楊 飛，成 斌，王海洋

(上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241)

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洋流發(fā)電機(jī)組設(shè)計介紹

楊 飛，成 斌，王海洋

(上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241)

介紹洋流發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)形式，以及葉片、機(jī)艙、主軸密封系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、剎車等各主要部件的設(shè)計特點(diǎn)。通過對洋流發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況的分析，提出了洋流發(fā)電機(jī)組各主要部件在設(shè)計中應(yīng)考慮的因素，提高洋流發(fā)電機(jī)組各主要部件的可靠性和減少維護(hù)工作量的措施，為其他洋流發(fā)電機(jī)組的設(shè)計提供了參考。

洋流；洋流發(fā)電機(jī)組；可靠性

0 概述

最近幾年，洋流發(fā)電技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，國際上有多家知名企業(yè)投入了洋流發(fā)電機(jī)組的研發(fā)(如西門子公司、ALSTOM 公司)，并安裝了洋流發(fā)電機(jī)組的樣機(jī)。目前，已安裝的洋流發(fā)電機(jī)組容量一般在600 kW～1 MW左右，工作水深一般在25～35 m左右。

洋流發(fā)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)上與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多相似性，洋流發(fā)電機(jī)組的設(shè)計在一定程度上可以參考風(fēng)電機(jī)組。但是，考慮到洋流發(fā)電機(jī)組安裝在海平面以下，其工作環(huán)境更加惡劣，可維護(hù)時間更短，維護(hù)成本和維護(hù)風(fēng)險更高。因此，洋流發(fā)電機(jī)組的設(shè)計在參考風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，還需要更加關(guān)注部件的可靠性，并盡量減少維護(hù)的工作量。

1 洋流發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙總體結(jié)構(gòu)介紹

洋流發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主軸前端法蘭與葉輪連接，將葉輪的載荷傳遞到機(jī)艙；主軸后端與齒輪箱連接，將扭矩傳遞到齒輪箱。主軸傳遞過來的扭矩通過增速齒輪箱傳遞到聯(lián)軸器，聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)輸入軸連接，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

剎車安裝在齒輪箱的高速軸區(qū)域，用于驅(qū)動鏈的制動。機(jī)艙密封系統(tǒng)安裝在主軸和機(jī)艙之間，防止海水進(jìn)入機(jī)艙。

圖1 機(jī)艙總體結(jié)構(gòu)

2 洋流發(fā)電機(jī)組主要部件介紹

洋流發(fā)電機(jī)組的部件設(shè)計需要充分考慮其特殊的運(yùn)行工況要求。下面主要介紹洋流發(fā)電機(jī)組主要部件的特點(diǎn)及設(shè)計選型時應(yīng)考慮的因素。

2.1 葉片

洋流發(fā)電機(jī)組的葉片結(jié)構(gòu)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類似，基于材料、成本及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素的綜合考慮，其結(jié)構(gòu)一般采用內(nèi)部中空的形式。但是，如果直接采用風(fēng)電機(jī)組的葉片結(jié)構(gòu)，葉片壁內(nèi)外表面會由于海水壓力形成巨大的壓力差，會極大的縮短葉片的使用壽命，甚至?xí)蜻^大的壓力差直接導(dǎo)致葉片失效。因此，在類似風(fēng)電機(jī)組葉片中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要在葉片壓力面及抗剪切腹板上設(shè)置通孔，通孔的布置如圖2所示。通過設(shè)置該通孔，整個葉片內(nèi)部腔體全部對外開放。當(dāng)洋流發(fā)電機(jī)組工作時，海水通過通孔充滿整個葉片內(nèi)腔，可以減小葉片壁承受的海水靜壓力差和洋流發(fā)電機(jī)組的不平衡力矩。

圖2 葉片截面

2.2 機(jī)艙

洋流發(fā)電機(jī)組的前機(jī)艙是圓錐形的鑄造件，用于安裝軸承、主軸、齒輪箱等傳動部件。后機(jī)艙是圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接件，用于安裝發(fā)電機(jī)和冷卻系統(tǒng)等部件。

洋流發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙浸泡在海水里，按照ISO 12944標(biāo)準(zhǔn)，其腐蝕環(huán)境的等級劃分屬于Im2(海水浸泡)，可按浪濺及水下區(qū)域的防腐標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)艙進(jìn)行表面防腐處理。另外，在機(jī)艙的表面還可以安裝一些鋅塊，采用犧牲陽極保護(hù)陰極的方法，減少機(jī)艙表面的腐蝕，延長防腐保護(hù)涂層的壽命。

2.3 主軸密封系統(tǒng)

相對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，洋流發(fā)電機(jī)組多了一套主軸密封系統(tǒng)。主軸密封系統(tǒng)是安裝在機(jī)艙和主軸之間的動密封，其主要作用是防止海水從主軸和機(jī)艙的間隙中進(jìn)入機(jī)艙?？紤]到維護(hù)成本的因素，主軸密封系統(tǒng)的密封圈要求至少達(dá)到5年的使用壽命，因此密封圈一般使用耐久性比較好的氫化丁腈橡膠(HNBR)材料。

機(jī)艙密封系統(tǒng)一旦發(fā)生嚴(yán)重泄漏，會對整個機(jī)組產(chǎn)生極大的破壞。因此，需要在機(jī)艙內(nèi)安裝一個漏水收集箱，收集泄漏的海水。漏水收集箱內(nèi)配備有液位傳感器，并與排水泵相連。如果海水的泄漏量超過設(shè)定值，傳感器將發(fā)出報警信號給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制排水泵將海水抽出漏水收集箱。

2.4 齒輪箱

洋流發(fā)電機(jī)組的維護(hù)周期一般是5年，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱潤滑油更換周期一般是3年，濾芯的更換周期一般是1年。為了延長洋流發(fā)電機(jī)組齒輪箱的維護(hù)周期，洋流發(fā)電機(jī)組的齒輪箱在參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行一些設(shè)計修改。

為了將齒輪箱潤滑油的更換周期延長，可采取以下措施：

1) 適當(dāng)增加齒輪箱的潤滑油容量

風(fēng)電機(jī)組的潤滑油量，一般可按相關(guān)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算：

Q=0.15P+20

(1)

潤滑油的使用壽命與潤滑油的循環(huán)使用次數(shù)相關(guān)，增加齒輪箱的潤滑油量，可減少潤滑油的循環(huán)使用次數(shù)，提高潤滑油的使用壽命。綜合考慮齒輪箱的容積，以及潤滑油廠家的推薦，洋流發(fā)電機(jī)組的齒輪箱潤滑油量需要適當(dāng)增加，可按下面的公式計算：

Q=0.2P+20

(2)

式中：Q為齒輪箱潤滑油量，L；P為齒輪箱的額定輸入功率，kW。

2) 控制齒輪箱潤滑油的溫度

按照風(fēng)電齒輪箱廠家的推薦，齒輪箱油池中的潤滑油溫度一般要求控制在75 ℃以內(nèi)。考慮到油溫對潤滑油的老化有很大的影響，洋流發(fā)電機(jī)組的潤滑油允許溫度可適當(dāng)降低到70 ℃。如果運(yùn)行過程中，油溫達(dá)到70 ℃，可控制機(jī)組降功率運(yùn)行。

考慮到風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱每年都需要定期維護(hù)，齒輪箱一般選用容量較小的的油過濾器濾芯。對于洋流發(fā)電機(jī)組，需要容量更大的濾芯，才能滿足5年的更換周期要求。一般可以采用多個過濾器并聯(lián)的方法，達(dá)到需要的過濾器容量。

2.5 發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，雙饋異步發(fā)電機(jī)的集電環(huán)是易損件，每年需要定期檢查維護(hù)。因此，洋流發(fā)電機(jī)組推薦使用鼠籠式電機(jī)，這樣既免除了每年的集電環(huán)維護(hù)工作，也提高了發(fā)電機(jī)的可靠性。

洋流發(fā)電機(jī)組的葉輪直徑，一般是相同功率等級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一半。因此，洋流發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量相對風(fēng)電機(jī)組小很多，機(jī)組在運(yùn)行過程中更容易發(fā)生超速現(xiàn)象。一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其最大轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.2倍左右。根據(jù)載荷模擬計算，洋流發(fā)電機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速的2.5倍左右。因此，洋流發(fā)電機(jī)的設(shè)計，需要校核其在2.5倍額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動是否滿足要求。

另外，發(fā)電機(jī)的軸承潤滑系統(tǒng)油脂需要滿足5年的使用量，需要選用大容量的潤滑脂儲存罐。

2.6 剎車

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用成本比較低的液壓剎車?？紤]到液壓油泄漏的風(fēng)險，洋流發(fā)電機(jī)組推薦采用電驅(qū)動剎車。

3 結(jié)語

本文主要介紹洋流發(fā)電機(jī)組主要部件的特點(diǎn)，并通過與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對比，介紹了主要部件設(shè)計選型時應(yīng)考慮的因素。另外，還介紹了從設(shè)計上提高洋流發(fā)電機(jī)組可靠性、減少維護(hù)工作量的措施。