1、中小型水轮机的合理选型【摘要】本文结合水轮机的类型以及选择方案进行比较，以对水轮机的选型实践提供借鉴。 【关键词】中小型；水轮机；类型；选型 中图分类号：TK737 文献标识码：A 一、前言 在水电站工程建设过程中，水轮机的选择关系到运行效率以及机组运行的稳定。水轮机选型是水电站设计的重要内容，也是编制设备招标文件的依据。 二、几种常见水轮机形式概述 1、混流式水轮机 混流式水轮机用于水头 30700m 的大、中型水电站。而中、小型混流式水轮机则可用于水头为 20400m 的水电站。驱动水轮发电机旋转而发出电能。水流流经转轮是径向式的，导出机构为径向式的。导叶开度可随负荷的改变而进行调节。转轮
2、是由上冠、下环及固定在其中间的一定数量流线型叶片所组成。混流式水轮机又称法兰斯式水轮机，水流由径向进入转轮，大体沿轴向流出。混流式水轮机应用水头范围较大，结构简单，运行可靠，效率高。是现代应用最广泛的水轮机之一 2、冲击式水轮机 冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成讲水能转换成机械能的一种水力原动机。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。其中切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮
3、机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到 1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力 P=22.8MW） 1、灯泡贯流式水轮机 灯泡贯流式水轮机作为低水头迳流式电站开发中的良好机型，已在我国的电站建设中得到了越来越广泛的应用。该机型具有以下优点： （1）水轮机效率高。一般比轴伸贯流式水轮机效率高 2%3%，在大流量区效率可高达 5%以上。 （2）过流能力大。在相同的水头和功率条件下，比其他机型的转轮直径要小，从而降低水轮机的制造成本。 （3）单位转速高。在相同的水头和功率条件下，机组转速高，配套电机的尺寸将
4、缩小，从而降低电机的制造成本。 （4）厂房尺寸及基础开挖深度相对较小，土建工程量小、节省投资，建设周期短。目前国内可供该水电站选用并适用的转轮品种只有 3 种，即 GZTF07，GZSK111B，GZF02 型。 3、轴流式水轮机 轴流式水轮机作为低水头电站开发的主要机型之一，在我国的中小型低水头电站中得到广泛的应用。该机型具有结构简单，安装、运行和检修方便，运行可靠性高，机组造价低等优点。 三、中小型调速器的设计方案选择 1、中小型调速器的控制器选择 关于中小型调速器的电气控制部分，不赞成一定要用可编程逻辑控制器（）加触摸屏的狭隘想法。即使是自制单片机系统，只要设计制作合理，单片机控制器一样
5、非常可靠，单片机系统在励磁和保护行业的应用可以证明单片机控制器同样非常可靠，更何况励磁和保护行业是要求计算机不能退出的；其次，的内核也是由单片机构成。所以，在工程设计方面不排斥用任何单一构成的控制器，只要可靠即可。至于人机界面，数码管加键盘、带键盘的液晶屏、触摸屏，根据资金投入情况，均是不错的选择。 2、中小型调速器的液压随动系统选择 目前，对于中小型调速器的改造主要集中在（）系列、系列的老产品上，它们大多是世纪年代到年代的产品，机械液压系统可靠，油源系统没有问题。所以，建议采用成本低、可靠性高的数字阀（高速开关阀）进行电液转换的改造，保留原有的机械液压随动系统。 对于新建的中小型水电工程，宜
6、采用高油压调速器。近年来，在中小型调速器领域采用液压标准元件组成的高油压电液随动系统蓬勃发展，并以其结构简单、性能优良、可靠性高、价格低廉等优点而得到广泛的应用。由于其制造工艺简单、电厂运行成本低且性能稳定可靠，大有取代传统低油压、主配压阀结构的电液随动系统的趋势。标准液压件的广泛应用也是调速器行业的一大进步，值得推崇。 3、比例阀数字阀插装阀控制的电液随动系统在大量生产的高油压调速器中，油压等级为，油源系统采用高压齿轮泵、溢流阀和囊式蓄能器组成，取消了常规压力罐和气源系统。电液转换元件是整个电液随动系统的核心，目前，高油压调速器多采用比例阀或数字阀作为电液转换元件，并且构成相应的控制回路。比
7、例阀或数字阀具有抗油污能力强、静态耗油量少、成本低的优点，液压阀体都为标准件，易于更换。在系统操作功率较大时，采用大波动调节的插装阀，快速动作接力器。当电液转换器采用电液比例方向阀时，它既可以控制液流的方向，也可以控制液流的流量。在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入信号的强弱成比例，而液流方向取决于安装在控制阀芯的个电磁铁中被激励的那一个。目前微机调速器中所使用比例阀有通径和通径种，滑阀机能为三位四通阀，一般不带内部阀芯位置检测。当电液转换装置采用高速开关阀时，它将电气信号直接转换成断续流量信号，简化了系统结构；同时，高速开关阀电液转换装置也克服了其他流量输出型电液转换装置（如电液伺服阀、电
8、液比例阀）易发卡的缺点，具有广阔的应用前景。比例阀的流量输出是连续的，而数字阀的流量输出则是断续的。两者虽然都可用脉冲宽度调制（）控制方法，但前者是针对比例电磁阀上的控制电流而言的，后者则是针对开关阀的输出流量而言。 四、推荐方案的分析 对于一些小型水电站来说，水轮机选型设计主要是从“JB/T6310-92”型谱中选用；如选用最新研制的或“引进技术，国产化”的转轮，则要考虑市场供货的可能性，以及产品是否“正宗”的问题。由于设计者对转轮资料掌握不全，致使有几例推荐方案尚值得进一步分析，主要表现在以下 4 方面：水头在 200m 左右的水电站，宜将混流式参与比选；水头低于 30m 的水电站，宜选轴
9、流式；水轮机的推荐方案偏离电站所处的“水头段” ；推荐方案转轮的最大使用水头低于电站最大水头。以下对几个选型实例，提出分析和建议。 1、水头在 200m 左右的水电站，宜将混流式参与比选 一些“设计手册”等参考资料上指出：冲击式水轮机的适用水头范围为大于 200m，斜击式水轮机适用水头范围为 25300m，在产品目录上也可查出相应的设备。鉴于近几年来已有品种足够多的高水头优秀混流式水轮机产品（如 230m 水头段的 A339、A575c，400m 水头段的A351、D54 等） ，因此，在该水头范围的小型水电站，应考虑将混流式水轮机也参与比选，对两者进行技术经济比较后，方能选定出最佳方案。一般
10、说来，最大水头低于 300m 的水电站，宜选混流式。 实例 1：水电站水头范围为 195.0221.02m，装机容量为（5+2）MW，设计者经对 CJA237、CJ22 两种转轮的比选，推荐 CJA237-W-150/218；CJA237-W-115/211.5。该电站最大水头 221.02m，宜将230m 水头段的 HLA339、HLA575c 等转轮参与比选。另外，装机方案改为23.5MW 为好。 实例 2：电站水头范围为 166.0192.28m，装机容量为21.25MW，设计者推荐 XJA-W-63/14 型水轮机。该电站最大水头192.28m，建议下阶段将 200m 水头段的 HLD
11、46，及 230m 水头段的HLA575c 等转轮参与比选。 2、水头低于 30m 的水电站，宜选轴流式 实例：电站水头范围为 17.4929.8m，装机容量为 20.4MW，设计者经过对 HL240、HL260、HLA244、HLD74、HLA551、HLD260a 等 6 种转轮进行简单的计算、比较，推荐 HLD260a-WJ-60 型水轮机。该电站最大水头低于 30m，宜将轴流式水轮机参与比选。 根据国内外水电站水轮机选型设计经验，最大水头低于 30m 的水电站，在设计中经对混流式、轴流式水轮机进行比选，会得出推荐采用轴流式水轮机的结论，对于卧式机组来说，主要理由是：混流式水轮机最高效率
12、要比轴流式水轮机稍高，但高效率范围比轴流式水轮机狭窄得多；混流式机组转速低，其适用水头稍高，主机设备价格比轴流式机组高，同时起吊设备吨位也要高一档。 3、水轮机的推荐方案偏离电站的水头段 水轮机选型设计应首先考虑电站所在水头段的水轮机，再依次向就近的高一水头段去寻求转轮的比较方案。所谓“水头段” ，系指某一水轮机转轮的“最大使用水头” ，比如，HLA551 的最大使用水头为 60m，可称之为“60m 水头段水轮机” 。水轮机转轮在降低水头使用时，会偏离最优工况运行区，其性能指标就会降低。 实例：电站水头为 99.5115.0m，装机容量 22.0MW，设计推荐HL110-WJ-84 型水轮机。
13、HL110 转轮是列入在我国 1974 年的“老型谱”中的“老转轮” ，该转轮的优点是货源充足，几乎所有中小型水轮机厂均有此产品供货，而在中小型轴流式混流式水轮机转轮系列型谱（JB/T6310-92）中，推荐使用水头为 180220.0m。HL110-46 模型转轮最优效率 max 仅 90.4%；另外，HL110 转轮使用于 150.0m 以下水头时，流量小、效率低，经济效益差，已明显落后。建议将性能较优的 125.0m水头段的 HLA153 及隔河岩转轮（A384）参与比选。而这两个模型转轮的max 则分别为 91.5%、93.1%。 4、推荐方案轮转的最大使用水头低于电站最大水头 实例：
14、电站水头范围为 106.1141.1m，装机容量为 25.0MW，设计者经对 HLA319、HLD46、HLA253 三种转轮进行比选，推荐 HLA253-WJ-71 型水轮机。对于该电站的选型设计，可从以下两个建议中选取其一： 建议一，HLA253 转轮（max 为 92.%）的最大使用水头为 140m，低于电站最大水头 141.1m，建议转轮叶片采用不锈钢材料。转轮采用全不锈钢制造，使用水头可以提高，应要求厂家仍重视转轮的结构的强度计算工作，合理设计，在制作中采取措施提高上冠、下环和叶片的不锈钢冶炼质量，加强质量监控，确保了不锈钢转轮的质量。 建议二，另行将 150m 水头段的 HLA606、HLA194（max 分别为93.2%、92.6%、 ）等转轮参与比选，从中选定最佳方案。 五、结束语 进行水轮机合理选型，是通过无数成功实践经验总结，用于实际工作指导。我们要加强学习，并运用掌握的理论知识，提高实践的操作水平，做好水轮机选型工作。 参考文献 1闵凤宾.近 35 年欧洲水斗式水轮机技术的发展J.国外大电机，2010 2宋文武.水力机械及工程设计M.重庆：重庆大学出版社，2010
