灯泡贯流式水电机组的演进及技术特征论文

灯泡贯流式水电机组的演进及技术特征论文

引 言

在当前的反击式水轮发电机组中， 贯流式水轮发电机组较为常见，并且被广泛应用于低水头大流量水电站。 而在贯流式水轮发电机中，有一种将机组发电机组安装在密封的、外形酷似灯泡的壳体中，将水轮机安装于灯泡插口处，这种机组被称为灯泡贯流式机组， 其所适用的水头范围较广， 工作效率高，因而倍受青睐。

1 灯泡贯流式水电机组概述

贯流式水轮发电机组的特点，主要在于其引水部件、转轮以及排水部件等， 都需要布置于同一条轴线上， 水流平直通过，是一种适用于开发利用低水头、大流量水力资源的良好机型。 而贯流式机组又包括了各种不同的机型，其中以灯泡贯流式机组最为广泛使用，具有较强的适应性。

灯泡贯流式机组所采用的是水平布置（见图 1），其水轮机并没有蜗壳，土建过程中的开挖量也相对较小。 而发电机装置则是设置于灯泡形壳体内，安置在水轮机流道中。 机组中采用直锥扩散形的尾水管，因此流道短且平直、对称，具有良好的水流特性，此外还具备转轮效率较高、过流量大、建设周期短、总体投资省等优势。 但是该机组也存在一定的缺点，比如单位电量耗水量大、油系统复杂、安装及大修难度大等。

2 灯泡贯流式水电机组的发展

灯泡贯流式机组出现于 1936 年，因为具有较高的工作效率，且过流量大、建设周期短、投资少，所以倍受青睐。 我国的灯泡贯流式机组起步较晚，但是通过积极引进、消化并吸收国外先进技术，尤其是在近十年以来，通过中外合资的方式，为灯泡贯流式机组的开发与研究提供了重要支持。

在这种情况下，经过多年的研究与发展，国内的相关厂家已经在该水电机组的灯泡机组设计与制造方面， 大大提高了能力和水平。 有些大型灯泡机组通常由国内的厂家来实行设计与制造，其中只有转轮、叶片此类个别的部件需要通过国外引进， 自己生产不仅能够提高国内的灯泡机组制造水准与质量，还可以减低资金，避免不必要的支出，并缩短建设工期，因此，这种机组采购模式非常值得推广。

目前，我国先后投产了一批 30MW 灯泡机组，此外，湖南的洪江水电站、 青海尼那水电站于 2003 年， 分别投产了45MW 和 40MW 的灯泡机组， 这都是我国灯泡机组设计制造能力提升至国际水平的标志， 具备自行设计制造大型灯泡机组的能力。位于广西梧州长洲的水电站，投产安装了 42MW 灯泡机组 15 台，该水电站的机组工程建设，是目前世界上装机容量最大的， 所用机组分别由国内的 4 个厂家联合生产。 于2005 年开始建设投产的广西桥巩水电站 ,则设计安装了 8 台灯大型泡机组，这些机组的单机容量达到 57MW,该机组在单机容量方面，位列世界第二。

近几年我国大型灯泡机组建设工程， 大多采用国际合作生产模式，即机组转轮、叶片使用国外引进，其余部件从国内厂家采购。 有的机组建设项目受到工期的限制，会将主轴、导水机构、轮毂等分包至国外厂家，从而保证工程的交货工期，同时增加机组单价。 而国际合作的生产模式也为国内相关技术的发展与研究带来了便利。

3 灯泡贯流式机组的技术特点

3.1机组的整体布置

在灯泡贯流机组中， 水轮机通常与发电机使用同一根主轴，以水平的状态来布置，其中转动的部分，则采用两个支点的双悬臂结构，然后在一端设置发电机的导轴承。 为了避免转子和主轴连接后， 可能产生的挠度问题， 可实施以下两种对策：①根据实际测得的变形量，在导轴的承支架与瓦支架之间加垫，使推力轴承能够良好接触；②将连接定子和管型座的法兰面改造为斜面。

在该机组中，起到重要支撑作用的就是管形座，前端的"灯泡头设置，需要依靠来自水平和垂直方向上的辅助支撑。 由于灯泡体的结构是薄壳，需要严格测量其应力应变、模态和固有频率， 为保持灯泡体处于静、 动不同状态下的稳定性提供依据，从而避免其遭受有害振动的影响，带来安全运行隐患。

通过对管形座的不断研究， 如今的管形座结构已经大大改变，其设计由繁到简，制作过程所需要的钢材使用量也减少了，现在的管形座、尾水管的里村中所埋设的部件，已经改为使用锚筋，能够更好地将埋入部件与混凝土牢固结合。 此外，为了达到安装和检修要求，还可以在其上游侧，加设发电机竖井，而在下游侧设水轮机竖井，中部竖井只需要通过管形座上的立柱，就可以顺利抵达主轴。

3.2水轮机的技术特点

3.2.1 转轮叶片加工转轮叶片时， 首先需要重视的是需要在外缘侧预留一定的凸台，这么做的作用在于以下方面：①降低转轮室的容积损失，以及桨叶和转轮室之间的流量损失；②改善转轮叶片的背面空蚀问题；③提高叶片端部强度。

由于转轮叶片通常都需要密封， 建议采用多层 V 形橡胶密封圈来密封，这样能够不拆卸叶片，直接进行密封的更换。

3.2.2 锥形导水机构锥形导水机构的设计与制造技术通常具有较高要求，是灯泡贯流式机组设计制造的重要环节，其基本特点是：①该环节的内外导水环、导叶、控制环等，所采用的结构件的制作通常便于控制，外观好看，且工期较短；②设计导叶密合面时，其立面通常会采用刚性密封，并在密合面上加铺不锈钢；③采用偏心销对导叶立面间隙进行调整； ④使用方键联接导叶与导叶臂；⑤通常采用弯曲连杆的方式来保护导叶；⑥使用数控立车来对内外导水环进行加工；⑦设计导水机构时，应当整体吊装的方式为优先。

3.2.3 灯泡体的支承结构灯泡体支承的方式和结构往往有多种， 目前大多都采用上下两瓣的固定导叶支承方式，如图 2 所示。 该支承方式是利用水推力与发电机转矩， 分别由上下方的两个固定导叶进行支承，运用防振支撑与外壳支架作为辅助，从而增加灯泡体的固有频率。

3.2.4 灯泡体结构灯泡体属于大型柔性结构，由于灯泡体通常设置于水中，所以其结构设计中的关键在于灯泡体的密封。 可以在灯泡体与外部水体相接触的法兰部位，使用双重填料来密封，以防漏水，这种双重填密结构，及其适用的位置如图 3~4 所示。 另外，还可以在双重填料间，设置能够进行漏水检测的槽。 需要注意的是，在组合、安装过程中，需要适当施加水压，以此检查填料的密封性；如果在运转的过程中发生漏水问题，可以及时封入特殊填料，确保密封性。

3.3灯泡式水轮发电机

3.3.1 定 子因为发电机内部不需要设置火灾报警器或自动喷水装置，大大简化了其构造，所以钉子线圈应当采用具有阻燃性的材料，例如聚酰胺薄板、加强型玻璃纤维树脂板、石墨环氧树脂和环氧树脂云母薄板等，这些材料的阻燃性、自熄性以及不易燃性都相对较好。 即使实在线棒下线时，如果是使用石墨作为衬槽的话，就可以起到非常好的阻燃效果。

3.3.2 主轴与轴承主轴一般由 2 根轴构成， 而水轮机法兰与发电机轴之间的连接，则需要采用专用的工具，是用 3 个螺栓当做联合支承点，来安装连接。 主轴则分别由发电机导轴承和水轮机导轴承来进行支承，必要情况下，可以同床加工推力头和主轴热套，以确保镜面和主轴的中心线能够始终保持垂直。

3.3.3 导轴承和正反向推力轴承在一些大型灯泡贯流式机组中， 轴系的支承方式往往采用的是二导、三导两种，并且以二导支承双臂结构较为常见，该支承方式即是由正反向的推力轴承、导轴承共同组成，其特点包括以下几点：①导轴承是筒式瓦的结构模式，用扇形板来支撑；②正向推力轴承的支撑，则使用的是弹性圆盘，反向推力轴承采用的是整圆瓦刚性支撑，或橡胶垫支撑；③推力镜板运用分两瓣的结构支撑，注意选材时应综合考虑材料的表面硬度和可焊性；④将高压油的顶起油室进行改造，变成矩形的结构，并适当地降低对油质的要求；⑤由于在设计中考虑了主轴挠度因素，对轴承可能产生的影响，因而设计得更加易于安装；⑥充分研究了控制轴承润滑油和高压油顶起的方法。

3.3.4 主轴的密封一般来说，可以将主轴的密封分为检修密封、工作密封两个部分：①检修密封是一种较为常见的空气围带结构，安装在主轴法兰的外缘上，由三个部分组成，即密封壳体、密封支架和检修密封。 注意检修密封应当在中泄水锥之前进行安装；②工作密封，由不锈钢滑环、滑环支架、密封环、密封环支架以及密封外壳构成， 不锈钢滑环与密封环之间， 会形成止水磨擦面，然后由灯泡头取水，供其润滑冷却。

4 结 语

灯泡贯流式机组因为其自身具有的结构紧凑、 占据空间小等优势，在近年来的低水头电站建设工程中，逐渐取代了传统的轴流转桨式机组， 开始为我国的水电事业发展提供了新技术和新的发展可能性。

参考文献

[1]富旭平，郑 峰。灯泡贯流式水轮机效率问题[J].水电能源科学 ,2008（06）：132~133.

[2]陶建民 ,刘建华。灯泡贯流式机组轴承润滑油系统设计 [J]. 西北水电，2010（3）：62~66.

[3]钟小华 ,王元文 ,杨应武。大型灯泡贯流式水轮发电机组安装[J].水电站机电技术，2010（01）：29~30.