毛爾蓋水電站機組結構設計

1、1關于毛爾蓋水電站機組結構設計關于毛爾蓋水電站機組結構設計摘要：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)電機組結構方面的設計，對較大容量臥式發(fā)電機組采取的布置方式進行了介紹。同時為減少軸向水推力使推力軸承穩(wěn)定運行而采用的水輪機密封結構進行了分析。圖 8 幅。關鍵詞關鍵詞：結構設計 內循環(huán)推力軸承 集電環(huán) 無接觸密封 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)電機組，于 2012 年正式并網發(fā)電。因其容量在臥式水輪發(fā)電機組中相對較大，而且軸承采用的是內循環(huán)方式，因此為保證機組特別是軸承能夠穩(wěn)定運行，在結構及布置上進行了多方面的考

2、慮。本文就此機組在布置形式及結構進行了介紹和分析，為今后設計類似的機組提供有益的經驗。二、水輪發(fā)電機組的主要設計參數二、水輪發(fā)電機組的主要設計參數1、水輪機型號： HLA685-WJ-92額定功率： 6186 kW額定轉速： 750 r/min飛逸轉速： 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額定點水輪機效率： 91.5 %吸出高度： Hs-0.5 m軸向水推力力： 178232 kN轉輪重量（含泄水錐等）：0.83 t2、發(fā)電機型號： 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 額定轉速： 750 r/min飛逸轉速： 1573 r/min額定功率因數： 0.8額定頻率： 50 Hz相數： 3絕緣等級： F/F定子接線方式： Y旋轉方向： 順時針（從發(fā)電機端看）額定時發(fā)電機效率： 97.7% （計算值）徑向推力軸承規(guī)格： 320徑向軸承規(guī)格： 360轉子重量： 18.8 t飛輪重量： 0.8 t2三、發(fā)電機布置形式的選擇三、發(fā)電機布置形式的選擇水輪發(fā)電機組采用兩支點布置形式，由于機組容量在臥式機組中相對比較大，轉子重量比較重，軸向水推力也不小，因此對軸承的要求比較高，如何布置發(fā)電機需綜圖 1 發(fā)電

4、機裝配圖(方案 1)圖 2 主軸(方案 1)3圖 3 發(fā)電機裝配圖(方案 2)圖 4 主軸(方案 2)合考慮。圖 1 及圖 3 為發(fā)電機兩種不同布置方式，其中圖 1 為傳統(tǒng)布置形式，圖 3為經過核算采用的布置形式，現就兩種不同布置形式進行受力及剛度分析，比較兩種布置形式的優(yōu)缺點。4圖 2 及圖 4 上的受力分析進行了簡化處理，將轉子重量受力中心近似的認為在發(fā)電機中心線上，并將單邊磁拉力方向與重力方向一致，圖中所計算的結果為其合力數值；近似的認為轉輪重心在轉輪中心線上，轉輪中心線方向不僅受到轉輪重力作用，還受到因水流不對稱所引起的徑向力的作用，圖中所計算的結果也為其合力數值。由標準規(guī)范可知，定子

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

6、向力為4.8kN，加上轉輪重量，在轉輪中心線上的作用力為 13.1kN。至于由于轉動部件的不平衡重量產生的徑向不平衡力由于難以估算，在此將其省卻。再根據前面所列出的水輪發(fā)電機組主要設計參數，可以分別計算出發(fā)電機兩種不同布置方式軸承所承受力的大小，圖 2 及圖紙 4 為其詳細結果。從中可發(fā)現方案 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），對轉子中心撓度更好些。方案 2 由于徑向軸承外形尺寸小于推力軸承，因此轉輪中心距離軸承中心更近些（為 1080），轉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。由于對于軸的彎曲變形進行精確計算比較復雜，除受力和支承情況外，軸承和機座的剛度、配合在軸上零件的剛度（這里包括磁軛、轉輪、軸套、飛輪等），以及軸上的局部削弱等，對變形都有影響，因此，在計算時，都進行了不同程度簡化?？紤]到方案 2 只有在飛輪處撓度比方案 1 大些，因此只對方案 2 在飛輪處進行剛度核算，看其是否滿足使用要求。由圖中的數據，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、偏轉角為 0.000058rad。由手冊可以查到滑動軸承處軸的許用偏轉角為 0.001 rad，實際偏轉角遠小于此值，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子內部，降低線圈的絕緣性能，同時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。其次如果軸承出現甩油和油霧逸出事故，集電環(huán)遠離軸承，可以避免油對集電環(huán)及電刷的污染。由于發(fā)電機機座號比較大，轉子直徑相對也大些，作為兩支點結構，方案 2 大、小推力盤在尾部使得轉子插

9、、抽相比方案 1 更容易些，對安裝及檢修更方便些。雖然方案 2 發(fā)電機軸向總的長度有所增加，但總體效果來看，采用方案 2 更合理些。兩支點結構軸向長度短，結構緊湊，安裝調整方便，但其軸系臨界轉速不如三支結構，而招標書中明確要求軸系的一階臨界轉速應大于飛逸轉速的 125%。因此提高軸系的剛度，對提高軸系的臨界轉速十分重要。經電腦程序實際計算，方案 2 主軸臨界轉速為 1990 r/min，是其飛逸轉速的 1.265 倍，滿足招標書中要求。四、水輪機結構形式四、水輪機結構形式5由招標書中要求，前后軸承均采用獨立封閉自循環(huán)潤滑系統(tǒng)，不設傳統(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部，軸承冷

10、卻水直接由蝸殼進口處流出、排至集水井或尾水管內。由于徑向軸承大（為 320）受力簡單，應能滿足使用要求。而用 320 徑向推力軸承能否保證性能則成為機組設計及制造的難點。由于臥式機組頂蓋空間限制，在轉輪上采用減壓板結構難以措行?？紤]到機組的轉速并不低，在水輪機結構上借鑒了立式高水頭機組經常采用的無接觸密封方式，通過頂蓋排水降低轉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 水輪機裝配圖承運行的穩(wěn)定性。在轉輪下環(huán)結構設計時，也使作用在下環(huán)側面的水壓力的軸向分力朝向發(fā)電機方向，以降低運行時產生的軸向水推力。在推力軸承（見圖 6）結構上，采用大、

11、小推力盤均帶油的方式具有多方面的優(yōu)點：首先使得進入推力瓦和徑向瓦的潤滑油不會產生干擾，不會出現推力瓦和徑向瓦“搶油”現象；其次大、小推力盤同時帶油，提高了潤滑油的帶油量，保證充足的潤滑油；再次也有利于機組開機初始及緊急停機時軸向反力過大，對徑向瓦端面的損壞。這種軸承也有其缺點，即外形尺寸中 E=445 值（見圖 6）相對較大些，此處解決的方法是將軸承放在發(fā)電機后端，而非傳統(tǒng)上的前端位置。由于發(fā)電機機座號比較大，所以轉子轉動慣量相應較大，通過調保計算，對飛輪的轉動慣量要求并不高，飛輪主要起到剎車盤作用。這樣飛輪的重量就能夠減輕，對推力軸承徑向力也能夠減少。同時徑向軸瓦采用了水冷式導瓦，具有運行瓦

12、溫低，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，由于軸承座內因有水冷卻銅管，易產生的冷凝水，為降低運行人員的檢修強度，在軸承底部裝有油混水裝置。泵板和無接觸間隙密封方式，具體結構可見圖 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動部分不接觸使得密封有極長的壽命。在水輪機轉輪上冠設有泵板裝置，由于泵板的吸出作用，主軸對應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，密封有極長的壽命。該密6封不需檢修，在水輪機正常運行時不需冷卻或潤滑，比盤根等接觸性密封更有利些。主軸密封為不接觸迷宮型，由緊靠著軸上的轉動套、密封罩和主軸密封排水管組成，其主要作用如下：（a） 水輪機正常運行時

13、 密封中水的流向如圖 8 中 P 的走向，密封轉動處完全干燥，由于有泵板裝置，在額定轉速情況下，整個負荷范圍內密封罩上無水壓。轉輪上的泵板隨轉輪一起旋轉防止水和固體進入主軸密封，同時泵板排水管 4-G2”（圖 7）防止沙或固體物質積在水機頂蓋下，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） 低于額定轉速連續(xù)運行 在機組啟動和關閉速度降低情況下，水壓可能達到軸封，此時由于迷宮環(huán)狀密封盒的擴散作用使漏水壓力大幅度下降，同時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)點為：（1） 無需維修，無磨損部件。（2） 無需用于

14、冷卻或潤滑的清潔水。（3） 防止泥沙對頂蓋和主軸密封的磨蝕。（4） 轉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。具體機構設計是需注意將取水口面積和密封間隙面積比值取在 1.766，經驗表面此時頂蓋內壓力可降低 30%，頂蓋排沙排水后，不但降低了軸承推力負荷，同時排除了不穩(wěn)定水流，避免了軸向水力振動，改善了轉輪穩(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機組運行穩(wěn)定運行一樣十分重要。容量較大轉速較高的臥式機組一直存在瓦溫較高的現象，為此在制造上采取了多種措施以保證軸承穩(wěn)定運行。由于轉子重量及尺寸較大，難以在廠內

15、進行動平衡試驗，只能進行靜平衡試驗。為此對轉子靜平衡要求嚴格，對轉輪及飛輪靜平衡也要求嚴格，目的是降低對軸承的附加動壓力。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。由于轉子重量較大，轉子又無壓力油頂起裝置，為了更好更快地在機組啟動過程中建立油膜和穩(wěn)定地保持楔形油膜，在徑向瓦刮瓦時不在主軸軸頸上研磨，而是做了個假軸，提供給業(yè)主，假軸直徑比軸頸大一個雙邊間隙。利用假軸刮出的瓦，瓦與軸是線接觸，在機組啟動的瞬間磨擦副中的干摩擦僅發(fā)生在接觸線上，有利于軸頸在機組啟動的瞬間形成油楔，使機組漂浮在油膜上。同時，在軸瓦和軸頸之間具備均勻的圓周間隙，對于保持軸頸下穩(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，在開機啟動時會出現較大面積的半干和干摩擦。為此給電站提供了假軸，使得機組