1.概述
贯流式水轮机起步较晚且发展较慢。国外从上世纪三十
年代开始使用，到六十年代才比较兴旺。国内则从八十
年代开始使用，到夲世纪初方蓬勃发展。国内厂家从引 进仿制、试制中小型贯流式水轮发电机组开始，到如今 已有不少厂家能自主开发、独立设计制造50Mw以上大型 贯流式机组，甚至正在生产世界上最大的贯流机组（出
贯流式水轮机各类型式的最高水平大致如表1所示. 表1 贯流式水轮机的分类及其代表产品 机型 灯泡 式 轴伸 式 竖井 式 全贯 流式 型号 GZWPGZWZGZWSGZWQ运行水 转轮直径 代表产品 头（m） （m） 2.4 2.5-9.0 （ 只 见 Pr=65.8mw;D1= 5 2 2
）
0.6-9.0 （ 奧 扎 克 ） Pr =31.5mw, D1= 1.0-9.0 （ 墨 累 ） Pr =24.8mw; D1= 1.2-10 （ 安 娜 波 里 斯 ） Pr =20mw; D1=

3.3机组尺寸小、重量轻。

灯泡机组由于能量指标高，更兼有结构紧凑 、体积小、消耗材料少等特点。与轴流机组 相比，在相同的水头与直径下，出力可提高 30%左右。当水头和单机容量相同时，灯泡机 组直径比轴流机组小15%左右，重量减轻25% 左右，而每台机组重量相差1.7倍左右。例如 ，在相同的pr=37.5mw、Hr=12.9m时，不同方 案机组重量估算见表2。表中Gt、Gf、G总分别 表示水轮机、发电机和机组总重量。

运行经济性好，比轴流机组可增发电量4%左 右；运行稳定性良好；空蚀轻微。据国内外 设计经验，比轴流机组方案可节省投资15% 左右。水头越低，灯泡机组优势越大。当然 ，由于灯泡机组本身的特点和水力条件的限 制，对机组结构有着严格的要求，有些地方 较轴流机组要复杂一些，特别要重视疲劳破 坏特性。随着机组出力和尺寸的增大，其制 造难度随之增加，必须予以充分的重视。
表2
灯泡[GZ]机组与轴流转桨机组[ZZ]比较表[1995年水平]
nr 方 D1（m） （r/mi Gt（t） Gf（t） G总（t） 备注 案 n） 合资厂 GZ 6.1 107.1 410 288 698 参数水 平 GZ 6.9 78.95 584 565 1149
合资厂 参数水 平
国内厂 家参数 水平
动，就会加剧事故发生的几率，尤其是叶片频率的 脉动与振动，其后果就会更为严重。
例如，一个额定转速nr=83.3r/min的4叶片灯泡机组， 以年运行小时为4000h计，那么运行5、6年，就要承 受1.12×108次振动扰动力。而且实测动应力高达 180Mpa，如此大的动应力必然会引起材料的疲劳破 坏。实际上一般转轮室多数采用Q235-B，其屈服限 235Mpa，一般厂家设计应力为78Mpa（即1/3屈服 限），而高达180Mpa的动应力长期作用于转轮室 （已超过2/3屈服限了），则转轮室必然会发生疲劳 破坏。
有些厂家已提出加厚环板的措施或改用

图4 ：灯泡贯流式机组
3.
贯流式水轮机 的技术优势


3.1. 流道形式好、尺寸小。
由于取消了立式机组平面上180°～270 °的蜗壳和 立面上90°拐弯的肘形尾水管，而采用直轴引水室， 其进口断面为矩形，在接近灯泡体的范围内逐渐过渡 为圆形断面以及直锥式尾水管，由圆断面逐渐又变为 矩形断面.由于流道平直对称，避免了水流拐弯后形 成流速分布不均而使水流流态变坏的影响，水力损失 较小。这种直锥扩大型尾水管能量恢复系数高达0.9 （而常规弯肘形尾水管能量恢复系数仅在0.75左右） 。同时，由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管，使机组流 道尺寸减小。在转轮直径D1相同时，其机组段水力尺 寸仅相当于立式轴流机组的三分之二左右，因而土建 工程量与建设投资减少较多。

3.2 能量指标大、效率高。 由于灯泡机组为卧式布置，流道平直，水流平 顺，且采用直锥扩大型尾水管，减少了尾水管 水头损失，大为提高水轮机能量指标；单位流
量Q11比轴流机组增加了40%左右；在相同的单 位流量时,其效率相应高5%以上。在同一水头段 其单位转速n11也比轴流机组高10%左右。因此 ，灯泡机组的比转速ns在1000m.kw左右，比速 系数在3000左右甚至更高，远远超过其它类型 水轮机。另外，灯泡机组因具有良好的水力特 性，故其效率较高，额定点效率与最高效率分 别比轴流机高5%与3%左右。
的现场测试中发现这种现象，如今在贯流式转桨
水轮机的多次试验中皆有此种现象发生。
现以某次现场试验为例进行介绍：南方某个电站装有
4×45Mw灯泡贯流式水轮发电机组，其转轮直径D1=7.1m ，额定水头Hr=11.0m，额定转速nr=83.3r/min，由于协 联关系欠佳，多种压力脉动作用于机组，致使转轮室环 筋产生裂纹甚至还有转轮室本体裂纹、叶片裂纹、叶片 空蚀严重等现象发生。
查刚强度计算成果与钢材牌号。有些监造人员也没认 真检验部件尺寸等等原因，造成部份机组部件刚强度 不足。
例如，有些转轮室采用焊接结构，但经过金加工后，
原来的主板设计厚度为60mm，而裂纹后在电站用超
声波实测只有30mm，如此大的差距怎么能保证转轮 室的刚强度？发生裂纹就不奇怪了。如果协联关系
欠佳，机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振
ZZ
7.5
71.4
660
605
1265

3.4 土建工程量少、投资省。
灯泡机组由于取消了蜗壳和肘形尾水管 ，其体积减小，结构紧凑，厂房面积小 。另外，因水平布置，其开挖深度也小 于轴流机组。因此，与采用轴流机组方 案相比，厂房工程费用可节省30%到40% 。

3.5 运行性能好、适用范围大。
人文设计要求，不少城市都在实施中。
4
贯流式水轮机 几个关键技术

4.1 水轮机桨叶与导叶的最佳协联关系
周知，凡转桨式水轮机（含轴流转桨式与贯流 转桨式）的桨叶与导叶之间存在一种最佳协联关系 —水轮机运行在此処,则水轮机效率最高、运行性 能也最好。无论是水轮机模型试验或是原型水轮机 现场必须调试协联关系。都必须在水电站水头范围 内，选择几个具有代表性的水头与多个不同工况（ 即导叶开度）下，调整桨叶开度直到效率出现拐点 ，相对效率最高処即桨叶与导叶的最佳协联点，将 各工况的最佳协联奌连成曲线，即该水头下的最佳 协联曲线，其它水头工况照此法找出最佳协联曲线 。

如转桨机组最佳协联调整不适,则将产生
下列一些不利因素。

⑴首先将产生水力损失（也就是电量损失
）。转桨式水轮机在最佳协联工况下，水
流进口无撞击、出口为法向。所以，水流 损失较小，可保持平稳高效运行。而失去 协联之后，转轮叶片进口将产生撞击损失 、出口不再是法向，将产生环流损失。

另者，由于转桨式水轮机比转速比较高，尤 其是贯流式水轮机更高，约在1000m.kw左右 。其出口动能相对数值也大一点，当尾水管 恢复系数一定，则比转速越高，其尾水管动 能损失也越大。转桨式水轮机失去最佳协联 之后如同定桨式，其效率曲线下降很快。可 见，协联关系好坏对转桨式水轮机效率特性 影响甚大。南方某电站调整最佳协联关系后 ，水轮机相对效率提高约2%,有的电站甚至 更高。•
时间后，陆续会出现一些故障，尤其是低价中
标机组表露比较明显。

一者由于一些灯泡机组电厂运行经验比较缺乏，且规
章制度不够严格，时而出现一些误操作，更加剧了机 组故障率。二者由于现在是市场经济，有些厂家过于 注重减少生产成本，设计应力选用过高，而安全系数 偏小。

有些水电设计院或买方对此关注不够，没有严格编写 标书或签订机组技术协议，设计联络会上也没认真审
8. 结束语
摘要；

贯流式水轮机虽开发较晚,但近年来发展较快。一方面是中 高水头水电资源开发殆尽；另一方面是贯流式水轮机具有十 分优越的技术优势：能量指标与效率都比较高,能节省建设 投资,又可增发一定的年发电量,同时空蚀轻微、检修工作量 小。当然贯流式水轮机亦有它的不足之处,有一些关键技术 必须正确对待,妥善処理。例如,其桨叶与导叶的最佳协联关 系一定要调整好,否则将引发一系列问题；贯流式水轮机的 刚强度与疲劳破坏亦要高度重视；另外还有一些相关问题也 要慎重对待,其设计、安装、运行等都有自己的独特之处,与 立式机组相比有许多不同特奌。

⑵其次将产生多种压力脉动。失去最佳协联之后
，叶片进口水流对叶片产生一定的冲击，水流对 叶片不再是平顺的绕流，而形成机组转频（nr/60 ）、叶片频率（叶片数×转频）、导叶频率（导 叶数×转频）等多种有规律的压力脉动。甚至还
产生混流式水轮机所固有的低频偏心涡带频率（
1/4转频左右）压力脉动。而且是在转轮前后诱发 多种频率压力脉动。过去曾在轴流转桨式水轮机


3.6 其它功能。
由于机组卧式布置又有反向推力轴承，所以不 会发生抬机现象；由于导水机构设有关闭重锤 可防止发生机组飞逸事故；另外，还具有空载 泄水功能；按最新的环保要求—水轮机要能过 鱼，而贯流式水轮机流道平直、压力变化小， 而且叶片数少、转速较低，适宜鱼类通过。再 者贯流式水轮机可布置在城市附近的低水头径 流式水电站，可以改善城市景观与湿地，水面 还可以运动健身，适合城市人口旅游度假，符合
。正処在设计阶段的有不少，近期能开工上 马的工程尚不明确。汉江水量充沛，开发条 件较好，有关单位与企业应当抓紧机会促进 工程尽快开工兴建。
按GB/T2900.45-1969〈电工术语： 水轮
机 蓄能泵和水泵水轮机〉中的定义：贯
流式水轮机，即过流通道呈直钱（或s形
）布置的轴流式水轮机；灯泡贯流式水轮
贯流式水轮发电机组 的技术优势与关键技术
田 树 棠 2012.04.15
目录


1. 概述
2. 贯流式水轮机的分类与发展
3. 贯流式水轮机的技术特点
4. 贯流式水轮机几个关键技术 5. 机组机型与参数选择 6. 采购招标书中应强调机组的刚强度与疲 劳破坏计算