灯泡贯流式水轮机水力设计的研究[1]

灯泡贯流式水轮机水力设计的研究[1] 灯泡贯流式水轮机水力设计的研究

摘要:贯流式水轮机是一种开发利用低水头水力资源的良好机型。本文讨论了灯泡贯流式水轮机几何设计参数和水力设计参数的选取方法和原则。

关键词:灯泡贯流式水轮机;几何设计参数;水力设计

1. 贯流式水轮机特点

贯流式水轮机是一种开发利用低水头水力资源的良好机型。它具有比转速高、过流能力大和水力效率高等优良的水力性能，这使得机组的尺寸非常紧凑，降低了水轮发电机组的重量和价格，并因而缩小和简化了厂房建筑，同时，电站的土建开挖量相比于轴流式机组，也减少了许多，电站投资大约可节约三分之一左右。它与传统的立式轴流式机组相比，具有更大的过流能力和大的比转速，在相同的出力情况下，价格性能比更合理、更具有经济性。

贯流式机组适合于平原河流的低水头开发，一般采用河床式水电站布置，也可以采用引水式布置，电站位置一般处于地形比价平坦，离城市较近，且水量比较丰富的地方，如果采用梯级开发，则避免了淹没大量土地和大规模的移民，减少电站投资，同时可改善航道和便于引水灌溉，有利于改善地方的经济。贯流式水电站机组之间结构紧凑，投资小，建设周期较短，一般大中型水电站三年左右即可建成，投资回收较快。

2. 贯流式水轮机的发展方向

我国的低水头水力资源十分丰富，水头在10米左右的大中型贯流式电站总容量就有2000多万kW，同时，我国海域宽广，岛屿众多，有很长的海岸线，具有丰富的潮汐能源，据不完全统计，我国潮汐能总装机容量可达到2000多万kW。因此，在我国贯流式水轮机有非常巨大的市场。截止1996年，我国对低水头水能资

源开发较少，只建成了不到20座贯流式水电站。近几年来，随着经济的发展，电力需求越来越大，缺电现象十分严重，国内对贯流式机组的需求也日益增多，而且，国外水电市场对低水头机组的需求量也增加很快。随着水电开发速度的加快，当前在建和规划的贯流式水电站越来越多，容量越来越大，其市场前景广阔。

经过几十年的发展，贯流式机组的单机容量已经由最初的几百千瓦发展到现在的几万千瓦，最大转轮直径达到8米多，国外有的厂家正在研制单机容量

100,18OMW,转轮直径达10米的巨型灯泡式水电机组。贯流式机组发展趋势是高比转速，大流量，高效率，并使水轮机有良好的空化性能及机组运行具有更好的可靠性和稳定性。

3. 国内外贯流式水轮机水力设计水平

3.1 国外发展状况

六十年代以来，国外灯泡贯流式发电机组的研究日趋完善，贯流式机组得到了迅速发展，世界各国生产的大型灯泡贯流式机组越来越多，目前已经多达几千台，单机容量也越来越大，由最初的几百千瓦到现在的几万千瓦，以后将发展到十多万千瓦，使用水头也不断增高，由几米发展到20多米。近几年来，随着水轮机现代水力设计技术的发展和先进的CFD流动分析软件的应用，其设计水平和设计手段都有了质的飞跃，水力设计水平提高很快，水轮机的能量性能、空化性能和稳定性都有很大的提高，水轮机模型效率已经超过94,。国外先进厂家由于具有大量的技术储备，丰富的经验和先进的技术，使其占据了广阔的市场。

3.2 国内发展状况

国内方面，从1962年，我国已开始研制贯流式机组，至今已生产了多种型式的贯流式机组，并应用于多个电站，但这些转轮的技术水平与国外差距很大，很难形成竞争能力，现在我国大容量的贯流式机组基本都是采用国外的水力设计。为了缩小与国外先进水平的差距，我国采用的方法是:结合依托工程，采用技贸结合，

技术转让等方式，合作设计、联合制造，对水轮发电机组的核心部件——转轮，进行科研设计、性能试验等，以期获得各项性能指标优异的模型转轮，尽快实现贯流式机组国产化，形成独立自主的开发能力，使机组综合性能达到国际先进水平，满足国家电站建设需要。

近几年来，国内的制造厂和科研单位都加快了贯流式水轮机研究，水轮机水力设计水平增长很快，并取得了一些科研成果。在灯泡贯流式水轮机上，国内的水力设计水平已经大大缩小了与国外发达国家水平的差距，但在设计经验和工作业绩上还存在一定的差距。市场占有率非常低。

4. 灯泡贯流式水轮机的水力设计

在灯泡贯流式水轮机流道和转轮的设计中，锥形导叶和转轮的角度匹配关系非常重要，只有转轮的进水边设计能够很好的适应导叶的出流情况，才可以设计出性能优良的转轮。对于低水头电站，尾水管的损失占整个机组损失的很大部分，因此，尾水管的设计十分重要。

通过对各部件内不同负荷运行工况点的流速场、压力场进行分析，特别是导叶出流和转轮出流情况的分析，发现转轮进、出口边的形状特别重要，设计时必须使转轮进口边形状要适应导叶的出流情况，同时出水边的形状要保证转轮出口流速分布规律能提高尾水管的效率。

4.1 几何参数的选择:

水轮机几何参数的选择是非常重要的，它决定了机组尺寸的大小，影响到水轮机水力性能的好坏。在选择相应的参数时，要从结构，水力性能和电站投资等方面综合考虑。

4.1.1 叶片数Z的选择

模型试验和CFD分析表明，在相同的水力设计参数下，增加转轮叶片数，转

轮的空化性能得到改善，但转轮的水力摩擦损失增加，效率降低;反之，减少转轮

叶片数，转轮的空化性能下降，但转轮的水力摩擦损失减小，效率增加。同时，采用适当的转轮叶片数，有利于均匀转轮内部流动，减小转轮内二次流，从而改善水轮机的尾水管压力脉动，提高水力稳定性。根据设计经验，对灯泡贯流式水轮发电机组，当水头H>20m时，一般采用5叶片转轮，而当水头H<20m时，一般采用4叶片转轮。

4.1.2 转轮轮毂比 db

轮毂比是贯流式水轮机的一个重要的几何参数，其大小对水轮机的水力性能有重要的影响，直接决定着水轮机过流通道的宽度，改变转轮高效率区的单位转速和单位流量，从而对转轮的运行区域产生较大的影响。减小轮毂比可使最优效率增加，对水轮机的比转速影响很大，最优效率区向大流量、高转速区移动，同时对改善空化性能也有非常好的作用。近些年来，随着新技术、新材料的应用，贯流式电站转轮轮毂比有逐渐减小的趋势。当然，轮毂比的减小也受到了电站最高使用水头的限制。

4.1.3 转轮灯泡比D0/D1

从水力设计的角度上分析，转轮的灯泡比越小越好，其尺寸主要受灯泡体里面电机尺寸的限制，一般情况下灯泡比D0/Dl=0.85,1.2，如果转轮尺寸较大，转速较高，则可以采用较小的灯泡比，以能满足电机的安装和通风冷却为准。

4.1.4 通流部件尺寸

对灯泡贯流式水轮机，由于电站水头低，过流量大，通流部件损失所占整个机组损失比重较大，因此，在设计时，要保证引水管进口面积，增大尾水管出口面积，以减小通流部件中水流的流速，降低其水力损失。一般情况下，引水管进口速度控制在2.5m/s以内，导叶前速度控制在6m/s以内，转轮进口流速控制在12m/s 左右，尾水管出口平均速度控制在2.5m/s以内为好，电站水头低，则应采用较小值，以减小转轮出口动能损失。