貫流可逆式水輪機

水輪機是將水流機械能轉換為固體機械能的水力原動機。根據在水輪機內實現能量轉換的水流能量形式及水流在水輪機轉輪區域內的運動特徵，貫流式可逆式水輪機屬於軸流式水輪機一類，既可作為水泵運行，也可以作為水輪機運行。而根據水輪機的結構和機組的布置形式，貫流式水輪機有全貫流式、半貫流式（燈泡貫流、軸伸貫流和豎井貫流）等形式的區別。

基本介紹

• 中文名：貫流可逆式水輪機
• 外文名：tubularpump-turbine

結構特點

貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同，為保證嚮導水機構均勻供水和形成必要的環量，保證導葉較平滑繞流，軸流式水輪機需設定蝸殼其流道由蝸殼、導水機構和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機沒有蝸殼，流道由圓錐形導水機構和直錐擴散形或S型尾水管組成。通常採用臥軸式布置，從流道進到尾水管出口，水流沿軸向幾乎呈直線流動，避免了水流拐彎形成的流速分布不均導致的水流損失和流態變壞，水流平順，水力損失小，尾水管恢復性能好，水力效率高。燈泡貫流機組的發電機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內，採用直錐擴散形尾水管，流道短而平直對稱，水流特性好。大型貫流機組幾乎都是燈泡機組，中小型多採用軸伸式．豎井式等形式。

貫流式水輪機單位過流量大，轉速高，水輪機效率高，且高效區寬，加權平均效率也較高，具有比軸流式水輪機更優良的能量特性。其特徵參數比轉速ns可達1000以上，比速係數可達3000以上。與軸流式水輪機相比，在相同水頭和相同單機容量時，其機組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機組造價低。貫流機組電站還可獲得年發電量的增加。貫流式水輪機的空化性能和運行穩定性也優於軸流式水輪機，其空化係數相對較小，機組可靠性高，運行故障率低，可用率高，檢修時間縮短，檢修周期延長。對於低水頭資源開發，貫流式水輪機的穩定運行範圍寬，在極低水頭時也能穩定運行（如超低水頭1.5m以下），是其他類型的水輪機不可比的。如廣東白垢電站，額定水頭6.2m最大水頭10.0m，但在1.3m水頭時仍能穩定運行，貫流式水輪發電機組結構緊湊，布置簡潔，廠房土建工程量較小，可節省土建投資。貫流機組設備運輸和安裝重量較輕，施工和設備安裝方便，可縮短工期，實現提前發電。根據國內外有關水電站的統計資料，採用燈泡貫流機組比相同容量軸流轉槳機組，電站建設投資一般可節省10%～25%。

可逆特性

豎井貫流式水電站機組由水輪機、增速箱和普通的發電機組成。結構簡單，水流經豎井兩側及底部密封的流道進入水輪機。流道平直，水力損失小，水輪機的效率較高。豎井貫流式水輪機三面進水，單位流量大，其單機功率在直徑與水頭相同條件下，比立式軸流機組高20~30%。豎井貫流式水電站的發電機和增速箱裝置在與廠房相通的開敞式豎井內，這不僅給安裝、運行、維護檢修帶來極大方便，而且採用增速機構可使用較高轉速的發電機，使機組尺寸減小，造價降低。經有關生產廠產品成本對比，該種機型要比立式軸流式水輪機的造價節省30%左右，比燈泡貫流式水輪機造價節省30%~50%。

經試驗室模型試驗研究及在一些電站的實際套用證明：豎井貫流式水輪機最高效率比立式軸流式水輪機5%，這樣,在同樣功率下，豎井貫流式轉輪直徑要比立式軸流式轉輪直徑小7%~8%。豎井貫流式與燈泡貫流式相比較，其效率基本相同，單位流量Q下降3%~5%，單位轉速n下降1%~3%，當工作水頭在2.5米~3米時這兩種機型的能量特性更加接近，因此，豎井貫流式水輪機更適宜於在較低的水頭下使用。

水泵工況速度三角形

水輪機工況速度三角形

當作為水輪機和水泵運行時，根據速度三角形，有

其中， 、 為水泵和水輪機運行的轉速， 、 分別為水泵和水輪機運行的效率。

由於水輪機與水泵的效率不可能為100%，因此一定是 > ,即水泵工況的轉速一定大於水輪機的轉速。也就說，要能保證有二種運行工況，必須採用不同的轉速。以上僅是理論分析，與實際情況有一定的差距,這是因為水輪機或水泵工作時,水流相對速度與葉片之間有一衝角a存在 ,水泵葉片的安放角

水輪機葉片的安放角

因此為了滿足水輪機與水泵能運行在最優工作區，除了機組要改變轉速外，工作輪葉片必須做成可調的，調正角度數須經試驗求得。

套用現狀

貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來，因其優良的技術經濟特性和適用性而得到廣泛套用和迅速發展，包括燈泡貫流發電機技術在內的貫流機組技術3益成熟貫流式水電站的開發、設計．運行技術與經驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發，已出現取代軸流式水輪機的局面。貫流機組技術在1960-1990的發展最為迅猛，這一時期投入運行的貫流機組，最大單機容量達65.8MW（燈泡貫流，日本），最大水輪機轉輪直徑達8.2m（豎井貫流美國墨累），最高工作水頭達22.45m（燈泡貫流，日本新鄉第二）。我國從20世紀60年代開始貫流式水輪機的研究和套用，到20世紀80年代，貫流機組技術及其套用取得突破性的進展，1983年引進設備的第一座大型燈泡貫流機組電站一湖南馬跡塘水電站建成，1984年自主開發的廣東白垢電站轉輪直徑5.5m，單機容量10MW燈泡貫流機組投運，標誌著具備自行開發研製大型貫流機組設備的能力。

貫流式水輪機的套用研究和運行技術也獲得了發展，積累了經驗。最近20年來，相繼開發建成引進設備、技術合作或自行裝備的大型燈泡貫流機組電站數十座，如凌津灘、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭27.3m，單機容量45MW，是世界上套用水頭最高。國內單機容量最大的燈泡貫流機組。國內已運行的燈泡貫流式水輪機最大轉輪直徑已達7.5m。

規劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地，在建的廣西長洲水電站裝機15台，總裝機容量達621.3MW．在西北地區，20世紀80年代開始貫流式水電站的規劃設計，並完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河幹流上現已建成青海尼那電站，寧夏沙坡頭電站即將竣工．甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我國海拔最高的大型燈泡貫流機組電站，沙坡頭則是套用於高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機組電站，各具特色，為貫流式水電站的開發提供了新的經驗。

發展方向

推進我國貫流水輪機技術的進步，應當關注貫流機組大型化技術的發展，並致力於提高國內貫流機組整體技術水平，根據對貫流式水輪機的套用及其技術發展的分析，套用水頭逐漸提高、貫流機組大型化是國際貫流水輪機技術發展的趨勢，這也和我國低水頭水電開發對大型貫流機組的套用需求相吻合。貫流機組對開發低水頭水電資源具有優勢，而這些資源的開發地點往往位於經濟發達．人口稠密的平原或河谷地區，自然資源富集或處於交通要道（如黃河上游等地區）。這類水電資源經濟合理的開發，要求實現發電、防洪、航運等綜合利用功能，保護生態環境和土地資源，減少移民搬遷及交通設施等淹沒、浸沒及賠償，修建高壩大庫通常已不適宜。為了最佳化開發方案和工程總體布置，便於工程綜合功能經濟地實現，有利於保護生態和環境等資源，往往需要採用單機容量（機組尺寸）
更大或套用水頭更高的貫流機組。

大型化貫流式水輪機的水力設計不存在重大的技術難題．但機組設計、製造與安裝等方面的一些關鍵技術，以燈泡機組為例，燈泡體及水輪機的支承結構，軸系的分析計算、大噸位軸承的設計製造，發電機的設計，發電機的通風冷卻，機組的剛度及振動特性的評估、最佳化，大尺寸機組的安裝技術等，存在較大的技術難度和經濟風險。近年，我國水電業界結合湖南洪江、廣西惡灘擴建工程、四川桐子林等水電站機組的選型設計．對此進行了研究。在洪江水電站，對採用燈泡貫流機組的關鍵技術及製造難度，與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機組進行了對比研究，結論是技術可行。該工程已成功實施，成為我國貫流電站技術進步的典型案例。而惡灘擴建工程採用燈泡貫流機組方案，其套用水頭和單機容量等設計參數，機組設計製造的技術難度均已超越了世界上已運行的同類電站機組，研究表明採用燈泡貫流機組在技術上是可行的。

全面提高我國貫流式水輪機的整體技術水平，實現包括產品研製技術（水力開發、結構分析、製造工藝、試驗研究等）及產品的技術性能、貫流式水輪機套用開發和運行等技術水平的全面提升，結合國內實際和借鑑國際先進經驗，應加強計算機及信息技術等現代製造技術在貫流式水輪機開發、研製和運行等領域的推廣和套用，還應加強對國際先進技術的引進、消化和吸收，研究具有自主智慧財產權的貫流式水輪機產品和技術，這是提升我國貫流式水輪機技術和產業競爭力的必然途徑。此外，我國的各類水電資源開發，包括廣大農村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規模開發，需要技術經濟特性優越的，包括各類貫流式水輪機在內的多樣性的水輪發電機組設備。

因此，應加強對軸伸貫流式水輪機的研究和推廣套用，完善軸伸貫流水輪機轉輪的研究並形成系列型譜；應加強對用於潮汐能源開發的雙向可逆貫流機組、全貫流機組及豎井貫流機組的研究。

技術開發和研究；對齒輪增速技術及設備在貫流機組的套用，以及貫流水輪機適用的調速設備的開發等技術課題，應進行全面的規劃布局和系統的研究。