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1、贯流式水轮发电机组 的技术优势与关键技术 田 树 棠 2012.04.15 目录 l1. 概述 l2. 贯流式水轮机的分类与发展 l3. 贯流式水轮机的技术特点 l4. 贯流式水轮机几个关键技术 l5. 机组机型与参数选择 l6. 采购招标书中应强调机组的刚强度与疲 劳破坏计算 l7. 其它相关的关键技术问题 l8. 结束语 摘要； l贯流式水轮机虽开发较晚,但近年来发展较快。一方面是中高 水头水电资源开发殆尽；另一方面是贯流式水轮机具有十分 优越的技术优势：能量指标与效率都比较高,能节省建设投资 ,又可增发一定的年发电量,同时空蚀轻微、检修工作量小。 当然贯流式水轮机亦有它的不足之处,有一些
2、关键技术必须正 确对待,妥善処理。例如,其桨叶与导叶的最佳协联关系一定 要调整好,否则将引发一系列问题；贯流式水轮机的刚强度与 疲劳破坏亦要高度重视；另外还有一些相关问题也要慎重对 待,其设计、安装、运行等都有自己的独特之处,与立式机组 相比有许多不同特奌。 l l l1.概述 贯流式水轮机起步较晚且发展较慢。国外从上世纪三十 年代开始使用，到六十年代才比较兴旺。国内则从八十 年代开始使用，到夲世纪初方蓬勃发展。国内厂家从引 进仿制、试制中小型贯流式水轮发电机组开始，到如今 已有不少厂家能自主开发、独立设计制造50Mw以上大型 贯流式机组，甚至正在生产世界上最大的贯流机组（出 口巴西75Mw贯
3、流机组）。 l目前,国内已投运的最大贯流机组是广西桥 巩电站的8台57mw机组。贯流机组开发较多 的地区有广西、广东、湖南、四川等南方省 区，北方有黄河上游地区。相对而言，湖北 省开发较为落后，其实汉江下游可供开发的 大型贯流机组电站不少，但是仅有王辅州、 崔家营两级已发电，在建的有兴隆电站一级 。正処在设计阶段的有不少，近期能开工上 马的工程尚不明确。汉江水量充沛，开发条 件较好，有关单位与企业应当抓紧机会促进 工程尽快开工兴建。 按GB/T2900.45-1969电工术语： 水轮机 蓄能泵和水泵水轮机中的定义：贯流式 水轮机，即过流通道呈直钱（或s形）布置 的轴流式水轮机；灯泡贯流式水轮机
4、,即发 电机置于流道中灯泡体内的贯流式水轮机 。 l图1 ：灯泡贯流式机组 (发电机安装在位于流道中的灯泡体内) l图2 ：竖井贯流式机组 (发电机安装在流道内的竖井中。发电机通过一个变速装置 与水轮机相联。通过竖井可以直接从上方拆卸发电机和变 速装置。) l图3 ：全贯流式机组 (发电机转子直接与水轮机转轮联在一起。) l2. 贯流式水轮机 的分类与发展 l2.贯流式水轮机的分类与发展 l从世界水电建设发展的趋势可以看出，中、高 水头水电资源开发殆尽，而低水头甚至超低水 头水电资源（含潮汐电站）的建设重要性正在 日益增大。在30m水头段以下，贯流式水轮机与 立式轴流水轮机相比，具有一系列优势
5、，尤其 突出的是水电站投资减少，以及可建在城市近 郊，改善了城市景观与湿地，有利于人文社会 的建设，按最新的环保观奌来说，还有利于鱼 类的通过（国外称之为亲鱼水轮机）,更是增加 了贯流式水轮机发展的优势。 机型型号 运行水头 （m） 转轮直径 （m） 代表产品 灯泡 式 GZ- WP- 2.42.5-9.0 （只见） Pr=65.8mw;D1= 轴伸 式 GZ- WZ- 50.6-9.0 （奧扎克）Pr =31.5mw, D1= 竖井 式 GZ- WS- 21.0-9.0 （墨累）Pr =24.8mw; D1= 全贯 流式 GZ- WQ- 21.2-10（安娜波里斯）Pr =20mw; D1=
6、 贯流式水轮机各类型式的最高水平大致如表1所示. 表1 贯流式水轮机的分类及其代表产品 l另外，还有少数小型虹吸贯流式水轮机与整 装式贯流灯泡机组。而大型在制的灯泡机组 Pr达到7.5MW，D1达到7.5m（欧州联合体产品 ）到7.9m（中国东电产品）。理论上说最大 灯泡机组可达100.0 MW, D1=9.0m。 l由表1可见，贯流式水轮机中尤以灯泡式规 模最大、发展最快。故以灯泡式为例（以下 简称灯泡机组）进行介绍。 图4 ：灯泡贯流式机组 l3. 贯流式水轮机 的技术优势 l3.1. 流道形式好、尺寸小。 l由于取消了立式机组平面上180270 的蜗壳和 立面上90拐弯的肘形尾水管，而采
7、用直轴引水室， 其进口断面为矩形，在接近灯泡体的范围内逐渐过渡 为圆形断面以及直锥式尾水管，由圆断面逐渐又变为 矩形断面.由于流道平直对称，避免了水流拐弯后形 成流速分布不均而使水流流态变坏的影响，水力损失 较小。这种直锥扩大型尾水管能量恢复系数高达0.9 （而常规弯肘形尾水管能量恢复系数仅在0.75左右） 。同时，由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管，使机组流 道尺寸减小。在转轮直径D1相同时，其机组段水力尺 寸仅相当于立式轴流机组的三分之二左右，因而土建 工程量与建设投资减少较多。 l3.2 能量指标大、效率高。 l由于灯泡机组为卧式布置，流道平直，水流平 顺，且采用直锥扩大型尾水管，减少了尾水管
8、 水头损失，大为提高水轮机能量指标；单位流 量Q11比轴流机组增加了40%左右；在相同的单位 流量时,其效率相应高5%以上。在同一水头段其 单位转速n11也比轴流机组高10%左右。因此，灯 泡机组的比转速ns在1000m.kw左右，比速系数 在3000左右甚至更高，远远超过其它类型水轮 机。另外，灯泡机组因具有良好的水力特性， 故其效率较高，额定点效率与最高效率分别比 轴流机高5%与3%左右。 l3.3机组尺寸小、重量轻。 l灯泡机组由于能量指标高，更兼有结构紧凑 、体积小、消耗材料少等特点。与轴流机组 相比，在相同的水头与直径下，出力可提高 30%左右。当水头和单机容量相同时，灯泡机 组直径
9、比轴流机组小15%左右，重量减轻25% 左右，而每台机组重量相差1.7倍左右。例如 ，在相同的pr=37.5mw、Hr=12.9m时，不同方 案机组重量估算见表2。表中Gt、Gf、G总分别 表示水轮机、发电机和机组总重量。 表2 灯泡GZ机组与轴流转桨机组ZZ比较表1995年水平 方 案 D1（m ） nr（ r/min ） Gt（t ） Gf（t ） G总（t ） 备注 GZ6.1107.1410288698 合资厂 参数水 平 GZ6.978.955845651149 合资厂 参数水 平 ZZ7.571.46606051265 国内厂 家参数 水平 l3.4 土建工程量少、投资省。 l灯泡
10、机组由于取消了蜗壳和肘形尾水管 ，其体积减小，结构紧凑，厂房面积小 。另外，因水平布置，其开挖深度也小 于轴流机组。因此，与采用轴流机组方 案相比，厂房工程费用可节省30%到40% 。 l3.5 运行性能好、适用范围大。 l运行经济性好，比轴流机组可增发电量4%左 右；运行稳定性良好；空蚀轻微。据国内外 设计经验，比轴流机组方案可节省投资15% 左右。水头越低，灯泡机组优势越大。当然 ，由于灯泡机组本身的特点和水力条件的限 制，对机组结构有着严格的要求，有些地方 较轴流机组要复杂一些，特别要重视疲劳破 坏特性。随着机组出力和尺寸的增大，其制 造难度随之增加，必须予以充分的重视。 l3.6 其它
11、功能。 l由于机组卧式布置又有反向推力轴承，所以不 会发生抬机现象；由于导水机构设有关闭重锤 可防止发生机组飞逸事故；另外，还具有空载 泄水功能；按最新的环保要求水轮机要能过 鱼，而贯流式水轮机流道平直、压力变化小， 而且叶片数少、转速较低，适宜鱼类通过。再 者贯流式水轮机可布置在城市附近的低水头径 流式水电站，可以改善城市景观与湿地，水面 还可以运动健身，适合城市人口旅游度假，符合 人文设计要求，不少城市都在实施中。 l4 贯流式水轮机 l几个关键技术 l4.1 水轮机桨叶与导叶的最佳协联关系 l 周知，凡转桨式水轮机（含轴流转桨式与贯流 转桨式）的桨叶与导叶之间存在一种最佳协联关系 水轮机
12、运行在此処,则水轮机效率最高、运行性 能也最好。无论是水轮机模型试验或是原型水轮机 现场必须调试协联关系。都必须在水电站水头范围 内，选择几个具有代表性的水头与多个不同工况（ 即导叶开度）下，调整桨叶开度直到效率出现拐点 ，相对效率最高処即桨叶与导叶的最佳协联点，将 各工况的最佳协联奌连成曲线，即该水头下的最佳 协联曲线，其它水头工况照此法找出最佳协联曲线 。 l如转桨机组最佳协联调整不适,则将产生 下列一些不利因素。 l首先将产生水力损失（也就是电量损失 ）。转桨式水轮机在最佳协联工况下，水 流进口无撞击、出口为法向。所以，水流 损失较小，可保持平稳高效运行。而失去 协联之后，转轮叶片进口将
13、产生撞击损失 、出口不再是法向，将产生环流损失。 l另者，由于转桨式水轮机比转速比较高，尤 其是贯流式水轮机更高，约在1000m.kw左右 。其出口动能相对数值也大一点，当尾水管 恢复系数一定，则比转速越高，其尾水管动 能损失也越大。转桨式水轮机失去最佳协联 之后如同定桨式，其效率曲线下降很快。可 见，协联关系好坏对转桨式水轮机效率特性 影响甚大。南方某电站调整最佳协联关系后 ，水轮机相对效率提高约2%,有的电站甚至 更高。 l其次将产生多种压力脉动。失去最佳协联之后 ，叶片进口水流对叶片产生一定的冲击，水流对 叶片不再是平顺的绕流，而形成机组转频（nr/60 ）、叶片频率（叶片数转频）、导叶
14、频率（导 叶数转频）等多种有规律的压力脉动。甚至还 产生混流式水轮机所固有的低频偏心涡带频率（ 1/4转频左右）压力脉动。而且是在转轮前后诱发 多种频率压力脉动。过去曾在轴流转桨式水轮机 的现场测试中发现这种现象，如今在贯流式转桨 水轮机的多次试验中皆有此种现象发生。 l现以某次现场试验为例进行介绍：南方某个电站装有 445Mw灯泡贯流式水轮发电机组，其转轮直径D1=7.1m ，额定水头Hr=11.0m，额定转速nr=83.3r/min，由于协 联关系欠佳，多种压力脉动作用于机组，致使转轮室环 筋产生裂纹甚至还有转轮室本体裂纹、叶片裂纹、叶片 空蚀严重等现象发生。 l可见，协联关系欠佳不仅效率
15、下降，而且在转轮前后 出现多种压力脉动及相应的各种频率的振动，尤以叶片 频率压力脉动及相应的振动值最为显著，这也是所有转 桨式水轮机振动的一大突出特征。 l4.2 贯流式水轮机的疲劳破坏值得重视 l4.2.1 重视机组刚强度设计与计算 l贯流式水轮机由于是卧式布置，每旋转一周就 有一次弯曲应力发生，所以，必须重视其疲劳 破坏设计。首先要正视机组刚强度计算，一些 灯泡机组投产初期大都运行良好，但运行一段 时间后，陆续会出现一些故障，尤其是低价中 标机组表露比较明显。 l一者由于一些灯泡机组电厂运行经验比较缺乏，且规 章制度不够严格，时而出现一些误操作，更加剧了机 组故障率。二者由于现在是市场经济
16、，有些厂家过于 注重减少生产成本，设计应力选用过高，而安全系数 偏小。 l有些水电设计院或买方对此关注不够，没有严格编写 标书或签订机组技术协议，设计联络会上也没认真审 查刚强度计算成果与钢材牌号。有些监造人员也没认 真检验部件尺寸等等原因，造成部份机组部件刚强度 不足。 例如，有些转轮室采用焊接结构，但经过金加工后， 原来的主板设计厚度为60mm，而裂纹后在电站用超声 波实测只有30mm，如此大的差距怎么能保证转轮室的 刚强度？发生裂纹就不奇怪了。如果协联关系欠佳， 机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振动，就会 加剧事故发生的几率，尤其是叶片频率的脉动与振动 ，其后果就会更为严重。 例如，一个额定转速nr=83.3r/min的4叶片灯泡机组 ，以年运行小时为4000h计，那么运行5、6年，
