高水頭貫流式水輪機的理論及應用（簡體書）

宋文武、杜同、高水頭編寫的《高水頭貫流式水 輪機的理論及應用》從水力機械基礎理論出發，系統 地論述高水頭貫流式水輪機的整體設計思想，以及水 輪機過流通道幾何參數的確定方法，提出該型水輪機 的固定導葉設計理論、活動導葉的流動規律及設計理 論，轉輪的設計理論以及具體的開發設計方法等，同 時還介紹這種水輪機的選型設計及電站布置設計，并 對其內部流動進行大量的CFD分析計算及強度分析、 性能測試等。
本書可供水力機械研究與設計人員、水電站設計 及工程技術人員，以及相關專業研究生、本科生閱讀 參考。

《高水頭貫流式水輪機的理論及應用》可供水力機械研究與設計人員“水電站設計及工程技術人員”，以及相關專業研究生' 本科生閱讀參考。

'章緒論水輪機是將水流能量轉換為旋轉機械能的一種水力原動機，根據在水輪機內實現能量轉換的形式及水流在水輪機轉輪區域內的運動特征，可將水輪機劃分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類。反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式以及貫流式等各種形式，而貫流式水輪機又可根據水輪機的結構和機組布置形式的不同，分為全貫流式、半貫流式(燈泡貫流、軸伸貫流和豎井貫流)等多種形式。貫流式水輪發電機組(以下簡稱貫流式機組)(圖1-1)是開發低水頭水力資源的機型，貫流式水電站的樞紐布置、廠房結構設計、動能經濟計算、裝機規模與機型選擇計算等與常規電站相比，有著不同的要求和特點。從20世紀60年代開始，水頭在25m以下的水電站，國內外均采用貫流式機組，但機組規模一般較小。隨著科學技術的迅速發展，貫流式機組的單機容量越來越大。在我國，可建造貫流式水電站的資源豐富，據不完全統計，我國經過規劃的、水頭在25m以下、規模在25MW以上的水電站，約為13400MW，年發電量約600億kW h。另外，還有大量的25MW以下的小型貫流式水電站和潮汐電站，貫流式機組具有很好的發展前景［1］。圖1-1貫流式機組結構圖節貫流式機組的應用與發展一、全貫流式機組應用現狀全貫流式機組的設想早是由美國人Harza于1919年提出來的［2］，由于其發電機是布置在水輪機轉輪的輪緣外，因此，又稱為輪緣式發電機。這類機組實際上發電機轉子和水輪機的轉輪已經合為一體，因此，廠房跨度很小，可節省大量土建投資，但它的密封技術要求特別高。Escher Wyss公司于1937年制造出臺樣機并安裝在德國的萊茵河上，單機容量為1753kW，轉輪直徑為2 05m，大水頭為9m。此后經過若干次改進，目前單機容量大的機組也是由該公司制造，安裝在加拿大的Annapolis電站，于1983年投產。該機組大功率達20MW，轉輪直徑7 6m，大應用水頭7 1m，目前全世界已有100套這類機組投入運行。其結構如圖1-2所示。我國對這類機組的研究和應用均較少，目前正在研制500kW級機組，已通過鑒定的、在運行的機組為武漢汽輪機廠生產、安裝在湖北白蓮河水庫渠首電站的機組，容量為120kW，轉輪直徑1 2m，大運行水頭為5m［2，3］。圖1-2全貫流式水輪機1.轉輪葉片；2.轉輪輪緣；3.發電機轉子輪輞；4.發電機定子；5、6.支柱；7.軸頸；8.輪轂；9.錐形插入物；10.拉緊桿；11.導葉；12.推力軸承；13.導軸承二、燈泡貫流式機組應用現狀國外燈泡式水電站建設水平和規模以奧地利境內多瑙河的梯級開發具代表，該河段規劃梯級電站12座，總裝機容量為2570MW，年發電量154 78億kW h，設計水頭為8～16m。鑒于多瑙河在歐洲航運中的重要地位，水電站建設過程中為避免對多瑙河航運的干擾，該段的梯級均采用燈泡貫流式機組，從而顯著減小了廠房尺寸，取得了顯著的社會和經濟效益。法國的羅納河梯級開發的成功經驗值得借鑒，它是由一系列低水頭電站共21個電站組成，總落差為330m，總裝機容量3075MW，年發電量160億kW h，其在各梯級電站均設計和安裝了適合平原河流使用、過流量大的大型燈泡貫流式機組，對羅納河的綜合開發等方面，起了決定性作用。德國的萊茵河上，在修建通航運河的同時，也修建了一系列的燈泡貫流式水電站。我國從20世紀60年代開始貫流式水輪機的研究和應用，到20世紀80年代，貫流式水輪機技術及其應用取得突破性的進展。1983年引進設備建造了我國座大型燈泡貫流式機組電站——湖南馬跡塘水電站，1984年，我國自主開發的廣東白垢電站的轉輪直徑5 5m、單機容量10MW的燈泡貫流式機組投運，標志著我國具備自行開發研制大型貫流式機組設備的能力。貫流式水輪機的應用研究和運行技術也獲得了發展，積累了經驗。近二十多年來，我國相繼開發引進設備、技術合作或自行裝備的大型燈泡貫流式機組電站有數十座。目前規劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地，其主要結構如圖1-3和圖1-4所示［4］。圖1-3燈泡貫流式機組1.轉輪；2.導葉；3.控制環；4.坐環；5.轉輪室；6.導軸承；7.徑向軸承；8.推力軸承；9.轉子；10.定子；11.機殼；12.進人孔；13.管道；14.出線孔；15.燈泡體；16.支柱圖1-4帶增速的燈泡貫流式機組(數據單位：mm)1.座環；2.轉輪壓力油管；3.導葉；4、8、13、14.徑向軸承；5.轉輪接力器；6.轉輪；7.推力軸承；9.增速器；10.支柱；11.發電機；12.發電機主軸；15.接力器三、燈泡貫流式水輪機水力設計方面的進展結合近二十多年的運行經驗及新的設計手段，燈泡貫流式水輪機的水力設計、優化比較已有一整套數值分析的先進方法［5-9］。(一)實驗方法的進展實驗中，一開始應用三維有限元法進行燈泡貫流式水輪機進口水流的勢流分析，應用準三維有限元法進行燈泡貫流式水輪機葉片間的漩渦影響的旋流流動分析，將有限元計算結果與用激光-2-聚焦裝置對轉輪測量的結果進行對比研究，進行轉輪的反求計算等。同時，包括有先進的三維彩色圖像后處理機在內的可進行全三維歐拉解的有限體積法，已應用于燈泡貫流式水輪機轉輪中的三維流動分析計算。采用B樣條函數進行三維表面模擬，水輪機的特性曲線、空蝕曲線的計算模擬等［10-14］，從而使燈泡式水輪機水力性能的改進、研究大大加快。通過一系列模型對比試驗，如納吉馬羅電站的水輪機，已獲得在高效區變化平坦，包絡了以往好的模型效率峰值，達到甚至超過模型好的滿負荷效率，空蝕性能也比以往的轉輪好得多。在改善效率和空蝕性能的同時，還使運行范圍得到了擴展，年生產電能得到增加。(二)新的設計手段與運行經驗采用數字化的三維葉片形狀的設計與制造，設計人員可以通過計算機看到設計結果，以便模擬葉片在交付生產前作好三維光滑修整。也就是說，利用B樣條模擬的曲面可以作為水流流動和應力分析模型及真機葉片計算機輔助技術(puter aided design，CAD)設計和數控加工的基本數據［15-17］。另外，也可以通過粒子圖像測速法(particle image velocimetry，PIV)或者激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimetry，LDV)測試技術及手段，或者采用FS-163光導纖維觀測氣蝕儀，觀測轉輪葉片進水邊的水流狀態，確定葉片出水邊開始產生氣泡時的臨界空蝕系數等［18］。四、軸伸貫流式機組應用現狀軸伸貫流式機組由德國人Kuhne于1930年發明并獲得專利。軸伸貫流式水輪機如圖1-5所示。首臺機組由Escher Wyss公司設計，由Allis Chaimers公司制造，安裝在美國密歇根州的Lower Paint電站，單機容量為166kW，轉輪直徑為0 76m，水頭6 1m。該類機組發電機在流道外，因具有安裝、檢修維護方便的特點，而被廣泛應用于低水頭的中、小型電站中。這類機組根據發電機的位置又可以分為前軸伸、后軸伸和斜軸伸三種，如圖1-6所示。目前世界上已運行的單機容量大的為美國的奧扎爾卡(Ozark)水電站，總容量為25 2MW，轉輪直徑8m，設計水頭9 8m，于1965年投產。這類機組的尾水流道經常布置成S形，所以又稱為S形貫流式機組。我國目前已運行單機容量大的為1995年投產的廣東省羅定雙車水電站，單機容量為2MW，轉輪直徑2 75m，大水頭8m［2］。圖1-5軸伸貫流式水輪機1.轉輪；2.水輪機主軸；3.尾水管；4.齒輪轉動機構；5.發電機(a)前軸伸(b)后軸伸(c)斜軸伸圖1-6軸伸貫流式水電站剖面圖五、豎井貫流式機組應用現狀豎井貫流式機組是將發電機布置于轉輪前流道中的空心“閘墩”內的另一類貫流式機組，由于其空心“閘墩”提供的空間遠比燈泡貫流式機組的密封倉大得多，可以布置增速齒輪以提高發電機轉速，從而減少造價，因此適用于更低水頭。由于空心“閘墩”有如坑井，所以也被稱為坑井貫流式機組，其結構如圖1-7所示。目前世界上單機容量大的豎井貫流式機組安裝于美國的路易斯安那州的威達利亞水電站，單機容量25MW，轉輪直徑8 2m，于1986年投產。我國目前豎井貫流式機組應用較少，且僅限于小型機組［2］。第二節高水頭貫流式機組的研究與發展前景貫流式水輪發電設備是從1892年開始研制的，至今已有一百多年的歷史。20世紀80年代以來，燈泡貫流式機組在國內應用日益普及，由于這類機組具有流道直、水流轉彎少、水力損失小、水力效率高等優點，因而在20m水頭段以下，大有取代立式軸流式機組的趨勢，目前已進入快速發展和實用階段。然而，由于其轉輪葉片數少，空蝕系數較大，難以應用于更高的水頭。高水頭貫流式水輪機是原四川工業學院(現西華大學)院長杜同教授1958年提出的一種新型的水力發電機型，這種水輪機采用了貫流式或燈泡式水輪機的輻向式錐形布置的導水機構和類似于混流式或斜流式水輪機的轉輪，其主軸可以從尾水管方向伸出而設圖1-7豎井貫流式機組'