超高水头水电站冲击式水轮机的选型设计

(贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550001)

随着科学研究水平、制造技术的提高，各型水轮机的最高使用水头都在不同程度地提高，从而扩大了各型水轮机的使用范围。从常规各型水轮机的使用范围(见下页图[1])可以看出，高水头段主要应用的是混流式水轮机和冲击式水轮机，随着水轮机设计技术和转轮材料升级，混流式水轮机的使用水头也进入过去认为只能使用冲击式水轮机的范围内，如水头300～700m，但是在700m以上的基本还是冲击式水轮机领域。

不同型式水轮机选用范围图

1 工程概况

听命河水电站位于云南省怒江州泸水县境内，是一座以发电为单一目标的引水式电站，工程枢纽建筑物由取水坝、引水隧洞、压力前池、压力管道和主、副厂房及开关站组成，电站工程主要任务为发电，装机容量2×20MW，年利用小时数4790h。

2 电站基本参数

a.前池水位。最高运行水位1943.24m，正常水位1942.81m，最低水位1941.35m。

b.厂房尾水位。校核洪水水位1016.65m，设计洪水位1016.53m。

c.电站水头。最大水头921.5m，加权平均水头895.3m，额定水头893.0m，最小水头875.2m。

d.发电引用流量5.38m3/s。

3 水轮机机型选择

听命河水电站运行水头范围为875.20～921.50m，已经超过了混流式水轮机的运行范围极限，只能选择冲击式水轮机。冲击式水轮机是按照动量定理来进行能量转换的，它与反击式水轮机的工作原理截然不同，其结构主要由喷嘴和转轮组成，转轮和喷嘴各司其职，从机构上来说，两者互不干涉。冲击式水轮机通常分为双击式水轮机、斜击式水轮机和水斗式水轮机；它们共同的特点是借助于特殊导水装置(如喷嘴)引出的具有动能的自由射流，将水能传递给转轮。双击式水轮机是一种小型的特殊的冲击式水轮机，国内于20世纪60年代曾进行过大量的研制工作，由于其自身的先天缺陷，诸如效率低下、运行不够稳定、不可能用于高水头大出力的电站等，目前基本退出应用市场；斜击式水轮机与水斗式水轮机都是由喷嘴和转轮构成。喷嘴作为水力元件，可与任何大小的水轮机转轮匹配，因此，在冲击式水轮机中，喷嘴是一个独立的组成元件，它为转轮提供射流，与转轮进行能量交换。斜击式水轮机与水斗式水轮机，从转轮结构来看，差异甚大，但是理论上却完全一样，都属于冲击式水轮机。按冲击式水轮机基本原理模型理论，水斗式水轮机就是射流入射角为0°时的斜击式水轮机，而且水斗式水轮机是所有斜击式水轮机中效率最高者。正因为如此，水斗式水轮机获得了广泛应用，而斜击式水轮机也逐步被淘汰。现在所说的冲击式水轮机基本上都是水斗式水轮机。听命河水电站水轮机也应采用水斗式。

4 转轮型号选择

国内目前比较通用的水斗式水轮机转轮型号主要有A237、A475、A870、105、C601等等。A237从原苏联K- 461改型而来，机型较老，A475从挪威引进。目前国内A237主要应用水头为300～600m，最近几年由于A237在实际的使用中发现在空蚀性能和效率方面存在缺陷，基本被A475取代；A475国内主要用于150～600m水头，在600m水头以上由于设计、制造技术的限制，在强度方面存在问题，使用较少。在600～800m水头段主要应用的是A870、105和C601，A870是VOITH的改型转轮，最早用于西藏羊卓雍湖电站。800m水头以上105和C601应用较多，而C601转轮为最新开发出来的，其转轮的应力和效率都较为优秀，推荐听命河水电站采用C601转轮。

5 水轮机基本尺寸的选择

水斗式水轮机主要结构由喷嘴和转轮组成，虽然说转轮和喷嘴各司其职，但是喷嘴数量和直径与转轮直径有密切关系，如果喷嘴直径和转轮直径不匹配，水轮机的能量转换将大打折扣。

5.1 射流直径和喷嘴数量的选择

水斗式水轮机的喷嘴为水轮机提供自由射流，其流量的大小完全能决定水轮机的出力。计算公式为

(1)

式中d0——射流直径，mm；

Q——水轮机额定流量，mm；

Z0——喷嘴数；

H——额定水头， m。

当喷嘴数为1时，射流直径为165mm，当喷嘴数为2时，射流直径为116mm，当喷嘴数为4时，射流直径为82mm，由于3喷嘴在实际工程应用较少，所以不对3喷嘴进行分析计算。射流直径的大小，决定喷嘴过流量的大小，根据以上对三种喷嘴数量的射流直径的计算，随着喷嘴数量的不同射流直径变化比较大，而受到水轮机结构和直径比m值(D1/d0)限制，单喷嘴射流直径不宜大于130mm，若大于130mm，将带来水轮机结构成本的增加；而喷嘴射流直径偏小又影响到机组出力性能，喷嘴射流直径小就意味着喷嘴数量的增加，也将增加水轮机结构的成本，因此听命河水电站推荐射流直径为116mm，喷嘴直径为118mm，喷嘴数量为2个。

5.2 转轮直径和直径比m值的选择

水轮机出力公式为

N=9.81HQη

(2)

式中N——水轮机出力，kW；

η——水轮机效率，mm。

(3)

式中v1——射流速度，m/s；

φ——射流速度系数。

从式(2)、式(3)可以推导出

(4)

从式(4)可以看出水斗式水轮机的出力仅与射流直径和水头有关，与转轮直径无关，但是转轮直径却与水轮机的转速有重要关系；水电站为了获得最佳的发电效益，水斗式水轮机必须保证在最优单位转速的条件下运行，按照现有的水斗式水轮机模型数据，最优转速都是40r/min左右。转速计算公式为

(5)

式中n——原型转轮转速，r/min；

n11——模型转轮单位转速，r/min；

D1——原型转轮直径，m。

从式(5)可以看出水轮机原型转轮直径与单位转速、原型转轮转速和水头有关，为了保证水电站有较好的发电效益，水轮机应在单位转速40r/min上、下运行。同时水斗式水轮机还有一个重要参数，即转轮直径和射流直径之比m值，水轮机的效率随着m值的减小而降低。由于受限于水斗结构布置，m值不能过小和过大，通常模型水斗式水轮机的m值在12左右，最高模型效率为90%～91%，从理想的状态下考虑，假如m值为0，水轮机的最高效率可达到96%以上[2]，但是m值和水头有密切的关系，随着水头高低的变化，m值的取值范围也跟着变化。目前有对于水斗式水轮机的m值缺乏有效的理论计算公式，下面结合该电站的水头段，参考在该水头段多数电站采用的m值来确定该电站的m值。下表为国内高水头段水斗式水轮机参数。

国内高水头段水斗式水轮机参数表

根据试验和已生产的冲击式水轮机参数资料统计，水斗式水轮机的转轮直径D1与射流直径d0之比m(m=D1/d0)值在10～20之间时，上表统计的电站水头在520～1022.4m范围，m值在13.0～18.5范围，水头越高m值越大，水头越低m值越小。当电站承担调峰任务，运行中负荷变化比较大，处于部分负荷运行的工况比较多时，m值应采取较小的值，这样选择水轮机的效率比较高，比转速也较高。但m取小值，会造成转轮直径减小、机组转速增高，转轮所承受的应力增大和水斗应力交变频率加快，对转轮不利。结合以上情况和已建电站的统计资料，该电站m值在16～17之间比较合理。因此从单位转速和m值综合考虑，听命河水电站的转轮直径取200cm，m值为17，单位转速为40.1r/min，m值和单位转速都在较为合理的范围。因此听命河水电站推荐水轮机型号为CJC601-L-200/2×11.8。

6 结 语

水斗式水轮机的工作原理不同于反击式水轮机，其计算理论还不够完善，目前，在水轮机选型时基本采用唯转速的原则，即单位转速应在40r/min左右，m值则参考已经成功投入运行电站的数据。通过以上分析和计算，听命河水电站水轮机推荐型号为CJC601-L-200/2×11.8，m值为17， 单位转速为40.1r/min。