一种用于水轮发电机的电刷碳粉收集装置及水轮发电机的制作方法

本发明涉及水轮发电机辅助设备，具体涉及一种用于水轮发电机的电刷碳粉收集装置及水轮发电机，尤其适用于水轮发电机集电环与电刷摩擦产生的导电碳粉的收集与处理。

背景技术：

1、水轮发电机的励磁系统中，集电环与电刷组件为核心部件。机组长期连续运行时，电刷与集电环之间持续摩擦产生大量微米级导电碳粉。这些碳粉具有颗粒细小（一般在0.7-1微米之间）、流动性强的特点，极易飘散并附着于转子、定子绕组及绝缘部件表面-15。碳粉在发电机励磁回路的集电环和集电环支架间的隔离绝缘圈上堆积会形成接地通道，导致绝缘性能下降。轻则加速部件磨损、缩短使用寿命，重则引发绝缘击穿、短路放电等安全事故。同时，碳粉污染还迫使机组频繁停机检修，显著增加运维成本。

2、目前，多数水轮发电机配套的碳粉收集装置，大多只是简单的固定式防尘罩搭配单一抽风结构，实际用起来难免力不从心；密封结构的缝隙过大无法挡住碳粉泄漏，收集覆盖范围也十分有限；抽风气流杂乱无章，抽吸效率大打折扣，大量碳粉依旧残留在机组内部；碳粉处理方式太过单一，清理时很容易造成二次扬尘；同时，还没有运维监测功能。

3、鉴于此，研发一种密封可靠、收集效率高和具备主动导流功能的用于水轮发电机的电刷碳粉收集装置及水轮发电机，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种用于水轮发电机的电刷碳粉收集装置及水轮发电机，以解决现有装置密封效果差、抽吸效率低、缺乏主动导流、智能监测不足以及易二次污染的问题，实现碳粉的高效密封收集、主动导流与智能监控，保障机组绝缘安全，降低运维成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于水轮发电机的电刷碳粉收集装置，包括固定支架、动态密封组件、负压抽吸组件、碳粉处理组件、粉尘浓度传感器、液位传感器、转速采集模块和控制单元，其中：

3、固定支架用于与水轮发电机的上机架或集电环罩体可拆卸固定连接，为其他组件提供支撑基础；

4、动态密封组件包括固定密封挡板、旋转密封挡圈和迷宫密封胶条，固定密封挡板固定安装于固定支架上，与发电机机架保持相对静止，旋转密封挡圈同轴安装于水轮发电机的主轴外侧，随主轴同步转动，固定密封挡板与旋转密封挡圈相对设置且两者之间具有间隙，迷宫密封胶条连接于固定密封挡板内侧并嵌入该间隙内，形成动静结合的迷宫密封结构，有效阻断碳粉沿主轴方向的泄漏通道；

5、其中，所述旋转密封挡圈远离迷宫密封胶条的一端沿周向均匀布置有多个导风叶片。当水轮发电机主轴转动时，导风叶片随主轴旋转并同步产生定向气流，将飘散的碳粉主动推向负压抽吸区域，能够有效提升收集效率。优选地，导风叶片的数量为3-6个，每个导风叶片相对于旋转密封挡圈的轴向倾斜角度为30-45°，以使导风叶片随水轮发电机主轴转动时产生的定向气流流向环形集尘罩的内部抽吸区域。

6、其中，所述固定密封挡板与旋转密封挡圈之间的间隙为0.5-1mm，在此间隙范围内能够保证密封效果与旋转灵活性之间的平衡。

7、负压抽吸组件包括环形集尘罩、抽吸支管和负压风机，环形集尘罩包覆设于水轮发电机的电刷与集电环摩擦区域，环形集尘罩的内壁周向开设有多个与抽吸支管连接的定向抽吸口，多个抽吸支管远离环形集尘罩的一端均与负压风机的进风口连接。优选地，所述环形集尘罩内壁的定向抽吸口数量为8-12个，且所有定向抽吸口的开口方向均正对电刷与集电环的摩擦工作面，实现从源头精准抽吸碳粉；

8、其中，每一个所述抽吸支管均为柔性不锈钢波纹管制成，能够良好适配机组运行时的振动，避免管路震裂破损，且每一个抽吸支管上均设置有风量调节阀，可根据各抽吸口的实际需求独立调节抽吸风量。

9、碳粉处理组件包括旋风分离器、密封集尘罐和湿式净化箱，旋风分离器的进料口与负压风机的出风口连通，旋风分离器的底部出料口与密封集尘罐连接，旋风分离器的上部出风口与湿式净化箱连接。含碳粉气体通过负压风机送入旋风分离器，利用离心力快速完成碳粉与空气的分离，碳粉在重力作用下落入底部的密封集尘罐；分离后的含尘气体从旋风分离器上部出风口进入湿式净化箱，通过湿式净化将残余微量碳粉彻底吸附净化，洁净空气排出，避免了二次扬尘污染；

10、粉尘浓度传感器安装于环形集尘罩内侧，用于检测环形集尘罩内的碳粉浓度；

11、液位传感器安装于密封集尘罐的内部，用于检测密封集尘罐内的碳粉液位；

12、转速采集模块安装于水轮发电机的主轴上，用于实时采集主轴的转速；

13、控制单元分别与粉尘浓度传感器、液位传感器、转速采集模块、负压风机、湿式净化箱连接，用于根据各传感器的检测数据控制负压风机和湿式净化箱的运行状态。

14、进一步地，所述密封集尘罐与旋风分离器的底部出料口之间为卡扣式可拆卸连接，方便拆卸清理；且密封集尘罐内还设有与控制单元连接的预警模块，当碳粉堆积量达到设定阈值时触发预警。

15、进一步地，所述湿式净化箱内部设置有喷淋过滤模块，用于对进入的含尘气体进行湿式净化。

16、进一步地，所述控制单元为plc控制器，该plc控制器被配置为：根据转速采集模块获取的主轴转速信号以及粉尘浓度传感器获取的碳粉浓度信号，动态调整负压风机的运行频率以及风量调节阀的开度；当液位传感器检测到碳粉堆积量达到设定阈值时，控制单元向机组监控系统发出清理提示。如此可实现根据机组运行状态自动调节抽吸参数，避免能源浪费，实现节能高效运行。

17、本发明还提供一种水轮发电机，包括如上所述的电刷碳粉收集装置。

18、与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：

19、（1）本发明通过固定密封挡板与旋转密封挡圈之间嵌入迷宫密封胶条，形成动静结合的迷宫密封结构，完美适配水轮发电机主轴的旋转工况，彻底阻断碳粉沿主轴方向的泄漏通道，密封性能显著优于现有简单密封结构。

20、（2）本发明通过在旋转密封挡圈上设置的导风叶片，该导风叶片利用水轮发电机主轴旋转动力进而产生定向气流，将碳粉主动推向环形集尘罩的抽吸区域，与负压抽吸协同作用，大幅提升碳粉收集效率，同时无需额外动力源，节能高效。

21、（3）本发明通过在环形集尘罩内壁开设多个正对摩擦工作面的定向抽吸口，配合每个抽吸支管独立设置的风量调节阀，实现对碳粉产生核心区域的精准抽吸，抽吸覆盖范围全面，不遗漏任何一处粉尘。

22、（4）本发明通过旋风分离器与湿式净化箱组合的两级处理模式，实现碳粉的高效分离与尾气的深度净化，回收碳粉便于集中处理，排放气体符合环保要求，彻底避免二次扬尘污染。

23、（5）本发明通过粉尘浓度传感器、液位传感器、转速采集模块等多维度感知，控制单元根据机组转速和碳粉浓度动态调节负压风机的功率和风量调节阀的阀门开度，实现无人化智能运维，且利用所设置的预警模块还可在密封集尘罐满仓情况下预警，进而减少人工巡检频次，降低运维成本。

24、（6）本发明所提供的装置整体结构紧凑，安装拆卸简便，适用于立式和卧式水轮发电机的新建配套及老旧机组改造，工业应用价值高。