介紹

Alstom，作為世界開發貫流機組的先驅者，可以根據業主的特殊要求和項目的具體情況，提供一套成功的技術。遍布全世界的數百台機組的成功設計和運行，清楚地告訴我們：Alstom公司不愧為世界水電的先驅。

下表列出了近10年來在中國市場上投入商業運行的主要貫流機組名稱和參數：
國家 項目名稱 運行年份 機組台數 出力 最大水頭 額定轉速
(r/min) 轉輪直徑 發電機
容量 電壓
(MW) (mwc) (mm) (MVA) (kV)
中國 貴嶺 1998 2 4.7 6.50 115.4 3850 5 6.3
沙縣 1999 3 16.5 11.70 100 4900 17.8 6.3
貢川 2001 2 22.2 12.2 100 5500 23.9 10.5
峽陽 2001 3 15.2 8.3 85.71 5500 16.2 6.3
青山 2002 2 10.4 8.00 100 5000 11.1 6.3
木龍灘 2002 2 7.9 10.73 166.7 3300 8.3 6.3
尼那 2003 4 41.0 18.1 107.1 6000 42.1 10.5
直崗拉卡 2005 4 39.0 17.5 100 6100 40 10.5
西門 2005 2 15.5 10.00 85.71 5650 16.7 6.3
西溪 2005 2 14.5 7.98 78.95 6000 15.6 6.3
照口 2006 3 20.6 8.3 88.24 5800 22.2 10.5
東溪 2006 2 9.4 7.13 83.3 5400 10 6.3
龜都府 2007 3 22.7 13.40 120 4800 23.9 10.5
長洲 2007 3 42.9 16.00 75 7500 45.6 13.8
銅灣 2007 4 46.2 14.00 83.3 7100 47.4 10.5
橋鞏 2008 4 58.5 24.3 83.3 7450 62 10.5
烏金峽 2008 4 36.1 13.04 78.9 5 7000 36.8 10.5
表1 中國市場上已運行的主要貫流機組名稱

該文章旨在介紹Alstom公司在大型貫流機組的研究和開發方麵的經驗和實踐。在總體介紹之後，將主要講述下列內容：
• 通過專業的大型流體動態計算軟件CFD進行優化的水力設計，可以通過模型試驗得到論證。在Alstom試驗室裏，有個專門為貫流機組設計的試驗台。

• 為了保證在高水頭下具有良好的靜態和動態特性，我們對機組支撐係統的結構設計進行了詳細的研究和分析。

後麵將講述支撐係統的動態計算。

• 結構設計方麵，包括發電機轉子斜支臂結構、定子機座“V”形筋結構、通風冷卻係統采用冷卻套、定子鐵芯穿心拉緊螺杆和蝶形彈簧的壓裝結構、定子線棒在槽內的裝配結構，水輪機活動導葉的保護裝置-彈簧連杆，以及特大支反力時的分塊瓦導軸承設計。

• 水輪機速度負荷調節器(T.SLG)和水電控製係統(HCS)的總體介紹。

阿爾斯通水電公司設計製造的機組，融合了大量的先進理念，可以保證機組在各種條件下穩定運行。與以前的貫流機組比較，現在的機組條件更複雜：
• 機組出力達60MVA以上
• 最大水頭增加了很多
• 軸承支反力達200噸以上

關鍵詞：貫流機組；水力設計；模型試驗；動態計算；機械設計；水頭；出力和徑向力

1. 水力設計和模型試驗

1.1 水力設計

由於需要在低水頭或超低水頭下運行，貫流機組通常設計成為雙調節機構。運行水頭的限製主要取決於結構特性，但同時，這種雙調節機構可以保證機組在流量變幅很大的條件下運行。而且，貫流機組的尾水管是直的，其性能比軸流機組要好，開挖深度要小很多。

總體來說，對於低水頭項目，貫流式設計是最佳選擇。

但是，為了獲得最佳性能，設計之前應進行充分調研，主要包括三方麵：

a) 導水機構的設計：實際上，包括流道的幾何形狀，導水機構能夠在轉輪進口前形成運動力矩（在某種程度上講，這是貫流機組的特點）。正因如此，導水機構必須經過優化設計，減小水頭損失的同時，還要在某些特定工況點獲得預期的運動力矩。

b) 轉輪設計：當然是高性能，包括在預期運行範圍內有優良的效率、氣蝕及飛逸等特性。

c) 尾水管的設計：貫流機組水頭相對較低，流量大，尾水管的水頭損失相單大。因此，水力設計時必須考慮尾水管具有良好性能（考慮轉輪出口流場，即尾水管進口）。

1.2 CFD方法

Alstom公司為水輪輪機葉片的設計開發了專用軟件。通過該軟件我們可以確定葉片的主要參數，如：進口角，出口角，葉片厚度，等等。

確定關鍵運行工況點後，通過該軟件可以設計水輪機的預估參數，包括轉輪進出口運動力矩，和尾水管進口的流場分布。

下圖表示的是用該軟件對導水機構、轉輪和尾水管聯合模擬設計。





圖1 CFD圖示

與此同時，Alstom公司根據形狀優化方法開發了一種軟件。此時，形狀設計預期值將作為目標函數，水力設計參數作為設計變量。在優化過程中，可以應用內部運算法則（如極度收斂等），即用有限時間達到最小的局部集合；也可以應用根源運算法則，即用較長時間達到最小的集合總量。然後，計算結果提交給設計者，他可以根據項目的實際情況和水力參數允許變化的範圍進行選擇。

設計者根據上述方法確定水輪機的幾何尺寸，然後把按比例製造的模型裝在Alstom的模型試驗台上進行模型試驗。


1.3 Model Test 模型試驗

當運行工況特征無法數字化時（如汽蝕對轉輪性能的影響，飛逸特性，等等），模型試驗是用來證明機組特性的最主要手段。

在Alstom位於法國Grenoble市的水輪機技術中心，有個貫流機組專用試驗台。





圖2 貫流機組試驗台

在該實驗台上，可以測量IEC標準規定的各種性能參數，如：效率，出力，飛逸轉速，軸向水推力，穩定性，Winter-Kennedy法測量壓力，活動導葉和轉輪葉片的水力矩，等等。

模型水輪機的各種性能參數都可以在該試驗台上進行測量，並可以確定所有的協聯工況點。一旦確定了山形圖，就可以開始進行汽蝕試驗。由於上下遊水箱的壓力可以變，因此我們可以很容易得到整個運行範圍內各個工況點的水輪機特性， 甚至是超出真機預計範圍的更加危險的工況。我們還要研究各種汽蝕，如各種水頭和流量下的進口汽蝕，輪轂汽蝕等。然後，我們還會測量在各種槳葉和導葉角度下的飛逸情況，確定在不同工況點時的飛逸轉速和飛逸流量，也會考慮汽蝕對飛逸特性的影響。我們還會測量尾水管的壓力脈動，主要檢查在協聯工況下在尾水管是否有明顯的壓力脈動。最後，再測試軸向水推力，或槳葉水力矩等。


2. 支撐係統的結構設計和動態計算

整個機組完全由座環支撐，通過該支撐，座環傳給混凝土很大的力和力矩。
為了提高整個燈泡的剛度，我們在座環下進人筒前加注混凝土支墩。
在結構設計時，Alstom用有限元方法對整個機組進行計算。

該有限元計算模型（用ANSYS軟件）包括燈泡體的所有的金屬部件，如鋼板件，及包含定子轉子的軸係，拉錨及穩定性支撐等。與混凝土連接處用接觸單元進行模擬。

首先，我們對結構進行靜態分析，計算結果包括燈泡體的變形，金屬結構和混凝土的應力，混凝土的受力分布和所受比壓；計算工況包括流道無水（安裝）/ 充水工況，正常運行/飛逸工況，電磁短路等瞬態計算。


另外很重要的一點就是我們要對機組進行詳細的動態計算，該計算包括轉動部分和固定部分的固有頻率，固定部分包括座環和泡頭上的水平等各種輔助支撐。下麵是幾種典型的模態圖形：



圖4 轉動部分的彎振頻率
圖5 燈泡體的扭振頻率 圖6 燈泡體的翻轉頻率

3. 發電機和水輪機的設計特點

3.1定子的典型結構

3.1.1定子機座的“V”形筋
“V”形筋在徑向上具有彈性，能夠：
• 防止定子鐵芯翹曲變形
• 減小風阻，增強冷卻效果

3.1.2定子鐵芯的壓緊
定子鐵芯壓裝係統采用穿心螺杆和蝶形彈簧，可以有效防止鐵芯長期運行後鬆動。

3.1.3定子線棒在槽內的固定
采用彈性波紋墊條保證線棒在槽內不鬆動。嵌裝線棒時采用半導體矽膠的裹包下線方法，避免下線過程中線棒受到損傷，同時降低了槽電位。

圖7 定子線棒在槽內的固定

3.2 T轉子的典型結構

3.2.1 轉子支架
與轉子支架中心體法蘭焊接在一起的支臂采用斜結構。該結構將保證在各種運行工況下的安全和穩定性：
• 定、轉子間空氣隙的均勻性
• 定、轉子的同心度

根據運輸條件的限製，轉子支架可以是整體結構，如長洲項目；或者是分瓣結構，在工地組焊成整體，如直崗拉卡項目。

3.2.2 疊片磁軛
疊片磁軛與轉子支架的連接有兩種方式。一種是在斜支臂與轉子支架中心體焊接後，靠焊接收縮力將磁軛與轉子支架連接在一起，如直崗拉卡項目；另一種是采用拉緊螺杆將磁軛與轉子支架連接，如長洲項目。


































圖8 磁軛疊片
3.3通風設計

3.3.1通風與冷卻
采用網絡分析計算方法進行大型燈泡發電機的通風計算，以確定電動風扇的技術參數。該計算方法的準確性已在很多大型燈泡發電機以及例如三峽電站和伊泰普電站的大型立式水輪發電機的應用中得到驗證。














圖9 通風計算和分析工具
3.3.2冷卻套
在大多數的燈泡式機組項目中，發電機的空氣冷卻器使用的冷卻水由電站的技術供水係統提供。一般是將河水經過濾後作為冷卻水。但有些項目，采用了冷卻套作為水－水熱交換器為空氣冷卻器提供循環冷卻水。

















圖10 冷卻套 圖 11 帶冷卻套的發電機總體布置

3.4彈簧連杆

彈簧連杆用於保護當某一個或幾個導葉在有異物卡住時免於破環。一旦發生導葉卡死，彈簧將發生彎曲並發出信號，機組控製係統發出命令使導葉打開，使異物隨水流走，然後連杆在彈簧力的作用下複位，無需停機。如果是減斷銷裝置，則必須停機。
圖12 彈簧連杆

3.5分塊瓦導軸承
軸承，作為轉動部分（主軸，轉子和轉輪）的主要支撐，對於機組的安全穩定運行起著非常重要的作用。對於大型貫流機組，軸承的支反力越來越大，我們必須提高軸承的承載能力。
公司設計製造的美國Rock Island貫流機組，出力58MW，轉輪直徑7.4m。其分塊瓦軸承支反力為170噸。
圖13 貫流機組剖麵圖
分塊瓦軸承的承載能力可以超過200噸，並且導瓦用球麵支釘支撐，具有自調整功能。
位於廣西的橋鞏（兩支點貫流幾組）項目，我們設計的導軸承就是分塊瓦結構。
圖14 分塊瓦軸承

4. 控製係統：HCS 7和 T.LSG

4.1水電控製係統(HCS)

作為一個全電廠集成商，阿爾斯通能為各類電廠提供可靠、高效的控製係統。我們既提供標準化的解決方案，也提供客戶化的解決方案，來滿足電廠的各種需求，並且覆蓋整個電廠的生命周期。


HCS是用於水電廠的監控係統，它是一個開放性的智能係統，能適應水電應用領域的各種類型。阿爾斯通的解決方案是基於在水電控製領域領先的經驗、自1973年以來的知識和技術的積累。


HCS能完整地集成用於水電機組的監控和保護產品：
 分布式邏輯控製（Alspa控製器）
 水輪機調速器（NEYRPIC® T.SLG）
 勵磁設備（Alspa Controgen）
 保護繼電器接口（Alspa DI103）
 溫度監測係統（Alspa TMS控製器）

下麵是產品介紹：


圖 15 HCS 7標準結構


4.2水輪機速度、負荷調節器(T.SLG)

它主要包括3個模塊;
• NEYRPIC® T.SLG UPC 模塊 (Unit Processing Controller), 用於速度調節
• NEYRPIC® T.SLG SPC 模塊(Servo Positioner Controller), 用於伺服馬達位置控製
• NEYRPIC® T.ADT 模塊( Auxiliary Digital Tachometer), 用於獨立的轉速測量

下麵是它的硬件介紹：

圖 16 貫流電站的硬件介紹

它在項目中是很靈活的，根據水輪機的需要，T.SLG能控製多至24個伺服馬達。按照調節功能的需要，它可以被設計成傳感器冗餘、速度調節器冗餘、全冗餘和客戶所要求的功能。




5. 結論

在總結多年經驗的基礎上，Alstom持續發展和強化開發模擬工具，實行標準化設計，加大試驗台的投資和建設，保持在貫流機組，包括水輪機、發電機和調速器的設計、製造、安裝和管理等各方麵的領先地位。

在過去的幾年裏，隨著市場的持續增長，Alstom在貫流機方麵已經取得了巨大成就。


作者簡介：

王誌高 1993年在中國農業大學水力機械專業獲得學士學位。1995年加入天津阿爾斯通公司，至1998年期間擔任投標工程師，1998年到2000年，擔任結構設計工程師。然後，主管水輪機計算工作。在此期間，曾先後參與了許多混流式、貫流式和水泵水輪機項目的設計和計算工作。經過多年的發展，現任天津阿爾斯通公司的水輪機專家。