研制四重斜流式轉槳水輪機的必要性與可行性

摘要：本文探討了我國研制四重斜流式轉槳水輪機的必要性與可行性，水輪機出力公式中一個(gè)被忽視的問(wèn)題，以及尾水管、補氣裝置結構的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：轉槳水輪機　"管""洞"結合

　　巴西曾以"水電立國"策略解決能源問(wèn)題，美國國家水力發(fā)電協(xié)會(huì )今又指出："解決美國對更清潔、更可靠能源需要的方案，不在于采用任何單一科技，而是在于制定一個(gè)權衡的能源計劃，實(shí)現減少對國外能源依賴(lài)、增加供電可靠性、提供清潔大氣、考慮環(huán)境保護等多個(gè)目標�，F在是實(shí)事求是地審視水電、支持有成本效益的水電開(kāi)發(fā)，確保水電成為21世紀的一種能源構成的時(shí)候了。不重視開(kāi)發(fā)水電這一國內的、可再生、清潔、可靠的能源，將是一種政策失誤，美國子孫后代將因此而受到影響"。我國把"西電東送"列為21世紀四大工程之一，體現了黨和政府能源政策的光輝，而西部水力發(fā)電是"西電東送"的唯一亞綠色低成本源泉與可持續不竭源泉；應指出"綠色風(fēng)能"發(fā)電功率=1/2×Cp×ρk×Vw3×A，式中Cp為功率系數，ρk為空氣的密度（單位為kg/m3），Vw為風(fēng)速(單位是m/s)，A是轉子掃過(guò)的區域面積（單位為m2），實(shí)用型風(fēng)力渦輪發(fā)電機輸出功率只有20kW～30kW，現在的最高水平僅4.5MW。探討水力發(fā)電的主要設備水輪機有十分重大意義。
　　50多年來(lái)，我國水輪機從無(wú)到有、從小到大，凝聚著(zhù)水輪機研制者的畢生心血。但有些已認識的問(wèn)題，由于各種條件的限制，沒(méi)有采取必要措施，現探討如下：
　　1、研制四重斜流式轉槳水輪機
　　目前我國水電廠(chǎng)（站）以混流式水輪機應用最多，軸流式水輪機次之。據文獻[1]統計國內134座大中型水電站479臺水輪機，其中混流式92站318臺，軸流式35站129臺（內含定槳式1站4臺），斜流式轉槳機僅3站6臺；湖南省單機容量500kw以上的水電廠(chǎng)（站）有235站[2]（4站設備不明），其中裝置混流式水輪機有138站，裝置軸流式水輪機有59站（小水電定漿機多），還有其它機型，無(wú)斜流式轉槳機。
　　眾所周知，混流式水輪機應用水頭較高，但葉片固定，負荷變化較大時(shí)，效率顯著(zhù)下降；而軸流式轉槳機盡管能適應水頭與負荷變化，高效率區寬，但空蝕系數(動(dòng)力真空與水頭之比值)較大，且懸臂的槳葉強度有限，故應用水頭一般在60米以下。因此，研究一種既能應用于較高水頭又能適應負荷變化的新型水輪機，便是上個(gè)世紀下半葉世界各國一項重要任務(wù)。應運而生的是斜流式轉槳機，注意它不同于混流式過(guò)渡到軸流式的中間產(chǎn)物。前蘇聯(lián)捷雅水電站的斜流式轉槳機標稱(chēng)直徑6米，水頭變化范圍74.5～97.3米，單機功率達220MW，它的蝸殼、座環(huán)、導水機構仍屬于徑向式，水流流線(xiàn)從蝸殼經(jīng)座環(huán)、導水葉、漿葉到尾水管直錐段總轉角仍達90度，但不急轉，即過(guò)機水流流線(xiàn)轉彎半徑相對值（ρ/D1）增大，因而水力效率得到提高。而我國可以研發(fā)一種效率η更高的斜流轉槳機，它的蝸殼、座環(huán)、導水機構及轉輪全部制成斜向式，前三者也傾斜布置[3]，暫且稱(chēng)此機型為四重斜流式轉槳水輪機，其自蝸殼經(jīng)座環(huán)、導水葉、槳葉至尾水管的過(guò)流通道更加平暢，即水流流線(xiàn)轉彎半徑相對值（ρ/D1）更為增大，可以肯定水輪機水力效率ηs更進(jìn)一步提高；另外此型機組的平面尺寸相對較�。▎卧�流量Q／D12√H更大），它的空蝕系數(動(dòng)力真空與水頭之比值)也較軸流機小，它的水頭應用范圍20～200米，正適合我國可開(kāi)發(fā)水電電源點(diǎn)常見(jiàn)的水頭，在我國應用有廣闊的前景。1970年我國哈爾濱電機廠(chǎng)為云南毛家村水電站生產(chǎn)了一臺8000kw的斜流式轉槳機，雖然采用徑向式蝸殼、座環(huán)、導水機構，但仍不失一次有益嘗試，人們發(fā)現、認識了它的優(yōu)點(diǎn)，但由于斜流式轉輪槳葉及四重斜流式轉槳機之斜向式導水機構導葉的操動(dòng)是一個(gè)空間運動(dòng)，而非一個(gè)平面運動(dòng)，被認為"結構復雜"，"制造工藝要求高"而沒(méi)有成系列地生產(chǎn)�，F在隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，我國水輪機制造、安裝水平都已今非昔比，積極研發(fā)具有性能優(yōu)勢的斜流式轉槳機，優(yōu)化各大水電基地尤其是西部大、巨型水力發(fā)電廠(chǎng)的能量指標，應該提上議事日程。我由于較長(cháng)時(shí)間惦記著(zhù)研發(fā)四重斜流式轉槳水輪機，為"西電東送"源泉建言獻策，于2002年12月26日中午閃現靈感，四重斜流式轉槳水輪機之斜向式導水機構與斜流轉槳轉輪的操動(dòng)用臺錐齒輪傳動(dòng)，咬合線(xiàn)鉛垂！使原結構的操作控制策略由空間運動(dòng)化為平面運動(dòng)，相信這一水力機械問(wèn)題的突破對研發(fā)高效率的四重斜流式轉槳水輪機攻克了一難點(diǎn)。
　　2、我國水輪機的出力公式
　　我國水輪機教科書(shū)及設計手冊都千篇一律地把水輪機出力公式記為N=9.81QHη(kw),無(wú)疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前蘇聯(lián)水能權威Ф.Ф古賓教授著(zhù)作《水力發(fā)電站》，此書(shū)1949年在我國翻譯發(fā)行，1981年又再版。"9.81"正是俄羅斯山區的重力加速度取值，與俄羅斯國情相吻合。而我國北京g值為9.8，長(cháng)江三峽為9.7935，同時(shí)考慮緯度與海拔高程的影響，估計大西南水電基地的重力加速度值只有9.79左右，與9.81差約0.2%，這對小水電是可忽略的，但對于大型及巨型水電廠(chǎng)就不容忽視了，例如溪落渡裝機12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水電站的出力，故在水輪機選型計算中應考慮站址處重力加速度值變化（尤其是大、巨型水電廠(chǎng)），水輪機出力公式為：
　　N=gbQHη(kw)
　　式中N-----水輪機出力（kw）；gb-----水電廠(chǎng)房處重力加速度值(m/s2)；Q-----水輪機過(guò)機流量（m3/s）；η-----水輪機總效率
　　J.J.圖馬研究員曾給出g值的算法，我們自己也可根據地球自轉對重力的影響(主要是緯度和海拔高程)推出下式：
　　gф=9.78049(1＋0.0052884sin2ф－0.0000059sin22ф)
　　gb=gф－0.00000286Δ(Δ≤4000米，吻合我國大西南水電基地)
　　式中ф----廠(chǎng)房處緯度；Δ----所設計水力發(fā)電廠(chǎng)水輪機安裝高程
　　3、變“尾水洞”為“管”“洞”結合
　　我國立式反擊型水輪機泄水部件多采用4H與4C型標準尾水管，與其說(shuō)是尾水管，倒不如說(shuō)是“尾水洞”，因為它系鋼筋混凝土澆筑而成，與大地結合緊密，只不過(guò)其直錐段用鋼板襯護（H大于200米時(shí)要求彎肘段也用鋼板襯護），一旦形成就不能移動(dòng)與搬移了，我們能看到的只是一個(gè)“洞”而已。若轉輪需要檢修，就只好把轉動(dòng)部分撐起，從發(fā)電機頂部零部件、卡環(huán)、推力頭、推力瓦、上機架、轉子、下機架自上而下按次序拆卸，而后在過(guò)水流道已排干積水時(shí)卸開(kāi)水輪機頂蓋，才能吊出轉輪。如果發(fā)電機部分毫無(wú)問(wèn)題，這個(gè)檢修轉輪的程序就太過(guò)勞神費力了。若對尾水管直錐段管壁加厚，四周預留空間，彎肘段及水平擴散段仍采用鋼筋混凝土澆搗。同時(shí)加厚的直錐段分瓣制造，螺栓把合成整體

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