"及时章绪论 水轮机是将水流能量转换为旋转机械能的一种水力原动机，根据在水轮机内实现能量转换的形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征，可将水轮机划分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式以及贯流式等各种形式，而贯流式水轮机又可根据水轮机的结构和机组布置形式的不同，分为全贯流式、半贯流式(灯泡贯流、轴伸贯流和竖井贯流)等多种形式。 贯流式水轮发电机组(以下简称贯流式机组)(图1-1)是开发低水头水力资源的机型，贯流式水电站的枢纽布置、厂房结构设计、动能经济计算、装机规模与机型选择计算等与常规电站相比，有着不同的要求和特点。从20世纪60年代开始，水头在25m以下的水电站，国内外均采用贯流式机组，但机组规模一般较小。随着科学技术的迅速发展，贯流式机组的单机容量越来越大。 在我国，可建造贯流式水电站的资源丰富，据不统计，我国经过规划的、水头在25m以下、规模在25MW以上的水电站，约为13400MW，年发电量约600亿kW h。另外，还有大量的25MW以下的小型贯流式水电站和潮汐电站，贯流式机组具有很好的发展前景［1］。 图1-1贯流式机组结构图 及时节贯流式机组的应用与发展 一、全贯流式机组应用现状 全贯流式机组的设想最早是由美国人Harza于1919年提出来的［2］，由于其发电机是布置在水轮机转轮的轮缘外，因此，又称为轮缘式发电机。这类机组实际上发电机转子和水轮机的转轮已经合为一体，因此，厂房跨度很小，可节省大量土建投资，但它的密封技术要求特别高。Escher Wyss公司于1937年制造出及时台样机并安装在德国的莱茵河上，单机容量为1753kW，转轮直径为2 05m，较大水头为9m。此后经过若干次改进，目前单机容量较大的机组也是由该公司制造，安装在加拿大的Annapolis电站，于1983年投产。该机组较大功率达20MW，转轮直径7 6m，较大应用水头7 1m，目前全世界已有100套这类机组投入运行。其结构如图1-2所示。 我国对这类机组的研究和应用均较少，目前正在研制500kW级机组，已通过鉴定的、在运行的机组为武汉汽轮机厂生产、安装在湖北白莲河水库渠首电站的机组，容量为120kW，转轮直径1 2m，较大运行水头为5m［2，3］。 图1-2全贯流式水轮机 1.转轮叶片；2.转轮轮缘；3.发电机转子轮辋；4.发电机定子；5、6.支柱；7.轴颈；8.轮毂；9.锥形插入物；10.拉紧杆；11.导叶；12.推力轴承；13.导轴承 二、灯泡贯流式机组应用现状 国外灯泡式水电站建设水平和规模以奥地利境内多瑙河的梯级开发具代表，该河段规划梯级电站12座，总装机容量为2570MW，年发电量154 78亿kW h，设计水头为8～16m。鉴于多瑙河在欧洲航运中的重要地位，水电站建设过程中为避免对多瑙河航运的干扰，该段的梯级均采用灯泡贯流式机组，从而显著减小了厂房尺寸，取得了显著的社会和经济效益。法国的罗纳河梯级开发的成功经验最值得借鉴，它是由一系列低水头电站共21个电站组成，总落差为330m，总装机容量3075MW，年发电量160亿kW h，其在各梯级电站均设计和安装了适合平原河流使用、过流量大的大型灯泡贯流式机组，对罗纳河的综合开发等方面，起了决定性作用。德国的莱茵河上，在修建通航运河的同时，也修建了一系列的灯泡贯流式水电站。 我国从20世纪60年代开始贯流式水轮机的研究和应用，到20世纪80年代，贯流式水轮机技术及其应用取得突破性的进展。1983年引进设备建造了我国及时座大型灯泡贯流式机组电站——湖南马迹塘水电站，1984年，我国自主开发的广东白垢电站的转轮直径5 5m、单机容量10MW的灯泡贯流式机组投运，标志着我国具备自行开发研制大型贯流式机组设备的能力。贯流式水轮机的应用研究和运行技术也获得了发展，积累了经验。近二十多年来，我国相继开发引进设备、技术合作或自行装备的大型灯泡贯流式机组电站有数十座。目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地，其主要结构如图1-3和图1-4所示［4］。 图1-3灯泡贯流式机组 1.转轮；2.导叶；3.控制环；4.坐环；5.转轮室；6.导轴承；7.径向轴承；8.推力轴承；9.转子；10.定子；11.机壳；12.进人孔；13.管道；14.出线孔；15.灯泡体；16.支柱 图1-4带增速的灯泡贯流式机组(数据单位：mm) 1.座环；2.转轮压力油管；3.导叶；4、8、13、14.径向轴承；5.转轮接力器；6.转轮；7.推力轴承；9.增速器；10.支柱；11.发电机；12.发电机主轴；15.接力器 三、灯泡贯流式水轮机水力设计方面的进展 结合近二十多年的运行经验及新的设计手段，灯泡贯流式水轮机的水力设计、优化比较已有一整套数值分析的先进方法［5-9］。 (一)实验方法的进展 实验中，一开始应用三维有限元法进行灯泡贯流式水轮机进口水流的势流分析，应用准三维有限元法进行灯泡贯流式水轮机叶片间的漩涡影响的旋流流动分析，将有限元计算结果与用激光-2-聚焦装置对转轮测量的结果进行对比研究，进行转轮的反求计算等。同时，包括有先进的三维彩色图像后处理机在内的可进行全三维欧拉解的有限体积法，已应用于灯泡贯流式水轮机转轮中的三维流动分析计算。采用B样条函数进行三维表面模拟，水轮机的特性曲线、空蚀曲线的计算模拟等［10-14］，从而使灯泡式水轮机水力性能的改进、研究大大加快。通过一系列模型对比试验，如纳吉马罗电站的水轮机，已获得在高效区变化平坦，包络了以往好的模型效率峰值，达到甚至超过模型好的满负荷效率，空蚀性能也比以往的转轮好得多。在改善效率和空蚀性能的同时，还使运行范围得到了扩展，年生产电能得到增加。 (二)新的设计手段与运行经验 采用数字化的三维叶片形状的设计与制造，设计人员可以通过计算机看到设计结果，以便模拟叶片在交付生产前作好三维光滑修整。也就是说，利用B样条模拟的曲面可以作为水流流动和应力分析模型及真机叶片计算机辅助技术(computer aided design，CAD)设计和数控加工的基本数据［15-17］。 另外，也可以通过粒子图像测速法(particle image velocimetry，PIV)或者激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimetry，LDV)测试技术及手段，或者采用FS-163光导纤维观测气蚀仪，观测转轮叶片进水边的水流状态，确定叶片出水边开始产生气泡时的临界空蚀系数等［18］。 四、轴伸贯流式机组应用现状 轴伸贯流式机组由德国人Kuhne于1930年发明并获得专利。轴伸贯流式水轮机如图1-5所示。首台机组由Escher Wyss公司设计，由Allis Chaimers公司制造，安装在美国密歇根州的Lower Paint电站，单机容量为166kW，转轮直径为0 76m，水头6 1m。该类机组发电机在流道外，因具有安装、检修维护方便的特点，而被广泛应用于低水头的中、小型电站中。这类机组根据发电机的位置又可以分为前轴伸、后轴伸和斜轴伸三种，如图1-6所示。目前世界上已运行的单机容量较大的为美国的奥扎尔卡(Ozark)水电站，总容量为25 2MW，转轮直径8m，设计水头9 8m，于1965年投产。这类机组的尾水流道经常布置成S形，所以又称为S形贯流式机组。我国目前已运行单机容量较大的为1995年投产的广东省罗定双车水电站，单机容量为2MW，转轮直径2 75m，较大水头8m［2］。 图1-5轴伸贯流式水轮机 1.转轮；2.水轮机主轴；3.尾水管；4.齿轮转动机构；5.发电机 (a)前轴伸 (b)后轴伸 (c)斜轴伸 图1-6轴伸贯流式水电站剖面图 五、竖井贯流式机组应用现状 竖井贯流式机组是将发电机布置于转轮前流道中的空心"闸墩"内的另一类贯流式机组，由于其空心"闸墩"提供的空间远比灯泡贯流式机组的密封仓大得多，可以布置增速齿轮以提高发电机转速，从而减少造价，因此适用于更低水头。由于空心"闸墩"有如坑井，所以也被称为坑井贯流式机组，其结构如图1-7所示。目前世界上单机容量较大的竖井贯流式机组安装于美国的路易斯安那州的威达利亚水电站，单机容量25MW，转轮直径8 2m，于1986年投产。我国目前竖井贯流式机组应用较少，且仅限于小型机组［2］。 第二节高水头贯流式机组的研究与发展前景 贯流式水轮发电设备是从1892年开始研制的，至今已有一百多年的历史。20世纪80年代以来，灯泡贯流式机组在国内应用日益普及，由于这类机组具有流道直、水流转弯少、水力损失小、水力效率高等优点，因而在20m水头段以下，大有取代立式轴流式机组的趋势，目前已进入快速发展和实用阶段。然而，由于其转轮叶片数少，空蚀系数较大，难以应用于更高的水头。高水头贯流式水轮机是原四川工业学院(现西华大学)院长杜同教授1958年提出的一种新型的水力发电机型，这种水轮机采用了贯流式或灯泡式水轮机的辐向式锥形布置的导水机构和类似于混流式或斜流式水轮机的转轮，其主轴可以从尾水管方向伸出而设 图1-7竖井贯流式机组"