研制四重斜流式转桨水轮机的必要性与可行性

James

研制四重斜流式转桨水轮机的必要性与可行性

摘要：本文探讨了我国研制四重斜流式转桨水轮机的必要性与可行性，水轮机出力公式中一个被忽视的问题，以及尾水管、补气装置结构的改进。  

关键词：转桨水轮机 　"管""洞"结合  

　　巴西曾以"水电立国"策略解决能源问题，美国国家水力发电协会今又指出："解决美国对更清洁、更可靠能源需要的方案，不在于采用任何单一科技，而是在于制定一个权衡的能源计划，实现减少对国外能源依赖、增加供电可靠性、提供清洁大气、考虑环境保护等多个目标。现在是实事求是地审视水电、支持有成本效益的水电开发，确保水电成为21世纪的一种能源构成的时候了。不重视开发水电这一国内的、可再生、清洁、可靠的能源，将是一种政策失误，美国子孙后代将因此而受到影响"。我国把"西电东送"列为21世纪四大工程之一，体现了党和政府能源政策的光辉，而西部水力发电是"西电东送"的唯一亚绿色低成本源泉与可持续不竭源泉；应指出"绿色风能"发电功率=1/2×Cp×ρk×Vw3×A，式中Cp 为功率系数，ρk为空气的密度（单位为kg/m3），Vw 为风速(单位是m/s)，A 是转子扫过的区域面积（单位为m2），实用型风力涡轮发电机输出功率只有20 kW～30 kW，现在的最高水平仅4.5 MW。探讨水力发电的主要设备水轮机有十分重大意义。  
　　50多年来，我国水轮机从无到有、从小到大，凝聚着水轮机研制者的毕生心血。但有些已认识的问题，由于各种条件的限制，没有采取必要措施，现探讨如下：  
　　1、研制四重斜流式转桨水轮机  
　　目前我国水电厂（站）以混流式水轮机应用最多，轴流式水轮机次之。据文献[1]统计国内134座大中型水电站479台水轮机，其中混流式92站318台，轴流式35站129台（内含定桨式1站4台），斜流式转桨机仅3站6台；湖南省单机容量500kw以上的水电厂（站）有235站[2]（4站设备不明），其中装置混流式水轮机有138站，装置轴流式水轮机有59站（小水电定浆机多），还有其它机型，无斜流式转桨机。  
　　众所周知，混流式水轮机应用水头较高，但叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降；而轴流式转桨机尽管能适应水头与负荷变化，高效率区宽，但空蚀系数(动力真空与水头之比值)较大，且悬臂的桨叶强度有限，故应用水头一般在60米以下。因此，研究一种既能应用于较高水头又能适应负荷变化的新型水轮机，便是上个世纪下半叶世界各国一项重要任务。应运而生的是斜流式转桨机，注意它不同于混流式过渡到轴流式的中间产物。前苏联捷雅水电站的斜流式转桨机标称直径6米，水头变化范围74.5～97.3米，单机功率达220MW，它的蜗壳、座环、导水机构仍属于径向式，水流流线从蜗壳经座环、导水叶、浆叶到尾水管直锥段总转角仍达90度，但不急转，即过机水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）增大，因而水力效率得到提高。而我国可以研发一种效率η更高的斜流转桨机，它的蜗壳、座环、导水机构及转轮全部制成斜向式，前三者也倾斜布置[3]，暂且称此机型为四重斜流式转桨水轮机，其自蜗壳经座环、导水叶、桨叶至尾水管的过流通道更加平畅，即水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）更为增大，可以肯定水轮机水力效率ηs更进一步提高；另外此型机组的平面尺寸相对较小（单元流量Q／D12√H更大），它的空蚀系数(动力真空与水头之比值)也较轴流机小，它的水头应用范围20～200米，正适合我国可开发水电电源点常见的水头，在我国应用有广阔的前景。1970年我国哈尔滨电机厂为云南毛家村水电站生产了一台8000kw的斜流式转桨机，虽然采用径向式蜗壳、座环、导水机构，但仍不失一次有益尝试，人们发现、认识了它的优点，但由于斜流式转轮桨叶及四重斜流式转桨机之斜向式导水机构导叶的操动是一个空间运动，而非一个平面运动，被认为"结构复杂"，"制造工艺要求高"而没有成系列地生产。现在随着技术进步，我国水轮机制造、安装水平都已今非昔比，积极研发具有性能优势的斜流式转桨机，优化各大水电基地尤其是西部大、巨型水力发电厂的能量指标，应该提上议事日程。我由于较长时间惦记着研发四重斜流式转桨水轮机，为"西电东送"源泉建言献策，于2002年12月26日中午闪现灵感，四重斜流式转桨水轮机之斜向式导水机构与斜流转桨转轮的操动用台锥齿轮传动，咬合线铅垂！使原结构的操作控制策略由空间运动化为平面运动，相信这一水力机械问题的突破对研发高效率的四重斜流式转桨水轮机攻克了一难点。
　　2、 我国水轮机的出力公式  
　　我国水轮机教科书及设计手册都千篇一律地把水轮机出力公式记为N=9.81QHη (kw),无疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前苏联水能权威Ф.Ф古宾教授著作《水力发电站》，此书1949年在我国翻译发行，1981年又再版。"9.81"正是俄罗斯山区的重力加速度取值，与俄罗斯国情相吻合。而我国北京g值为9.8，长江三峡为9.7935，同时考虑纬度与海拔高程的影响，估计大西南水电基地的重力加速度值只有9.79左右，与9.81差约0.2%，这对小水电是可忽略的，但对于大型及巨型水电厂就不容忽视了，例如溪落渡装机12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水电站的出力，故在水轮机选型计算中应考虑站址处重力加速度值变化（尤其是大、巨型水电厂），水轮机出力公式为：  
　　N= gbQHη (kw)  
　　式中 N-----水轮机出力（kw）；gb -----水电厂房处重力加速度值(m/s2)；Q-----水轮机过机流量（m3/s）；η-----水轮机总效率
　　J.J.图马研究员曾给出g值的算法，我们自己也可根据地球自转对重力的影响(主要是纬度和海拔高程)推出下式：
　　gф=9.78049(1＋0.0052884sin2ф－0.0000059sin22ф)  
　　gb=gф－0.00000286Δ(Δ≤4000米，吻合我国大西南水电基地)
　　式中 ф----厂房处纬度；Δ----所设计水力发电厂水轮机安装高程
　　3、变“尾水洞”为“管”“洞”结合
　　我国立式反击型水轮机泄水部件多采用4H与4C型标准尾水管，与其说是尾水管，倒不如说是“尾水洞”，因为它系钢筋混凝土浇筑而成，与大地结合紧密，只不过其直锥段用钢板衬护（H大于200米时要求弯肘段也用钢板衬护），一旦形成就不能移动与搬移了，我们能看到的只是一个“洞”而已。若转轮需要检修，就只好把转动部分撑起，从发电机顶部零部件、卡环、推力头、推力瓦、上机架、转子、下机架自上而下按次序拆卸，而后在过水流道已排干积水时卸开水轮机顶盖，才能吊出转轮。如果发电机部分毫无问题，这个检修转轮的程序就太过劳神费力了。若对尾水管直锥段管壁加厚，四周预留空间，弯肘段及水平扩散段仍采用钢筋混凝土浇捣。同时加厚的直锥段分瓣制造，螺栓把合成整体，并与底环及肘管里衬螺栓连接，即所谓“管”“洞”结合。当仅对转轮检修时，只需关闭进、尾水管闸门，并排干过水流道积水，卸下尾水管直锥段，再卸下转轮，由预留的检修廊道送入检修场。这对于加快水轮机检修进程有较大意义，并且此时不需同步检修的发电机可作调相运行，补充电力系统无功功率。
　　4、水轮机附属装置的改进
　　4.1 紧急真空破坏阀 其作用是甩负荷时减小下游尾水返冲力和抬机高度，有强迫式与自吸式两种，但存在原理性缺陷:强迫式真空破坏阀由调速环下斜块速压而动作，阀之出气位置处顶盖下转轮室四周压力较高区，不易向转轮室内进气；自吸式真空破坏阀动作时已形成大真空度，加之水击波在t＝（2×25～2×50）／1000＝0.05～0.1秒后返回，入气位置虽佳仍进气极少，属“亡羊补牢”之法；两段关闭导水叶法只能略微减轻而不能消除转轮室-尾水管段水击，对解决大Kz值的机组抬机几乎无效。故应采用自动阀门控制压缩空气在甩负荷时不延时立即补入，使补气量约等于由于导水叶关闭造成的水流量减少值，详见文献[4]，用可编程控制器PLC实施PID控制效果更佳，见文献[5]。
　　4.2 十字架补气与短管补气 它们的作用是防止尾水管压力脉动与空腔气蚀，但要尽量减少补气管对转轮出水的阻碍，为此，宜把补气管的横断面由圆形改为扁状，扁面与轴面流向相切，这样对水流轴向流动阻碍很小，而对尾水管水流旋转运动阻碍很大，将更有效地起着破坏涡带的作用。

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参考文献   
[1]国内水电站主要数据汇编.1987年,南宁   
[2]湖南省水利水电厅.中小水电站技术数据手册.1996年（再加入大站.新站）   
[3]程良骏.水轮机(M).机械工业出版社,1981年   
[4]朱文杰.水轮机防抬措施探讨.水利水电技术.水利电力出版社,1994.9   
[5]朱文杰.用PLC根治水力机组甩负荷抬机．中国水利水电市场（ISSN 1684-4696）,2005.6