图2
：竖井贯流式机组
(发电机安装在流道内的竖井中。发电机通过一个变速装置 与水轮机相联。通过竖井可以直接从上方拆卸发电机和变 速装置。)

图3 ：全贯流式机组
(发电机转子直接与水轮机转轮联在一起。)
2.
贯流式水轮机 的分类与发展


2.贯流式水轮机的分类与发展
从世界水电建设发展的趋势可以看出，中、高 水头水电资源开发殆尽，而低水头甚至超低水 头水电资源（含潮汐电站）的建设重要性正在 日益增大。在30m水头段以下，贯流式水轮机 与立式轴流水轮机相比，具有一系列优势，尤 其突出的是水电站投资减少，以及可建在城市 近郊，改善了城市景观与湿地，有利于人文社 会的建设，按最新的环保观奌来说，还有利于 鱼类的通过（国外称之为亲鱼水轮机）,更是 增加了贯流式水轮机发展的优势。

另外，还有少数小型虹吸贯流式水轮机与整 装式贯流灯泡机组。而大型在制的灯泡机组 Pr达到7.5MW，D1达到7.5m（欧州联合体产品 ）到7.9m（中国东电产品）。理论上说最大 灯泡机组可达100.0 MW, D1=9.0m。 由表1可见，贯流式水轮机中尤以灯泡式规 模最大、发展最快。故以灯泡式为例（以下 简称灯泡机组）进行介绍。
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
7. 其它相关的关键技术问题 8. 结束语
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。
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。

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。
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 机,即发电机置于流道中灯泡体内的贯流 式水轮机。

图1
：灯泡贯流式机组
(发电机安装在位于流道中的灯泡体内)

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 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


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 口巴西75Mw贯流机组）。
欠佳，机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振
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。
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95
584
565
1149
合资厂 参数水 平 国内厂 家参数 水平
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 。


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

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。
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。 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。

目前,国内已投运的最大贯流机组是广西桥
巩电站的8台57mw机组。贯流机组开发较多
的地区有广西、广东、湖南、四川等南方省 区，北方有黄河上游地区。相对而言，湖北 省开发较为落后，其实汉江下游可供开发的 大型贯流机组电站不少，但是仅有王辅州、 崔家营两级已发电，在建的有兴隆电站一级 。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
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=

3.2 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
可见，协联关系欠佳不仅效率下降，而且在转轮前后
出现多种压力脉动及相应的各种频率的振动，尤以叶片 频率压力脉动及相应的振动值最为显著，这也是所有转
桨式水轮机振动的一大突出特征。

4.2 贯流式水轮机的疲劳破坏值得重视 4.2.1 重视机组刚强度设计与计算 贯流式水轮机由于是卧式布置，每旋转一周就 有一次弯曲应力发生，所以，必须重视其疲劳

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。