我國研制四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)的必要性與可行性論文
摘要：本文探討了我國研制四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)的必要性與可行性，水輪機(jī)出力公式中一個(gè)被忽視的問題，以及尾水管、補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)槳水輪機(jī) "管""洞"結(jié)合
巴西曾以"水電立國"策略解決能源問題，美國國家水力發(fā)電協(xié)會(huì)今又指出："解決美國對(duì)更清潔、更可靠能源需要的方案，不在于采用任何單一科技，而是在于制定一個(gè)權(quán)衡的能源計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)減少對(duì)國外能源依賴、增加供電可靠性、提供清潔大氣、考慮環(huán)境保護(hù)等多個(gè)目標(biāo)�，F(xiàn)在是實(shí)事求是地審視水電、支持有成本效益的水電開發(fā)，確保水電成為21世紀(jì)的一種能源構(gòu)成的時(shí)候了。不重視開發(fā)水電這一國內(nèi)的、可再生、清潔、可靠的能源，將是一種政策失誤，美國子孫后代將因此而受到影響"。我國把"西電東送"列為21世紀(jì)四大工程之一，體現(xiàn)了黨和政府能源政策的光輝，而西部水力發(fā)電是"西電東送"的唯一亞綠色低成本源泉與可持續(xù)不竭源泉；應(yīng)指出"綠色風(fēng)能"發(fā)電功率=1/2×Cp×k×Vw3×A，式中Cp為功率系數(shù)，k為空氣的密度（單位為kg/m3），Vw為風(fēng)速(單位是m/s)，A是轉(zhuǎn)子掃過的區(qū)域面積（單位為m2），實(shí)用型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率只有20kW～30kW，現(xiàn)在的最高水平僅4.5MW。探討水力發(fā)電的主要設(shè)備水輪機(jī)有十分重大意義。
50多年來，我國水輪機(jī)從無到有、從小到大，凝聚著水輪機(jī)研制者的畢生心血。但有些已認(rèn)識(shí)的問題，由于各種條件的限制，沒有采取必要措施，現(xiàn)探討如下：
1、研制四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)
目前我國水電廠（站）以混流式水輪機(jī)應(yīng)用最多，軸流式水輪機(jī)次之。據(jù)文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)國內(nèi)134座大中型水電站479臺(tái)水輪機(jī)，其中混流式92站318臺(tái)，軸流式35站129臺(tái)（內(nèi)含定槳式1站4臺(tái)），斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)僅3站6臺(tái)；湖南省單機(jī)容量500kw以上的水電廠（站）有235站[2]（4站設(shè)備不明），其中裝置混流式水輪機(jī)有138站，裝置軸流式水輪機(jī)有59站（小水電定漿機(jī)多），還有其它機(jī)型，無斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)。
眾所周知，混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭較高，但葉片固定，負(fù)荷變化較大時(shí)，效率顯著下降；而軸流式轉(zhuǎn)槳機(jī)盡管能適應(yīng)水頭與負(fù)荷變化，高效率區(qū)寬，但空蝕系數(shù)(動(dòng)力真空與水頭之比值)較大，且懸臂的.槳葉強(qiáng)度有限，故應(yīng)用水頭一般在60米以下。因此，研究一種既能應(yīng)用于較高水頭又能適應(yīng)負(fù)荷變化的新型水輪機(jī)，便是上個(gè)世紀(jì)下半葉世界各國一項(xiàng)重要任務(wù)。應(yīng)運(yùn)而生的是斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)，注意它不同于混流式過渡到軸流式的中間產(chǎn)物。前蘇聯(lián)捷雅水電站的斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)標(biāo)稱直徑6米，水頭變化范圍74.5～97.3米，單機(jī)功率達(dá)220MW，它的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)仍屬于徑向式，水流流線從蝸殼經(jīng)座環(huán)、導(dǎo)水葉、漿葉到尾水管直錐段總轉(zhuǎn)角仍達(dá)90度，但不急轉(zhuǎn)，即過機(jī)水流流線轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)值（/D1）增大，因而水力效率得到提高。而我國可以研發(fā)一種效率η更高的斜流轉(zhuǎn)槳機(jī)，它的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)輪全部制成斜向式，前三者也傾斜布置[3]，暫且稱此機(jī)型為四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)，其自蝸殼經(jīng)座環(huán)、導(dǎo)水葉、槳葉至尾水管的過流通道更加平暢，即水流流線轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)值（/D1）更為增大，可以肯定水輪機(jī)水力效率ηs更進(jìn)一步提高；另外此型機(jī)組的平面尺寸相對(duì)較�。▎卧髁縌／D12√H更大），它的空蝕系數(shù)(動(dòng)力真空與水頭之比值)也較軸流機(jī)小，它的水頭應(yīng)用范圍20～200米，正適合我國可開發(fā)水電電源點(diǎn)常見的水頭，在我國應(yīng)用有廣闊的前景。1970年我國哈爾濱電機(jī)廠為云南毛家村水電站生產(chǎn)了一臺(tái)8000kw的斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)，雖然采用徑向式蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，但仍不失一次有益嘗試，人們發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)了它的優(yōu)點(diǎn)，但由于斜流式轉(zhuǎn)輪槳葉及四重斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)之斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的操動(dòng)是一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)，而非一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，被認(rèn)為"結(jié)構(gòu)復(fù)雜"，"制造工藝要求高"而沒有成系列地生產(chǎn)�，F(xiàn)在隨著技術(shù)進(jìn)步，我國水輪機(jī)制造、安裝水平都已今非昔比，積極研發(fā)具有性能優(yōu)勢(shì)的斜流式轉(zhuǎn)槳機(jī)，優(yōu)化各大水電基地尤其是西部大、巨型水力發(fā)電廠的能量指標(biāo)，應(yīng)該提上議事日程。我由于較長(zhǎng)時(shí)間惦記著研發(fā)四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)，為"西電東送"源泉建言獻(xiàn)策，于2002年12月26日中午閃現(xiàn)靈感，四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)之斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與斜流轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪的操動(dòng)用臺(tái)錐齒輪傳動(dòng)，咬合線鉛垂！使原結(jié)構(gòu)的操作控制策略由空間運(yùn)動(dòng)化為平面運(yùn)動(dòng)，相信這一水力機(jī)械問題的突破對(duì)研發(fā)高效率的四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)攻克了一難點(diǎn)。
2、我國水輪機(jī)的出力公式
我國水輪機(jī)教科書及設(shè)計(jì)手冊(cè)都千篇一律地把水輪機(jī)出力公式記為N=9.81QHη(kw),無疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前蘇聯(lián)水能權(quán)威Ф.Ф古賓教授著作《水力發(fā)電站》，此書1949年在我國翻譯發(fā)行，1981年又再版。"9.81"正是俄羅斯山區(qū)的重力加速度取值，與俄羅斯國情相吻合。而我國北京g值為9.8，長(zhǎng)江三峽為9.7935，同時(shí)考慮緯度與海拔高程的影響，估計(jì)大西南水電基地的重力加速度值只有9.79左右，與9.81差約0.2%，這對(duì)小水電是可忽略的，但對(duì)于大型及巨型水電廠就不容忽視了，例如溪落渡裝機(jī)12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水電站的出力，故在水輪機(jī)選型計(jì)算中應(yīng)考慮站址處重力加速度值變化（尤其是大、巨型水電廠），水輪機(jī)出力公式為：
N=gbQHη(kw)
式中N-----水輪機(jī)出力（kw）；gb-----水電廠房處重力加速度值(m/s2)；Q-----水輪機(jī)過機(jī)流量（m3/s）；η-----水輪機(jī)總效率
J.J.圖馬研究員曾給出g值的算法，我們自己也可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)對(duì)重力的影響(主要是緯度和海拔高程)推出下式：
gф=9.78049(1＋0.0052884sin2ф－0.0000059sin22ф)
gb=gф－0.00000286Δ(Δ≤4000米，吻合我國大西南水電基地)
式中ф----廠房處緯度；Δ----所設(shè)計(jì)水力發(fā)電廠水輪機(jī)安裝高程
3、變“尾水洞”為“管”“洞”結(jié)合
我國立式反擊型水輪機(jī)泄水部件多采用4H與4C型標(biāo)準(zhǔn)尾水管，與其說是尾水管，倒不如說是“尾水洞”，因?yàn)樗典摻罨炷翝仓桑c大地結(jié)合緊密，只不過其直錐段用鋼板襯護(hù)（H大于200米時(shí)要求彎肘段也用鋼板襯護(hù)），一旦形成就不能移動(dòng)與搬移了，我們能看到的只是一個(gè)“洞”而已。若轉(zhuǎn)輪需要檢修，就只好把轉(zhuǎn)動(dòng)部分撐起，從發(fā)電機(jī)頂部零部件、卡環(huán)、推力頭、推力瓦、上機(jī)架、轉(zhuǎn)子、下機(jī)架自上而下按次序拆卸，而后在過水流道已排干積水時(shí)卸開水輪機(jī)頂蓋，才能吊出轉(zhuǎn)輪。如果發(fā)電機(jī)部分毫無問題，這個(gè)檢修轉(zhuǎn)輪的程序就太過勞神費(fèi)力了。若對(duì)尾水管直錐段管壁加厚，四周預(yù)留空間，彎肘段及水平擴(kuò)散段仍采用鋼筋混凝土澆搗。同時(shí)加厚的直錐段分瓣制造，螺栓把合成整體，并與底環(huán)及肘管里襯螺栓連接，即所謂“管”“洞”結(jié)合。當(dāng)僅對(duì)轉(zhuǎn)輪檢修時(shí)，只需關(guān)閉進(jìn)、尾水管閘門，并排干過水流道積水，卸下尾水管直錐段，再卸下轉(zhuǎn)輪，由預(yù)留的檢修廊道送入檢修場(chǎng)。這對(duì)于加快水輪機(jī)檢修進(jìn)程有較大意義，并且此時(shí)不需同步檢修的發(fā)電機(jī)可作調(diào)相運(yùn)行，補(bǔ)充電力系統(tǒng)無功功率。
4、水輪機(jī)附屬裝置的改進(jìn)
4.1緊急真空破壞閥其作用是甩負(fù)荷時(shí)減小下游尾水返沖力和抬機(jī)高度，有強(qiáng)迫式與自吸式兩種，但存在原理性缺陷:強(qiáng)迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動(dòng)作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，不易向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)氣；自吸式真空破壞閥動(dòng)作時(shí)已形成大真空度，加之水擊波在t＝（2×25～2×50）／1000＝0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳仍進(jìn)氣極少，屬“亡羊補(bǔ)牢”之法；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法只能略微減輕而不能消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，對(duì)解決大Kz值的機(jī)組抬機(jī)幾乎無效。故應(yīng)采用自動(dòng)閥門控制壓縮空氣在甩負(fù)荷時(shí)不延時(shí)立即補(bǔ)入，使補(bǔ)氣量約等于由于導(dǎo)水葉關(guān)閉造成的水流量
減少值，詳見文獻(xiàn)[4]，用可編程控制器PLC實(shí)施PID控制效果更佳，見文獻(xiàn)[5]。
4.2十字架補(bǔ)氣與短管補(bǔ)氣它們的作用是防止尾水管壓力脈動(dòng)與空腔氣蝕，但要盡量減少補(bǔ)氣管對(duì)轉(zhuǎn)輪出水的阻礙，為此，宜把補(bǔ)氣管的橫斷面由圓形改為扁狀，扁面與軸面流向相切，這樣對(duì)水流軸向流動(dòng)阻礙很小，而對(duì)尾水管水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)阻礙很大，將更有效地起著破壞渦帶的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]國內(nèi)水電站主要數(shù)據(jù)匯編.1987年,南寧
[2]湖南省水利水電廳.中小水電站技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè).1996年（再加入大站.新站）
[3]程良駿.水輪機(jī)(M).機(jī)械工業(yè)出版社,1981年
[4]朱文杰.水輪機(jī)防抬措施探討.水利水電技術(shù).水利電力出版社,1994.9
[5]朱文杰.用PLC根治水力機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)．中國水利水電市場(chǎng)（ISSN1684-4696）,2005.6
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