技术研发 ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ ＡＮＤ Ｍ＿ＡＲＫＥＴ Ｖｏ１．１ ８，Ｎｏ．１２．２０１ １ 灯泡贯流式机组（电站）特性 何林城 （葛洲坝青神电航开发有限公司，四川青神摘６２０４６０） 要：介绍了贯流式水电站的主要类型，对灯泡贯流式机组的特性进行了分析。说明了灯泡贯流式水轮机在电站的优 势作用。 荚键词：贯流式机组；水电站；空化特性；水轮机 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１ １．１２．０１８ ０引言 葛洲坝汉阳电航枢纽工程位于岷江干流中游眉山市青神县 境内，是岷江（彭山江口～乐山岷江三桥段）干流自上而下开发 的第七个梯级，位于青神县下游约１８ ｋｍ，是以发电、航运为主，兼 顾其它水资源综合利用效益的工程。电站正常蓄水位３８２．５ ｍ，死 水位３８２ ｍ，设计洪水位３８５．４６ ｍ，水库总库容８ ６２０万ｍ，，死库容 ３ ３００万ｉｎ ，总装机容量６６ ＭＷ，保证出力７．３ ＭＷ，三台机组都 采用灯泡贯流式机组，多年平均发电量２．７７９亿度。 １ 贯流式水电站的主要类型 按常规采用的贯流式机组形式，可以把贯流式水电站划分 为半贯流式水电站和全贯流式水电站二种类型。半贯流式水电 站义可以分成轴伸贯流式ＺＧ、竖井贯流式ＳＧ、灯泡贯流式ＤＧ 水电站 种（轴伸贯流式、竖井贯流式二种～般应用在小型电 站上，大、中型水电站一般应采用灯泡贯流式）。 ２灯泡贯流式发电机组的比转速和立式轴流机组定性分析 ２．１ 灯泡贯流式发电机组的比转速 灯泡贯流式水轮机主要的参数（包括水轮机原型参数和模 型参数）。原型参数：电站装机台数ｚ；额定水头Ｈ ；设计比转速ｎ ； 转轮直径Ｄ；额定转速ｎ ；安装高程ＡＮ等。模型参数：设计单位 流量Ｑ 设计单位转速ｎＩｌ；模型空化系数 等。 比转速的说明：水轮机的单位参数 、Ｑ．．、Ｐｉ．只能分别从 不同的方面反映水轮机的性能。为了可以找出更能反映水轮机 的性能的单位参数，提出了比转速的概念。 ： Ｈ ／３，－＂—＿转速，ｒ／ｍｉｎ；Ⅳ厂一水轮机功率，ｋＷ；Ｈ——水头，ｍ。 从式子中可以看出ｔ／，ｓ的意义是在１ ｍ水头下输出１ ｋＷ功率 时的水轮机转速。可见 越大机组转速越高，则单位ｋＷ的造价 越低，所以应尽量设法提高 值。同时许多先进国家设计转轮 都将ｎ 值作为评判转轮先进性的重要指标，同时也反映制造水 平。 现代各型水轮机的比转速范围约为：水斗式ｎ，＝１０～７０；混 流式ｎ ＝６０～３５０；斜流式 ＝２００～４５０；轴流式ｎ，＝４００ ９００；贯 流式巩＝６００～１１００。 所以，可以看出贯流式机组和其它机组相比有着很大优 势 ２．２ 立式轴流式与灯泡贯流式水轮机组定性分析比较 ２．２．１过流通道的水力损失 尊瓷 ＜｝一 图１ 灯泡贯流式机组 图２ 立式轴流式机组 流道示意图 流道示意图 立式轴流式机组的流道如图２所示，水流经过导水机构垂 直于轴向方向，经过转轮流出。在该过程中水流的方向从进口 到出口发生了９Ｏ度的变化，而灯泡贯流式机组的流道如图１所 示，整个过程中从进水到出水方向基本上是轴向贯通的，进水 管和出水管都不拐弯，形状简单。所以在过流通道的水力损失 减少，加之贯流式机组整个流道的结构较为简单，在施工和设 计上面都很方便。 灯泡式水轮机的流道有着它特殊的作用，由于进口水流和 出口水流在同一直线上，进出水流道没有急转弯，可以使用在 可逆式水轮机上，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水 力性能（可逆式水轮机的说明：兼并着水轮机和水泵二种功能 的水利机械。转轮正向旋转时为水轮机：Ｉ：况，反向旋转时为水 泵工况；二种状况下水流流动的方向相反。可逆式水轮机的开 发和运用主要是使水能利用可以达到最高效率） 灯泡贯流式机组有着它的流道特性，也运用在潮汐发电。 我国的海岸线长，有着较大潮汐电站开发的潜质。与立式轴流 式机组相比较，灯泡贯流式机组具有流道顺直、水头损失小、单 位流量大、效率高、体积小及厂房空间较小的优点、适用于低水 头大中型潮汐电站机组。目前，世界上运行和在建的潮汐发电 机组多采用灯泡贯流式机组，它在潮汐发电站具有双向发电、 双向抽水和双向泄水等６种功能。 ２．２．２对在同水头、容量下转轮直径的分析 、／ ’ ㈩ Ｄ。——转轮直径，ｍ；Ｎ厂一水轮机额定出力，ｋＷ； Ｑ ——额定工况单位流量，ｍ３／ｓ； 技术与市场 第ｌ８卷第ｌ２期２０１１年 日．——额定水头，ｍ； 广一额定效率。 转轮直径的大小与额定出力、额定工况单位流量、额定水 头、额定效率相关。在水头和容量相同的情况下，比较流量和效 率。由图ｌ与图２的比较贯流式水轮机有较高的过流能力，同时 由于贯流式机组的水力损失较立式轴流式机组小，也决定着贯 流式机组的效率高于立式轴流式机组，大约高于立式轴流式机 组２％一３％。 公式ｌ可以知道转轮直径在容量和水头相同情况下与流量 和效率成反比，贯流式机组的流量和效率都分别高于立式轴流 式机组。所以贯流式机组的转轮直径在容量水头相同时直径小 于立式轴流式机组，大约小于立式轴流式机组１０％～２０％。 ２．２．３结构及厂房布置型式 （１）结构：灯泡贯流式机组是一个整体的设计，其中发电机 安装在水轮机上游侧一个灯泡形的金属壳体内，发电机主轴与 水轮机水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴向对称流过转 轮叶片（如图ｌ所示），流至直锥形尾水管。机组的轴系支承结 构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡内，灯泡体前面位置是水轮 机转轮。而立式轴流水轮机发电机组只有转轮部分流道内部， 发电机及其机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都在转轮 以上不在流道内。水流经过蜗壳形成环量转动叶片，但是水流 方向经过转轮就垂直向进口方向。 （２）布置形式：灯泡贯流式电站采用的布置型式一般为河 床式水电站。 当水头较低，单机容量又较大时，厂房与整个进水建筑物 成一体，厂房本身起到挡水作用，称为河床式厂房（厂房顶部有 时候也布置成泄洪建筑）。 结构和布置型式上的不同决定着灯泡贯流式机组对于立 式轴流式机组有着很大的优越性能。由于贯流式机组水流畅 直。水力效率比较高，比较大的单位流量和较高的单位转速，在 之前的尺寸比较中可以得到在同一水头出力下，发电机和水轮 机尺寸都比较小，可以把机组布置在坝体内，取消了复杂的引 水系统，进而缩小了厂房的建筑面积，减少电站开挖量和混凝 土量，根据有关资料分析，土建的费用可以节省２０％～３０％。与 此同时贯流式水电站比立式轴流式水电站建设周期短，投资 小，收益快，淹没移民少，加之电站一般处于地形比较平坦，离 城镇比较近，水量较为丰富的地点，枢纽的总体布局应认真研 究，与当地的地区经济发展规划相结合（例如葛洲坝青神电航 项目是除发电外兼并着航运、灌溉、防洪等显著作用的综合利 用），深度开发水力资源，增加贯流式水电站的经济效益。 灯泡贯流式机组与立式轴流式机组比较有着很大的优越 性，但是同时也应该认识到它的不足之处。因为发电机装载在 水下密闭的灯泡体内，给发电机通风、冷却、密封、轴承的布置 和运行检修带来了困难，对电机的设计制造有很严格的特殊要 求。整个灯泡体为金属结构长时间固定在流道内很容易造成腐 蚀，与此同时各条河流的含沙量、酸碱程度等各不相同，所以对 灯泡体的设计制造也有着不同要求，在造价上提高了。 ２．２．４综合的投资比较 灯泡贯流式机组在转轮直径、转速、效率、厂房尺寸、机组 造价、土建费用等各方面的综合比较，贯流式机组电站的综合 技术研发 投资比立式轴流式机组减少３０％～４ｏ％，飞轮力矩大小为立式 轴流机组的１５％ ３０％（ＧＤ￣－ＫＤｉ 。）。 ３贯流式机组的空化特性 因为流道不转弯，贯流式水轮机不仅有较高的水力效率， 而且在空化性能方面也比轴流式水轮机要好。为了降低机组 造价，机组选型设计时，设计点选择的单位流量和单位转速比 较高。如灯泡贯流式设计点的单位流量可以超过２ Ｏ００ＩＪＳ，而 轴流式机组不可能达到，而且容易造成空化性能严重恶化。 空化系数可用下列式子表示： 羞万一 一 ２ ２１ 式中： 一叶片压力最低点的相对速度；ｔｔ，ｒ一叶片出口 边的相对速度； 厂一叶片出口边的绝对速度；叼 一尾水管的恢 复系数。 １ ４ ｊ １．３ Ｉ 轴流诣 １．２ ｌ １１ 『 １ ０ ｌ ］泡 机组 ０ ９ ｌ ０ ８ １ 。 Ｌ一一 一Ｌ１０００～一 己Ｏ００ ～— （注：横坐标为流量。竖坐标为空化系数） 图３额定水头下的空化性能比较 由于空化系数反应了一个水轮机的空化性能，对空化系数 值不同的水轮机，在相同水头条件下，空化系数越大则动态真 空越大，越易产生空化。最终反应一个好的水轮机必须同时具 备良好的能量型能和空化性能，灯泡贯流式机组与轴流转浆式 机组相比本身具有效率高，充分利用水能的优势。由图３可以看 出，在流量逐渐变大的时候，灯泡贯流式机组的空化系数小于 轴流转浆式。所以灯泡贯流式机组的空化特性更优越于轴流 转浆式机组。 ４结语 灯泡贯流式水轮机在低水头电站有着明显的优势，效率较 高、单位转速高、单位流量大，与同容量立式机组比较尺寸小得 多、机组重量轻、土建工程小、开挖量浅、投资省。由于作者水平 经验有限，希望批评指正，文章所述内容仅代表个人意见。 作者简介： 何林城（１９８９一），男，四川南充人．主要从事水电开发工作 （水电站前期调查工作、厂房及动力设备、辅助设备等）。 ３／