水電站燈泡貫流式水輪機轉輪葉片數選擇

四川港航嘉陵江金沙航電開發有限公司

摘要：本文通過闡述水電站的燈泡貫流式水輪機結構設計，詳細分析水輪機轉輪葉片數的選擇情況對機組在建設過程和實際運行過程產生的影響。針對對水輪機葉片數關聯方面的論述，了解水輪機選擇過程中需要考慮的因素，以此選擇合適葉片數的水輪機，從而達到發揮水電站最大發電效益，獲得經濟效益最大化的目的。

關鍵詞：燈泡貫流式水輪機；結構特點；葉片；工況分析；

一、燈泡貫流式水輪機概述

水利樞紐工程根據電站參數和流量變幅大小配備不同數量和種類的水輪機。水電站的核心設備之一水輪機，其任務就是將水流機械能轉化為旋轉機械能，是發電過程中的基礎環節，占據著重要地位。其質量優劣、運行情況都將影響著整個水力發電廠的經濟效益和安全性能，甚至對水電站的整個機組壽命有決定性作用。在水輪機實際選擇過程中，需根據水電站實際情況決定。水輪機有多種型式，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。不同型式水輪機應用在參數不同的水電站內，目前低水頭電站均使用貫流式水輪機，而其中燈泡貫流式水輪機使用最為廣泛。

二、結構特點

燈泡貫流式水輪機主要結構有：埋設部件、導水機構、轉輪與轉輪室、主軸與主軸密封、水導軸承、組合軸承等。結構較其他型式水輪機復雜，增設協調機制和穩定機制，但是檢查和維修相對其他水輪機更為困難。其結構特點還在于流道采用直型，空間結構寬闊，將水能損失率降到最低，能量利用效率高。同時其單位流量大，比轉速高，而且由于取消了蝸殼和肘行尾水管，其體積減小，結構緊湊，廠房面積小，能夠最大程度減小土建投資。

三、電站水輪機工況分析

燈泡貫流式水輪機轉輪型式有3葉片、4葉片、5葉片轉輪，不同葉片數轉輪技術參數不同。

表1 燈泡貫流式水輪機轉輪型式主要技術參數對比表

轉輪型式運用水頭/m最優工況額定工況

單位轉速單位流量效率單位轉速單位流量效率

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

5葉片轉輪15～311381.6594.21772.2～2.392.5

4葉片轉輪6～171661.993.0175～2052.9～3.191.5

3葉片轉輪3～11.51752.292.0205～2203.3～3.587

（一）5輪葉片轉輪工況分析

電站最優工況即在最小損耗下獲得最大的發電效益。水輪機在持續工作過程中，從最小水頭到最大水頭之間轉速和流量同樣在不斷變化。并不是所有技術參數達到額定值便能得到最優狀況。由表1可看出，5輪葉片轉輪的效率最高，但是運用水頭范圍同樣高，對低水頭幾乎無法利用，而且這種大型燈泡貫流式水輪機發電組結構復雜，其葉片數量與機組其他部件的整合對機組的運行會產生一定的影響。一般情況下為了減小機組共振的發生，對整個機組進行分析，使水力激振頻率與機組自身頻率維持在一定范圍內，但是5輪葉片機組尺寸大，動力特性相對3葉片轉輪和4葉片轉輪更加難以把握。在運行過程中，機組自身振動頻率與水力激振頻率更加容易引起機組共振，機組穩定性能較低，運行過程中變化情況多，對機組產生不良影響，降低水電站工作效益。5葉片轉輪質量大，在配備過程中需要更多的人力物力，無論從設備配置方面，還是從建設規劃方面所需投入高，耗時長，而且檢查維修更為復雜，困難系數高。

（二）4葉片轉輪工況分析

4葉片轉輪在工作運行過程中最優工況效率和額定工況效率與5葉片轉輪相差不大，但是，4葉片轉輪單位轉速更高，其能量利用率相對較低，從最小水頭到最大水頭機組運行效率包含高效范圍較少，如果需要進一步擴大利用率，提高整體效率，那么只有降低轉速。同時水輪機的機組性能同樣受空化系數的影響，在效率、過流能力和功率等能量性能方面均存在有利作用，空化系數值是吸出高度除以水頭值。4葉片轉輪發電機尾水水位與水輪機中心線之間的高度并不高，因為于水電站廠房尾水管出口處淹沒深度只有達到一定值才能滿足整個機組良好運作，而在這種情況下得出的吸出高度并不能達到保證轉輪運作效率高的要求，轉輪所需的吸出高度在保證尾水管淹沒深度最小值時，與3葉片轉輪差別較小，但由于燈泡貫流式機組設計安裝的橫臥式簡易布置，轉輪旋轉過程中絕大多數處于底端，空化發生率較低，因此選擇4葉片轉輪時機組深埋條件可稍作考慮。4葉片轉輪進水邊背面脫流現象同樣影響運行效率，選擇時應盡量避開。

水輪機工作時，水流進入水輪機，形成的撞擊、脫流不僅會引起共振，還有各種漩渦、壓力脈沖現象，水輪機的導葉、槳葉進口沖角增大了這種現象發生強度。且機組尺寸較大，耐受力難以保證，運行過程中難以保持既定形狀，進而引起一系列的問題。由引水室流向水輪機轉輪的水流需經過導水機構再進入轉輪，這一過程通過電力系統負荷變化來調節水輪機流量以適應系統對機組出力的要求，如果導水機構變壞，就無法控制進入轉輪的水流環量，不能滿足水輪機對進入轉輪前水流環量的要求，嚴重影響機組運行穩定性。同時水輪機導軸承減弱葉片開度不均產生徑向水推力的影響，承受由軸傳來的徑向力和振擺力，固定機組軸線位置，保證軸心穩定，是水輪機的重要組成部分。而轉輪室中轉子和轉輪體積大，重量大，如果運行中變形就會引發導葉無法正常工作，對轉輪室間的間隙產生影響，發生摩擦碰撞的情況。4葉片輪機的尺寸和材料工藝都必須進行精確計算，以保證機組運行良好，不僅保證其最優工效，還需要保證其穩定性能。

4葉片轉輪直徑質量和尺寸處于中等，但是轉輪和葉片的總質量相對3葉片轉輪來說比較大，這決定了水輪機過流能力沒有明顯優勢，而且比轉速受水頭范圍影響比較低，因此4葉片轉輪機組的質量與3葉片轉輪比較處于劣勢地位。同時轉輪的尺寸較大，在設計制造過程中對工藝的要求比較嚴格，需要精確的設計與計算，直接影響轉輪經濟成本，對電廠的投資產生影響，不僅如此，對土地建設要求更為嚴苛。轉輪尺寸的不同導致建設流道尺寸的變化，相應的建設工具、配備設備同樣改變，電站的建設工作提高了難度，增加了電廠投資額度。

（三）3葉片的工況分析

3葉片轉輪葉片較小，轉輪質量和直徑較小，單位流量大、比轉速及過機流速高，其能量利用效率低下，空化系數普遍比較高。其運用的水頭范圍是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，最優工況的效率仍然可以達到92%，平均效率較高，最大限度發揮了機組效能。3葉片轉輪運行過程中，為了滿足機組空化性能，對機組的掩埋深度并沒有特別的要求，與4葉片轉輪相差不大。

水電站工作時，水頭變幅大，遠離最優工況的區域易引發共振，而3葉片轉輪在此方面憂患不大，其尺寸和質量在合適的范圍內，穩定性能較高，工作運轉發生變化較小。而且由于體積較小，在設計制造方面相對輕松，工藝要求相對簡單。整個機組的尺寸相配合，從配備設備到廠房建設過程均減少開支，減小電廠投資成本。

結束語

通過以上分析可發現，水電站不同葉片的選擇，對水電站整個機組設備，電站經濟投入和廠房建設將產生深遠影響。選擇過程中，考慮的因素不僅僅是單純葉片數量，還需要對水輪機葉片數量改變引起的一系列變化進行分析研究，與此同時需要結合電站自身特點，運用掌握機組結構功能和重要技術參數，聯合電廠投資預算和建設規劃，在此基礎上進一步進行詳細比較和論證，而后優化選擇結果，使電廠的發電效益最大化，給水電站帶來最大的經濟效益。

參考文獻：

[1]王春暖.中小型水電站水輪機選型設計評述[J].水電站機電技術，2010，33（2）

[2]齊立偉.貫流式水輪機轉輪模型試驗[D].2012.

作者簡介：

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

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