介绍

Alstom，作为世界开发贯流机组的先驱者，可以根据业主的特殊要求和项目的具体情况，提供一套成功的技术。遍布全世界的数百台机组的成功设计和运行，清楚地告诉我们：Alstom公司不愧为世界水电的先驱。

下表列出了近10年来在中国市场上投入商业运行的主要贯流机组名称和参数：
国家    项目名称    运行年份    机组台数    出力    最大水头    额定转速
(r/min)    转轮直径    发电机
                                容量    电压
                (MW)    (mwc)        (mm)    (MVA)    (kV)
中国    贵岭    1998    2    4.7    6.50    115.4    3850    5    6.3
    沙县    1999    3    16.5    11.70    100    4900    17.8    6.3
    贡川    2001    2    22.2    12.2    100    5500    23.9    10.5
    峡阳    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
    木龙滩    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
    直岗拉卡    2005    4    39.0    17.5    100    6100    40    10.5
    西门    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
    东溪    2006    2    9.4    7.13    83.3    5400    10    6.3
    龟都府    2007    3    22.7    13.40    120    4800    23.9    10.5
    长洲    2007    3    42.9    16.00    75    7500    45.6    13.8
    铜湾    2007    4    46.2    14.00    83.3    7100    47.4    10.5
    桥巩    2008    4    58.5    24.3    83.3    7450    62    10.5
    乌金峡    2008    4    36.1    13.04    78.9 5    7000    36.8    10.5
表1 中国市场上已运行的主要贯流机组名称

该文章旨在介绍Alstom公司在大型贯流机组的研究和开发方面的经验和实践。在总体介绍之后，将主要讲述下列内容：
•    通过专业的大型流体动态计算软件CFD进行优化的水力设计，可以通过模型试验得到论证。在Alstom试验室里，有个专门为贯流机组设计的试验台。

•    为了保证在高水头下具有良好的静态和动态特性，我们对机组支撑系统的结构设计进行了详细的研究和分析。

后面将讲述支撑系统的动态计算。

•    结构设计方面，包括发电机转子斜支臂结构、定子机座“V”形筋结构、通风冷却系统采用冷却套、定子铁芯穿心拉紧螺杆和蝶形弹簧的压装结构、定子线棒在槽内的装配结构，水轮机活动导叶的保护装置-弹簧连杆，以及特大支反力时的分块瓦导轴承设计。

•    水轮机速度负荷调节器(T.SLG)和水电控制系统(HCS)的总体介绍。

阿尔斯通水电公司设计制造的机组，融合了大量的先进理念，可以保证机组在各种条件下稳定运行。与以前的贯流机组比较，现在的机组条件更复杂：
•     机组出力达60MVA以上
•     最大水头增加了很多
•     轴承支反力达200吨以上

关键词：贯流机组；水力设计；模型试验；动态计算；机械设计；水头；出力和径向力
 
1.    水力设计和模型试验

1.1    水力设计
       
由于需要在低水头或超低水头下运行，贯流机组通常设计成为双调节机构。运行水头的限制主要取决于结构特性，但同时，这种双调节机构可以保证机组在流量变幅很大的条件下运行。而且，贯流机组的尾水管是直的，其性能比轴流机组要好，开挖深度要小很多。

总体来说，对于低水头项目，贯流式设计是最佳选择。

但是，为了获得最佳性能，设计之前应进行充分调研，主要包括三方面：

a)    导水机构的设计：实际上，包括流道的几何形状，导水机构能够在转轮进口前形成运动力矩（在某种程度上讲，这是贯流机组的特点）。正因如此，导水机构必须经过优化设计，减小水头损失的同时，还要在某些特定工况点获得预期的运动力矩。

b)    转轮设计：当然是高性能，包括在预期运行范围内有优良的效率、气蚀及飞逸等特性。

c)    尾水管的设计：贯流机组水头相对较低，流量大，尾水管的水头损失相单大。因此，水力设计时必须考虑尾水管具有良好性能（考虑转轮出口流场，即尾水管进口）。

1.2    CFD方法

Alstom公司为水轮轮机叶片的设计开发了专用软件。通过该软件我们可以确定叶片的主要参数，如：进口角，出口角，叶片厚度，等等。

确定关键运行工况点后，通过该软件可以设计水轮机的预估参数，包括转轮进出口运动力矩，和尾水管进口的流场分布。

下图表示的是用该软件对导水机构、转轮和尾水管联合模拟设计。





图1  CFD图示

与此同时，Alstom公司根据形状优化方法开发了一种软件。此时，形状设计预期值将作为目标函数，水力设计参数作为设计变量。在优化过程中，可以应用内部运算法则（如极度收敛等），即用有限时间达到最小的局部集合；也可以应用根源运算法则，即用较长时间达到最小的集合总量。然后，计算结果提交给设计者，他可以根据项目的实际情况和水力参数允许变化的范围进行选择。

设计者根据上述方法确定水轮机的几何尺寸，然后把按比例制造的模型装在Alstom的模型试验台上进行模型试验。


1.3 Model Test 模型试验

当运行工况特征无法数字化时（如汽蚀对转轮性能的影响，飞逸特性，等等），模型试验是用来证明机组特性的最主要手段。

在Alstom位于法国Grenoble市的水轮机技术中心，有个贯流机组专用试验台。





图2  贯流机组试验台

在该实验台上，可以测量IEC标准规定的各种性能参数，如：效率，出力，飞逸转速，轴向水推力，稳定性，Winter-Kennedy法测量压力，活动导叶和转轮叶片的水力矩，等等。

模型水轮机的各种性能参数都可以在该试验台上进行测量，并可以确定所有的协联工况点。一旦确定了山形图，就可以开始进行汽蚀试验。由于上下游水箱的压力可以变，因此我们可以很容易得到整个运行范围内各个工况点的水轮机特性， 甚至是超出真机预计范围的更加危险的工况。我们还要研究各种汽蚀，如各种水头和流量下的进口汽蚀，轮毂汽蚀等。然后，我们还会测量在各种桨叶和导叶角度下的飞逸情况，确定在不同工况点时的飞逸转速和飞逸流量，也会考虑汽蚀对飞逸特性的影响。我们还会测量尾水管的压力脉动，主要检查在协联工况下在尾水管是否有明显的压力脉动。最后，再测试轴向水推力，或桨叶水力矩等。

 
2.    支撑系统的结构设计和动态计算

整个机组完全由座环支撑，通过该支撑，座环传给混凝土很大的力和力矩。
为了提高整个灯泡的刚度，我们在座环下进人筒前加注混凝土支墩。
在结构设计时，Alstom用有限元方法对整个机组进行计算。

该有限元计算模型（用ANSYS软件）包括灯泡体的所有的金属部件，如钢板件，及包含定子转子的轴系，拉锚及稳定性支撑等。与混凝土连接处用接触单元进行模拟。

首先，我们对结构进行静态分析，计算结果包括灯泡体的变形，金属结构和混凝土的应力，混凝土的受力分布和所受比压；计算工况包括流道无水（安装）/ 充水工况，正常运行/飞逸工况，电磁短路等瞬态计算。


另外很重要的一点就是我们要对机组进行详细的动态计算，该计算包括转动部分和固定部分的固有频率，固定部分包括座环和泡头上的水平等各种辅助支撑。下面是几种典型的模态图形：



图4 转动部分的弯振频率    
图5 灯泡体的扭振频率    图6 灯泡体的翻转频率
 
3.    发电机和水轮机的设计特点

3.1定子的典型结构

3.1.1定子机座的“V”形筋
 “V”形筋在径向上具有弹性，能够：
•    防止定子铁芯翘曲变形
•    减小风阻，增强冷却效果

3.1.2定子铁芯的压紧
定子铁芯压装系统采用穿心螺杆和蝶形弹簧，可以有效防止铁芯长期运行后松动。

3.1.3定子线棒在槽内的固定
采用弹性波纹垫条保证线棒在槽内不松动。嵌装线棒时采用半导体硅胶的裹包下线方法，避免下线过程中线棒受到损伤，同时降低了槽电位。

图7 定子线棒在槽内的固定

3.2 T转子的典型结构

3.2.1 转子支架
与转子支架中心体法兰焊接在一起的支臂采用斜结构。该结构将保证在各种运行工况下的安全和稳定性：
•    定、转子间空气隙的均匀性
•    定、转子的同心度

根据运输条件的限制，转子支架可以是整体结构，如长洲项目；或者是分瓣结构，在工地组焊成整体，如直岗拉卡项目。

3.2.2  叠片磁轭
叠片磁轭与转子支架的连接有两种方式。一种是在斜支臂与转子支架中心体焊接后，靠焊接收缩力将磁轭与转子支架连接在一起，如直岗拉卡项目；另一种是采用拉紧螺杆将磁轭与转子支架连接，如长洲项目。


 































图8 磁轭叠片
3.3通风设计

3.3.1通风与冷却
采用网络分析计算方法进行大型灯泡发电机的通风计算，以确定电动风扇的技术参数。该计算方法的准确性已在很多大型灯泡发电机以及例如三峡电站和伊泰普电站的大型立式水轮发电机的应用中得到验证。














图9 通风计算和分析工具
3.3.2冷却套
在大多数的灯泡式机组项目中，发电机的空气冷却器使用的冷却水由电站的技术供水系统提供。一般是将河水经过滤后作为冷却水。但有些项目，采用了冷却套作为水－水热交换器为空气冷却器提供循环冷却水。






 










图10 冷却套                                                       图 11 带冷却套的发电机总体布置

3.4弹簧连杆

弹簧连杆用于保护当某一个或几个导叶在有异物卡住时免于破环。一旦发生导叶卡死，弹簧将发生弯曲并发出信号，机组控制系统发出命令使导叶打开，使异物随水流走，然后连杆在弹簧力的作用下复位，无需停机。如果是减断销装置，则必须停机。
图12 弹簧连杆
 
3.5分块瓦导轴承
轴承，作为转动部分（主轴，转子和转轮）的主要支撑，对于机组的安全稳定运行起着非常重要的作用。对于大型贯流机组，轴承的支反力越来越大，我们必须提高轴承的承载能力。
公司设计制造的美国Rock Island贯流机组，出力58MW，转轮直径7.4m。其分块瓦轴承支反力为170吨。
图13 贯流机组剖面图
分块瓦轴承的承载能力可以超过200吨，并且导瓦用球面支钉支撑，具有自调整功能。
位于广西的桥巩（两支点贯流几组）项目，我们设计的导轴承就是分块瓦结构。
图14 分块瓦轴承
 
4.    控制系统：HCS 7和 T.LSG

4.1水电控制系统(HCS)

作为一个全电厂集成商，阿尔斯通能为各类电厂提供可靠、高效的控制系统。我们既提供标准化的解决方案，也提供客户化的解决方案，来满足电厂的各种需求，并且覆盖整个电厂的生命周期。


HCS是用于水电厂的监控系统，它是一个开放性的智能系统，能适应水电应用领域的各种类型。阿尔斯通的解决方案是基于在水电控制领域领先的经验、自1973年以来的知识和技术的积累。


HCS能完整地集成用于水电机组的监控和保护产品：
    分布式逻辑控制（Alspa控制器）
    水轮机调速器（NEYRPIC® T.SLG）
    励磁设备（Alspa Controgen）
    保护继电器接口（Alspa DI103）
    温度监测系统（Alspa TMS控制器）

下面是产品介绍：


图 15  HCS 7标准结构


4.2水轮机速度、负荷调节器(T.SLG)

它主要包括3个模块;
•    NEYRPIC® T.SLG UPC 模块 (Unit Processing Controller), 用于速度调节
•    NEYRPIC® T.SLG SPC 模块(Servo Positioner Controller), 用于伺服马达位置控制
•    NEYRPIC® T.ADT 模块( Auxiliary Digital Tachometer), 用于独立的转速测量

下面是它的硬件介绍：

图 16 贯流电站的硬件介绍

它在项目中是很灵活的，根据水轮机的需要，T.SLG能控制多至24个伺服马达。按照调节功能的需要，它可以被设计成传感器冗余、速度调节器冗余、全冗余和客户所要求的功能。
 


 
5.    结论

在总结多年经验的基础上，Alstom持续发展和强化开发模拟工具，实行标准化设计，加大试验台的投资和建设，保持在贯流机组，包括水轮机、发电机和调速器的设计、制造、安装和管理等各方面的领先地位。

在过去的几年里，随着市场的持续增长，Alstom在贯流机方面已经取得了巨大成就。


  作者简介：

  王志高 1993年在中国农业大学水力机械专业获得学士学位。1995年加入天津阿尔斯通公司，至1998年期间担任投标工程师，1998年到2000年，担任结构设计工程师。然后，主管水轮机计算工作。在此期间，曾先后参与了许多混流式、贯流式和水泵水轮机项目的设计和计算工作。经过多年的发展，现任天津阿尔斯通公司的水轮机专家。