广东省和平县东水水电站水轮机选型设计

[摘 要]针对广东省和平县东水水电站水力机械专业，介绍水轮机的选型设计等。

[关键词]水电站设计、水轮机、贯流机组。

中图分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0092-02

1 概述

广东省和平县东水水电站位于和平县东水镇境内，地处粤东和平县利江下游河段。东水水电站最大水头6.63m，加权平均水头5.3m，设计水头4.78m，电站引用流量98.1m3/s，属低水头径流式电站，装机容量2×2000kW=4000kW。

2 水能参数

本电站为径流式电站，根据水能计算成果，水电站水能参数见表1。

3 水轮机选择

3.1 机型选择

针对本电站的水头、流量特点，可供选用的机型主要有贯流式和轴流式。贯流式机组与轴流式相比，由于贯流式机组取消了立式机组平面上180°～270°的蜗壳和立面上90°拐弯的肘形尾水管，在接近管形座的范围内逐渐过渡为圆形断面以及直锥式尾水管，由圆断面逐渐又变为矩形断面。因此，贯流式机组单位过流量大，转速高，水轮机效率高，且高效区宽，加权平均效率高，从而增加年发电量，具有比轴流式机组更优良的能量特性。与轴流式机组相比，在相同水头和相同单机容量时，转轮直径较小，机组重量较轻，从而减少机组造价和土建投资。

通过以上两类机型的定性比较，贯流式机组优势明显，选用贯流式机组。

贯流式机组分为全贯流式和半贯流式。全贯流式机组由于发电机转子和水轮机转轮结合为一体，对密封要求特别高，制造难度大，应用较少。目前应用广泛的半贯流式机组可分为轴伸贯流、竖井贯流和灯泡贯流。轴伸贯流和竖井贯流一般应用在小型电站，大中型电站一般采用灯泡贯流式。

考虑到本电站为小型电站，转轮直径小（2台机组时为2.9m），如采用灯泡贯流式，灯泡体空间过小，发电机布置困难、通风散热差、安装检修困难，因此，不推荐采用灯泡贯流式。

适用于本电站较为理想的机型有轴伸贯流式机组和竖井贯流式机组。轴伸贯流式机组在国、内外均已得到广泛应用，技术成熟；而竖井贯流式机组在国内应用较少，其主要原因是对竖井贯流式机组的流道设计、机组总体的结构型式、增速用齿轮箱及双调结构的受油器布置如何解决等关键技术缺乏深入的研究，近年来，随着我国装备制造水平的提高，竖井贯流式机组诸多关键技术问题已得到解决，与国外差距明显缩小，国内部分厂家设计制造能力可以满足本项目的要求。

与轴伸贯流式相比，竖井贯流式有以下优势：

（1）流道平直、水力性能好

轴伸贯流式流道立面呈弯曲S形，水轮机通过较长的轴从进水弯管或尾水弯管中伸出，与布置在流道外部的发电机直接或间接连接；而竖井贯流式从进水口沿竖井两侧一底进入竖井尾部汇合进入导水机构、转轮室，经过尾水管排出，整个流道均是直轴式的。因此，竖井贯流式流道水力性能更好，水力损失更小。

（2）能量指标大，效率高

由于竖井贯流式机组流道平直，水流平顺，且采用直锥扩大型尾水管，减少了尾水管水头损失，其单位过流量、单位转速比轴伸贯流式机组更高，效率也更高。

（3）机组尺寸小、重量轻

竖井贯流式转轮直径要比与轴伸贯流式小一到二个等级，在相同水头和相同单机容量时，转轮直径小，机组尺寸小，重量轻，，从而减少机组造价和土建投资。

（4）轴系短，运行稳定性好

对于卧式机组而言，由于水轮机水平布置在主轴一端，主轴过长，势必加大挠度，容易造成叶轮偏心，影响运行稳定性，严重时会碰刮转轮室。轴伸贯流式水轮机主轴要穿过S形弯管，主轴长度增加较多，运行稳定性差；竖井贯流式水轮机在管形座内部，其长度较短，运行稳定性好。

由以上比较可知，竖井贯流式机组技术经济性较好。考虑到竖井贯流式机组国内厂家设计制造技术已成熟，应用越来越广泛，故选用竖井贯流式机组。

3.2 水轮机桨叶调节方式选择

水轮机桨叶调节方式分为定桨式和转桨式。

定桨式水轮机叶片角度不能调节，水轮机运行范围窄，在低负荷运行工况下，效率下降大，运行不稳定，无法适应南方地区径流式电站丰水期、枯水期流量变化大的特点。

转桨式水轮机，水轮机桨叶与导叶协联动作，转轮桨叶可以随负荷变化而转动，桨叶与导叶保持协联关系，使转轮始终在高效区运行，因而转桨式水轮机运行范围大，高效区也较宽。据了解，已建成运行的竖井贯流式机组，在15%额定负荷工况下，效率下降仅为3%。因此，转桨式水轮机更能适应南方地区径流式电站丰水期、枯水期流量变化大的特点。

过去在应用竖井贯流式机组的小型电站中，大多采用定桨式，极少采用转桨式，主要原因是当时转桨式操作机构、受油器、反馈机构等故障率较高，且造价偏高。近年来，随着着我国装备制造水平的提高，转桨式运行可靠性已大幅提高，造价也有较大下降，仅比定桨式高10%左右。因此，选用转桨式调节方式。

3.3 水轮机基本参数的选择

（1）水轮机转轮的选择

适合本电站水头范围、效率较高、转轮汽蚀系数满足要求的两种优秀转轮GZ（B113）-WS与GD008-WZ进行技术经济比较。两种方案水轮机转轮模型参数见表2，水轮机转轮原型参数见表3。

从表2、表3可知：

（1） GZ（B113）-WS-290型转轮在最优工况下效率比GD008-WZ-310型转轮高，在额定工况下，水轮机引用流量较小；

（2） GZ（B113）-WS-290型转轮最优工况下单位流量比GD008-WZ-310型转轮大，转轮过流能力强，转速高，转轮直径小。

（3） GZ（B113）-WS-290型转轮汽蚀系数比GD008-WZ-310型稍大。通过复核计算，在满足尾水管顶部淹没深度不小于0.5m时，吸出高度均能满足汽蚀要求。另外可通过以下技术措施提高转轮的抗空蚀和磨损：

1）要求制造厂进一步优化水轮机过流部件的设计，减少局部流速过高，压力过低现象出现；

2）转轮采用高性能抗磨损和抗空蚀材料；

3）采用五轴联动数控车床对其加工，提高制造工艺水平。

综上所述，GZ（B113）-WS-290型转轮在效率、过流能力、外形尺寸等方面均优于GD008-WZ-310型转轮。因此，选择水轮机型号为GZ（B113）-WS-290型。水轮机运转特性曲线图见图1。

（2）水轮机转轮直径计算

（4）工作范围的验算

电站最大水头6.63m，设计水头4.78m，最小水头3.5m，考虑本工程转轮叶片采用转桨式，经查水轮机运行曲线，水头在3.5m～6.63m范围内均能保证效率不低于82%，水轮机在各运行工况下均在高效率区稳定运行，满足要求。

（5）水轮机性能参数

水轮机性能参数见表4。

4 结束语

目前，东水水电站已进入实施阶段，水轮机作为水电站的重要设备，合理的选型是水电站能否发挥效益的关键，经充分讨论、调研、咨询的基础上，在各专业积极配合下，优化选型设计，顺利完成了设计任务。

参考文献

[1] 水电站机电设计手册-水力机械[S].