水電站燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)選擇

四川港航嘉陵江金沙航電開(kāi)發(fā)有限公司

摘要：本文通過(guò)闡述水電站的燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的選擇情況對(duì)機(jī)組在建設(shè)過(guò)程和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的影響。針對(duì)對(duì)水輪機(jī)葉片數(shù)關(guān)聯(lián)方面的論述，了解水輪機(jī)選擇過(guò)程中需要考慮的因素，以此選擇合適葉片數(shù)的水輪機(jī)，從而達(dá)到發(fā)揮水電站最大發(fā)電效益，獲得經(jīng)濟(jì)效益最大化的目的。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；葉片；工況分析；

一、燈泡貫流式水輪機(jī)概述

水利樞紐工程根據(jù)電站參數(shù)和流量變幅大小配備不同數(shù)量和種類(lèi)的水輪機(jī)。水電站的核心設(shè)備之一水輪機(jī)，其任務(wù)就是將水流機(jī)械能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，是發(fā)電過(guò)程中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，占據(jù)著重要地位。其質(zhì)量?jī)?yōu)劣、運(yùn)行情況都將影響著整個(gè)水力發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能，甚至對(duì)水電站的整個(gè)機(jī)組壽命有決定性作用。在水輪機(jī)實(shí)際選擇過(guò)程中，需根據(jù)水電站實(shí)際情況決定。水輪機(jī)有多種型式，如混流式、軸流式、軸伸貫流式、豎井貫流式，燈泡貫流式和全貫流式。不同型式水輪機(jī)應(yīng)用在參數(shù)不同的水電站內(nèi)，目前低水頭電站均使用貫流式水輪機(jī)，而其中燈泡貫流式水輪機(jī)使用最為廣泛。

二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

燈泡貫流式水輪機(jī)主要結(jié)構(gòu)有：埋設(shè)部件、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室、主軸與主軸密封、水導(dǎo)軸承、組合軸承等。結(jié)構(gòu)較其他型式水輪機(jī)復(fù)雜，增設(shè)協(xié)調(diào)機(jī)制和穩(wěn)定機(jī)制，但是檢查和維修相對(duì)其他水輪機(jī)更為困難。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還在于流道采用直型，空間結(jié)構(gòu)寬闊，將水能損失率降到最低，能量利用效率高。同時(shí)其單位流量大，比轉(zhuǎn)速高，而且由于取消了蝸殼和肘行尾水管，其體積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，廠(chǎng)房面積小，能夠最大程度減小土建投資。

三、電站水輪機(jī)工況分析

燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型式有3葉片、4葉片、5葉片轉(zhuǎn)輪，不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)不同。

表1 燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型式主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

轉(zhuǎn)輪型式運(yùn)用水頭/m最優(yōu)工況額定工況

單位轉(zhuǎn)速單位流量效率單位轉(zhuǎn)速單位流量效率

r*min-1m3*s-1%r*min-1m3*s-1%

5葉片轉(zhuǎn)輪15～311381.6594.21772.2～2.392.5

4葉片轉(zhuǎn)輪6～171661.993.0175～2052.9～3.191.5

3葉片轉(zhuǎn)輪3～11.51752.292.0205～2203.3～3.587

（一）5輪葉片轉(zhuǎn)輪工況分析

電站最優(yōu)工況即在最小損耗下獲得最大的發(fā)電效益。水輪機(jī)在持續(xù)工作過(guò)程中，從最小水頭到最大水頭之間轉(zhuǎn)速和流量同樣在不斷變化。并不是所有技術(shù)參數(shù)達(dá)到額定值便能得到最優(yōu)狀況。由表1可看出，5輪葉片轉(zhuǎn)輪的效率最高，但是運(yùn)用水頭范圍同樣高，對(duì)低水頭幾乎無(wú)法利用，而且這種大型燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)電組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其葉片數(shù)量與機(jī)組其他部件的整合對(duì)機(jī)組的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的影響。一般情況下為了減小機(jī)組共振的發(fā)生，對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)行分析，使水力激振頻率與機(jī)組自身頻率維持在一定范圍內(nèi)，但是5輪葉片機(jī)組尺寸大，動(dòng)力特性相對(duì)3葉片轉(zhuǎn)輪和4葉片轉(zhuǎn)輪更加難以把握。在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組自身振動(dòng)頻率與水力激振頻率更加容易引起機(jī)組共振，機(jī)組穩(wěn)定性能較低，運(yùn)行過(guò)程中變化情況多，對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不良影響，降低水電站工作效益。5葉片轉(zhuǎn)輪質(zhì)量大，在配備過(guò)程中需要更多的人力物力，無(wú)論從設(shè)備配置方面，還是從建設(shè)規(guī)劃方面所需投入高，耗時(shí)長(zhǎng)，而且檢查維修更為復(fù)雜，困難系數(shù)高。

（二）4葉片轉(zhuǎn)輪工況分析

4葉片轉(zhuǎn)輪在工作運(yùn)行過(guò)程中最優(yōu)工況效率和額定工況效率與5葉片轉(zhuǎn)輪相差不大，但是，4葉片轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速更高，其能量利用率相對(duì)較低，從最小水頭到最大水頭機(jī)組運(yùn)行效率包含高效范圍較少，如果需要進(jìn)一步擴(kuò)大利用率，提高整體效率，那么只有降低轉(zhuǎn)速。同時(shí)水輪機(jī)的機(jī)組性能同樣受空化系數(shù)的影響，在效率、過(guò)流能力和功率等能量性能方面均存在有利作用，空化系數(shù)值是吸出高度除以水頭值。4葉片轉(zhuǎn)輪發(fā)電機(jī)尾水水位與水輪機(jī)中心線(xiàn)之間的高度并不高，因?yàn)橛谒娬緩S(chǎng)房尾水管出口處淹沒(méi)深度只有達(dá)到一定值才能滿(mǎn)足整個(gè)機(jī)組良好運(yùn)作，而在這種情況下得出的吸出高度并不能達(dá)到保證轉(zhuǎn)輪運(yùn)作效率高的要求，轉(zhuǎn)輪所需的吸出高度在保證尾水管淹沒(méi)深度最小值時(shí)，與3葉片轉(zhuǎn)輪差別較小，但由于燈泡貫流式機(jī)組設(shè)計(jì)安裝的橫臥式簡(jiǎn)易布置，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中絕大多數(shù)處于底端，空化發(fā)生率較低，因此選擇4葉片轉(zhuǎn)輪時(shí)機(jī)組深埋條件可稍作考慮。4葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊背面脫流現(xiàn)象同樣影響運(yùn)行效率，選擇時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)。

水輪機(jī)工作時(shí)，水流進(jìn)入水輪機(jī)，形成的撞擊、脫流不僅會(huì)引起共振，還有各種漩渦、壓力脈沖現(xiàn)象，水輪機(jī)的導(dǎo)葉、槳葉進(jìn)口沖角增大了這種現(xiàn)象發(fā)生強(qiáng)度。且機(jī)組尺寸較大，耐受力難以保證，運(yùn)行過(guò)程中難以保持既定形狀，進(jìn)而引起一系列的問(wèn)題。由引水室流向水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水流需經(jīng)過(guò)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，這一過(guò)程通過(guò)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化來(lái)調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組出力的要求，如果導(dǎo)水機(jī)構(gòu)變壞，就無(wú)法控制進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量，不能滿(mǎn)足水輪機(jī)對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前水流環(huán)量的要求，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)水輪機(jī)導(dǎo)軸承減弱葉片開(kāi)度不均產(chǎn)生徑向水推力的影響，承受由軸傳來(lái)的徑向力和振擺力，固定機(jī)組軸線(xiàn)位置，保證軸心穩(wěn)定，是水輪機(jī)的重要組成部分。而轉(zhuǎn)輪室中轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪體積大，重量大，如果運(yùn)行中變形就會(huì)引發(fā)導(dǎo)葉無(wú)法正常工作，對(duì)轉(zhuǎn)輪室間的間隙產(chǎn)生影響，發(fā)生摩擦碰撞的情況。4葉片輪機(jī)的尺寸和材料工藝都必須進(jìn)行精確計(jì)算，以保證機(jī)組運(yùn)行良好，不僅保證其最優(yōu)工效，還需要保證其穩(wěn)定性能。

4葉片轉(zhuǎn)輪直徑質(zhì)量和尺寸處于中等，但是轉(zhuǎn)輪和葉片的總質(zhì)量相對(duì)3葉片轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)比較大，這決定了水輪機(jī)過(guò)流能力沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，而且比轉(zhuǎn)速受水頭范圍影響比較低，因此4葉片轉(zhuǎn)輪機(jī)組的質(zhì)量與3葉片轉(zhuǎn)輪比較處于劣勢(shì)地位。同時(shí)轉(zhuǎn)輪的尺寸較大，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中對(duì)工藝的要求比較嚴(yán)格，需要精確的設(shè)計(jì)與計(jì)算，直接影響轉(zhuǎn)輪經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)電廠(chǎng)的投資產(chǎn)生影響，不僅如此，對(duì)土地建設(shè)要求更為嚴(yán)苛。轉(zhuǎn)輪尺寸的不同導(dǎo)致建設(shè)流道尺寸的變化，相應(yīng)的建設(shè)工具、配備設(shè)備同樣改變，電站的建設(shè)工作提高了難度，增加了電廠(chǎng)投資額度。

（三）3葉片的工況分析

3葉片轉(zhuǎn)輪葉片較小，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量和直徑較小，單位流量大、比轉(zhuǎn)速及過(guò)機(jī)流速高，其能量利用效率低下，空化系數(shù)普遍比較高。其運(yùn)用的水頭范圍是3～12m，能夠有效利用電站低水頭。而且在其適合的水頭范圍內(nèi)，最優(yōu)工況的效率仍然可以達(dá)到92%，平均效率較高，最大限度發(fā)揮了機(jī)組效能。3葉片轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過(guò)程中，為了滿(mǎn)足機(jī)組空化性能，對(duì)機(jī)組的掩埋深度并沒(méi)有特別的要求，與4葉片轉(zhuǎn)輪相差不大。

水電站工作時(shí)，水頭變幅大，遠(yuǎn)離最優(yōu)工況的區(qū)域易引發(fā)共振，而3葉片轉(zhuǎn)輪在此方面憂(yōu)患不大，其尺寸和質(zhì)量在合適的范圍內(nèi)，穩(wěn)定性能較高，工作運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生變化較小。而且由于體積較小，在設(shè)計(jì)制造方面相對(duì)輕松，工藝要求相對(duì)簡(jiǎn)單。整個(gè)機(jī)組的尺寸相配合，從配備設(shè)備到廠(chǎng)房建設(shè)過(guò)程均減少開(kāi)支，減小電廠(chǎng)投資成本。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可發(fā)現(xiàn)，水電站不同葉片的選擇，對(duì)水電站整個(gè)機(jī)組設(shè)備，電站經(jīng)濟(jì)投入和廠(chǎng)房建設(shè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。選擇過(guò)程中，考慮的因素不僅僅是單純?nèi)~片數(shù)量，還需要對(duì)水輪機(jī)葉片數(shù)量改變引起的一系列變化進(jìn)行分析研究，與此同時(shí)需要結(jié)合電站自身特點(diǎn)，運(yùn)用掌握機(jī)組結(jié)構(gòu)功能和重要技術(shù)參數(shù)，聯(lián)合電廠(chǎng)投資預(yù)算和建設(shè)規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)比較和論證，而后優(yōu)化選擇結(jié)果，使電廠(chǎng)的發(fā)電效益最大化，給水電站帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]齊立偉.貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)[D].2012.

作者簡(jiǎn)介：

劉波（1986-），男，四川閬中人，助理工程師，長(zhǎng)期從事水電站生產(chǎn)管理工作。

冉杰（1985-），男，四川西昌人，助理工程師，長(zhǎng)期從事水電站機(jī)械檢修技術(shù)管理工作。