本實(shí)用新型涉及立軸式發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域,特別是涉及一種立軸式發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置。
背景技術(shù):
在我國電力生產(chǎn)中,水力發(fā)電仍占據(jù)著重要地位,水電開發(fā)項(xiàng)目仍然是我國新能源發(fā)展的重點(diǎn)。與此相關(guān)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計、生產(chǎn)及其運(yùn)行是水電研究人員和工程技術(shù)人員研究的核心內(nèi)容。水輪發(fā)電機(jī)組作為水能與電能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)組乃至整個水電站能否正常的運(yùn)行。隨著我國水力發(fā)電的快速發(fā)展,水電站的規(guī)模越來越大,機(jī)組容量和尺寸進(jìn)一步增大,轉(zhuǎn)速和材料強(qiáng)度也相應(yīng)提高,使得運(yùn)行工況日漸復(fù)雜,對機(jī)組的安全與穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。
水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站的核心設(shè)備,性能良好、故障率低、使用壽命長是水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的基本要求。在我國,水輪發(fā)電機(jī)組常常采用立軸式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和主軸等部件。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向負(fù)荷須有承重裝置承擔(dān),推力軸承是立式水輪發(fā)電機(jī)組的重要支承,承擔(dān)著整個水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部件的重力和軸向水推力,并保持機(jī)組轉(zhuǎn)軸的長期穩(wěn)定。由于水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的逐步提高,使得機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向負(fù)荷日益增大,推力軸承在長期重負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下,常常發(fā)生油膜擊穿,進(jìn)而引發(fā)軸瓦摩擦發(fā)熱,甚至燒毀等問題。近年來,國內(nèi)各大水電站時有故障發(fā)生,葛洲壩、烏江渡和白山等機(jī)組曾發(fā)生過軸瓦溫度偏高甚至燒損等嚴(yán)重故障。
由此可見,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向負(fù)荷決定著推力軸承運(yùn)行條件,該部分負(fù)荷主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重力和軸向水推力兩部分組成。一般情況下,軸向水推力的方向與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重力方向相同,稱為正向水推力。然而,在某些情況下(如當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時),常常發(fā)生負(fù)向(向上)水推力,如數(shù)值要大于機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重力,將會使機(jī)組轉(zhuǎn)動部分上抬一定高度,此現(xiàn)象稱為水輪機(jī)的抬機(jī)。抬機(jī)是水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中最嚴(yán)重的故障之一,會造成葉片斷裂、測速探頭斷裂以及鏡板猛烈撞擊造成推力軸承的瓦面嚴(yán)重變形等問題。
正向和負(fù)向水推力及不平衡水推力都會對推力軸承乃至機(jī)組的運(yùn)行帶來很大困擾。隨著水電站規(guī)模越來越大,機(jī)組向著高水頭、高參數(shù)和大容量的方向發(fā)展,運(yùn)行工況將越來越復(fù)雜,機(jī)組的承重問題會更加突出和嚴(yán)峻,傳統(tǒng)單一的承重方式已不能滿足日益增加的軸向負(fù)荷承重需求,為此本實(shí)用新型設(shè)計了立軸式水輪發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,有助于解決正負(fù)軸向負(fù)荷過大,及不平衡水推力導(dǎo)致的軸承故障,對改善機(jī)組的運(yùn)行條件,防止機(jī)組上抬起到積極作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述存在的問題,本實(shí)用新型提供一種立軸式發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,可產(chǎn)生雙向電磁力,有助于解決正負(fù)軸向負(fù)荷過大,及不平衡水推力導(dǎo)致的軸承故障,對改善機(jī)組的運(yùn)行條件,防止機(jī)組上抬起到積極作用,為達(dá)此目的,本實(shí)用新型提供一種立軸式發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,包括多環(huán)式電磁磁力減載結(jié)構(gòu)、防抬機(jī)結(jié)構(gòu)、第一固定物和第二固定物,所述多環(huán)式電磁磁力減載結(jié)構(gòu)包括電磁鐵、動鐵心銜鐵和固定裝置,所述電磁鐵的電磁鐵上鐵軛的上端面與第一固定物的端面相連,所述電磁鐵包括電磁鐵上鐵軛、電磁鐵勵磁線圈和電磁鐵內(nèi)鐵心,所述電磁鐵整體為圓柱形,立軸式發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸在圓柱形電磁鐵鐵芯內(nèi)部,所述轉(zhuǎn)軸與電磁鐵上鐵軛之間有主軸與鐵軛間的氣隙,所述電磁鐵上鐵軛下方有電磁鐵內(nèi)鐵心,所述電磁鐵內(nèi)鐵心內(nèi)有至少3個環(huán)形槽,所述電磁鐵勵磁線圈安裝在環(huán)形槽內(nèi),所述電磁鐵上鐵軛和電磁鐵內(nèi)鐵心外壁由環(huán)氧澆灌成絕緣層,所述電磁鐵下方有相同面積的圓盤型的動鐵心銜鐵,所述電磁鐵與動鐵心銜鐵之間有鐵軛與銜鐵間的氣隙,所述動鐵心銜鐵通過環(huán)形的固定裝置套裝在轉(zhuǎn)軸上,所述防抬機(jī)結(jié)構(gòu)包括調(diào)控電磁鐵、位移傳感器、控制處理器和壓力傳感器,所述調(diào)控電磁鐵等角度均勻布置在動鐵心銜鐵的下方,所述調(diào)控電磁鐵與動鐵心銜鐵之間有位移傳感器,所述調(diào)控電磁鐵固定在第二固定物上,所述主軸下方有推力軸承,所述推力軸承與主軸下端面之間有壓力傳感器,所述控制處理器通過連接線與位移傳感器和壓力傳感器相連。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述立軸式發(fā)電機(jī)組為水輪立軸式發(fā)電機(jī)組,本實(shí)用新型主要適用于水輪發(fā)電設(shè)備。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述第一固定物和第二固定物的固定物為土木建筑或固定支架,本實(shí)用新型固定物可以為土木建筑或固定支架。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述動鐵心銜鐵為內(nèi)厚外薄的圓盤型的動鐵心銜鐵,因?yàn)殂曡F受力較大,通過接觸面?zhèn)鬟f給主軸,做成斜的起到加固的作用。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述電磁鐵的電磁力采用可調(diào)式,采用可調(diào)磁力,可根據(jù)軸向水推力的大小通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電磁力。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述調(diào)控電磁鐵采用單環(huán)結(jié)構(gòu),本實(shí)用新型調(diào)控電磁鐵主要采用單環(huán)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型一種立軸式發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,當(dāng)激勵線圈通以直流電流時,多環(huán)式電磁磁力減載裝置會對銜鐵產(chǎn)生電磁吸力,給銜鐵一向上的力,由于銜鐵與主軸相連,向上的電磁力通過銜鐵傳遞給主軸,從而可抵消大部分軸向負(fù)荷,減少施加在推力軸承上的力,從而改善推力軸承在重負(fù)荷下的運(yùn)行狀態(tài),減少了因向下的軸向負(fù)荷過大所導(dǎo)致的推力軸承故障,如油膜擊穿,推力瓦變形,機(jī)械老化等。同時利用位移傳感器和壓力傳感器對銜鐵位移和推力軸承所受壓力進(jìn)行檢測,當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或軸向負(fù)荷減少到轉(zhuǎn)動部分重力的30%以下時,減載電磁鐵斷電,調(diào)控電磁鐵通電,吸引銜鐵,并給銜鐵一向下的力,并傳遞給主軸,使施加在推力軸承上的負(fù)荷始終維持在30%左右,可防止機(jī)組轉(zhuǎn)動部分上抬。
本裝置的作用是用多環(huán)式電磁磁力減載裝置提供向上的力,可根據(jù)軸向負(fù)荷變化情況動態(tài)調(diào)整電磁減載力,該電磁減載力通過銜鐵傳遞給主軸,可抵消轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的重力,減少施加在水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承上的軸向負(fù)荷,用來解決水輪發(fā)電機(jī)軸向負(fù)載過大引起的油膜擊穿,機(jī)械老化等問題;調(diào)控電磁鐵提供向下的電磁力,抵消機(jī)組在甩負(fù)荷過程中出現(xiàn)的向上水推力,用來解決轉(zhuǎn)動部分上抬造成的電機(jī)轉(zhuǎn)子部件損壞和撞擊造成的機(jī)械損壞等問題。同時調(diào)控電磁鐵可保證機(jī)組轉(zhuǎn)動部分平衡,解決機(jī)組在動態(tài)推力作用下的不平衡問題。通過多環(huán)式電磁磁力減載裝置和調(diào)控電磁鐵共同作用對水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分進(jìn)行磁力減載和防抬機(jī)作用。
附圖說明
圖1為本專利立軸式水輪發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本專利位移傳感器布置示意圖。
圖3為本專利立軸式水輪發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)控制處理原理圖。
圖4為本專利六環(huán)結(jié)構(gòu)電磁磁力減載裝置的磁通密度分布圖。
圖示說明;
1、主軸與鐵軛間的氣隙;2、電磁鐵上鐵軛;3、電磁鐵勵磁線圈;4、鐵軛與銜鐵間的氣隙;5、動鐵心銜鐵;6、電磁鐵內(nèi)鐵心;7、絕緣層;8、第一固定物;9、主軸;10、調(diào)控電磁鐵;11、位移傳感器;12、第二固定物;13、控制處理器;14、推力軸承;15、壓力傳感器;16、固定裝置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
本實(shí)用新型提供一種立軸式發(fā)電機(jī)組多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,可產(chǎn)生雙向電磁力,有助于解決正負(fù)軸向負(fù)荷過大,及不平衡水推力導(dǎo)致的軸承故障,對改善機(jī)組的運(yùn)行條件,防止機(jī)組上抬起到積極作用。
本實(shí)用新型一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子部分多環(huán)式電磁磁力減載與防抬機(jī)裝置,包括電磁鐵上鐵軛2、電磁鐵勵磁線圈3、動鐵心銜鐵5、電磁鐵內(nèi)鐵心6、固定上鐵軛的第一土木建筑或支架、調(diào)控電磁鐵10、位移傳感器11、固定調(diào)控電磁鐵的第二土木建筑、控制處理器13、壓力傳感器15以及銜鐵與主軸9的固定裝置16。其中電磁鐵上鐵軛2固定于土木建筑或固定支架上,主軸9置于圓柱形電磁鐵鐵芯內(nèi)部,中間有一定的氣隙,減載電磁鐵采用多環(huán)結(jié)構(gòu),將多組勵磁繞組放置在電磁鐵芯之間的空腔內(nèi),并以環(huán)氧澆灌成絕緣層7,其下置相同面積內(nèi)厚外薄的圓盤型銜鐵,將其固定在主軸9上,銜鐵可通過螺栓等固定裝置16固定在水輪發(fā)電機(jī)組主軸9上。通電后多環(huán)式電磁磁力減載裝置對銜鐵產(chǎn)生向上的吸力,當(dāng)銜鐵隨主軸旋轉(zhuǎn)時,主軸得到向上的拉力。整個減載系統(tǒng)如圖1所示。
本實(shí)用新型調(diào)控電磁鐵10均勻布置在銜鐵5的下方,如圖2所示,銜鐵下方布置位移傳感器11檢測銜鐵位移的變化,推力軸承14上布置壓力傳感器15轉(zhuǎn)動部分軸向負(fù)荷的變化,調(diào)控電磁鐵通電后,會對銜鐵產(chǎn)生向下的吸力,通過控制處理器13對傳感器數(shù)據(jù)的處理,調(diào)節(jié)調(diào)控電磁鐵的勵磁電流,使主軸得到向下的電磁力,防止轉(zhuǎn)動部分上抬。整個防抬機(jī)系統(tǒng)如圖1和圖3所示。
本實(shí)用新型應(yīng)用實(shí)施例如下:
以中國安康水電站轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承方式為例,其采用推力軸承,額定推力總負(fù)荷為1600t,水輪機(jī)型號為HL-220-LT-550,主軸直徑1.9m,轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,額定轉(zhuǎn)速107.1r/min,平均水頭76.2m,為了使機(jī)組保持穩(wěn)定運(yùn)行,本裝置僅減載其軸向推力總負(fù)荷的50%~85%。以六環(huán)結(jié)構(gòu)為例分析其電磁減載力,設(shè)定槽數(shù)沿徑向的總長度L=1.7m,施加的激勵電流I=2A,線圈總匝數(shù)N=5000,設(shè)定銜鐵和鐵軛厚度h1=h2=0.24m,固定窗口高度h2=0.2m,氣隙厚度為0.005m,設(shè)每個布線槽寬度相同為0.085m,每個齒寬為0.170m,則所有齒的面積為13.832m2。氣隙處的磁通密度分布如圖4所示,平均工作氣隙處得磁通密度為0.999T,電磁力為8.398×106N,可減載額定推力總負(fù)荷的54%。相同條件下,將電流調(diào)解到4A,電磁力增大為1.303×107N,可減載額定推力總負(fù)荷的83%,由此可得多環(huán)式電磁磁力減載裝置能夠大幅減輕了水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子部分及水推力對推力軸承的軸向壓力,并且通過調(diào)節(jié)激勵電流應(yīng)對軸向負(fù)荷動態(tài)變化情況。
防抬機(jī)分析仍以水輪機(jī)HL220-LJ-550為例,選取6個圓盤型直流電磁鐵,該圓盤電磁鐵的中心軸線在以rc為半徑的圓周軌跡上,均勻分布在銜鐵的下方,具體位置如圖2所示,其中Ra=d4/2為銜鐵半徑。每個調(diào)控電磁鐵提供的電磁力約為0~20kN。
設(shè)定為調(diào)控氣隙,本文選取3mm;dc1為內(nèi)環(huán)直徑30cm;dc2為外環(huán)內(nèi)直徑50cm;dc3為外環(huán)內(nèi)直徑60cm;hc1為鐵軛高度4cm;hc2為線圈窗口高度6cm。由安培環(huán)路定律,氣隙磁通密度為:
由Maxwell公式得到靜態(tài)時該電磁鐵吸力為;
其中S0為氣隙磁場面積。假設(shè)給電磁線圈施加磁動勢NI=4000安匝數(shù),由(1)式得B=0.63T,通過式(2)可得FET,i≈22kN,i=1,2,...,6,滿足調(diào)控需求。
結(jié)合減載裝置的設(shè)計目標(biāo)(即減載總軸向負(fù)荷的80%左右),為了保證機(jī)組的穩(wěn)定性和適應(yīng)不同水頭和工況的變化,需要對推力軸承的實(shí)際承載力進(jìn)行監(jiān)測。選取6個壓力傳感器安裝在推力軸承上,每一個傳感器的具體安裝位置與調(diào)控電磁鐵相對應(yīng),同時在電磁鐵的中心位置安裝位移傳感器用來檢測銜鐵受力情況,具體如圖2所示。
調(diào)控電磁鐵起到防止機(jī)組上抬作用,需根據(jù)推力軸承上的壓力變化,選取偏置電流,以達(dá)到防止上抬(或減載)作用,根據(jù)銜鐵位移信號,檢測推力軸承的受力不平衡程度,其控制原理如圖3所示,其中D/A為數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換,A/D為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換??刂圃頌椋浩秒娏髦凳侨Q于壓力變化和裝置工作的狀態(tài),如防止上抬或減載,壓力信號和位移信號傳輸?shù)娇刂破?,根?jù)設(shè)定的判斷條件和控制算法,控制器決定輸出偏置電流I(P)的值和控制電流ic的大小。若銜鐵處于平衡位置時,受到不平衡水沖擊,出現(xiàn)擾動使銜鐵偏離平衡位置(如圖3所示,設(shè)偏移位移為δx)時,本實(shí)用新型裝置使銜鐵回到平衡位置,可對調(diào)控電磁鐵裝置加一個控制電流ic使得勵磁線圈2產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度增強(qiáng),勵磁線圈1產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度減弱,從而使銜鐵在電磁力的作用下回到平衡位置,具體工作過程如下:位移傳感器和壓力傳感器檢測到該偏離信號后經(jīng)過位移和壓力信號轉(zhuǎn)換電路,通過控制器處理后得到位移偏置信號,控制器經(jīng)過一定的控制算法處理得到控制量,然后將控制量輸送給功率放大器,由功率放大器驅(qū)動電磁鐵實(shí)現(xiàn)對銜鐵平衡位置的控制。
以安康水電站水輪機(jī)HL220-LJ-550為例,由減載目標(biāo)可知,推力軸承僅需承擔(dān)20%的軸向總負(fù)荷,即壓力傳感器測的推力軸承上總壓力約為在甩負(fù)荷等工況下,轉(zhuǎn)動部分容易被抬起,如果壓力傳感器測的推力軸承上的總壓力時,則偏置電流I(P)=0,其中Pi為i個位移傳感器對應(yīng)的壓力傳感器讀數(shù);若
使得作用在推力軸承上的軸向負(fù)荷始終大于等于0.2G,防止轉(zhuǎn)動部分的上抬。對于抬機(jī)現(xiàn)象較為頻發(fā)的水電站,在甩負(fù)荷時,由于機(jī)組導(dǎo)葉的關(guān)閉時間有限,向上軸向力會急劇增大,若F′W>G時,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會被抬起,此時因此可預(yù)先施加向下的電磁力防止上抬,力的大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出,如假設(shè)安康水電站曾發(fā)生的最嚴(yán)重的抬機(jī)事故為15mm,計算可得FW≈8749kN,則其中FET,i是第i個電磁鐵的電磁力,偏置電流設(shè)定為;
即在機(jī)組準(zhǔn)備甩負(fù)荷的時候?qū)φ{(diào)控電磁鐵施加上述偏置電流,然后通過對壓力數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測,進(jìn)行后續(xù)調(diào)節(jié)。
以上所述,僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已,并非是對本實(shí)用新型作任何其他形式的限制,而依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化,仍屬于本實(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍。