洋流发电机组设计介绍

杨 飞，成 斌，王海洋

(上海电气风电设备有限公司，上海 200241)



洋流发电机组设计介绍

杨 飞，成 斌，王海洋

(上海电气风电设备有限公司，上海 200241)

介绍洋流发电机组的整体结构形式，以及叶片、机舱、主轴密封系统、齿轮箱、发电机、刹车等各主要部件的设计特点。通过对洋流发电机组运行工况的分析，提出了洋流发电机组各主要部件在设计中应考虑的因素，提高洋流发电机组各主要部件的可靠性和减少维护工作量的措施，为其他洋流发电机组的设计提供了参考。

洋流；洋流发电机组；可靠性

0 概述

最近几年，洋流发电技术取得了较大的进展，国际上有多家知名企业投入了洋流发电机组的研发(如西门子公司、ALSTOM 公司)，并安装了洋流发电机组的样机。目前，已安装的洋流发电机组容量一般在600 kW～1 MW左右，工作水深一般在25～35 m左右。

洋流发电机组在结构上与风力发电机组有很多相似性，洋流发电机组的设计在一定程度上可以参考风电机组。但是，考虑到洋流发电机组安装在海平面以下，其工作环境更加恶劣，可维护时间更短，维护成本和维护风险更高。因此，洋流发电机组的设计在参考风电机组的基础上，还需要更加关注部件的可靠性，并尽量减少维护的工作量。

1 洋流发电机组的机舱总体结构介绍

洋流发电机组的机舱总体结构如图1所示。主轴前端法兰与叶轮连接，将叶轮的载荷传递到机舱；主轴后端与齿轮箱连接，将扭矩传递到齿轮箱。主轴传递过来的扭矩通过增速齿轮箱传递到联轴器，联轴器与发电机输入轴连接，带动发电机转动。

刹车安装在齿轮箱的高速轴区域，用于驱动链的制动。机舱密封系统安装在主轴和机舱之间，防止海水进入机舱。

图1 机舱总体结构

2 洋流发电机组主要部件介绍

洋流发电机组的部件设计需要充分考虑其特殊的运行工况要求。下面主要介绍洋流发电机组主要部件的特点及设计选型时应考虑的因素。

2.1 叶片

洋流发电机组的叶片结构与风力发电机组类似，基于材料、成本及结构强度等因素的综合考虑，其结构一般采用内部中空的形式。但是，如果直接采用风电机组的叶片结构，叶片壁内外表面会由于海水压力形成巨大的压力差，会极大的缩短叶片的使用寿命，甚至会因过大的压力差直接导致叶片失效。因此，在类似风电机组叶片中空结构的基础上，需要在叶片压力面及抗剪切腹板上设置通孔，通孔的布置如图2所示。通过设置该通孔，整个叶片内部腔体全部对外开放。当洋流发电机组工作时，海水通过通孔充满整个叶片内腔，可以减小叶片壁承受的海水静压力差和洋流发电机组的不平衡力矩。

图2 叶片截面

2.2 机舱

洋流发电机组的前机舱是圆锥形的铸造件，用于安装轴承、主轴、齿轮箱等传动部件。后机舱是圆筒形结构的焊接件，用于安装发电机和冷却系统等部件。

洋流发电机组的机舱浸泡在海水里，按照ISO 12944标准，其腐蚀环境的等级划分属于Im2(海水浸泡)，可按浪溅及水下区域的防腐标准，对机舱进行表面防腐处理。另外，在机舱的表面还可以安装一些锌块，采用牺牲阳极保护阴极的方法，减少机舱表面的腐蚀，延长防腐保护涂层的寿命。

2.3 主轴密封系统

相对于风力发电机组，洋流发电机组多了一套主轴密封系统。主轴密封系统是安装在机舱和主轴之间的动密封，其主要作用是防止海水从主轴和机舱的间隙中进入机舱。考虑到维护成本的因素，主轴密封系统的密封圈要求至少达到5年的使用寿命，因此密封圈一般使用耐久性比较好的氢化丁腈橡胶(HNBR)材料。

机舱密封系统一旦发生严重泄漏，会对整个机组产生极大的破坏。因此，需要在机舱内安装一个漏水收集箱，收集泄漏的海水。漏水收集箱内配备有液位传感器，并与排水泵相连。如果海水的泄漏量超过设定值，传感器将发出报警信号给控制系统，由控制系统控制排水泵将海水抽出漏水收集箱。

2.4 齿轮箱

洋流发电机组的维护周期一般是5年，而风力发电机组的齿轮箱润滑油更换周期一般是3年，滤芯的更换周期一般是1年。为了延长洋流发电机组齿轮箱的维护周期，洋流发电机组的齿轮箱在参考风力发电机组的齿轮箱设计的基础上，需要进行一些设计修改。

为了将齿轮箱润滑油的更换周期延长，可采取以下措施：

1) 适当增加齿轮箱的润滑油容量

风电机组的润滑油量，一般可按相关经验公式进行计算：

Q=0.15P+20

(1)

润滑油的使用寿命与润滑油的循环使用次数相关，增加齿轮箱的润滑油量，可减少润滑油的循环使用次数，提高润滑油的使用寿命。综合考虑齿轮箱的容积，以及润滑油厂家的推荐，洋流发电机组的齿轮箱润滑油量需要适当增加，可按下面的公式计算：

Q=0.2P+20

(2)

式中：Q为齿轮箱润滑油量，L；P为齿轮箱的额定输入功率，kW。

2) 控制齿轮箱润滑油的温度

按照风电齿轮箱厂家的推荐，齿轮箱油池中的润滑油温度一般要求控制在75 ℃以内。考虑到油温对润滑油的老化有很大的影响，洋流发电机组的润滑油允许温度可适当降低到70 ℃。如果运行过程中，油温达到70 ℃，可控制机组降功率运行。

考虑到风电机组的齿轮箱每年都需要定期维护，齿轮箱一般选用容量较小的的油过滤器滤芯。对于洋流发电机组，需要容量更大的滤芯，才能满足5年的更换周期要求。一般可以采用多个过滤器并联的方法，达到需要的过滤器容量。

2.5 发电机

风力发电机组大多采用双馈异步发电机，双馈异步发电机的集电环是易损件，每年需要定期检查维护。因此，洋流发电机组推荐使用鼠笼式电机，这样既免除了每年的集电环维护工作，也提高了发电机的可靠性。

洋流发电机组的叶轮直径，一般是相同功率等级的风力发电机组的一半。因此，洋流发电机组的转动惯量相对风电机组小很多，机组在运行过程中更容易发生超速现象。一般的风力发电机组，其最大转速为额定转速的1.2倍左右。根据载荷模拟计算，洋流发电机组的最大转速可达到其额定转速的2.5倍左右。因此，洋流发电机的设计，需要校核其在2.5倍额定转速下运行时的结构强度和振动是否满足要求。

另外，发电机的轴承润滑系统油脂需要满足5年的使用量，需要选用大容量的润滑脂储存罐。

2.6 刹车

风力发电机组一般采用成本比较低的液压刹车。考虑到液压油泄漏的风险，洋流发电机组推荐采用电驱动刹车。

3 结语

本文主要介绍洋流发电机组主要部件的特点，并通过与风力发电机组的对比，介绍了主要部件设计选型时应考虑的因素。另外，还介绍了从设计上提高洋流发电机组可靠性、减少维护工作量的措施。