水利工程論文-行星齒輪增速在貫流機(jī)組中的應(yīng)用前景.doc

水利工程論文-行星齒輪增速在貫流機(jī)組中的應(yīng)用前景摘要：在低水頭電站中，如設(shè)計(jì)水頭低于5m，對(duì)于轉(zhuǎn)輪直徑較大的機(jī)組，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速都很低。而采用齒輪增速能使發(fā)電機(jī)的尺寸成倍減小，可為用戶帶來(lái)一系列的效益。但在機(jī)電設(shè)備選型過(guò)程中，仍存在著認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，阻礙了增速方案的推廣。根據(jù)我國(guó)已運(yùn)行的諸多電站的經(jīng)驗(yàn)及機(jī)組選型實(shí)例，從運(yùn)行穩(wěn)定性、噪音、效率和經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的行星齒輪增速方案和直連方案進(jìn)行的綜合比較，展示了齒輪增速在超低水頭水力資源開(kāi)發(fā)中的廣闊前景。關(guān)鍵詞：行星齒輪增速貫流機(jī)組低水頭電站在低水頭水力資源的開(kāi)發(fā)中，燈泡貫流式、軸伸貫流式、軸流式和豎井貫流式等機(jī)型得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)目前已有200多臺(tái)軸伸貫流機(jī)組和150多臺(tái)燈泡貫流機(jī)組在運(yùn)行。另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)還有400多個(gè)電站擬采用這兩種機(jī)型。這類(lèi)電站裝機(jī)型式有直連和增速兩種，見(jiàn)圖1、圖2。在低水頭電站中，如設(shè)計(jì)水頭低于5m(筆者稱(chēng)超低水頭)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都不超過(guò)250rmin，如果采用常規(guī)的直連方式，會(huì)造成發(fā)電機(jī)的尺寸很大，帶來(lái)價(jià)格增高、效率降低、吊車(chē)容量和土建投資增大等一系列問(wèn)題。在臥式機(jī)組的布置形式中，利用行星齒輪增速取代常規(guī)的水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直連的方案，能使發(fā)電機(jī)尺寸成倍減小，上述問(wèn)題便迎刃而解。由于行星齒輪的效率已達(dá)到98%99%，發(fā)電機(jī)的效率也可比增速前提高2%4%，機(jī)組的綜合效率較直連方式可保持不變甚至更高。我國(guó)目前已有20多臺(tái)采用了齒輪增速的貫流式機(jī)組在運(yùn)行。根據(jù)電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及機(jī)組選型實(shí)例分析，已充分顯示出在開(kāi)發(fā)超低水頭水力資源時(shí)，采用增速齒輪的貫流機(jī)組的優(yōu)越性。下面就從運(yùn)行穩(wěn)定性、噪音、效率和經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)行星齒輪增速與直連方案進(jìn)行綜合比較。1機(jī)電設(shè)備造價(jià)在機(jī)組選型過(guò)程中，對(duì)于同一組電站參數(shù)，可供選擇的機(jī)型往往不只一種。如果各機(jī)型的性能參數(shù)相當(dāng)，那么價(jià)格優(yōu)勢(shì)就成為了最佳的選擇。表1為對(duì)幾個(gè)已運(yùn)行的軸伸、燈泡貫流式機(jī)組選型進(jìn)行的方案比較。從表1可以看出，使用增速器的軸伸貫流機(jī)組方案比不增速的方案機(jī)電設(shè)備投資可節(jié)省約15%20%。這是因?yàn)椋鏊俜桨傅乃俦纫话憧蛇x擇在i=46.3，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可提高35倍。對(duì)于同樣容量的發(fā)電機(jī)，其尺寸就可大大減小，重量也將成倍減輕。同時(shí)帶來(lái)以下幾方面的益處。(1)發(fā)電機(jī)的造價(jià)大大降低，即使增加了齒輪增速器及其潤(rùn)滑設(shè)備的投資，仍使得機(jī)電設(shè)備的總投資減少。(2)發(fā)電機(jī)的重量直接決定著廠房起吊設(shè)備的容量，由于發(fā)電機(jī)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(jī)組效率用戶普遍擔(dān)心增速后會(huì)影響機(jī)組的效率。實(shí)際上從如下的分析不難看出，這種擔(dān)心是沒(méi)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(jī)比相同容量的低速電機(jī)效率一般可增加3%以上，例如，SFW-1250403400發(fā)電機(jī)的效率約為92.2%，而SFW-125081430發(fā)電機(jī)的效率可達(dá)到95.2%，提高了3%，可見(jiàn)，采用行星增速器的機(jī)組總效率約仍可提高1%2%。(2)采用增速器后，水輪機(jī)選型不受同步轉(zhuǎn)速的限制，因而可將設(shè)計(jì)點(diǎn)選在水力效率較高的區(qū)域，從而可提高水輪機(jī)的水力效率約1%1.5%。(3)對(duì)于采用直連結(jié)構(gòu)的燈泡貫流式機(jī)組，燈泡直徑dm與轉(zhuǎn)輪直徑D1的比值一般為dmD1=1.121.2，進(jìn)水管直徑di與轉(zhuǎn)輪直徑D1的比值為diD1=1.952.25。對(duì)于采用齒輪增速器的燈泡貫流式機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)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(jìn)水條件，水力效率將有所提高。進(jìn)水管直徑di與水輪機(jī)直徑D1之比也可減小至1.8，從而減少了電站土建開(kāi)挖量。例如，江廈潮汐電站設(shè)計(jì)水頭為2.5m，發(fā)電機(jī)功率Np=500kW，采用天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所設(shè)計(jì)的GZN500WP250燈泡貫流式機(jī)組，增速器速比為i=500118=4.24，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW500121430，發(fā)電機(jī)效率g=93%，燈泡比dmD1=0.8。如采用直連結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)型號(hào)則為SFW500482860，發(fā)電機(jī)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(huì)使機(jī)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(lái)上述一系列好處，但如果增速器性能不過(guò)關(guān)，勢(shì)必會(huì)給電站的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)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(guò)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(jì)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(zhuān)業(yè)制造廠家已研制出了性能優(yōu)良的增速器系列(見(jiàn)表2)。3.1增速器的使用范圍在貫流式機(jī)組中，當(dāng)水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速小于214.3rmin(50Hz)及機(jī)組容量Np=6006000kW時(shí)，即推薦采用行星齒輪增速方案。通過(guò)增速器使發(fā)電機(jī)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(gè)重要指標(biāo)，增速器齒輪為無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，只要其制造質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求就能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)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(jī)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(hào)機(jī)自1981年已運(yùn)行了69500h，進(jìn)行檢查情況良好；而2號(hào)機(jī)則由于熱處理淬火硬度遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值，運(yùn)行了25200h即已損壞。由洛陽(yáng)礦山機(jī)械廠設(shè)計(jì)制造的XS63增速器于1990年在廣東艾壩電站投運(yùn)，運(yùn)行平穩(wěn)，從未拆卸。經(jīng)測(cè)試，行星齒輪增速器的噪音一般小于85db(A)。4增速器的再開(kāi)發(fā)受發(fā)電機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速的限制，增速器的速比目前一般不超過(guò)6.3。雖然已在很大程度上提高了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，帶來(lái)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(jī)構(gòu)的增速器，當(dāng)機(jī)組飛逸時(shí)，增速器自動(dòng)脫開(kāi)與發(fā)電機(jī)的連接，保護(hù)了發(fā)電機(jī)不致因飛逸而損壞。這種速比更高的增速器將會(huì)獲得更為理想的