高志远，杨雪姣，周 宁，周同旭

（1.中国电力工程有限公司，北京100048；2.天津电气科学研究院有限公司，天津300300）

在小流域低水头水力资源的开发利用中，小型整装灯泡贯流式水轮发电机组因其结构紧凑、效率高、安装方便等优点，越来越受到关注。在国外已得到广泛的应用，在国内也开始研发这类机型。1998年天津辰发电力设备有限公司陆续为甘肃、广东和陕西三个电站生产了整装灯泡贯流式水轮发电机组，投入运行后各项指标都达到了设计要求，为开发整装灯泡贯流式水轮发电机组累积了丰富的经验。

1 转轮应用

整装灯泡贯流式机组是为了满足水头低、单机容量过小、安装检修不方便或根本无法拆装的问题，而专门研制的一种可在制造厂完成制造、装配后，且形成一个整体，进行必要的试验，合格后整体运输至工地，整体吊入安装的全新机型（见图1）。

图1

为增加通用性以便推广，采用常规灯泡贯流式水轮机流道，采用常规的灯泡贯流式转轮。系列产品根据水头的高低决定采用4叶片的995及3叶片的1 250 a两种转轮。

这两个转轮处于国内领先水平，其效率比目前常用的轴流式、轴伸贯流式机组高出2%～5%，比半整装的齿轮增速的灯泡贯流机组的效率高2%～3%。

2 布置形式

由于采用常规灯泡贯流转轮和流道，新型整装灯泡贯流式水轮发电机组的电站布置，和大型灯泡贯流式机组基本相同。由于机组段采用整装设计，现场整体吊装，水工设计更加简单。

根据实践经验证明：当电站的一次、二次电气设备、调速器安装完毕，机组的进口管基础环及尾水管里衬，基础板及地脚螺栓按技术要求埋设完毕后，机组整体直接吊入安装，时间仅用4～6 d。如进行少量的二次混凝土工作，也仅需1个月左右即可发电。比常规立式轴流及轴伸贯流机组缩短安装周期约2个月左右，也比半整装式增速机组省去发电机与水轮机的现场连接工作量。机组安装示意图见下页图2。

3 结构特点

新型整装灯泡贯流式机组采用整装直联式，发电机及水轮机同一转速，采用同一根轴。在厂内完成整体装配，进行必要的试验合格后，整体运输至工地，不需解体整体吊入安装，保证了机组的性能及快速安装的特性。

图2

3.1 水轮机

水轮机部分主要由机壳、转轮、导水机构、导轴承及推力轴承、主轴密封等部件组成。

1）转轮：本系列产品根据水头的高低决定采用4叶片的995及3叶片的1 250 a两种转轮（更高水头则采用5叶片转轮）。

2）导水机构：采用与模型机导叶数相同的活动导叶。导叶控制系统由导叶臂、连杆、控制环等组成。通过控制环与微机调速器连接可实现自动控制导叶的开启和关闭。

3）轴承及推力轴承：均采用进口的SKF高质量滚动轴承，此种轴承的使用寿命不小于50 000 h，轴承的润滑采用油脂润滑。

4）主轴密封：采用盘式密封、填料采用GORE膨体聚四氟乙烯带状材料，由流道自然水作为冷却和润滑水，少量渗水由排水管排至集水井。

5）机壳：整装灯泡贯流式水轮发电机组设有一个特殊的机壳，机壳由内圈和外圈及上、下两个固定导叶构成。内圈作为发电机的定子机座，内、外圈的空间作为水力流通之用。上、下固定导叶制成流线型的空腔体，作为通风和电缆及管道的通道，同时固定导叶也是机组的支撑（见图3）。

图3

3.2 发电机

灯泡贯流式水轮发电机的设计难点是电磁匹配和通风散热，在小型整装灯泡贯流式水轮发电机的设计中，这两个问题更为突出。在设计整装灯泡贯流式水轮发电机的过程中，借鉴了大型灯泡贯流式机组的设计成果，并在风路设计中有新的突破，较好地解决了通风散热问题，通过鹦鸽水电站400 kW的运行实践表明，机组的各项技术指标都达到了设计的预期效果。

1）定子：机壳的内圈作为发电机的定子机座，机壳的内圈的内径经机加工后装有定子铁心，铁心与机壳内圈的内侧紧贴，形成“贴壁”结构，机壳内圈的外侧与水接触，可带走发电机运行中20%～25%的发热量。定子铁心采用高导磁无取向的冷轧硅钢片，定子线圈采用F级绝缘，采用一次模压成型工艺。压板采用非磁性材料，更有效减少涡流损耗。

2）转子：转子由磁极，磁极线圈、转子支架和主轴等组成。磁极冲片选用高导磁材料，磁极线圈设计成散热匝的高效散热线圈。磁极可根据转速的高低设计成“T”尾或螺栓与转子支架把合的方式。

3）通风方式：采用外加风机管道式强迫风冷却，将上固定导叶的空腔分隔成上、下游2个通道，冷风由上固定导叶的上游通道进入，热风由上固定导叶的下游通道排除。定、转子间轴向设有3条通风道：极间通道、气隙通道和铁心的齿间通道。风机型号根据计算所需的风量和风压选定。

4）主轴：整装灯泡贯流式水轮发电机组属于机电一体化产品，水轮机和发电机共用一根轴。主轴由两个支点作为支撑。径向-推力轴承位于转子的上游侧，采用滚动轴承。导轴承位于水轮机的转轮上游侧，采用径向滚动轴承。

5）防结露措施：机组停机时，长期处在温度较低、湿度较大的环境中，机组装设结露排水管和电加热装置，可解决此问题。

3.3 攻克要点

1）高周速ν=12 m/s，不加外来润滑水的密封试验及电站实测。

2）超出力时机组温升的实验、实测（包括通风试验）。

3）在防止轴电流时，高速润滑脂滚动轴承的温升测试。

4）长引水管道水流系统中小惯量（τa=1.5 s）机组在手电动调速器操作时并网的技术。

5）噪声及振动的评估（出力由40 kW至420 kW）。

6）停机时机组内部凝露的观察。

鹦鸽电站机组出力在40～420 kW时，均稳定运行，电机的温升更使人满意（在超出力420 kW时，定子线圈温度为69℃）。总结该型机组的实践经验，尤其是通过在现场对电机的温升、通风的风量、风压、轴承的温度、油脂的运行情况、主轴密封的润滑摩擦及水轮机在各不同负荷下运行特性，及对其噪声、振动的测定，在小机组惯量及大水流加速时间常数下，配合业主完满地进行并网的试验。

在这些大量实测验证理论、分析及不断改进完善的基础上，设计制造了单机500 kW转轮直径为1.3 m的新型整装灯泡贯流式机组，技术更先进、质量更可靠。

4 适用范围及前景展望

水电作为绿色的再生能源，具有其他能源不可替代的优势。随着水力资源的深入开发，小流域低水头水力资源的利用越来越受到关注。因此，整装灯泡贯流机组将成为开发利用小流域低水头水力资源较好的选择机型之一。

新型整装灯泡贯流式机组比常用的轴流式、轴伸贯流式及带齿轮增速的半整装灯泡机组有着更高的效率，更小的噪声及更简洁的结构及良好维护性能和快速安装特性。厂房的尺寸及投资可大大节省。根据实践总结及计算、分析，采用此类型产品比以往的小型轴流式、轴伸贯流式机组可使电站年电能增加5%～10%，电站的总投资降低10%～20%，施工及安装周期缩短1～3个月。

为了便于该机型的推广和使用，该机型进行了系列化的选型设计供选型时参考。

该标准系列产品按转轮直径分别为D1=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m，其单机容量（按水头及流量分类）由100 kW至2 500 kW，共有48个基本规格品种，基本能满足目前低水头、小容量电站的选型及参考的需要。本标准产品中的吸出高度均按海拔为0.0 m计算。

另，机组重量一般不超过3.0 t，以方便运输的需要。因此，水轮机水头在5 m以下，转轮的标准直径为 0.8 m、0.71 m、0.63 m、0.56 m、0.5 m、0.45 m、0.4 m、0.36 m、0.32 m。标准出力为125 kW、100 kW、75 kW、55 kW、40 kW、30 kW、24 kW、20 kW、16 kW、12 kW。转速最高为1 500 r/min。

整装灯泡机组作为经济、高效、可靠的产品，成为低水头小型水电设备的最佳选择之一。随着低水头水力资源的进一步开发利用，对环境要求的提高，新型整装灯泡贯流式机组有着极为广阔应用前景。