井式的机组则可通过增遮器来加大容量，而灯泡式机组却只能增大泡体直径来提高功率。

1.3 圆环形全贯流

这种机型水轮机在流道中，而发电机则装在水轮机外围，转子磁极直接装在水轮机转轮叶片外缘，其间采用迷宫密封来防止流道中的水漏到电机内部。这种机型特点：直径较大，可以增大功率，却不必像灯泡式那样加大泡体直径和流道开挖量。

1.4 圆筒形正交形贯流式

这是最新机型。与前述3种机型不同，它们的旋转轴线几乎都与水流流线平行。而该型则是垂直，水轮机转轮呈圆筒形，通常为3～4个叶片，叶片断面类似螺桨的，两面翼型不同，叶片长度方向与轴线平行。但断面翼型沿叶片全长都是一样，便于成型加工、大量生产。这种机型的过水能力比轴流转桨式大1.4倍，机组重量却减少约55%，混凝土用量也少12%，很有前途。

2 立轴的贯流式

近年来，日本开发了一种采用立轴结构布置型式的大容量灯泡式水轮发电机组，其最大功率13.5MW，有效水头15.54m，最大流量100m3/s，现己完成安装、调试、运行。

2.1 为什么采用立式

该电站之所以采用立式，有以下两个方面原因：(1)建站场地条件限制，即河流保护、道路周围条件等很难确保建站面积；(2)原有大坝等建筑物的限制，引水和排水等管道受限制。为了解决这些问题，果断决定采用建站条件方面自由度较大的立轴灯泡式，以便降低土木建筑费用，提高经济性。

2.2 结构特点及优点

在基本结构方面，立式与卧式相同。只有以下几点区别：(1)立式采用具有4个支臂的下机架来支撑水推力、水轮机和发电机自重等负载。(2)立式推力轴承和导轴承布置在发电机转子的下面，属于2轴承伞型结构。(3)立式水轮机转轮是向下拆卸的，因此可控制转轮叶片的接力器装设在发电机转子内部。（4）机组按立轴配置，壳体便可兼作导水通道，从而减少开挖面积。由于厂房占地面积较小，也就不受场地条件的限制。（5）立式机组的拆卸和组装是按部套为单位进行的，便于维护，与卧式相比可缩短大修时间。（6）立轴式机组采用新的通风冷却方式，可以省略鼓风机、空气冷却器、冷水循环泵等辅机装置。

3 科研试验与验证

在大容量领域，灯泡式水电机组采用立轴型式当属世界首次。为了确保机组性能和运行可靠性，事前进行了大量科研试验，从结构设计、刚强度试验和水力实验等方面进行确认。

3.1 水轮机性能

横压式水轮机吸出管形状为圆锥形，而立轴式的吸出管则为肘形，在弯曲部分产生较大水头损失，尤其在全负荷运行区域将使效率降低。为使这种效率降低减到最小，从转轮叶片数目和转轮外径两方面进行优化试验研究，在真机上而不是模型上研究的结果表明，当有效水头为15m和流量为120m3／s时，转轮直径为3.9m、4枚叶片时立式水轮机的效率曲线与转轮直径为3.6m、5枚叶片时卧式的效率曲线几乎重合。在真机试验的基础上，又在4叶片的模型转轮上进行了肘形尾水管的试验，确认了立式具有与卧式同等的性能和特性。

3.2 泡体支撑刚度

承受水推力、水轮机和发电机自重的泡体机架，如果刚度不够就会产生挠度，并在运行中使相邻导叶之间产生干涉，因此对泡体机架支臂数目增加的可能性进行了研究。

(1)支臂数目对水轮机性能的影响，是通过水头损失计算确认的。当支臂数目增加到4个时，证明对水轮机性能没有影响。(2)泡体刚性解析，是采用有限元法进行的。为了准确地确定挠度，在下述5种工况下进行了泡体变形和应力的解析：停机充水前，停机充水后，全负荷运行时，负荷切断时，短路时。结果表明，当负荷切断时，泡体的挠度最大，此时的挠度对导叶的侧面间隙没有影响已被确认。

此外，为了确认运行时机组的固有振频不与飞逸转速时的旋转频率或短路时的电源频率发生共振，还在泡体模型上进行了刚性解析，对发电机和水轮机的旋转部分联轴模型进行了固有振频解析，结果表明，发生的振动模式与其它频率共振的可能性是没有的，这一点也被确认。

3.3 水力稳定性实验验证

立式机组由上向下垂直取水，运行中必然要产生旋涡，它对正常运行的影响便成为课题。对此，制作了具有一般取水口形状的模型，对取水口的水深与吸入旋涡发生界限之间的关系进行了水力稳定性实验，得到了水深与旋涡发生状况之间的关系曲线，验证了对正常运行不会产生影响的旋涡发生的程度。

4 采用的新技术

(1)省略空气冷却器——历来灯泡式发电机采用空气冷却器冷却方式，该冷却器设置在泡体的头部舱内，并由水泵从外部江河抽取和供给冷却水。电机定转子的热量由风扇等送风装置驱动并在泡体内循环，通过冷却器进行热交换。而立式则采用直接水冷方式，即电机内部热量由转子上、下风扇驱动在泡体内循环，并通过灯泡外壳上的散热翅片直接散热到周围的江河中，从而省略了空气冷却器、冷却水循环泵甚至鼓风机等辅助设备。

(2)省略油冷却器——传统的轴承冷却方式是由油泵从下部润滑油槽抽上来，通过油冷却器冷却后供给上部润滑油槽，冷油靠自重流向轴承，属于重力供油方式。而立轴式则不同，是在泡体下机架设置有两层壳壁的油室，由推力头旋转的泵油作用使润滑油在轴承油槽和油室之间循环，并通过油室周围的江河水使润滑油冷却，从而省略了油冷却器、油泵、润滑油槽、水泵等辅助设备。

(3)缩短大修时间——卧式灯泡机组的组装、拆卸是通过泡体上部开设的舱门进行的，该舱门尺寸对部件大小有限制，部件尺寸小，数量必然多，装拆对间就长。而立式，则不必从上部开设舱门，部件尺寸可增大，部件数目减少，装拆较快，从而大大缩短检修时间。

4 结论

用于超低水头电站的灯泡形贯流式机组，从传统的卧轴式到立轴的贯流式是一种创新，它扩大了电站选址的范围，还特别适用于老电站的技术改造。