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摘要：本文通过阐述水电站的灯泡贯流式水轮机结构设计，详细分析水轮机转轮叶片数的选择情况对机组在建设过程和实际运行过程产生的影响。针对对水轮机叶片数关联方面的论述，了解水轮机选择过程中需要考虑的因素，以此选择合适叶片数的水轮机，从而达到发挥水电站最大发电效益，获得经济效益最大化的目的。
关键词：灯泡贯流式水轮机；结构特点；叶片；工况分析；
一、灯泡贯流式水轮机概述
水利枢纽工程根据电站参数和流量变幅大小配备不同数量和种类的水轮机。水电站的核心设备之一水轮机，其任务就是将水流机械能转化为旋转机械能，是发电过程中的基础环节，占据着重要地位。其质量优劣、运行情况都将影响着整个水力发电厂的经济效益和安全性能，甚至对水电站的整个机组寿命有决定性作用。在水轮机实际选择过程中，需根据水电站实际情况决定。水轮机有多种型式，如混流式、轴流式、轴伸贯流式、竖井贯流式，灯泡贯流式和全贯流式。不同型式水轮机应用在参数不同的水电站内，目前低水头电站均使用贯流式水轮机，而其中灯泡贯流式水轮机使用最为广泛。
二、结构特点
灯泡贯流式水轮机主要结构有：埋设部件、导水机构、转轮与转轮室、主轴与主轴密封、水导轴承、组合轴承等。结构较其他型式水轮机复杂，增设协调机制和稳定机制，但是检查和维修相对其他水轮机更为困难。其结构特点还在于流道采用直型，空间结构宽阔，将水能损失率降到最低，能量利用效率高。同时其单位流量大，比转速高，而且由于取消了蜗壳和肘行尾水管，其体积减小，结构紧凑，厂房面积小，能够最大程度减小土建投资。
三、电站水轮机工况分析
灯泡贯流式水轮机转轮型式有3叶片、4叶片、5叶片转轮，不同叶片数转轮技术参数不同。
表1 灯泡贯流式水轮机转轮型式主要技术参数对比表
（一）5轮叶片转轮工况分析
电站最优工况即在最小损耗下获得最大的发电效益。水轮机在持续工作过程中，从最小水头到最大水头之间转速和流量同样在不断变化。并不是所有技术参数达到额定值便能得到最优状况。由表1可看出，5轮叶片转轮的效率最高，但是运用水头范围同样高，对低水头几乎无法利用，而且这种大型灯泡贯流式水轮机发电组结构复杂，其叶片数量与机组其他部件的整合对机组的运行会产生一定的影响。一般情况下为了减小机组共振的发生，对整个机组进行分析，使水力激振频率与机组自身频率维持在一定范围内，但是5轮叶片机组尺寸大，动力特性相对3叶片转轮和4叶片转轮更加难以把握。在运行过程中，机组自身振动频率与水力激振频率更加容易引起机组共振，机组稳定性能较低，运行过程中变化情况多，对机组产生不良影响，降低水电站工作效益。5叶片转轮质量大，在配备过程中需要更多的人力物力，无论从设备配置方面，还是从建设规划方面所需投入高，耗时长，而且检查维修更为复杂，困难系数高。
（二）4叶片转轮工况分析
4叶片转轮在工作运行过程中最优工况效率和额定工况效率与5叶片转轮相差不大，但是，4叶片转轮单位转速更高，其能量利用率相对较低，从最小水头到最大水头机组运行效率包含高效范围较少，如果需要进一步扩大利用率，提高整体效率，那么只有降低转速。同时水轮机的机组性能同样受空化系数的影响，在效率、过流能力和功率等能量性能方面均存在有利作用，空化系数值是吸出高度除以水头值。4叶片转轮发电机尾水水位与水轮机中心线之间的高度并不高，因为于水电站厂房尾水管出口处淹没深度只有达到一定值才能满足整个机组良好运作，而在这种情况下得出的吸出高度并不能达到保证转轮运作效率高的要求，转轮所需的吸出高度在保证尾水管淹没深度最小值时，与3叶片转轮差别较小，但由于灯泡贯流式机组设计安装的横卧式简易布置，转轮旋转过程中绝大多数处于底端，空化发生率较低，因此选择4叶片转轮时机组深埋条件可稍作考虑。4叶片转轮进水边背面脱流现象同样影响运行效率，选择时应尽量避开。
水轮机工作时，水流进入水轮机，形成的撞击、脱流不仅会引起共振，还有各种漩涡、压力脉冲现象，水轮机的导叶、桨叶进口冲角增大了这种现象发生强度。且机组尺寸较大，耐受力难以保证，运行过程中难以保持既定形状，进而引起一系列的问题。由引水室流向水轮机转轮的水流需经过导水机构再进入转轮，这一过程通过电力系统负荷变化来调节水轮机流量以适应系统对机组出力的要求，如果导水机构变坏，就无法控制进入转轮的水流环量，不能满足水轮机对进入转轮前水流环量的要求，严重影响机组运行稳定性。同时水轮机导轴承减弱叶片开度不均产生径向水推力的影响，承受由轴传来的径向力和振摆力，固定机组轴线位置，保证轴心稳定，是水轮机的重要组成部分。而转轮室中转子和转轮体积大，重量大，如果运行中变形就会引发导叶无法正常工作，对转轮室间的间隙产生影响，发生摩擦碰撞的情况。4叶片轮机的尺寸和材料工艺都必须进行精确计算，以保证机组运行良好，不仅保证其最优工效，还需要保证其稳定性能。
4叶片转轮直径质量和尺寸处于中等，但是转轮和叶片的总质量相对3叶片转轮来说比较大，这决定了水轮机过流能力没有明显优势，而且比转速受水头范围影响比较低，因此4叶片转轮机组的质量与3叶片转轮比较处于劣势地位。同时转轮的尺寸较大，在设计制造过程中对工艺的要求比较严格，需要精确的设计与计算，直接影响转轮经济成本，对电厂的投资产生影响，不仅如此，对土地建设要求更为严苛。转轮尺寸的不同导致建设流道尺寸的变化，相应的建设工具、配备设备同样改变，电站的建设工作提高了难度，增加了电厂投资额度。
（三）3叶片的工况分析
3叶片转轮叶片较小，转轮质量和直径较小，单位流量大、比转速及过机流速高，其能量利用效率低下，空化系数普遍比较高。其运用的水头范围是3~12m，能够有效利用电站低水头。而且在其适合的水头范围内，最优工况的效率仍然可以达到92%，平均效率较高，最大限度发挥了机组效能。3叶片转轮运行过程中，为了满足机组空化性能，对机组的掩埋深度并没有特别的要求，与4叶片转轮相差不大。
水电站工作时，水头变幅大，远离最优工况的区域易引发共振，而3叶片转轮在此方面忧患不大，其尺寸和质量在合适的范围内，稳定性能较高，工作运转发生变化较小。而且由于体积较小，在设计制造方面相对轻松，工艺要求相对简单。整个机组的尺寸相配合，从配备设备到厂房建设过程均减少开支，减小电厂投资成本。
结束语
通过以上分析可发现，水电站不同叶片的选择，对水电站整个机组设备，电站经济投入和厂房建设将产生深远影响。选择过程中，考虑的因素不仅仅是单纯叶片数量，还需要对水轮机叶片数量改变引起的一系列变化进行分析研究，与此同时需要结合电站自身特点，运用掌握机组结构功能和重要技术参数，联合电厂投资预算和建设规划，在此基础上进一步进行详细比较和论证，而后优化选择结果，使电厂的发电效益最大化，给水电站带来最大的经济效益。
参考文献：
[1]王春暖.中小型水电站水轮机选型设计评述[J].水电站机电技术，2010，33（2）
[2]齐立伟.贯流式水轮机转轮模型试验[D].2012.
作者简介：
刘波（1986-），男，四川阆中人，助理工程师，长期从事水电站生产管理工作。
冉杰（1985-），男，四川西昌人，助理工程师，长期从事水电站机械检修技术管理工作。
论文作者:刘波,冉杰
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期供稿
论文发表时间:2015/12/25
标签：转轮论文; 水轮机论文; 叶片论文; 机组论文; 水头论文; 水电站论文; 流式论文; 《基层建设》2015年15期供稿论文;