水轮机转轮改型在中小型水电站中的重要作用

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　　摘要：水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械。在大多数情况下，将这种机械能通过发电机转换为电能，因此水轮机是专门为水电站发电利用和服务的。本文着重阐述了水轮机转轮改型在中小型水电站中的重要作用。
　　关键词：水轮机 水电站作用
　　 水轮机在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。
　　 一、水轮机的结构及技术特性
　　 （一）水轮机结构
　　 水轮机主要由转轮、导水机构、主轴密封、水导轴承、受油器等构成。按能量方式转换的不同，它可分为反击式、冲击式两类。反击型利用水流的压能和动能，冲击型利用水流动能。反击式又分为混流、轴流、斜流和贯流，冲击式又分为水斗式、斜击式和双击式。此外水轮机又有立式和卧式之分。
　　 (二) 水轮机的技术特性
　　 目前我国水电厂（站）以混流式水轮机应用最多，轴流式水轮机次之。据文献[1]统计国内134座大中型水电站479台水轮机，其中混流式92站318台，轴流式35站129台（内含定桨式1站4台），斜流式转桨机仅3站6台。
　　混流式水轮机应用水头较高，但叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降；而轴流式转桨机尽管能适应水头与负荷变化，高效率区宽，但空蚀系数(动力真空与水头之比值)较大，且悬臂的桨叶强度有限，故应用水头一般在60米以下。因此，研究一种既能应用于较高水头又能适应负荷变化的新型水轮机，便是上个世纪下半叶世界各国一项重要任务。应运而生的是斜流式转桨机，注意它不同于混流式过渡到轴流式的中间产物。前苏联捷雅水电站的斜流式转桨机标称直径6米，水头变化范围74.5～97.3米，单机功率达220MW，它的蜗壳、座环、导水机构仍属于径向式，水流流线从蜗壳经座环、导水叶、浆叶到尾水管直锥段总转角仍达90度，但不急转，即过机水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）增大，因而水力效率得到提高。而我国可以研发一种效率η更高的斜流转桨机，它的蜗壳、座环、导水机构及转轮全部制成斜向式，前三者也倾斜布置[3]，暂且称此机型为四重斜流式转桨水轮机，其自蜗壳经座环、导水叶、桨叶至尾水管的过流通道更加平畅，即水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）更为增大，可以肯定水轮机水力效率ηs更进一步提高；另外此型机组的平面尺寸相对较小（单元流量Q／D12√H更大），它的空蚀系数(动力真空与水头之比值)也较轴流机小，它的水头应用范围20～200米，正适合我国可开发水电电源点常见的水头，在我国应用有广阔的前景。1970年我国哈尔滨电机厂为云南毛家村水电站生产了一台8000kw的斜流式转桨机，虽然采用径向式蜗壳、座环、导水机构，但仍不失一次有益尝试，人们发现、认识了它的优点，但由于斜流式转轮桨叶及四重斜流式转桨机之斜向式导水机构导叶的操动是一个空间运动，而非一个平面运动，被认为"结构复杂"，"制造工艺要求高"而没有成系列地生产。现在随着技术进步，我国水轮机制造、安装水平都已今非昔比，四重斜流式转桨水轮机之斜向式导水机构与斜流转桨转轮的操动用台锥齿轮传动，咬合线铅垂！使原结构的操作控制策略由空间运动化为平面运动，相信这一水力机械问题的突破对研发高效率的四重斜流式转桨水轮机攻克了一难点。
　　二、水轮机转轮改型的必要性
　　从我国水电事业的发展现状来看，大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要表现在下面几个方面：
　　（一）水轮机转轮效率低。水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年代至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一大批机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪费。
　　 （二）水轮机与水轮发电机选型不合理。“六五”以前安装的水轮发电机组，由于设计条件限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，使水能不能充分利用，有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而大大限制了机组出力。
　　 （三）水轮机运行可靠性差。水轮机受当时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不断增加。严重影响水轮机的可靠运行。
　　 （四）自然条件的变化。近年来随着经济的发展，有些电站的上游大力发展耗水量较大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。这样部分水轮发电机组经几十年投运，上、下游水位已发生较大变化，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行。
　　水轮机是水电厂将水能转变为机械能的重要设备，转轮是水轮机将水能转变成机械能的核心部件，转轮也直接决定水轮机的过流能力、水力效率，容积效率、空蚀性能及工况稳定性等工作性能，因此转轮过流部分既要满足水力损失最小的断面体型要求，又要有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的材料性能。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网可靠性方面有着巨大影响。因此，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。通过对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加水电站容量，改善机组运行的安全稳定性。
　　 三、结论
　　开发新电站投资大、周期长，而老电站增容更新改造由于不需要再建大坝等水工建筑物，故投资少、周期短、收益大。可见，水电站更新改造已成为许多国家解决能源短缺的重要手段之一，而水轮机转轮是水电站的主要设备之一，水轮机转轮性能的优劣对合理开发利用水能、提高水电站运行可靠性和经济性、保证电网可靠性方面有着巨大影响。所以，水电站水轮机转轮改型设计已成为水电站更新改造的主要任务与关键途径之一。与此同时，现代计算机数值模拟技术、模型测试技术、刚强度计算技术和制造技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。因此，我们应充分利用现代科学技术成果，结合我国八十年代之前建造的中小型水电站的实际情况进行机组特别是水轮机的技术改造。确保水轮机的高性能、高质量和安全可靠运行。
　　参考文献：
　　［1]国内水电站主要数据汇编.1987年,南宁
　　［２］李吉川．水轮发电机组的增容改造［Ｊ］．广西电力技术，１９９９，（１）
　　［３］李成家，等．安康电厂水轮发电机组增容改造分析［Ｊ］．西北电力技术，２０００，（５）

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