水轮发电机组中水轮机的选型设计
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摘 要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。
关键词: 水轮机组；特征；选型设计
Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.
Key words: turbine selection design; feature;
中图分类号：TM31文献标识码：A
0引言
水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。
1水轮机选型设计的任务及内容
水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，不允许超出；水轮机出力大小主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。
2水轮机选型的基本原则及装机特征设计
水轮机的选型按照技术先进、安全可靠、经济合理的原则，选择和确定水轮机的具体型号和技术参数。通过对可行的不同技术方案进行比较，对水轮发电机组及其附属设备技术性能、制造成本，机组预期的实用性、可靠性、使用寿命等，进行综合比较和分析，寻求资源利用充分、投资省、效益高的最优方案。水轮机选型应遵循以下的基本原则：
(1)水轮机在设计水头下能发出额定功率，低于设计水头时机组受阻容量尽可能小；
(2)电站运行中水轮机有较高的运行效率；
(3)水轮机运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能；
(4)多泥沙河流电站的水轮机应具有良好的抗磨损、抗空蚀性能；
(5)机组易损部件易于更换，机组便于操作及安装维护；
(6)机组供货及时，技术要求应符合制造厂家的设计、试验及制造水平；
(7)机组的最大部件和最重部件运输可行性。
装机特征设计包括：机组台数、单机容量、水轮机型式与装置方式。
(1) 掌握机组台数选择的原则及机组台数对水电厂运行的影响。
(2) 水轮机型式的选择
依据单机容量和水电站的特征水头进行选择。水轮机型式的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型式。如果两种型式均可采用时，可通过水轮机比转速水平分析和水轮机性能与应用特点比较确定水轮机的型式，保证水轮机较高的动能经济指标和可靠的安全性能。
现代水轮机按其工作原理可分为两种主要类型 即冲击式水轮机和反击式水轮机。
3.1 冲击式水轮机。冲击式水轮机以射流的形式，水流从喷嘴中流出，这样的水流就把全部压能转变为动能，该射流冲击着转轮上的叶片，由于水流的冲击，转轮就绕着主轴旋转，水流的动能转换为旋转的机械能。
冲击式水轮机可分为水斗式、双击式和斜击式三种。水斗式水轮机转轮园周布置多种水斗，喷嘴将水的压能变为动能，形成高速水流，沿转轮园周的切线方向射向双U形水斗中部, 水流在水斗中折转向两侧排出，它使用水头很高，斜击式水轮机的转轮园周密布叶片，喷嘴出来的高速水流从转轮一侧倾斜冲击叶片，使转轮旋转，水流经转轮上的叶折转后，从另一侧流出。
3.2 反击式水轮机。反击式水轮机在引水装置中的水，以高水压和低流速进人水轮机转轮，转轮受水流的反作用，压能转变为动能，然后转换为旋转的机械能。反击式水轮机由带有导叶的进水装置和具有若干叶片的转轮叶片组成。反击式水轮机为混流式、轴流式、斜流式、和贯流式几种。
3.2.1 混流式水轮机是水电站应用最普遍的一种型式。 水流径向流人导叶，然后轴向流出。它结构简单、运行可靠。混流式水轮机用于水头30～700m的大、中型水电站，而中、小型混流式水轮机则可用于水头为20～400m的水电站，驱动水轮发电机旋转而发出电能。水流流经转轮是径向式的，导水机构为径向式的，导叶开度可随负荷的改变而进行调节，转轮是由上冠、下环及固定在其中间的一定数量流线型叶片所组成。混流式水轮机又称法兰斯式水轮机，水流由径向进入转轮，大体沿轴向流出。混流式水轮机应用水头范围较大，结构简单，运行可靠，效率高。是现代应用最广泛的水轮机之一，水头适用范围30～700m。
3.2.2轴流转桨式水轮机在近几年有了很大发展, 使用也很广。它的特点是比转速高, 在水头、容量相同条件下, 其比转速为混流式水轮机的两倍, 因此发电机尺寸可以缩小，轴流转桨式水轮机转轮叶片与导水机构协联动作, 可以绕叶片轴旋转, 平均效率较混流式水轮机高, 尤其在低负荷区更为明显。它适用于低水头电站或水头和负荷变化较大的电站。但是随着使用水头提高, 其过流能力及机组强度受到限制。由于它的汽蚀系数较大, 使厂房开挖量增加, 制造工艺也较复杂。轴流定桨式水轮机的特点是结构简单, 制造较易。由于它的转轮叶片是固定的, 轮毅比小, 较转浆式转轮的过流能力有所提高, 汽蚀性能有所改善。但是轴流定桨式水轮机不能适应水头和负荷变化大的电站, 因此国内对大中型轴流定桨式水轮机生产较少, 只有在水头变化较稳定或多台机组运行的电站采用这种机型才是适宜的。
3.2.3 灯泡贯流式水轮机具有平直的流道，水流基本上轴向通过流道和轴对称地流过转轮叶片及直线流过直锥形尾水管，水流几乎没有转弯，水力损失小，水力效率高。在水头和功率相同的条件下，与轴流转桨式水轮机比较，具有较高的过流能力和较大的比转速，其转轮直径要小10％左右，且机组结构紧凑，卧式布置，减少了电站的厂房高度和建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土，土建费用可以节省20％——30％。但是由于转轮强度低，空蚀系数较大，在应用到较高水头下时，受到强度和开挖的限制，所以贯流式水轮机一般都只应用在低水头水力资源的开发上。水力性能方面分析，灯泡混流式水轮机水流沿轴向直线流人．斜向进入转轮，轴向流出尾水管，整个流道型式为正、反两次转向的贯流式机型流道，也就是水流先沿内圆弧流动，再沿外圆弧流经导水机构和通过转轮，从流体力学可知，这种正、反两次转向将使整个轴面流场分布比较均匀。特别是在转轮叶片内、外缘区域的分布特性优越于常规混流式水轮机，从而改善了水轮机的空蚀性能。灯泡贯流式水轮机集中了现代灯泡贯流式水轮机和混流式水轮机两种机型的优点，具有了平直的贯流式水轮机的流道形式，真正的混流式或斜流式的转轮等结构特点，应用水头大大提高，同时具有良好的水力性能和空蚀性能，结构简单紧凑，体积小，径向尺寸小，省水、出力大，运行平稳，是一种优秀的水力能源开发机型。
4结语
电力系统对不同水电站有不同要求，例如基荷、腰荷、调频、调峰、事故备用或几项组合，每个电站机组的实际情况不一样，水轮机是水电站的主要动力设备，水轮机的型式与参数选择是否合理将直接影响到水站的动能经济指标、运行稳定性及可靠。因此，需要从多方面进行水轮机的选择和使用，在满足“可靠性、灵敏性、稳定性”的基础上考虑水电站发展的需要，包括建设智能化、数字化水电站，满足和适应当前技术及发展的需要，保证水电站的安全、稳定、可靠、经济运行。