水利工程論文-行星齒輪增速在貫流機組中的應(yīng)用前景摘要：在低水頭電站中，如設(shè)計水頭低于5m，對于轉(zhuǎn)輪直徑較大的機組，水輪機的轉(zhuǎn)速都很低。而采用齒輪增速能使發(fā)電機的尺寸成倍減小，可為用戶帶來一系列的效益。但在機電設(shè)備選型過程中，仍存在著認識上的誤區(qū)，阻礙了增速方案的推廣。根據(jù)我國已運行的諸多電站的經(jīng)驗及機組選型實例，從運行穩(wěn)定性、噪音、效率和經(jīng)濟性等方面，對貫流式水輪發(fā)電機組的行星齒輪增速方案和直連方案進行的綜合比較，展示了齒輪增速在超低水頭水力資源開發(fā)中的廣闊前景。關(guān)鍵詞：行星齒輪增速貫流機組低水頭電站在低水頭水力資源的開發(fā)中，燈泡貫流式、軸伸貫流式、軸流式和豎井貫流式等機型得到了廣泛的應(yīng)用。我國目前已有200多臺軸伸貫流機組和150多臺燈泡貫流機組在運行。另據(jù)不完全統(tǒng)計還有400多個電站擬采用這兩種機型。這類電站裝機型式有直連和增速兩種，見圖1、圖2。在低水頭電站中，如設(shè)計水頭低于5m(筆者稱超低水頭)，水輪機的轉(zhuǎn)速一般都不超過250rmin，如果采用常規(guī)的直連方式，會造成發(fā)電機的尺寸很大，帶來價格增高、效率降低、吊車容量和土建投資增大等一系列問題。在臥式機組的布置形式中，利用行星齒輪增速取代常規(guī)的水輪機與發(fā)電機直連的方案，能使發(fā)電機尺寸成倍減小，上述問題便迎刃而解。由于行星齒輪的效率已達到98%99%，發(fā)電機的效率也可比增速前提高2%4%，機組的綜合效率較直連方式可保持不變甚至更高。我國目前已有20多臺采用了齒輪增速的貫流式機組在運行。根據(jù)電站的運行經(jīng)驗及機組選型實例分析，已充分顯示出在開發(fā)超低水頭水力資源時，采用增速齒輪的貫流機組的優(yōu)越性。下面就從運行穩(wěn)定性、噪音、效率和經(jīng)濟性等方面，對行星齒輪增速與直連方案進行綜合比較。1機電設(shè)備造價在機組選型過程中，對于同一組電站參數(shù)，可供選擇的機型往往不只一種。如果各機型的性能參數(shù)相當(dāng)，那么價格優(yōu)勢就成為了最佳的選擇。表1為對幾個已運行的軸伸、燈泡貫流式機組選型進行的方案比較。從表1可以看出，使用增速器的軸伸貫流機組方案比不增速的方案機電設(shè)備投資可節(jié)省約15%20%。這是因為，增速方案的速比一般可選擇在i=46.3，此時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可提高35倍。對于同樣容量的發(fā)電機，其尺寸就可大大減小，重量也將成倍減輕。同時帶來以下幾方面的益處。(1)發(fā)電機的造價大大降低，即使增加了齒輪增速器及其潤滑設(shè)備的投資，仍使得機電設(shè)備的總投資減少。(2)發(fā)電機的重量直接決定著廠房起吊設(shè)備的容量，由于發(fā)電機重量的減輕，起吊設(shè)備容量必將減小，因而也減少了部分投資。2機組效率用戶普遍擔(dān)心增速后會影響機組的效率。實際上從如下的分析不難看出，這種擔(dān)心是沒有必要的。(1)行星齒輪增速器的效率為98%99%，所以損失了1%2%的效率。而高速電機比相同容量的低速電機效率一般可增加3%以上，例如，SFW-1250403400發(fā)電機的效率約為92.2%，而SFW-125081430發(fā)電機的效率可達到95.2%，提高了3%，可見，采用行星增速器的機組總效率約仍可提高1%2%。(2)采用增速器后，水輪機選型不受同步轉(zhuǎn)速的限制，因而可將設(shè)計點選在水力效率較高的區(qū)域，從而可提高水輪機的水力效率約1%1.5%。(3)對于采用直連結(jié)構(gòu)的燈泡貫流式機組，燈泡直徑dm與轉(zhuǎn)輪直徑D1的比值一般為dmD1=1.121.2，進水管直徑di與轉(zhuǎn)輪直徑D1的比值為diD1=1.952.25。對于采用齒輪增速器的燈泡貫流式機組，由于發(fā)電機尺寸減小，燈泡比dmD1約可減小至0.8，這樣使流道更加平直，改善了進水條件，水力效率將有所提高。進水管直徑di與水輪機直徑D1之比也可減小至1.8，從而減少了電站土建開挖量。例如，江廈潮汐電站設(shè)計水頭為2.5m，發(fā)電機功率Np=500kW，采用天津電氣傳動設(shè)計研究所設(shè)計的GZN500WP250燈泡貫流式機組，增速器速比為i=500118=4.24，發(fā)電機型號為SFW500121430，發(fā)電機效率g=93%，燈泡比dmD1=0.8。如采用直連結(jié)構(gòu)，發(fā)電機型號則為SFW500482860，發(fā)電機效率g=89.2%，燈泡比dmD1=1.15。綜上所述，采用增速器后不僅不會使機組總效率降低，反而可提高約1.5%3%。3使用增速器盡管可帶來上述一系列好處，但如果增速器性能不過關(guān)，勢必會給電站的運行和維護帶來困難，甚至影響發(fā)電。早期的制造商受技術(shù)水平、加工設(shè)備和工藝等影響，增速器性能往往不過關(guān)，阻礙了增速方案的使用和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，增速器的設(shè)計水平、制造精度和工藝、材料性能等方面都有了顯著的提高。增速器的專業(yè)制造廠家已研制出了性能優(yōu)良的增速器系列(見表2)。3.1增速器的使用范圍在貫流式機組中，當(dāng)水輪機額定轉(zhuǎn)速小于214.3rmin(50Hz)及機組容量Np=6006000kW時，即推薦采用行星齒輪增速方案。通過增速器使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速提高到500，600，750或1000rmin。3.2增速器的壽命和噪音增速器的壽命和噪音是影響增速器性能的兩個重要指標(biāo)，增速器齒輪為無限壽命設(shè)計，只要其制造質(zhì)量達到設(shè)計要求就能保證長期穩(wěn)定的運行。而增速器軸承的壽命一般為45年，所以要定期檢修和更換軸承。江廈潮汐電站的雙向燈泡貫流機組，使用的是杭州重型齒輪箱工業(yè)公司所生產(chǎn)的行星齒輪增速器。其1號機自1981年已運行了69500h，進行檢查情況良好；而2號機則由于熱處理淬火硬度遠未達到設(shè)計值，運行了25200h即已損壞。由洛陽礦山機械廠設(shè)計制造的XS63增速器于1990年在廣東艾壩電站投運，運行平穩(wěn)，從未拆卸。經(jīng)測試，行星齒輪增速器的噪音一般小于85db(A)。4增速器的再開發(fā)受發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速的限制，增速器的速比目前一般不超過6.3。雖然已在很大程度上提高了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，帶來了一系列的效益，但仍然未能最大限度地發(fā)揮增速器的作用。目前有的增速器制造廠家正在研制一種帶有脫扣機構(gòu)的增速器，當(dāng)機組飛逸時，增速器自動脫開與發(fā)電機的連接，保護了發(fā)電機不致因飛逸而損壞。這種速比更高的增速器將會獲得更為理想的