(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

隨著科學(xué)研究水平、制造技術(shù)的提高，各型水輪機(jī)的最高使用水頭都在不同程度地提高，從而擴(kuò)大了各型水輪機(jī)的使用范圍。從常規(guī)各型水輪機(jī)的使用范圍(見(jiàn)下頁(yè)圖[1])可以看出，高水頭段主要應(yīng)用的是混流式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)，隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和轉(zhuǎn)輪材料升級(jí)，混流式水輪機(jī)的使用水頭也進(jìn)入過(guò)去認(rèn)為只能使用沖擊式水輪機(jī)的范圍內(nèi)，如水頭300～700m，但是在700m以上的基本還是沖擊式水輪機(jī)領(lǐng)域。

不同型式水輪機(jī)選用范圍圖

1 工程概況

聽(tīng)命河水電站位于云南省怒江州瀘水縣境內(nèi)，是一座以發(fā)電為單一目標(biāo)的引水式電站，工程樞紐建筑物由取水壩、引水隧洞、壓力前池、壓力管道和主、副廠房及開(kāi)關(guān)站組成，電站工程主要任務(wù)為發(fā)電，裝機(jī)容量2×20MW，年利用小時(shí)數(shù)4790h。

2 電站基本參數(shù)

a.前池水位。最高運(yùn)行水位1943.24m，正常水位1942.81m，最低水位1941.35m。

b.廠房尾水位。校核洪水水位1016.65m，設(shè)計(jì)洪水位1016.53m。

c.電站水頭。最大水頭921.5m，加權(quán)平均水頭895.3m，額定水頭893.0m，最小水頭875.2m。

d.發(fā)電引用流量5.38m3/s。

3 水輪機(jī)機(jī)型選擇

聽(tīng)命河水電站運(yùn)行水頭范圍為875.20～921.50m，已經(jīng)超過(guò)了混流式水輪機(jī)的運(yùn)行范圍極限，只能選擇沖擊式水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)是按照動(dòng)量定理來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，它與反擊式水輪機(jī)的工作原理截然不同，其結(jié)構(gòu)主要由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成，轉(zhuǎn)輪和噴嘴各司其職，從機(jī)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，兩者互不干涉。沖擊式水輪機(jī)通常分為雙擊式水輪機(jī)、斜擊式水輪機(jī)和水斗式水輪機(jī)；它們共同的特點(diǎn)是借助于特殊導(dǎo)水裝置(如噴嘴)引出的具有動(dòng)能的自由射流，將水能傳遞給轉(zhuǎn)輪。雙擊式水輪機(jī)是一種小型的特殊的沖擊式水輪機(jī)，國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)60年代曾進(jìn)行過(guò)大量的研制工作，由于其自身的先天缺陷，諸如效率低下、運(yùn)行不夠穩(wěn)定、不可能用于高水頭大出力的電站等，目前基本退出應(yīng)用市場(chǎng)；斜擊式水輪機(jī)與水斗式水輪機(jī)都是由噴嘴和轉(zhuǎn)輪構(gòu)成。噴嘴作為水力元件，可與任何大小的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪匹配，因此，在沖擊式水輪機(jī)中，噴嘴是一個(gè)獨(dú)立的組成元件，它為轉(zhuǎn)輪提供射流，與轉(zhuǎn)輪進(jìn)行能量交換。斜擊式水輪機(jī)與水斗式水輪機(jī)，從轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來(lái)看，差異甚大，但是理論上卻完全一樣，都屬于沖擊式水輪機(jī)。按沖擊式水輪機(jī)基本原理模型理論，水斗式水輪機(jī)就是射流入射角為0°時(shí)的斜擊式水輪機(jī)，而且水斗式水輪機(jī)是所有斜擊式水輪機(jī)中效率最高者。正因?yàn)槿绱?，水斗式水輪機(jī)獲得了廣泛應(yīng)用，而斜擊式水輪機(jī)也逐步被淘汰?，F(xiàn)在所說(shuō)的沖擊式水輪機(jī)基本上都是水斗式水輪機(jī)。聽(tīng)命河水電站水輪機(jī)也應(yīng)采用水斗式。

4 轉(zhuǎn)輪型號(hào)選擇

國(guó)內(nèi)目前比較通用的水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)主要有A237、A475、A870、105、C601等等。A237從原蘇聯(lián)K- 461改型而來(lái)，機(jī)型較老，A475從挪威引進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)A237主要應(yīng)用水頭為300～600m，最近幾年由于A237在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)在空蝕性能和效率方面存在缺陷，基本被A475取代；A475國(guó)內(nèi)主要用于150～600m水頭，在600m水頭以上由于設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的限制，在強(qiáng)度方面存在問(wèn)題，使用較少。在600～800m水頭段主要應(yīng)用的是A870、105和C601，A870是VOITH的改型轉(zhuǎn)輪，最早用于西藏羊卓雍湖電站。800m水頭以上105和C601應(yīng)用較多，而C601轉(zhuǎn)輪為最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力和效率都較為優(yōu)秀，推薦聽(tīng)命河水電站采用C601轉(zhuǎn)輪。

5 水輪機(jī)基本尺寸的選擇

水斗式水輪機(jī)主要結(jié)構(gòu)由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成，雖然說(shuō)轉(zhuǎn)輪和噴嘴各司其職，但是噴嘴數(shù)量和直徑與轉(zhuǎn)輪直徑有密切關(guān)系，如果噴嘴直徑和轉(zhuǎn)輪直徑不匹配，水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換將大打折扣。

5.1 射流直徑和噴嘴數(shù)量的選擇

水斗式水輪機(jī)的噴嘴為水輪機(jī)提供自由射流，其流量的大小完全能決定水輪機(jī)的出力。計(jì)算公式為

(1)

式中d0——射流直徑，mm；

Q——水輪機(jī)額定流量，mm；

Z0——噴嘴數(shù)；

H——額定水頭， m。

當(dāng)噴嘴數(shù)為1時(shí)，射流直徑為165mm，當(dāng)噴嘴數(shù)為2時(shí)，射流直徑為116mm，當(dāng)噴嘴數(shù)為4時(shí)，射流直徑為82mm，由于3噴嘴在實(shí)際工程應(yīng)用較少，所以不對(duì)3噴嘴進(jìn)行分析計(jì)算。射流直徑的大小，決定噴嘴過(guò)流量的大小，根據(jù)以上對(duì)三種噴嘴數(shù)量的射流直徑的計(jì)算，隨著噴嘴數(shù)量的不同射流直徑變化比較大，而受到水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和直徑比m值(D1/d0)限制，單噴嘴射流直徑不宜大于130mm，若大于130mm，將帶來(lái)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)成本的增加；而噴嘴射流直徑偏小又影響到機(jī)組出力性能，噴嘴射流直徑小就意味著噴嘴數(shù)量的增加，也將增加水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的成本，因此聽(tīng)命河水電站推薦射流直徑為116mm，噴嘴直徑為118mm，噴嘴數(shù)量為2個(gè)。

5.2 轉(zhuǎn)輪直徑和直徑比m值的選擇

水輪機(jī)出力公式為

N=9.81HQη

(2)

式中N——水輪機(jī)出力，kW；

η——水輪機(jī)效率，mm。

(3)

式中v1——射流速度，m/s；

φ——射流速度系數(shù)。

從式(2)、式(3)可以推導(dǎo)出

(4)

從式(4)可以看出水斗式水輪機(jī)的出力僅與射流直徑和水頭有關(guān)，與轉(zhuǎn)輪直徑無(wú)關(guān)，但是轉(zhuǎn)輪直徑卻與水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速有重要關(guān)系；水電站為了獲得最佳的發(fā)電效益，水斗式水輪機(jī)必須保證在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速的條件下運(yùn)行，按照現(xiàn)有的水斗式水輪機(jī)模型數(shù)據(jù)，最優(yōu)轉(zhuǎn)速都是40r/min左右。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

(5)

式中n——原型轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r/min；

n11——模型轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速，r/min；

D1——原型轉(zhuǎn)輪直徑，m。

從式(5)可以看出水輪機(jī)原型轉(zhuǎn)輪直徑與單位轉(zhuǎn)速、原型轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和水頭有關(guān)，為了保證水電站有較好的發(fā)電效益，水輪機(jī)應(yīng)在單位轉(zhuǎn)速40r/min上、下運(yùn)行。同時(shí)水斗式水輪機(jī)還有一個(gè)重要參數(shù)，即轉(zhuǎn)輪直徑和射流直徑之比m值，水輪機(jī)的效率隨著m值的減小而降低。由于受限于水斗結(jié)構(gòu)布置，m值不能過(guò)小和過(guò)大，通常模型水斗式水輪機(jī)的m值在12左右，最高模型效率為90%～91%，從理想的狀態(tài)下考慮，假如m值為0，水輪機(jī)的最高效率可達(dá)到96%以上[2]，但是m值和水頭有密切的關(guān)系，隨著水頭高低的變化，m值的取值范圍也跟著變化。目前有對(duì)于水斗式水輪機(jī)的m值缺乏有效的理論計(jì)算公式，下面結(jié)合該電站的水頭段，參考在該水頭段多數(shù)電站采用的m值來(lái)確定該電站的m值。下表為國(guó)內(nèi)高水頭段水斗式水輪機(jī)參數(shù)。

國(guó)內(nèi)高水頭段水斗式水輪機(jī)參數(shù)表

根據(jù)試驗(yàn)和已生產(chǎn)的沖擊式水輪機(jī)參數(shù)資料統(tǒng)計(jì)，水斗式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑D1與射流直徑d0之比m(m=D1/d0)值在10～20之間時(shí)，上表統(tǒng)計(jì)的電站水頭在520～1022.4m范圍，m值在13.0～18.5范圍，水頭越高m值越大，水頭越低m值越小。當(dāng)電站承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，運(yùn)行中負(fù)荷變化比較大，處于部分負(fù)荷運(yùn)行的工況比較多時(shí)，m值應(yīng)采取較小的值，這樣選擇水輪機(jī)的效率比較高，比轉(zhuǎn)速也較高。但m取小值，會(huì)造成轉(zhuǎn)輪直徑減小、機(jī)組轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)輪所承受的應(yīng)力增大和水斗應(yīng)力交變頻率加快，對(duì)轉(zhuǎn)輪不利。結(jié)合以上情況和已建電站的統(tǒng)計(jì)資料，該電站m值在16～17之間比較合理。因此從單位轉(zhuǎn)速和m值綜合考慮，聽(tīng)命河水電站的轉(zhuǎn)輪直徑取200cm，m值為17，單位轉(zhuǎn)速為40.1r/min，m值和單位轉(zhuǎn)速都在較為合理的范圍。因此聽(tīng)命河水電站推薦水輪機(jī)型號(hào)為CJC601-L-200/2×11.8。

6 結(jié) 語(yǔ)

水斗式水輪機(jī)的工作原理不同于反擊式水輪機(jī)，其計(jì)算理論還不夠完善，目前，在水輪機(jī)選型時(shí)基本采用唯轉(zhuǎn)速的原則，即單位轉(zhuǎn)速應(yīng)在40r/min左右，m值則參考已經(jīng)成功投入運(yùn)行電站的數(shù)據(jù)。通過(guò)以上分析和計(jì)算，聽(tīng)命河水電站水輪機(jī)推薦型號(hào)為CJC601-L-200/2×11.8，m值為17， 單位轉(zhuǎn)速為40.1r/min。