混流式水轮机模型参数选择

第３Ｏ卷第４期　水电站机电技术　Ｖｏ１．３Ｏ　ＮＯ．４　２００７年８月　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ａｕｇ．２００７　１３　混流式水轮机模型参数选择　喻　忻　（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙４１００１４）　摘　要：简要论述了采用统计法确定大中型混流式水轮机模型参数时需考虑的因素及合理选择参数对机组稳定性的　’　影响，对水电前期项目合理确定水轮机参数有一定的参考价值。　关键词：水轮机；比转速；单位流量；单位转速；空化系数　中图分类号：ＴＫ７３３　．１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５３８７（２００７）０４—００１３—０３　随着科技进步和技术水平的提高，我国水电制　近年来，这种趋势已经明显放缓。人们已经清楚地　造行业的技术研发能力和制造加工能力取得了长足　认识到：水轮机比转速的提高，往往受到水轮机加权　发展。对大中型水轮发电机组已很少沿用过去套用　平均效率、运行稳定性、空化、磨蚀以及强度等诸多　机组的办法，而是根据不同电站的具体参数设计研　因素的制约，在技术上存在一定的难度和风险，因　发新的水轮机转轮，以保证实际投运的机组的能量　此，比转速的选取，应针对每个电站具体的技术参数　指标、稳定性指标和综合性能保持在较先进的水平。　和经济指标进行充分的综合分析和多方案比较，择　由于正式的研制开发工作一般在机组合同签定后进　优选取。　行，也就是说，在前期设计时，设计人员要预估水轮　随着水轮机科研和设计水平以及试验手段和加　机的主要参数作为设计依据。即通过统计公式（曲　工制造能力的提高，新材料、新工艺、新设备等在水　线）、现有模型转轮参数、类似电站参数水平以及技　轮机行业中的应用，为水轮发电机组向高水头、高转　术交流阶段各制造厂家针对本电站所推荐值，经综　速和大容量的发展创造了有利的条件。与此同时，　合比选确定水轮机基本参数。下面简要论述确定大　也为提高同一水头段水轮机的比转速创造了条件。　中型混流式水轮机模型参数如比转速、单位流量、　但我们知道，运行中的空蚀及振动靠通常的降低安　单位转速、空化系数等主要参数时注意的问题，供同　装高程、补气等措施是不能彻底解决的。通过优化　行参考。　水力设计，适当降低能量参数指标，合理匹配各项水　力参数，可减轻这类问题所带来的破坏。国外许多　１　比转速和比速系数的选择　水轮机制造商，一般都是通过限制机组的运行水头　比转速是水轮机的一个基本特征，它综合反映　范围和出力范围来回避这类问题的出现。这也间接　了水轮机的能量、空化、效率等特性，也反映了不同　说明，在目前阶段，还很难仅仅从水力设计上完全解　国家、地区、不同年代的水轮机设计制造水平，随着　决宽水头运行范围所派生出的这些问题。如果片面　水轮机制造能力、设计水平及科研水平的提高，以及　追求过高的比转速　值，会使这类问题更加突出。　一新材料、新工艺的应用，近年来各国水轮机单机容量　般用比速系数Ｋ值（Ｋ—　Ｈｒ　）来表征比　增加较快，同时比转速　增加也较快，尤其是中高　转速的水平，在２Ｏ世纪６Ｏ年代初，Ｋ值还没有超过　水头大型混流式水轮机。　２　０００，而目前国外生产的水轮机Ｋ值达２　３００～　比转速的定义为１　Ｉｎ水头下发出１　ｋｗ出力时　２　５００；国内生产的水轮机Ｋ值达１　９００～２　３００之　的转速。一般来讲，在水头相同的情况下，选用较高　间，且有提高趋势。　比转速的水轮机，可以提高机组转速，从而减小机组　目前常用的额定水头与比转速关系曲线有两　的尺寸，降低水轮发电机组造价，减少电站的一次性　投资。因此，提高水轮机的比转速一直是各国水轮　收稿日期：２００７—０４—１６　机制造业的发展趋势。随着科学技术的发展和进　作者简介：喻忻（１９６５一），女，高级工程师，从事水力机械专业设计工　步，水轮机比转速也经历了逐步提高的过程。但是，　作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１４　水电站机电技术　第３Ｏ卷　条，其中，一条曲线为：按国内外大量已建大型水电　０　０＜，７　性能降低等不利因素。转轮直径Ｄ　与Ｑ　的关系，　既要考虑较大的Ｑ　，可以满足电力系统在低水头　时希望水轮机较大预想出力的要求，又要考虑在水　轮机高水头工况时由于发电机出力限制，导水叶必　须关小运行的情形。　站参数的基础上做的统计回归曲线ｎ　一告睾　；另　』１Ｉ　一条曲线为：ＨＥＣ于１９９１年考虑了比转速的新发　。但随着近年来一　展的趋势提出的ｎｓ一再　些水轮机运行中出现的振动、空蚀、裂纹等问题，参　数选择重新重视以稳定性为主。　３水轮机效率　水轮机效率是表征水轮机技术水平的重要指　２　最优单位转速ＹｌｌＯｔ和限制工况单位流量Ｑｌ。　我们知道，比转速与单位参数的关系式为ｎ　一　３．１３　ｎ　（Ｑ　刁）　，可以看出，同样的Ｙｌｓ值，可由不同　的单位转速ｎ　和单位流量Ｑ】　以及效率的组合来　实现，改变ｎ　、Ｑ　、　中的任何一者，都能起到改变　ｎ　的作用。其中，效率　的提高是非常有限的，增　量不会很大，所以，ｎ　的改变主要通过改变ｎ　或　Ｑ　来实现。提高水轮机的单位转速ｎ　，可提高发　电机同步转速ｎ　，减轻发电机重量，降低机组造价。　但ｎ　的升高往往引起转轮出口相对流速ｗ　上升，　这会对水轮机的空化、磨损、运行稳定性带来不利影　响。而且单位转速ｎ　的上升还会引起单位飞逸转　速　以大致相同的比率上升及转动部件的离心应　力升高，因而，ｎ　的提高受到水轮发电机强度的制　约。提高水轮机的单位流量Ｑ】　，既可减小水轮机　本身的尺寸，降低机组造价，而且可减小厂房尺寸，　缩减土建投资。另外，在机组额定容量不变动前提　下，提高Ｑ　可使水轮机转轮名义直径Ｄ　减小，从而　对应于同样的ｎ　值，则可能提高发电机同步转速　ｎ　，减轻发电机重量。所以，为实现ｎ　值的提高，通　过提高Ｑ　比通过提高ｎ　更为合理、可行。当然，　Ｑ　的提高也受到水轮机的强度条件和其他一些因　素的约束。过高的Ｑ】　往往会导致过流速度偏高，　特别是轴面流速偏高，恶化水轮机的综合性能。根　据以上全方位的分析，我们认为，单纯地通过提高　靠　或Ｑ　来达到某一比转速ｎ　，都是不切实际的。　国内外水电站的实际运行经验表明，水轮机的综合　性能（效率、空化系数、水压脉动相对值ＡＨ／Ｈ）的　优劣，在很大程度上与ｎ　、Ｑ　的匹配好坏关系极　大，只有当ｎ　与Ｑ　处于最优匹配时，才可能获得　最优的水轮机综合性能。　水轮机单位流量是水轮机的一个重要能量指　标。提高单位流量可以减小水轮机转轮直径，减轻　水轮机重量，减小厂房尺寸。但是，过大的单位流量　会造成流道内流速增加，空化系数增大，水轮机空化　标，也是能量参数的重要指标。提高水轮机效率，可　提高发电效益，对电站有较大的经济意义。　根据统计资料表明：国外大中型混流式水轮机　模型转轮的最优效率值大多在９３．０　～９４．０　。　近年来，随着水电事业的飞速发展，计算机等先进的　手段和设备在水轮机转轮的水力设计和模型试验中　的大量应用，使得混流式水轮机模型转轮的最优效　率值提高较快，国外水轮机模型转轮的最优效率最　高已达９５．２　。如：法国奈尔皮克公司为天生桥Ｉ　级水电站提供的水轮机模型转轮最优效率值高达　９４．７４　；加拿大ＧＥ公司为二滩水电站提供的水轮　机模型转轮的最优效率值高达９４．５７　９／６；挪威ＫＥＮ　公司为三峡水电站提供的水轮机模型转轮的最优效　率值高达９４．５４　９／６；Ｖ．Ｇ．Ｓ集团为三峡水电站提供　的水轮机模型转轮的最优效率值高达９５．２　，且上　述水轮机模型转轮均已通过了国内业主单位的验收　试验。伊泰普水轮机转轮模型的最优效率值为　９４．Ｏ２　；力Ⅱ拿大ＧＥ公司为隔河岩电站提供的水轮　机模型转轮的最优效率值为９３．１　；德国ＶＯＩＴＨ　公司为五强溪水电站提供的水轮机模型转轮的最优　效率值为９３．５１　。天生桥ＩＩ级５、６号机独立研制　开发的模型转轮的最优效率值也已达９３．５６　。　随着三峡电站全面技术引进工作的完成，使得　我国在模型转轮的水力设计和模型试验方面取得了　长足的进步，缩小了与国外技术先进厂商的差距。　国内公司近期已独立开发出一大批模型最优效率超　过９４．０％且综合性能优良的模型转轮。其中：为黄　河公伯峡水电站（最大水头１０６．６　ｍ）刚刚开发的　Ａ８０１转轮，水轮机模型转轮的最优效率值为　９４．２１％。　水轮机的模型转轮效率提高，一方面是得益于　水力设计水平的提高，另一方面是由于水轮机模型　转轮叶片采用数据加工，尾水管和蜗壳中使用了特　殊涂层，使尾水管和蜗壳中的水力损失有一定程度　的降低，从而使水轮机的效率有一定的提高。同时，　从国外最近引进的几个高效率转轮来看，尾水管的　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　喻忻：混流式水轮机模型参数选择　１５　压力脉动稍偏大。现阶段虽未发现这与过分追求效　率有关，但需进一步开展研究工作。我们始终认为　对于江坪河水电站这样的机组，安全稳定运行应放　在首位，在安全稳定运行的前提下，优先考虑到水轮　机整个运行范围的合理性，并尽最大可能提高水轮　机的加权平均效率，而不是过分强调额定点的效率。　但一般对叶片的局部空化的影响并不大，而且过分　扩散的水力通道势必造成出口速度的增大，对叶片　水力性能的提高也是不利的。　对水轮机装置空化系数　的选择，国内外一直　有两种观点：一种认为选取较大值，即降低安装高　程，虽增加了电站深挖的土建投资，但可减轻空蚀损　４水轮机装置空化系数　水轮机空化性能的优劣，也是衡量水轮机综合　性能的一个重要指标。电站装置空化系数　的大　小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行寿命。　的大小，主要是由模型空化系数　决定。水轮机研　究工作的重点之一，就是在提高水轮机能量指标的　同时，降低水轮机的空化系数，改善空化性能。但　是，水轮机的能量性能与空化性能常常相悖。一般　地，　与　正相关，即随着　的提高，　也呈上升趋　坏，对机组运行稳定性也有利，降低机组检修和维护　费用；另一种认为选取较小值，可减少电站一次性深　挖所需投资，只要选用较好的材料，机组检修和维护　费用也不会有较多的增加。基于上述两种观点，用　不同的统计公式计算得出的装置空化系数值差别很　大，国内外各公司提出的装置空蚀系数的统计或经　验公式有很大差异。因此，在前期设计中，应注重与　制造厂的前期技术交流。　５　结语　根据国内外水轮发电机组的设计、制造及运行　经验，结合我国电力发展和供电形势，目前行业的共　势。也就是说，如果追求过高的能量指标，免不了牺　牲空化性能，这也是我们在前述选择能量指标时，不　赞成片面追求过高的能量指标的原因之一。　众所周知，水轮机空化系数是由叶片上的附加　真空和尾水管动力真空两部分组成，不同流道可以　造成水轮机空化系数的差异。而不同的转轮流道对　转轮空化系数的影响也是比较大的，尤其是近年来　为了追求水轮机比转速的提高，转轮流道也出现了　高比速化倾向。这种高比速化的转轮流道，虽然由　于其流道的扩散性可能导致转轮空化系数的降低，　（上接第１２页）　识为：在水轮机参数选择时应将安全、稳定性放在首　位，适当地兼顾机组参数的先进性和合理性，不宜片　面地追求高参数；适当考虑现今水轮机设计、科研、　试验、制造技术的的现状和发展趋势，兼顾不同厂家　的技术水平和经验、能力；注意含泥沙电站、调峰机　组和运输条件的限制等对机组参数的影响；同时，对　大型机组，应多与制造厂进行技术交流，掌握最新的　技术发展。保证所选参数基本合理可行。　由于灯泡式水轮机出力限制线与空蚀线并不平　行，在水轮机运行范围内有一部分水头区间受出力　限制线所限制，另一部分水头区间受空蚀线所限制。　安装高程不同，空蚀限制线位置就不同。当出力限　水位，而不是按过去根据《水电站机电设计手册》（水　力机械）计算公式，选用１台机甚至半台机工作时相　应的下游水位为计算标准。这样就可以抬高水轮机　安装高程，节省电站开挖工作量，减少土建投资；　（２）计算多台灯泡式贯流机组的安装高程时，要　制线与空蚀线相交点为最小水头时，安装高程为临　界值。如果所选安装高程高于临界高程，则出力限　对不同台数机组发电工况进行充分论证与计算，来　确定机组安装高程。　作为设计院选型及方案比较时应予以充分考虑　以上两种观点，以确定水轮机安装高程。　制线与空蚀线相交点水头就大于最小水头，相交点　水头与最小水头之间的水轮机出力将受空蚀线限　制，于是就有一部分电能被损失掉。安装高程越高，　损失的年电量越多。所以在确定安装高程时，要充　分考虑对年电量的影响。　对于含泥沙河流，在确定安装高程之前，要充分　考虑若干年后，下游河道疏挖尾水位降低对尾水管　出口淹没的影响。　参考文献　（１］　田树棠．贯流式水轮发电机组及其选择方法（Ｍ３．　４　结论　（１）计算灯泡式贯流机组的安装高程时，可以取　电站发满装机容量时的水轮机流量所对应的下游尾