大型转桨式水轮机的运行与发展

大型转桨式水轮机的运行与发展

近年来，水电工程的环境一直是讨论的话题，最近的争议集中于油污染。虽然在水电行业油的排放通常较少,但是在水电站,尤其是用油量较多的转桨式机组,当设备损坏时,会发生大量漏油。大型转桨式水轮机,自20世纪20年代使用以来,转轮体通常总是充满油。历史上,油有多种用途:用作叶片操作接力器的液压系统,润滑轴承和防止水进入。自从20世纪90年代初以来,瑞士GE水电公司的研究项目集中于寻找对环境损害较小的设计方案。1994年,Vattenfall、ABB电力公司(现为阿尔斯通公司)和克瓦纳水轮机公司组建一家联营公司(瑞典GE水电公司),建立了波尔尤斯水电中心。该中心的工作包括培训水电站人员以及水电领域的研发。波尔尤斯水电站是瑞典北极圈以北Lule河上的第一座电站,建于1910～1915年。该电站现已更新。原先的电站安装9台卧式机组,其中7台已进了博物馆,8号、9号机现已换成新的培训和研究用机组。研发机组已安装,便于将来采用新技术。机组的非埋入部分可用新研制的设备更换。该机组还另外安装了一些研发所必要的测量和观测设备。波尔尤斯研究和试验的主要范围是水动力学领域的缩尺效应。在机械领域,主要集中于新材料、新元器件及设计特性。研究的第3个领域是在真实条件下整个系统不同部件之间的相互作用。1998年6月,GE水电公司在波尔尤斯电站安装了第一个无油转桨式水轮机转轮。该机组设计成在布置转轮叶片操作机构的空间中灌满水。叶片操作接力器布置在转轮体的上游侧(现代转桨式转轮的常用设计),叶片操作机构配备5种永久润滑轴承材料:·DevaCuSnPb8213/8E(A2);·Devatex;·TenmatFEROFORMT814;·DevaCuSn8713/9P(A4);·ThordonTRAXL。轴承设计采用较高的表面压力。在叶片轴承中计算的最大表面压力大于40MPa,在连杆轴承中达到75MPa。转轮体下游的操作架与连接转轮叶片的转臂之间的连杆,设置应力计,以测量连杆受力情况,可用来评估不同轴承的摩擦力。转轮体零件应选用不锈材料。衬套采用青铜,而连杆、操作架、转臂、叶片枢轴(与叶片合成一起),活塞杆和销子均用不锈钢制造。转轮体底部无关紧要,用低碳钢制成,油漆保护。该机组按设计进行大量的转轮叶片操作。在2000年12月,对磨损测量信号进行调查研究,没有发现大的磨损,或轴承类型之间有什么差别。在许多场合下,测量轴承的摩擦力,以评估随时间的变化。摩擦测量的结果表明,摩擦力小于供货商给出的值。结果还表明,在初期运行后,摩擦力略有减小。实测的平均摩擦值为0.013～0.095。经过3a运行后,得出的主要结论是:转桨式水轮机转轮,采用永久性商用润滑轴承,且转轮体充满水时,能可靠地运行。但1～2a,要拆卸该转轮,以检查轴承和其他零部件的状况。1旋转密封件的安装波尔尤斯电站的9号机转轮开始运行后,研发工作集中于防止转轮中心体发生锈蚀。电站的机组,大多数零部件是用不锈钢或青铜制造。为了使设计出的转轮具有竞争性价格,某些零部件应采用便宜材料制造。瑞典GE水电公司与瑞典锈蚀研究所一起已完成了一项关于转桨式转轮锈蚀风险的研究项目。该研究发现:利用有效的密封技术,转轮可用脱气水灌注,防止锈蚀的扩展。研究认为,为了避免局部电化学腐蚀,重要的是许多表面区域不进行表面处理,用以消耗转轮体中残存的少量氧气。有许多使水脱氧的方法,主要是加热或化学方法。为防止有毒元素的进入,应避免化学物质,而用加热脱气水灌注转轮。在无油机组设计中,确定采用以下设计特性。接力器位于下游侧,允许从转轮检查平台做检查。所有的轴承采用永久性润滑,所有表面大的零部件,如转轮中心体和枢轴,将用低碳钢制造。只有小型元件用不锈钢制造。所有密封件的有效性均应得到充分证明。预计这种设计的第一个转轮将在明年制造。2预防四轴催化剂和叶片的选择2000年1月,Sydkraft电力公司为瑞典南部拉甘河上的特拉吕德水电站的一台机组的改造进行订货。协议要求这台机组按无油设计改造,作为这种技术的试验和参考点。特拉吕德电站是于1946年由Nohab公司投运,这家公司是瑞典GE水电公司的前身之一。该电站安装2台立轴转桨式水轮机,单机容量6.6MW。1964年,该水轮机作了改造,基础环换成不锈钢的,转轮装上了新的叶片和叶片密封。原先,转轮接力器位于水轮机与发电机轴交界处的主轴里面,转轮叶片调节运动通过水轮机轴中心的一根拉杆传送到转轮。转轮通过主轴中心活塞中的空腔充油。转轮中心体底部封闭,这意味着在操作叶片时,转轮体内部有位移改变。叶片枢纽原先与不锈钢叶片组合在一起。因此,为了将转轮改造为无油设计,需克服许多困难。转轮叶片情况相当好,所以决定不予更换。叶片和连杆机构轴承改用合成材料制成的永久性润滑轴承,材料中配制了PIFE用于润滑。连杆机构轴承中的其他零件改用不锈钢。转轮中心体底部改为开孔结构,允许活塞杆通过,消除了中心体内部位移改变。在密封和轴承位置处,该活塞杆的表面为不锈钢。该活塞杆也用不锈钢零件加长,通过转轮中心体底部。该转轮中心体用脱气水灌注。3统一轴系统故障下的油泵GE水电公司还开发了一种新的设计方案以使转轮体中的油量最小,并监测密封的性能。该想法是不将油灌满整个转轮,油只进入需润滑的转轮体内部的轴承。一旦这被实现,再通过轴将油泵出。这将通过在转轮内安装一个组合液压马达和油泵来实现。所有的轴承都是永久性润滑轴承,因此,缺少油润滑不会引起故障。油将由一个独立的液压系统提供。当水轮机处于正常转速时,打开电磁阀接通油路。这将有助于确保油泵不会长期干转。必要时,利用恒流阀,可精确控制流量和速度。轴中的控制管要修改,增加两根管子或油路,用以向马达供油和输送泵起的回油。在以前的设计中,专门用于静止油压的油路将转轮与大气压相通。将这2个油路恰当地连接到马达/油泵组,这与小型水轮机使用的型式类似。4压力循环式润滑法液压马达和油泵将安装在泄水锥中,因为那里有空间,适合于油泵取油。油泵的吸出点将决定转轮体中的油量,这将少于充满油量的10%。在定位油泵(吸出高)和安装管子时,必须考虑存在离心力。由于用软管连接,所以该单元可通过卸掉泄水锥很方便地检查和修理。马达的回油引到转轮叶片轴承,给轴承润滑。叶片操作机构中的其他轴承,将不会单独供油,因此,必须依赖轴承的永久性润滑。在老的转轮叶片密封中,常在转轮叶片的负压侧设有排水孔,以排除在压力侧漏进的水。GE水电公司的设计已将其作用倒过来。现在,在转轮叶片的压力侧,让水进入密封之间,以确保在内部密封外侧有水,其压力比由离心力引起的转轮体内的大气压力高。当流道中的压力低时,具有一定压力的水可从另一个方向流入,例如,从密