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1、 1 桥巩大型灯泡贯流机组的制造难点及对策 梁玉福 （广西电力工业勘察设计研究院 广西 南宁 530023） (Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute, Nanning 530023, China) 摘 要：桥巩机组为大型灯泡贯流机组，单机容量 57MW，目前国内最大，世界 第二，设计、制造难度较大，本文简述桥巩水轮发电机组的设计、制造难点及应 对措施。 关键词：大型灯泡贯流机组、水力设计、通风冷却、轴系支撑。 工程概况 桥巩水电站位于红水河下游广西壮族自治区来宾市境内，距来宾市 4
2、0km，是 1980 年红水河综合利用规划报告推荐的十级开发方案中第九级开发的水电 工程，是一座以发电为主，兼有航运等综合利用效益的大型水电站。 电站安装 8 台大型灯泡贯流发电机组，东方电机厂（简称东电）和天津阿尔 斯通水电设备有限公司（简称天阿）各生产4台机组，单机容量 57MW，总装机 容量 456MW。 水轮机的水力设计 水轮机的水力设计是水轮机制造的难点之一， 通过多年的努力及与国外厂商 在多个项目的合作，当时国内制造厂对灯泡贯流机组的设计积累了一定的经验， 自己研制或引进得到了一些水力性能较好的转轮， 但已有的贯流式转轮基本上是 用在水头 20m 以下的 4 叶片转轮,对于桥巩机组
3、,由于最大水头（24.3m）较高, 需要采用5叶片转轮, 国内没有适用的转轮。 为了保证水轮机的技术性能及运行 安全稳定性, 同时为了拥有世界的先进技术， 设计院与桥巩业主充分协商后提出 解决此难点的对策，机组招标以国内企业为主体进行投标，但要求国内企业必须 选择一家符合投标资格的国外著名厂家作为合作伙伴， 由国外厂家完成水轮机的 水力设计、模型转轮的设计及模型验收试验，并提供全部流道图和数控加工成形 的水轮机转轮叶片，以保证水轮机水力设计的先进性,降低风险，同时通过引进 技术提高国内技术水平。事实证明这个措施是成功的，通过这种模式，在短短几 年内缩短了我国设计大型灯泡贯流机组与世界先进水平的
4、差距。 2 水轮机桨叶的铸造 随着钢铁冶金新技术、新工艺的发展，国内电站对水轮机转轮叶片的材质要 求更加严格，近年来，各大电站业主均要求水轮机转轮叶片必须采用 VOD精炼 铸造。VOD 精炼法是真空吹氧脱碳法的简称，通过真空脱气，吹氧脱碳，可保 证钢中的氢、氧、氮、碳含量达到最低水平，并精确调整钢水成份，使夹杂物充 分上浮、而有效提高钢液的洁净度，提高钢液的内在质量、改善钢液的性能，减 少铸造缺陷。 桥巩电站也要求水轮机转轮叶片必须采用 VOD精炼铸造，由于水轮机转轮 直径大，转轮叶片的重量也大，至少需要 30t 以上的精炼炉才能满足要求。国 内最早进行 VOD 精炼技术研究并实际应用于生产的
5、是沈阳铸造研究所，其精炼 技术比较成熟，产品质量可与国外厂家相比美，但其精炼炉仅 10t，不能满足铸 造要求。国内具有 30t 以上精炼炉的厂家不多，且均为近年刚从国外引进，其 时尚处于调试及试生产阶段，精炼技术尚未熟练掌握。为保证转轮的制造质量和 供货进度,采取的对策是转轮的叶片在国外铸造并进行精密加工,转轮的轮毂体 在国内加工,最后在国内组装转轮的方案,此方案既保证了转轮制造的质量又保 证了生产进度, 采用此对策很好地解决了这一难点。 发电机的通风冷却 对于贯流式机组，发电机转速较低，转子极数多，而其灯泡外径又受水轮机 流道的限制，因此定子机座中的通风空间小，通风路径窄长，通风散热更较立式
6、 机组困难。通风冷却是大型贯流机组较大的难点，桥巩机组发电机冷却难度系数 为 0.86，日本只见电站机组的发电机冷却难度系数为 1.12，均为较大的难度系 数，但也在现有的经验范围内。 目前投入运行的灯泡贯流机组的发电机通常采用径、轴向混合强迫循环空 气冷却，对热空气的冷却大部分采用带冷却套的二次循环冷却。二次冷却方式是 利用河水来冷却放置于发电机冷却套夹层内的冷却水（水质为纯净水并加防腐、 防锈剂） ，再由该冷却水来冷却通过发电机空气冷却器的热风，在二次循环冷却 中，发电机冷风温度取决于二次循环冷却水的温度，二次循环冷却水通过空气冷 却器将发电机热风中的热量置换出来后需通过冷却套的外壁将热量
7、传给河水， 在 这一热传导过程中二次冷却水与河水间会有一个温度梯度。因此，采用二次循环 冷却方式时，发电机的冷风温度相对较高。从已投入运行的灯泡贯流机组的运行 情况看,大部分机组都能正常运行。但若贯流式机组单机容量较大，则发电机的 3 散热问题对机组的稳定运行有较大的影响，特别是当机组容量达到 30MW 以上后 该矛盾更为明显，大容量贯流式发电机若采用二次冷却，其温度往往偏高是包括 国外机组在内的普遍现象，究其原因除贯流式机组本身空间狭小，风流不畅的特 点外，冷风温度高是其重要原因之一。 如采用一次冷却方式,即用河水直接作为冷却水，由于减少了二次循环水与 河水间的传递环节，发电机的冷、热风温度
8、及发电机相应的运行温度均会明显下 降,能够解决大容量贯流式发电机的通风散热问题,可提高发电机运行的可靠性, 对于发电机绝缘寿命及发电机舱内的运行环境、设备运行都比较有利。当然，河 水直接冷却方式也存在冷却器可能会被泥沙或污物淤堵等问题， 但只要采取相应 的措施，诸如装设滤水器、采用正、反向供水等措施，这些问题是可以解决的。 红水河岩滩、大化电站立式机组均是采用一次冷却方式,由于采用正、反向供水 等技术措施，从多年的运行情况看, 没有出现冷却器被泥沙或污物淤堵的情况, 龙滩电站投入运行后,其多年性的调节库容将会极大地改善红水河的水质,因此 桥巩电站对发电机的通风冷却难点采取的对策是采用一次冷却方
9、式,从大坝上游 距离正常蓄水位较低处（此处的水温较低）引入冷却水，经过滤水器过滤、水泵 加压等，对发电机空冷器、油冷却器等进行一次冷却，有效地解决了发电机的通 风散热问题。 轴系的支撑方式 轴承是水轮发电机组最关键的部件之一，更是贯流机组设计制造的关键技术 和最大难点，轴承的负荷取决于转动部件的重量，在有多个轴承的转动轴系中， 每个轴承分担的负荷则取决于这个轴承在整个轴系受力点中所处的位置。 贯流机 组可采用两支点或叁支点的支撑方式， 大型贯流式发电机组是采用两径向轴承还 是叁径向轴承需针对具体机组的具体轴系来进行分析， 且径向轴承的个数及布置 关系到整个机组的总体布置和设计、制造难度以及其经
10、济性能，以下对该两种结 构进行分析比较。 两径向轴承为现今国际上大中型贯流机组采用的最普遍的结构形式，其优点 为发电机与水轮机共用一根轴，制造、安装、轴线调整等均较为简单，对于电站 今后的运行维护比较方便,已成功运用于许多电站。 叁径向轴承用于单个轴承负荷过大，发电机转子轴向较长，悬臂外轴线挠度 过大时，在转子上游侧再加一筒式径向轴承的卧式机组，它对于分担发电机侧的 径向轴承负荷带来了好处，能使轴承的运行性能变好，且转子轴系挠度减小。其 4 缺点是机组轴系需采用两段轴结构，转动部分的轴系重量要增加，整个发电机灯 泡体尺寸需增长，相应增加前端轴承受力支撑部件、增大诸如封水盖板等其余结 构件的尺寸
11、，同时也需另加一套连接油路循环、高压油顶起等的管路系统，不但 增加了设计、制造、调试、运行、维护的难度，而且该轴承放置于发电机前端泡 头内，使本已布置很紧张的设有通风冷却系统、受油器系统的灯泡头空间更显得 拥挤。此外，由于三支点支撑的安装、调整均比较困难，国内安装单位缺乏这方 面的安装经验，同时也将增加电厂今后运行、维护的难度，因此，在两支点支撑 能满足机组安全稳定运行的要求时，均不采用三支点支撑结构。 桥巩机组容量大，转动部分的重量大，径向轴承的负荷也大，轴承载荷呈现 低速、重载的特点。机组招标前和制造厂进行技术交流时，各制造厂均表示两支 点支撑的轴承载荷已处于高值临界状态， 是否能够采用两
12、支点支撑还需要做进一 步的分析研究。设计院与桥巩业主充分讨论后，考虑到今后运行、维护的方便， 要求制造厂对轴承布置进行优化，尽量采用两支点支撑方式。 经过努力，桥巩机组最终采用双支点两径向轴承的支撑方式，采取了两个 措施，其一是径向轴承采用动静压结合分块瓦式结构，通过轴瓦的自调心功能建 立动压油膜承担径向载荷，其二是发电机组合轴承的支撑中心更接近转子中心， 以增加机组的运行稳定性。经过分析计算，在发电机处的径向轴承和水轮机处的 径向轴承的比压、 油膜厚度、 油膜温度均在合理的范围内； 发电机端法兰面挠度， 静止状态下转子磁轭最远端挠度，运行时当偏心磁拉力与转子重力重合时，磁轭 最远端挠度与定子
13、轴线挠度的偏差小于国家标准的规定， 均在机组的安全运行范 围之内，能够保证机组长期安全运行。因此桥巩采用双支点双悬臂的两径向轴承 的轴系是较理想的方案。 结束语 桥巩水电站机组通过招标，最终由东方电机股份有限公司（与奥地利的维奥 技术水电公司合作）和天津阿尔斯通水电设备有限公司（与法国阿尔斯通合作） 各生产 4 台机组，转轮的模型设计及模型试验分别在奥地利的维奥技术水电公 司、法国阿尔斯通进行，模型试验结果表明，模型的各项技术参数如效率、单位 流量、单位转速、空化系数、压力脉动等值完全达到甚至略超过设计要求，并代 表了新的世界水平，国内制造企业通过最近几年我国大力发展水电，特别是三峡 工程机组
14、在国内的生产制造，使国内的生产设备及设计水平有了长足的进步，大 5 型的生产设备如 5轴数控机床等已达世界先进水平， 为生产桥巩大型灯泡贯流机 组打下了结实的物质基础，现桥巩水电站的 8台机组已全部生产并安装完毕，第 1台机组于 2008年 7月 27日投产发电，第 8台机组已于 2009年 12月投入发电 并投入商业运行，真机的各项试验及运行指标均达到设计要求，额定水头下的最 大出力均达 60MW，超过设计要求的额定出力 57MW，机组的超发能力可观， 机组在水头段内运行稳定，各项技术指标达到设计要求，从此我国的大型灯泡贯 流机组的设计、制造达到了世界先进水平。 作者简介：梁玉福 男 1965、7 籍贯广西 教授级高级工程师 在广西电力 工业勘察设计研究院从事水力机械设计工作。
