不均衡的过水流量使整个河流在该处产生了一个瓶颈
摘要：立式灯泡式水轮发电机组的运行使水电站进一步提高经济效益成为可能，是对长期存在的灯泡式水轮机和发电机只能作为卧式机组这一固有观念的突破。2002年，这种设备在Kaminojiri第二发电厂被安装并开始商业化运行，其主要特征以及立式灯泡式机组技术的特别之处，将在本文中进行阐述。
虽然水力发电作为一种可再生的环保型能源，一段时间以来在日本已成为主要的发电来源之一。但不容忽视的是，经济上合理、技术上可行的坝址已经被开发利用，因此最近几年中水电事业没有实现预期的发展。与此同时，设备的更新、改进和现有电站的重建已成为当前的科研主题，相关科研成果在很多地方得到应用。
在这一背景下，Tohoku电力公司对阿贺野河上所建的为数众多的大坝实施了一套长期的改造计划。针对下游水的可利用量少于上游，改造计划主要实现了平衡电厂装机容量的目的，以确保更有效地利用丰富的水资源。
1.Kaminojiri第二发电厂
Kaminojiri第二发电厂在Kaminojiri电站原有坝址基础上扩建而成。原电厂的最大过水流量低于阿贺野河上、下游新建的其它水电厂约100 m3/s，不均衡的过水流量使整个河流在该处产生了一个瓶颈，以致于影响到河系上电厂的整体运行。因此，对已有的Kaminojiri水坝实施改造对于有效利用该河的水资源有着十分重大的意义。
立式灯泡式水轮发电机组对于该项目而言是最合适的，考虑到水头和流量，采用传统的卧式水轮机较为困难，且成本相对较高，原因有以下几点：
（1）场地的限制，比如：河堤、公路、铁路等等，使发电厂房内没有足够的空间安装传统的卧式机组。
（2）现有大坝投入运行以来，受引水渠和尾水渠的空间限制，难以提供适合于卧式灯泡式机组的直线水流通道。
为解决以上问题且节约成本，Tohoku电力公司和Voith Fuji水力发电集团共同研制出立式灯泡式机组，实现了观念的创新。该机组的首次应用是在Kaminojiri第二发电厂，于2002年6月投入商业运行。
发电厂位置和厂房平面布置见图1，发电厂房的横断面图见图2，Kaminojiri第二发电厂水轮机和发电机的详细参数见表1。
立式灯泡式机组的研制和成功应用获得了日本电力科学技术发展协会授予的欧姆技术奖，以示对这一先进技术成就的奖励。
2.技术及经济优势
立式灯泡式机组与传统卧式灯泡式机组相比具有以下几点优势（二者的配置见图3）
（1）水轮机和发电机均立式布置，占用厂房空间小了，因此立式机组能在更小的空间内安装使用。
（2）因为引水渠、锥管及尾水渠可设计成任意角度而不妨碍确定水轮机、发电机的核心位置，因此不会受已有场地条件的限制。
（3）从引水渠的进口到进水口之间的上游渠道长度缩短，因此进水流道的水头损失将减少，水头将增大。
（4）通过布置于引水渠进水口上方的门式起重机，水轮机和发电机的主要部件全部能够被吊起和放下，使装配和拆除更加容易，因此安装时间、检修周期会大大缩短。
从以上几点优势来看，Kaminojiri第二发电厂经济上更合理是显而易见的（与传统卧式灯泡式机组相比），见表2。
3.先进技术
3.1 立式灯泡式机组的特有技术
立式灯泡式机组投入Kaminojiri电厂运行时，有数项先进技术被采用于水轮机、发电机和土建工程，下文对这些技术做详细的阐述。
（1）灯泡式支撑体系
采用立式灯泡式机组时，水对水轮机的推力和水轮机、发电机的自重均作用于灯泡式底座上（相当于卧式灯泡式水轮机的固定导叶），这就意味着底座要承受大约相当于作用在卧式机组的双倍荷载。
底座的变形会使安装在其下游方向的导流叶片产生侧方间隙，另一方面，水流中灯泡底座的阴影区域会影响涡水轮机的性能。
考虑以上因素，通过对应力、应变等进行静态分析计算，并对固有频率、振动特性等进行动态分析计算后，制作了一个包括立式灯泡式机组的旋转部件、固定部件在内的整体模型，将四撑杆的底座应用于样机中。
为便于理解，图4给出了有限元法模型。
（2）吸入旋涡
如图2所示，立式灯泡式机组直接使用引水渠进水口的水，当上游水位下降、进水口水深变浅时，将形成吸入旋涡，严重时会持续不断地混入空气，因此在灯泡体内产生相当大的振动。
为了观察吸入旋涡的一般特性，首先做了一个基本的水力模型试验，然后通过更大比例尺的水工结构实体模型，做了一个流量、水深动态变化情况下的更具体的模型试验。营造自然运行条件，目的是为了深入研究水轮机吸入旋涡的具体特征。根据这些试验结果，在进水口的顶部配备了吸入旋涡防护整流钢板。
3.2 免维护技术
取消了辅助设备，无油润滑部件和以下提到的用于立式灯泡式机组的许多其它技术设备实现了免维护运行，从而减少了维护成本。
（1）发电机的通风冷却技术
在灯泡式机组中，发电机安装在灯泡体内水流通道内，因此同其它类型的发电机相比在维修和检查时非常困难。另一方面，发电机淹没在河水中对其自身的冷却有利，因此为了取消辅助设备，各种各样的风冷系统被研制并运用。
Kaminojiri第二电厂也不例外，在使用了下述的技术之后，取消了用于通风冷却的辅助设备。
A.定子直接散热：这是用于冷却定子铁芯的办法。定子架为单壳体，定子铁芯直接附在壳上，铁芯产生的热量直接释放到流动的河水中。
B.散热片冷却装置：用于定子绕组的转子和线圈端散热，以铜为材料的散热片附着在灯泡体鼻部内侧，使产生的热量通过散热片直接释放于流动的河水中。
C.自身通风：通过定子架外壳直接冷却定子铁芯和定子绕组。通过散热片释放的只是定子绕组中的转子和线圈端产生的热量，同时会使所需冷却风量减少为一般冷却装置的一半左右。因此，在转子磁轭架上安装风扇实现自行通风后，使散热片冷却结构减少通风损耗成为可能。
（2）发电机轴承技术
发电机轴承位于伞形装置内部，冷却推力轴承采用一种新方式，即：借助于灯泡式底座。底座为单层板式结构，夹层内充填润滑油，在推力环的自抽作用下油在板内循环，然后将热量直接释放到流动的河水中，见图5。
（3）水轮机无油润滑技术
水轮机的导向轴承采用酚醛树脂水润滑轴承，不再使用润滑油冷却循环系统。另外，无油润滑轮毂应用于可调叶片的转轮，不再使用轮毂润滑油和转轮轮毂增压系统。
水轮机的无油润滑技术有利于减少维护，同时避免了油流入河水中。
4.现场安装
不同于卧式灯泡式水轮机，立式灯泡式机组的现场安装不涉及任何复杂的操作，比如：将各种各样的配件通过很小的升降口吊起到水流通道内，然后调整水平并安装到指定位置。立式灯泡式机组从下面的水轮机到上面的发电机，安装时仅需要进水口顶部的起重机的一个简单提升操作即可解决，从而缩短了安装时间。现场安装的各个场景均可拍成照片。
5.实测和分析数据的比较
立式灯泡式机组是一种打破常规的新研制出来的水轮发电机组，因此与其相关的在无水状态下的应力、应变、振动等数据，均通过加载和卸载试验获得，目的是验证分析结果的合理性，并最终获取最优设计参数。
比较特别的是，固有频率在干、湿两种环境下分别测出，数据完全证实了当初的分析，如何减少不同振荡模式下的固有频率也彻底搞清楚了。
6.结论
自从水力发电机组长足发展以来，在实践中被应用的全新机型实属罕见。不管怎样，这里阐述的立式灯泡式原理给人们展示了一个对灯泡式机组、电气设备和土木结构的全新思索，以此为基础，将引起技术革新和经济发展。作者希望这篇文章能为其他地方的水电站在未来的建设中提供有益的参考。
龙凤呈祥,亚地生辉——上海龙亚,耐腐泵制造专家。www.shlongya.com
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