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大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升摘要：灯泡贯流式水轮发电机组具有效率高、体积小、重量轻、造价低、电站建设开挖量少等一系列优点，被各国视为开发低水头水力资源的一种良好模式，并得到了广泛采用。
本文对大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升进行了论述。
关键词：灯泡贯流式水轮发电机；通风；温升大型灯泡贯流式机组具有磁极数量多、转速低、定子机座外径受限、通风空间极为有限、发电机风路风阻大等特点，由于靠转子本身压头及自带风扇已无法产生足够的风量来带走发电机的损耗，因此，该型机组均采用外加风机的强迫通风方式。
对风路结构的总体设计、各处风量的分配和风机的选择都是灯泡贯流式机组设计的难点，也是电力公司重点研究和试验的课题。
一、贯流式水轮机简介贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于25m以下的水头。
这种机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。
贯流式水轮机根据其结构特点和布置型式，可分为全贯流式、半贯流式(又分为竖井式、轴伸式和灯泡式)两种，其适用范围各不相同。
二、贯流式发电机结构特点贯流式发电机与常规立式水轮发电机的主要区别,是它呈卧式且完全潜没在流道中。
出于水力设计方面的考虑,贯流式发电机尺寸必须设计得较小。
通常,其定子外径与水轮机转轮直径之比(灯泡比)在0.8～1.2之间,定子内径只相当于常规发电机的60～75%。
如果发电机利用系数相同则贯流式发电机定子铁心长度将是常规发电机的3倍,这将给发电机通风冷却带来困难。
要缩短铁心长度,就必须增大发电机的利用系数,同时还需要提高电磁负荷As及Bs(一般为常规发电机的1.1～1.3倍)。
较高的电磁负荷会使贯流式发电机单位体积的热负荷高于常规立式水轮发电机。
此外,贯流式发电机的体积比也较大,可为常规发电机的1.5～3.0倍。
细长的发电机冷却条件较差,易造成发电机轴向温度分布不均。
大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理摘要：随着社会的发展与进步，重视大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理对于现实生活中具有重要的意义。
本文主要介绍大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理的有关内容。
关键词灯泡；贯流式；负荷；机组；波动；处理；调节；因素；引言某水电厂的年发电量10.17亿ｋＷ·ｈ，装有6台单机容量为45ＭＷ的灯泡贯流式机组，机组设计水头20ｍ，最高可达27ｍ，投产时是国内单机容量较大的灯泡贯流式机组。
6号机自投产以来存在负荷波动的情况，上位机设定机组负荷为40ＭＷ时，机组负荷经常在37～43ＭＷ之间振荡波动。
在上位机设定机组负荷为30ＭＷ和45ＭＷ时，偶尔也会出现波动情况。
一、国内大型灯泡贯流式机组的发展前景国内目前还未开工或处于工程规划设计的灯泡贯流式电站经初步统计还有数十座将安装数百台机组。
其中不乏单机容量为40一50MW、转轮直径为7.0 m 左右的大型灯泡贯流式机组，广西桥巩电站装机8台、单机容量达到60 MW.不久的将来，它将为我国在大型灯泡贯流式机组的设计和制造领域再树起一个新的里程碑。
通过我国近20多年来对灯泡贯流式电站的开发，从发展趋势来看，容量是越做越大，从10MW至45 MW将达到60MW，直径也是越做越大，从5.5 m 至7.5 m，但水头有可能是向两头延伸，普遍认为灯泡贯流式机组的合理应用水头为5一25 m，但从现在的发展趋势看，不仅在高水头段有突破，湖南洪江电站最高应用水头已达27.3 m，出现大容量、小转轮直径、高转速的灯泡贯流式机组，从经济上考虑，是最为经济的。
在低水头段也有突破，出现了众多应用水头只有3一5m的电站，出现了大转轮直径、小容量、低转速的灯泡贯流式机组，这在经济上是很不合理的(如某个电站单机容量8 MW,转轮直径已达6.0 m、转速68.2 r/min)。
像类似电站，我们认为采用灯泡贯流式机组是不合理的，而采用竖井贯流式机组应该是最明智的选择。
第３０卷第８期２ ０ １ ２年８月水 电 能 源 科 学Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．８Ａｕｇ．２ ０ １ ２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０８－００８４－０４某灯泡贯流式水电站不对称厂房抗震分析李永新（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁５３００２３）摘要：为研究某左右不对称灯泡贯流式厂房结构在静动力荷载作用下的位移、应力分布规律，采用三维有限元动力反应谱法对其进行抗震分析，计算中采用完全二次项组合（ＣＱＣ）法考虑双向的扭转耦联作用，应用Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ公式考虑地震动水压力。
结果表明，该厂房位移应力分布合理，可为同类工程提供参考。
关键词：灯泡贯流式；水电站厂房；三维有限元；反应谱法；抗震分析中图分类号：ＴＶ３１２文献标志码：Ａ收稿日期：２０１２－０１－１７，修回日期：２０１２－０４－２５作者简介：李永新（１９７８－），男，高级工程师，研究方向为水工结构设计与数值计算，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｘｌｅａｗｈｕ＠１２６．ｃｏｍ 某灯泡贯流式水电站厂房为河床式，左右侧分别布置有安装间和溢流坝。
主厂房长６４．９８ｍ，宽５１．５８ｍ，最大高差４６．５８ｍ。
主厂房主要由上游挡水墩墙、下游挡水墩墙、右侧挡水墙、流道、底板等构件组成，总装机容量３×１５ＭＷ，机组中心线间距１４．７５ｍ。
目前，灯泡贯流式水电站由于流道平坦、尺寸小、重量轻、能量及经济指标较好等优点而成为水电站开发的一种良好型式［１］，对灯泡贯流式厂房抗震分析主要基于单台机组受力的结构左右对称厂房结构［２］，但由于该厂房基岩为寒武系中厚层长石石英岩，岩体呈强弱风化状，力学强度高；三台机组联合受力；厂房右侧为挡水墙，左右结构极不对称；厂房处于地震区，设计地震加速度代表值为０．２５ｇ。
鉴此，本文通过建立灯泡贯流式厂房坝段模型，研究了高地震烈度地区多机组联合受力不对称厂房结构在三面挡水条件下的抗震特性。
大型灯泡贯流机静、动态特性有限元解析大型灯泡贯流机整机静、动态特性解析马建峰黄道锦李铁军东芝水电设备（杭州）有限公司【摘要】本文利用有限元解析技术对大型灯泡贯流式整机进行了解析。
主要对各种运行工况下的刚、强度结果进行了判定，同时对整机机组的模态频率进行了分析，为避免机组发生共振提供了依据和方向。
【关键词】水轮发电机有限元模态频率Static and dynamic vibration characteristics analysis of the large bulb type turbine generatorMa jianfeng Huang daojin Li tiejunToshiba Hydro Power（Hang Zhou）Co., Ltd.Abstract: In this paper, a whole analysis of the large bulb type turbine generator is introduced by FEM (finite element method). The strength and stiffness of FEA results are discussed at all cases, and the modal frequency of the whole unit is obtained by modal analysis, which provides a foundation and direction to avoid renounce efficiently. Keyword: hydro generator, finite element method，modal frequency引言我国低水头水力资源十分丰富，该资源大多处于江河中下游的经济发达地区，这些地区可开发的中、高水头资源基本基本已经开发的差不多。
灯泡贯流式水电机组由于开挖量小、造价低而广泛应用于低水头水电站，因此有十分好的发展前景。
与其它类型水电机组相比，该型机组的结构具有显著的特点：由灯泡头、冷却套（或中间环）、定子机座组成的灯泡体与水轮机管形座、内导环组成一个整体，浸泡于流道内，整体承受外部水压的作用。
而灯泡体重量、机组转动部件重量、灯泡体外部水压作用及在各种不同运行工况中所受的扭矩等则主要由管形座的上、下竖井传递到混凝土基础上；因此在不同运行工况下，机组受重力、水推力、水浮力、电磁力矩和磁拉力等载荷的作用，使整体结构的应力分布十分复杂。
在机组设计过程中，必须清楚机组各部件的应力和变形情况、各部件之间的连接状况、作用于基础的支反力等，对保证机组的稳定性与强度安全是十分必要的。
同时由于大型灯泡贯流式机组结构尺寸大，结构形状和受力更复杂，机组整体结构的刚强度研究是保证机组长期、安全、稳定运行的一个重要课题。
图1.1 算例总图1.机组基本数据本文的算例是某大型灯泡贯流机组，它的灯泡体最大直径为9240mm，最大长度为15300mm。
主要参数如下额定转速: 71.4 r/min 最大出力:44.4MW机组高程: 22.8 m 上游正常水位:49 m最高水头: 14.39 m 上游洪水位:46 m正向水推力:580 ton2.有限元整机模型和边界条件建模和加载边界条件在软件MSC patran软件中进行。
对机组主体结构选用板壳单元、定子铁心和混凝土选用三维实体单元，水平支撑和垂直支撑采用梁单元进行建模。
整机模型和边界条件如下图2.1所示；图2.1 整机模型和边界条件由于整个灯泡体浸泡在水中，在不同的水平高度位置，对应的水头高度不同，最高点和最低点之差达17.5m，因此计算解析过程中我们运用了patran软件的压力梯度公式来自行确定，在压力载荷中，只需输入初始坐标所在的水平面的水压力值，通过基于竖直方向坐标的压力梯度公式即能解决这一问题。
整个灯泡体在水中的浮力通过压力差来确定，压力计算公式如下所示：00()()()pzdp z p z z z d=+-其中，z表示某一点的高程坐标值,()p z为位置处的压力,0()p z为参考点的平均压力。
pzdd为沿方向的压力梯度。
在解析中，我们选取了几种应力情况比较复杂工况；其中，以机组各个工况最大应力和最大位移来校核刚强度。
主要的计算工况注：工作水深=（洪水位-机组中轴线高程）甩负荷的工作水深为压力等效水深计算工况工作水深(m)水轮机功率(MW)水推力(t) 充水工况26.2 / /额定工况23.2 41 346最高水头最大出力26.2 44.4 580甩负荷40.61 / -5803. 有限元计算结果和评价1）有限元计算结果对于灯泡贯流机来讲，由于活动导叶紧急关闭带来巨大的流场变化，整体最大综合（Von Misses ）应力出现在甩负荷工况；各工况应力位移情况汇总注：应力单位MPa 位移单位mm图3.1 甩负荷工况应力场剖面图甩负荷工况最大应力发生在管型座与水机竖井连接处。
图3.2 甩负荷工况位移分布计算工况 最大综 合应力 最大综 合位移 最大Z 向位移 充 水 工 况 96.9 2.72 -1.60 额 定 工 况 102 3.46 -1.66 最高水头最 大出力 119 4.36 -1.74 甩 负 荷1413.45-1.55甩负荷工况最大轴向（水流方向）位移发生在管型座与水机竖井连接处。
同时该机组最大的Z向位移（平行于竖井方向），发生在最高水头最大出力工况时。
最大的位移发生在灯泡头部分。
图3.3 最高水头最大出力工况位移分布2）有限元计算结果评价计算结果表明，正向水推力存在（如额定工况和最高水头最大出力工况）时，最大综合位移出现在灯泡头处，其中最高水头最大出力工况时，灯泡头最大综合位移为4.36mm，该位移是灯泡贯流机各部件位移累加，实际灯泡头本体轴向位移（水流方向）为1.16mm。
从计算结果可知：影响灯泡贯流机组的屈曲安全的主要部件是灯泡头，一旦灯泡头发生屈曲，直接会影响到灯泡头和中间环的水密封合缝面，造成流道中的水进入发电机定、转子造成重大事故。
通过专门解析计算最高水头最大出力工况时灯泡头和中间环的线性屈曲安全系数。
计算得出灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，因此，机组在各种工况运行中都不会导致屈曲失稳现象机组最大应力出现在甩负荷工况时，位置在管型座与水机竖井连接处，最大应力值为141MPa；机组最大综合位移为3.45mm，发生在管型座与水机竖井连接处。
从机组的结构来说，要受到巨大的浮力和水推力，水机管型座是承受各种力的主要的结构支撑部件，水平支撑和垂直支撑只起到辅助支撑和防振作用。
因此管型座安全至关重要。
最后对计算结果进行评判：该算例最大应力应力为141MPa；最大应力区域的管型座和水机竖井使用Q345材料，板厚为50mm，在甩负荷工况，标书要求σ1<[σ2]＝50% Y.S；根据国标材料牌号 Q345-B低合金结构钢 GB/T 1591-2008屈服极限（板厚50mm）大于325MPa 得出许用应力162.5MPa，该机组管型座满足标书和设计要求；但该机组管型座有局部的应力集中情况存在，需要局部优化结构，排除不必要的集中应力，减少局部疲劳发生的可能。
4.有限元模态计算和评价1）有限元模态计算大型灯泡贯流机组由于其尺寸大，必须校核其模态防止机组出现有害频率与固有的激励源重合产生共振情况。
常见的激励源有各个工况的转频，如额定转速、飞逸转速等；也有水力结构产生的激励源，如额定转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源以及飞逸转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源；以上这些激励源的频率都是需要在设计时避开的，同时有限元计算的整体频率是无水状态下的进行的，实际频率受水的阻尼作用的影响，我们通过经验公式折算得出该机组灯泡体水中频率。
模态计算边界条件基本相同，但要把转动部件以质量单元的形式加载到发电机导轴承和水轮机导轴承处；总共计算了10阶模态，结果如下表;无水情况下频率1阶详见图4.1,2阶详见图4.2通过经验公式折算得出有水情况下频率有水情况下频率注：取前五阶判断，单位Hz水的惯性质量对频率影响注：影响百分比=（有水-无水）/无水X100%图4.1灯泡体左右振动（无水1阶）图4.2灯泡体前后振动（无水2阶）计算表明，水的惯性质量对最终频率还是有很大的影响。
由于水的阻尼作用，固有频率的值有所减小。
机组整体最低阶的固有频率出现在灯泡体左右振动的模态．考虑综合影响推算出的最低阶固有频率为6.025H Z，比激振频率4.765 H Z (额定转速乘转轮叶片数)高出阶次固有频率振动模态1 6.025 灯泡体左右振动2 7.716 灯泡体前后振动3 10.518 灯泡体上下振动4 11.806 灯泡体上下振动5 12.132 灯泡体左右振动阶次影响百分比振动模态1 24.39% 灯泡体左右振动2 15.3% 灯泡体前后振动3 18.1% 灯泡体上下振动4 13.9% 灯泡体上下振动5 16% 灯泡体左右振动很多，排除了机组发生整体共振的可能性。
5.结束语综上所述，通过对该大型灯泡贯流式机组泡体整体结构在各种工况下的详细分析计算，可以看出，各个工况的应力和位移都满足设计标准和合同要求。
由此我们认为，该机组在刚度和强度方面是安全的，能够保证机组正常、可靠地运行。
而且灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，机组在运行中不会导致屈曲失稳现象，同时机组没有整体共振的可能性。
【参考文献】1.张明翻译自《透平机械》，1986，Vol.14 No.6 27-332. MSC.Patran User manual3．MSC.Nastran User manual【作者简介】。
