贯流式水轮机的应用与技术发展(1)

摘要：水轮机是将水流机械能转换为固体机械能的水力原动机。根据在水轮机内实现能量转换的水流能量形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征，贯流式水轮机属于轴流式水轮机一类。而根据水轮机的结构和机组的布置形式，贯流式水轮机有全贯流式、半贯流式(灯泡贯流、轴伸贯流和竖井贯流)等形式的区别。 

关键词：水轮机　应用　技术发展 

1 贯流式水轮机的结构特点与技术经济优势
　　贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同，为保证向导水机构均匀供水和形成必要的环量，保证导叶较平滑绕流，轴流式水轮机需设置蜗壳，其流道由蜗壳、导水机构和弯肘型尾水管组成。贯流式水轮机没有蜗壳，流道由圆锥形导水机构和直锥扩散形或S型尾水管组成。通常采用卧轴式布置，从流道进口到尾水管出口，水流沿轴向几乎呈直线流动，避免了水流拐弯形成的流速分布不均导致的水流损失和流态变坏，水流平顺，水力损失小，尾水管恢复性能好，水力效率高。灯泡贯流机组的发电机装置在水轮机流道中的灯泡形壳体内，采用直锥扩散形尾水管，流道短而平直对称，水流特性好。大型贯流机组几乎都是灯泡机组，中小型多采用轴伸式、竖井式等形式。
　　贯流式水轮机单位过流量大，转速高，水轮机效率高，且高效区宽，加权平均效率也较高，具有比轴流式水轮机更优良的能量特性。其特征参数比转速ns、可达1000以上，比速系数可达3000以上。与轴流式水轮机相比，在相同水头和相同单机容量时，其机组尺寸小，重量轻，材料消耗少，机组造价低。贯流机组电站还可获得年发电量的增加。
　　贯流式水轮机的空化性能和运行稳定性也优于轴流式水轮机，其空化系数相对较小，机组可靠性高，运行故障率低，可用率高，检修时间缩短，检修周期延长。对于低水头资源开发，贯流式水轮机的稳定运行范围宽，在极低水头时也能稳定运行(如超低水头1.5m以下)，是其他类型的水轮机不可比的。如广东白垢电站，额定水头6.2m，最大水头10.0m，但在1.3m水头时仍能稳定运行。
　　贯流式水轮发电机组结构紧凑，布置简洁，厂房土建工程量较小，可节省土建投资。贯流机组设备运输和安装重量较轻，施工和设备安装方便，可缩短工期，实现提前发电。根据国内外有关水电站的统计资料，采用灯泡贯流机组比相同容量轴流转桨机组，电站建设投资一般可节省10%～25%，年发电量可增加约3%～5%。如我国广东白垢和广西马骝滩水电站，投资节省分别达22.6%和24%。小型水电站采用轴伸贯流机组与立式轴流机组比较，也可节省建设投资约10%～20%。由此可见，贯流式水轮机是开发低水头水能资源的一种最经济、适宜的水轮机形式，具有资源利用充分、投资节省的优势和电量增值、综合效益增值的效果。
2 国内外贯流式水轮机的应用现状
　　贯流式水轮机自20世纪30年代问世以来，因其优良的技术经济特性和适用性而得到广泛应用和迅速发展，包括灯泡贯流发电机技术在内的贯流机组技术日益成熟，贯流式水电站的开发、设计、运行技术与经验日益丰富。国外水头25m以下的水电开发，已出现取代轴流式水轮机的局面。贯流机组技术在1960～1990的发展最为迅猛，这一时期投入运行的贯流机组，最大单机容量达65.8MW(灯泡贯流，日本只见)，最大水轮机转轮直径达8.2m(竖井贯流，美国墨累)，最高工作水头达22.45m(灯泡贯流，日本新乡第二)。
　　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，贯流机组技术及其应用取得突破性的进展，1983年引进设备的第一座大型灯泡贯流机组电站一湖南马迹塘水电站建成，1984年自主开发的广东白垢电站转轮直径5.5m，单机容量10MW灯泡贯流机组投运，标志着具备自行开发研制大型贯流机组设备的能力。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。最近20年来，相继开发建成引进设备、技术合作或自行装备的大型灯泡贯流机组电站数十座，如凌津滩、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水电站最大工作水头27.3m，单机容量45MW，是目前世界上应用水头最高、国内单机容量最大的灯泡贯流机组。国内已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径已达7.5m。目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地，在建的广西长洲水电站装机15台，总装机容量达621.3MW。在西北地区，20世纪80年代开始贯流式水电站的规划设计，并完成了柴家峡等电站的可行性研究。在黄河干流上现已建成青海尼那电站，宁夏沙坡头电站即将竣工，甘肃柴家峡、青海直岗拉卡等电站在建。尼那电站是我国海拔最高的大型灯泡贯流机组电站，沙坡头则是应用于高含沙水流的第一座大型灯泡贯流机组电站，各具特色，为贯流式水电站的开发提供了新的经验。
　　对于低水头小型水电站，轴伸贯流水轮机和竖井贯流水轮机具有与灯泡贯流水轮机相当的技术经济优势，国外20m以下的小水电开发，已逐步取代轴流机组。据文献介绍，国外已运行的轴伸贯流式水轮机转轮直径达8.6m，单机容量达到31.5MW，最大使用水头达到38m。我国轴伸贯流式水轮机的技术开发起步较晚，自行研制的GZ006、GZ007(5叶片)等转轮的性能达到或超过国际先进水平，但尚没有得到普遍的技术推广和形成相应的生产和市场规模。国内已运行的轴伸贯流水轮机多采用定桨式转轮，最大转轮直径2.75m，单机容量3.5MW，最大使用水头22m。而竖井贯流和全贯流机组技术开发程度较低，应用很少，与国外存在明显差距。

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