[发明专利]一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置

说明书

本发明公开了一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，包括定子和设置在所述定子上方的转子，所述定子固定设置，围绕水轮机大轴安装并与之保持间隙，所述转子固定安装在水轮机大轴上，定子包括背铁和设置在所述背铁上侧面的至少一个悬浮力单元，所述悬浮力单元包括以水轮机大轴为中心对称设置的多个超导绕组对，每个所述超导绕组对包括沿背铁的径向相邻设置的两个超导绕组，所述悬浮力单元与转子之间存在工作气隙。本发明体积能量密度大，大大降低轴承负荷的同时受力稳定、受力扰动小。

技术领域

本发明属于水轮发电机系统技术设计和磁悬浮领域，涉及了一种为立轴式水轮发电机推力轴承减载的感应型磁悬浮装置。

背景技术

目前，我国电力行业已到了一个繁荣发展时期，这个时期在正朝着规模强大的电网和机组方向发展，并具有高信息化程度和高科技的双高特点。在水利发电领域，我国已建成许多个单机容量700MW级的大型水电机组，并具有了自主研发的能力，但是，由于我国建设水电站地理环境恶劣，小容量的机组无疑会带来一系列问题，发展单机容量1000MW级以上的水轮发电装置可以整合并充分资源，提高经济效益，非常适合我国水利发电的发展现状。《我国“十三五”电力科技二十项重点关注技术》也明确提出“1000MW高性能大容量水电机组技术”是重点关注方向之一。

1000MW级水电机组容量大，尺寸大，其中一个重要的技术难点即是推力轴承。大型水轮机一般都采用立轴式结构，推力轴承是水轮发电机的关键部件，支撑着机组的全部轴向负荷，其性能的优劣对机组性能的发挥起着极其重要的作用。随着装机容量的日益增大，对推力轴承要求更高。而在超大负荷的长期运行下，摩擦和机械牢固性老化更进一步加剧，需要采用更大的PV值和轴瓦面积设计，而轴瓦压力和温度不平衡更会引起部件局部或整体变形，导致推力瓦局部瓦温或整体温升过高，影响高PV 值和大面积轴瓦推力轴承运行的可靠性。为了优化大型水轮发电机组推力轴承的结构、参数，提高其运行可靠性，大型发电设备制造企业均投入了大量的人力和物力，对推力轴承进行全面的研究。总的来说，推力轴承问题的解决方案可以分为两个技术方向，一方面通过在轴承设计和新材料上改进，提高轴承本身的负荷能力，另一方面利用其它技术手段抵消轴承负荷是一种可行的方案。

超导技术是近40年发展起来的高新技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景。许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向。超导具有零电阻和迈斯纳效应，更易获得强磁场，能量密度大，与非铁磁材料匹配，可以得到较大的磁密，不受导磁体饱和限制，单位体积获得的电磁力更大。超导磁悬浮列车在日本、德国和中国取得了巨大成功，在全世界也引起了极大关注，这些都为超导磁悬浮技术在1000MW级水轮机组中的应用提供了理论基础和应用的可能。

目前，应用于竖轴式水轮机磁悬浮的装置有永磁型或永磁和电磁混合型，对于竖轴式水轮机，由于系统庞大，轴向负荷非常大，需要的悬浮力也同样很大，采用纯永磁体来实现悬浮会面临永磁体体积大难以运输、安装和维护、悬浮力不可控和价格昂贵等问题。永磁和电磁混合型虽然能降低永磁的需求量和体积而且能实现悬浮力的控制，但是目前电磁结构采用的是单环结构，由于铁芯的饱和特性使得电磁部分轴向尺寸很大，一方面占据较大的水轮机系统的内部空间，另一方面又大大增加了系统的轴向负荷，与装置本身为了降低系统的轴向负荷的目标是相背离的。

若采用常规的直流励磁的电磁结构，通电后在初级和次级之间产生电磁吸力从而实现悬浮。这种方式结构简单，易实现较大的悬浮力，但是系统本身是正反馈，如果出现工作气隙的变形，气隙越大悬浮力就会越小，气隙越小悬浮力就会越大，总是朝着情况更糟糕的方向变化，因此对控制系统要求会很高。

此外，常规导体产生的能量密度小以及常规的导磁体存在磁饱和现象，这些都会限制产生的悬浮力的体积密度，增大装置本身的体积和重量，对于大型立轴式水轮机的轴向负荷减载都是不利的。

发明内容