毛爾蓋水電站機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、1關(guān)于毛爾蓋水電站機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)于毛爾蓋水電站機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：摘要：本文論述了毛爾蓋生態(tài)放水電站臥式混流水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，對(duì)較大容量臥式發(fā)電機(jī)組采取的布置方式進(jìn)行了介紹。同時(shí)為減少軸向水推力使推力軸承穩(wěn)定運(yùn)行而采用的水輪機(jī)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。圖 8 幅。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 內(nèi)循環(huán)推力軸承 集電環(huán) 無(wú)接觸密封 一、前言一、前言本文所介紹的電站為四川毛爾蓋水電站的生態(tài)放水電站，是水頭變幅及容量較大的臥式混流水輪發(fā)電機(jī)組，于 2012 年正式并網(wǎng)發(fā)電。因其容量在臥式水輪發(fā)電機(jī)組中相對(duì)較大，而且軸承采用的是內(nèi)循環(huán)方式，因此為保證機(jī)組特別是軸承能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在結(jié)構(gòu)及布置上進(jìn)行了多方面的考

2、慮。本文就此機(jī)組在布置形式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析，為今后設(shè)計(jì)類似的機(jī)組提供有益的經(jīng)驗(yàn)。二、水輪發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)計(jì)參數(shù)二、水輪發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)計(jì)參數(shù)1、水輪機(jī)型號(hào)： HLA685-WJ-92額定功率： 6186 kW額定轉(zhuǎn)速： 750 r/min飛逸轉(zhuǎn)速： 1573 r/min最大水頭； 134.01 m額定水頭； 132.53 m最小水頭； 63.68 m額定流量： 5.2 m3/s額定點(diǎn)水輪機(jī)效率： 91.5 %吸出高度： Hs-0.5 m軸向水推力力： 178232 kN轉(zhuǎn)輪重量（含泄水錐等）：0.83 t2、發(fā)電機(jī)型號(hào)： SFW6000-8/2150額定功率： 6000 kW 額定容量：

3、 7500 kVA 額定電壓： 6300 V額定電流： 687.3 A 額定轉(zhuǎn)速： 750 r/min飛逸轉(zhuǎn)速： 1573 r/min額定功率因數(shù)： 0.8額定頻率： 50 Hz相數(shù)： 3絕緣等級(jí)： F/F定子接線方式： Y旋轉(zhuǎn)方向： 順時(shí)針（從發(fā)電機(jī)端看）額定時(shí)發(fā)電機(jī)效率： 97.7% （計(jì)算值）徑向推力軸承規(guī)格： 320徑向軸承規(guī)格： 360轉(zhuǎn)子重量： 18.8 t飛輪重量： 0.8 t2三、發(fā)電機(jī)布置形式的選擇三、發(fā)電機(jī)布置形式的選擇水輪發(fā)電機(jī)組采用兩支點(diǎn)布置形式，由于機(jī)組容量在臥式機(jī)組中相對(duì)比較大，轉(zhuǎn)子重量比較重，軸向水推力也不小，因此對(duì)軸承的要求比較高，如何布置發(fā)電機(jī)需綜圖 1 發(fā)電

4、機(jī)裝配圖(方案 1)圖 2 主軸(方案 1)3圖 3 發(fā)電機(jī)裝配圖(方案 2)圖 4 主軸(方案 2)合考慮。圖 1 及圖 3 為發(fā)電機(jī)兩種不同布置方式，其中圖 1 為傳統(tǒng)布置形式，圖 3為經(jīng)過核算采用的布置形式，現(xiàn)就兩種不同布置形式進(jìn)行受力及剛度分析，比較兩種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)。4圖 2 及圖 4 上的受力分析進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，將轉(zhuǎn)子重量受力中心近似的認(rèn)為在發(fā)電機(jī)中心線上，并將單邊磁拉力方向與重力方向一致，圖中所計(jì)算的結(jié)果為其合力數(shù)值；近似的認(rèn)為轉(zhuǎn)輪重心在轉(zhuǎn)輪中心線上，轉(zhuǎn)輪中心線方向不僅受到轉(zhuǎn)輪重力作用，還受到因水流不對(duì)稱所引起的徑向力的作用，圖中所計(jì)算的結(jié)果也為其合力數(shù)值。由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可知，定子

5、和轉(zhuǎn)子間的空氣氣隙，其最大值或最小值與其平均值之差應(yīng)不超過平均值的8%。即使是 5%的空氣氣隙不均勻也會(huì)導(dǎo)致很大的電磁不平衡力作用在機(jī)組導(dǎo)軸承上，引起機(jī)組振動(dòng)和導(dǎo)軸承的磨損。因此在此本電站需考慮磁拉力的作用，并按8%最惡劣的情況下進(jìn)行計(jì)算，由此得出磁拉力的估算公式為F=0.3DL, 其中 D 表示轉(zhuǎn)子外徑,L 表示鐵心長(zhǎng)度,由電磁方案得出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑為1608，鐵心長(zhǎng)度為 950，其磁拉力計(jì)算結(jié)果為 45.8kN，故作用在發(fā)電機(jī)中心線上的作用力為 233.8 kN（轉(zhuǎn)子重量為 18.8t）。水流不對(duì)稱所引起的徑向力也需考慮，按有的資料認(rèn)為其估算值為水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的 2%，按此估算值計(jì)算，其徑

6、向力為4.8kN，加上轉(zhuǎn)輪重量，在轉(zhuǎn)輪中心線上的作用力為 13.1kN。至于由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的不平衡重量產(chǎn)生的徑向不平衡力由于難以估算，在此將其省卻。再根據(jù)前面所列出的水輪發(fā)電機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)，可以分別計(jì)算出發(fā)電機(jī)兩種不同布置方式軸承所承受力的大小，圖 2 及圖紙 4 為其詳細(xì)結(jié)果。從中可發(fā)現(xiàn)方案 1 中兩軸承所受的力的大小相差不大，而方案 2 中 320 徑向推力軸承所承受的力（116.2kN）小于 360 徑向軸承所承受的力（138.7kN），由于推力軸承還要承受水推力，因此較低的徑向力有利其穩(wěn)定運(yùn)行，因而方案 2 中兩軸承的受力分布更好些。方案 2 兩軸承中心距離（3700）小于方案 1（3

7、770），對(duì)轉(zhuǎn)子中心撓度更好些。方案 2 由于徑向軸承外形尺寸小于推力軸承，因此轉(zhuǎn)輪中心距離軸承中心更近些（為 1080），轉(zhuǎn)輪處的撓度要比方案 1 小些，但在飛輪處方案 2 撓度要大些。由于對(duì)于軸的彎曲變形進(jìn)行精確計(jì)算比較復(fù)雜，除受力和支承情況外，軸承和機(jī)座的剛度、配合在軸上零件的剛度（這里包括磁軛、轉(zhuǎn)輪、軸套、飛輪等），以及軸上的局部削弱等，對(duì)變形都有影響，因此，在計(jì)算時(shí)，都進(jìn)行了不同程度簡(jiǎn)化?？紤]到方案 2 只有在飛輪處撓度比方案 1 大些，因此只對(duì)方案 2 在飛輪處進(jìn)行剛度核算，看其是否滿足使用要求。由圖中的數(shù)據(jù)，得出方案 2 主軸在飛輪處的撓度為 0.056mm，主軸在推力軸承處軸的

8、偏轉(zhuǎn)角為 0.000058rad。由手冊(cè)可以查到滑動(dòng)軸承處軸的許用偏轉(zhuǎn)角為 0.001 rad，實(shí)際偏轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)小于此值，因此這種布置形式完全滿足軸的剛度要求。從圖 1 及圖 3 比較可以看出，方案 2 的集電環(huán)布置在飛輪后面，并用鋼板封閉，這種方式明顯好于方案 1。首先避免了方案 1 中磨損后的碳粉吸入定轉(zhuǎn)子內(nèi)部，降低線圈的絕緣性能，同時(shí)封閉的箱體下部能夠收集磨損后的碳粉，有利于環(huán)保要求，并有利于集電環(huán)及電刷的防塵。其次如果軸承出現(xiàn)甩油和油霧逸出事故，集電環(huán)遠(yuǎn)離軸承，可以避免油對(duì)集電環(huán)及電刷的污染。由于發(fā)電機(jī)機(jī)座號(hào)比較大，轉(zhuǎn)子直徑相對(duì)也大些，作為兩支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，方案 2 大、小推力盤在尾部使得轉(zhuǎn)子插

9、、抽相比方案 1 更容易些，對(duì)安裝及檢修更方便些。雖然方案 2 發(fā)電機(jī)軸向總的長(zhǎng)度有所增加，但總體效果來(lái)看，采用方案 2 更合理些。兩支點(diǎn)結(jié)構(gòu)軸向長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)整方便，但其軸系臨界轉(zhuǎn)速不如三支結(jié)構(gòu)，而招標(biāo)書中明確要求軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)大于飛逸轉(zhuǎn)速的 125%。因此提高軸系的剛度，對(duì)提高軸系的臨界轉(zhuǎn)速十分重要。經(jīng)電腦程序?qū)嶋H計(jì)算，方案 2 主軸臨界轉(zhuǎn)速為 1990 r/min，是其飛逸轉(zhuǎn)速的 1.265 倍，滿足招標(biāo)書中要求。四、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式四、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式5由招標(biāo)書中要求，前后軸承均采用獨(dú)立封閉自循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，不設(shè)傳統(tǒng)油泵油箱、重力油箱等外循環(huán)裝置，冷卻器布置在軸承內(nèi)部，軸承冷

10、卻水直接由蝸殼進(jìn)口處流出、排至集水井或尾水管內(nèi)。由于徑向軸承大（為 320）受力簡(jiǎn)單，應(yīng)能滿足使用要求。而用 320 徑向推力軸承能否保證性能則成為機(jī)組設(shè)計(jì)及制造的難點(diǎn)。由于臥式機(jī)組頂蓋空間限制，在轉(zhuǎn)輪上采用減壓板結(jié)構(gòu)難以措行。考慮到機(jī)組的轉(zhuǎn)速并不低，在水輪機(jī)結(jié)構(gòu)上借鑒了立式高水頭機(jī)組經(jīng)常采用的無(wú)接觸密封方式，通過頂蓋排水降低轉(zhuǎn)輪上冠上表面的水壓力，從而降低軸向水推力，最終使推力軸承大推力盤所承受的壓力減少，提高推力軸圖 5 水輪機(jī)裝配圖承運(yùn)行的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)輪下環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也使作用在下環(huán)側(cè)面的水壓力的軸向分力朝向發(fā)電機(jī)方向，以降低運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向水推力。在推力軸承（見圖 6）結(jié)構(gòu)上，采用大、

11、小推力盤均帶油的方式具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：首先使得進(jìn)入推力瓦和徑向瓦的潤(rùn)滑油不會(huì)產(chǎn)生干擾，不會(huì)出現(xiàn)推力瓦和徑向瓦“搶油”現(xiàn)象；其次大、小推力盤同時(shí)帶油，提高了潤(rùn)滑油的帶油量，保證充足的潤(rùn)滑油；再次也有利于機(jī)組開機(jī)初始及緊急停機(jī)時(shí)軸向反力過大，對(duì)徑向瓦端面的損壞。這種軸承也有其缺點(diǎn)，即外形尺寸中 E=445 值（見圖 6）相對(duì)較大些，此處解決的方法是將軸承放在發(fā)電機(jī)后端，而非傳統(tǒng)上的前端位置。由于發(fā)電機(jī)機(jī)座號(hào)比較大，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)較大，通過調(diào)保計(jì)算，對(duì)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求并不高，飛輪主要起到剎車盤作用。這樣飛輪的重量就能夠減輕，對(duì)推力軸承徑向力也能夠減少。同時(shí)徑向軸瓦采用了水冷式導(dǎo)瓦，具有運(yùn)行瓦

12、溫低，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，由于軸承座內(nèi)因有水冷卻銅管，易產(chǎn)生的冷凝水，為降低運(yùn)行人員的檢修強(qiáng)度，在軸承底部裝有油混水裝置。泵板和無(wú)接觸間隙密封方式，具體結(jié)構(gòu)可見圖 7 及圖 8 所示，不僅可以降低軸向水推力，而且軸封的靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分不接觸使得密封有極長(zhǎng)的壽命。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)有泵板裝置，由于泵板的吸出作用，主軸對(duì)應(yīng)面始終處于大氣之中，軸與軸封間不接觸并只有一層空氣，而非泄漏水，這樣，密封有極長(zhǎng)的壽命。該密6封不需檢修，在水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不需冷卻或潤(rùn)滑，比盤根等接觸性密封更有利些。主軸密封為不接觸迷宮型，由緊靠著軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)套、密封罩和主軸密封排水管組成，其主要作用如下：（a） 水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)

13、 密封中水的流向如圖 8 中 P 的走向，密封轉(zhuǎn)動(dòng)處完全干燥，由于有泵板裝置，在額定轉(zhuǎn)速情況下，整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)密封罩上無(wú)水壓。轉(zhuǎn)輪上的泵板隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)防止水和固體進(jìn)入主軸密封，同時(shí)泵板排水管 4-G2”（圖 7）防止沙或固體物質(zhì)積在水機(jī)頂蓋下，并將透過上止漏環(huán)的少量漏水通過泵板排水管 4-G2”排至尾水或電站集水井。 （b） 低于額定轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)行 在機(jī)組啟動(dòng)和關(guān)閉速度降低情況下，水壓可能達(dá)到軸封，此時(shí)由于迷宮環(huán)狀密封盒的擴(kuò)散作用使漏水壓力大幅度下降，同時(shí)位于密封罩的排水管 G3”（圖 8）可將滲漏水排至尾水或電站集水井。 此密封方式的主要優(yōu)點(diǎn)為：（1） 無(wú)需維修，無(wú)磨損部件。（2） 無(wú)需用于

14、冷卻或潤(rùn)滑的清潔水。（3） 防止泥沙對(duì)頂蓋和主軸密封的磨蝕。（4） 轉(zhuǎn)輪和頂蓋上的水推力可以有效減少。（5） 在飛逸情況下，水推力少量增加。具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是需注意將取水口面積和密封間隙面積比值取在 1.766，經(jīng)驗(yàn)表面此時(shí)頂蓋內(nèi)壓力可降低 30%，頂蓋排沙排水后，不但降低了軸承推力負(fù)荷，同時(shí)排除了不穩(wěn)定水流，避免了軸向水力振動(dòng)，改善了轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性。7圖 6 320 徑向推力軸承外形圖五、制造工藝上采取的措施五、制造工藝上采取的措施制造工藝對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行一樣十分重要。容量較大轉(zhuǎn)速較高的臥式機(jī)組一直存在瓦溫較高的現(xiàn)象，為此在制造上采取了多種措施以保證軸承穩(wěn)定運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子重量及尺寸較大，難以在廠內(nèi)

15、進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，只能進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。為此對(duì)轉(zhuǎn)子靜平衡要求嚴(yán)格，對(duì)轉(zhuǎn)輪及飛輪靜平衡也要求嚴(yán)格，目的是降低對(duì)軸承的附加動(dòng)壓力。推力瓦為彈性塑料瓦，因此不需要刮瓦，徑向瓦材料是巴氏合金，需要刮瓦。由于轉(zhuǎn)子重量較大，轉(zhuǎn)子又無(wú)壓力油頂起裝置，為了更好更快地在機(jī)組啟動(dòng)過程中建立油膜和穩(wěn)定地保持楔形油膜，在徑向瓦刮瓦時(shí)不在主軸軸頸上研磨，而是做了個(gè)假軸，提供給業(yè)主，假軸直徑比軸頸大一個(gè)雙邊間隙。利用假軸刮出的瓦，瓦與軸是線接觸，在機(jī)組啟動(dòng)的瞬間磨擦副中的干摩擦僅發(fā)生在接觸線上，有利于軸頸在機(jī)組啟動(dòng)的瞬間形成油楔，使機(jī)組漂浮在油膜上。同時(shí)，在軸瓦和軸頸之間具備均勻的圓周間隙，對(duì)于保持軸頸下穩(wěn)定的油膜創(chuàng)造了比較良好的條件。而在自己的軸頸刮研的瓦不是圓筒形，在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大面積的半干和干摩擦。為此給電站提供了假軸，使得機(jī)組