研制四重斜流式转桨水轮机的必要性与可行性

【本文由PB创新网为您整理】摘要：本文探讨了我国研制四重斜流式转桨水轮机的必要性与可行性，水轮机出力公式中一个被忽视的问题，以及尾水管、补气装置结构的改进。 

关键词：转桨水轮机 　"管""洞"结合 

　　巴西曾以"水电立国"策略解决能源问题，美国国家水力发电协会今又指出："解决美国对更清洁、更可靠能源需要的方案，不在于采用任何单一科技，而是在于制定一个权衡的能源计划，实现减少对国外能源依赖、增加供电可靠性、提供清洁大气、考虑环境保护等多个目标。现在是实事求是地审视水电、支持有成本效益的水电开发，确保水电成为21世纪的一种能源构成的时候了。不重视开发水电这一国内的、可再生、清洁、可靠的能源，将是一种政策失误，美国子孙后代将因此而受到影响"。我国把"西电东送"列为21世纪四大工程之一，体现了党和政府能源政策的光辉，而西部水力发电是"西电东送"的唯一亚绿色低成本源泉与可持续不竭源泉；应指出"绿色风能"发电功率=1/2×Cp×ρk×Vw3×A，式中Cp 为功率系数，ρk为空气的密度（单位为kg/m3），Vw 为风速(单位是m/s)，A 是转子扫过的区域面积（单位为m2），实用型风力涡轮发电机输出功率只有20 kW～30 kW，现在的最高水平仅4.5 MW。探讨水力发电的主要设备水轮机有十分重大意义。 
　　50多年来，我国水轮机从无到有、从小到大，凝聚着水轮机研制者的毕生心血。但有些已认识的问题，由于各种条件的限制，没有采取必要措施，现探讨如下： 
　　1、研制四重斜流式转桨水轮机 
　　目前我国水电厂（站）以混流式水轮机应用最多，轴流式水轮机次之。据文献[1]统计国内134座大中型水电站479台水轮机，其中混流式92站318台，轴流式35站129台（内含定桨式1站4台），斜流式转桨机仅3站6台；湖南省单机容量500kw以上的水电厂（站）有235站[2]（4站设备不明），其中装置混流式水轮机有138站，装置轴流式水轮机有59站（小水电定浆机多），还有其它机型，无斜流式转桨机。 
　　众所周知，混流式水轮机应用水头较高，但叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降；而轴流式转桨机尽管能适应水头与负荷变化，高效率区宽，但空蚀系数(动力真空与水头之比值)较大，且悬臂的桨叶强度有限，故应用水头一般在60米以下。因此，研究一种既能应用于较高水头又能适应负荷变化的新型水轮机，便是上个世纪下半叶世界各国一项重要任务。应运而生的是斜流式转桨机，注意它不同于混流式过渡到轴流式的中间产物。前苏联捷雅水电站的斜流式转桨机标称直径6米，水头变化范围74.5～97.3米，单机功率达220MW，它的蜗壳、座环、导水机构仍属于径向式，水流流线从蜗壳经座环、导水叶、浆叶到尾水管直锥段总转角仍达90度，但不急转，即过机水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）增大，因而水力效率得到提高。而我国可以研发一种效率η更高的斜流转桨机，它的蜗壳、座环、导水机构及转轮全部制成斜向式，前三者也倾斜布置[3]，暂且称此机型为四重斜流式转桨水轮机，其自蜗壳经座环、导水叶、桨叶至尾水管的过流通道更加平畅，即水流流线转弯半径相对值（ρ/ D1）更为增大，可以肯定水轮机水力效率ηs更进一步提高；另外此型机组的平面尺寸相对较小（单元流量Q／D12√H更大），它的空蚀系数(动力真空与水头之比值)也较轴流机小，它的水头应用范围20～200米，正适合我国可开发水电电源点常见的水头，在我国应用有广阔的前景。1970年我国哈尔滨电机厂为云南毛家村水电站生产了一台8000kw的斜流式转桨机，虽然采用径向式蜗壳、座环、导水机构，但仍不失一次有益尝试，人们发现、认识了它的优点，但由于斜流式转轮桨叶及四重斜流式转桨机之斜向式导水机构导叶的操动是一个空间运动，而非一个平面运动，被认为"结构复杂"，"制造工艺要求高"而没有成系列地生产。现在随着技术进步，我国水轮机制造、安装水平都已今非昔比，积极研发具有性能优势的斜流式转桨机，优化各大水电基地尤其是西部大、巨型水力发电厂的能量指标，应该提上议事日程。我由于较长时间惦记着研发四重斜流式转桨水轮机，为"西电东送"源泉建言献策，于2002年12月26日中午闪现灵感，四重斜流式转桨水轮机之斜向式导水机构与斜流转桨转轮的操动用台锥齿轮传动，咬合线铅垂！使原结构的操作控制策略由空间运动化为平面运动，相信这一水力机械问题的突破对研发高效率的四重斜流式转桨水轮机攻克了一难点。
　　2、 我国水轮机的出力公式 
　　我国水轮机教科书及设计手册都千篇一律地把水轮机出力公式记为N=9.81QHη (kw),无疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前苏联水能权威Ф.Ф古宾教授著作《水力发电站》，此书1949年在我国翻译发行，1981年又再版。"9.81"正是俄罗斯山区的重力加速度取值，与俄罗斯国情相吻合。而我国北京g值为9.8，长江三峡为9.7935，同时考虑纬度与海拔高程的影响，估计大西南水电基地的重力加速度值只有9.79左右，与9.81差约0.2%，这对小水电是可忽略的，但对于大型及巨型水电厂就不容忽视了，例如溪落渡装机12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水电站的出力，故在水轮

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