三峡电站水轮机性能和结构特点评析
黄源芳李文学
摘要三峡工程投资巨大，其回收投资的唯一手段是三峡电站的发电收益。因此作为电站核心设备之一的水轮机．其性能的好坏和运行可靠性如何，是能否发挥工程效益的关键所在。三峡水轮机额定出力710MW，转轮直径达10m，是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮机。大容量大尺寸混流式水轮机的结构设计和制造工艺也是一个技术挑战。兹以三峡水轮机模型试验为基础，较为全面地介绍和评析了三峡水轮机主要部件的结构特点和特性。
关键词三峡工程水轮机性能结构
三峡水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组26台。其中左岸电站14台机组通过国际公开招标、议标决标的方式，于1999年9月正式签订了合同。14台额定水头80.6m，额定出力 710MW的混流式水轮机分别由两个集团负责供货，VGS联营体(德国Voith、加拿大GEHydro、德国Soemems)获得了6台的合同，法国 AISTOM集团获得了8台的合同。合同规定两个集团采用各自的水力设计，VGS采用该联营体开发的水力模型，AISTOM则被要求采用挪威 KVAERENER能源公司(以下简称KEN)开发的水力模型。这两个模型最大的共同点是转轮均为X型叶片。
1 三峡水轮机性能特点
三峡左岸电站机组设计制造合同正在执行，水轮机模型试验已基本完成，转轮的制造也已进入实施阶段，水轮机的性能已基本定型。
1.1 运行水头范围宽
三峡工程的首要任务是防洪，其次是发电和航运，因此水库的运行必须服从防洪的要求。每年汛期6-9月的大部分时间，水库必须维持145m低水位运行，以留出足够的防洪库容拦蓄洪水。进入10月，水库开始蓄水，直至正常蓄水位175m，并尽量维持高水位运行以利于上游航运和多发电。这样，库水位变幅达30m，加上层水位变化的影响，使得水轮机的正常运行水头范围很宽，达71～113m。
由于三峡工程量大，施工期长达17年，移民达110万，为了尽早发挥工程效益，减少施工期资金压力，决定采分期蓄水，连续移民的建设方案，即在2003年至2006年，利用已建成的坝体和三期围堰挡水发电，此时上游水位限制在135m；2006年汛后，水位允许上升到156m，但汛期水位仍限制在135m；2009年汛后，库水位才蓄至正常水位175m，汛期则维持145m低水位运行。这种初期降低水位投入运行的方式，更增大了水轮机的运行水头范围，使三峡水轮机的运行水头范围达到 61～113m。
混流式水轮机能否适应三峡运行水头变幅大的特点，一直是三峡总公司乃至水电界所担心的问题。通过招标前的技术交流，各投标商对三峡的运行条件有了较深刻的了解，因而进行有针对性的研究。在机组招标过程中，通过用户和投标商技术人员面对
面的澄清再澄清，确认混流式水轮机能够适应三峡61-113m的运行水头范围，因此舍弃了设置临时转轮以适应初期 (2003年至2009年)运行条件，永久转轮适应后期运行条件的方案。合同签定后，中标商进行了进一步的模型开发和试验研究。模型验收试验表明，两个用于三峡的水力模型基本上都能适应三峡电站水头变幅大的特点。
1.2 能量特性较好
模型试验表明，两个水力模型按合同规定的两步法换算到原型的最优效率均高于合同保证的96.26%。非弃水期原型加权平均效率分别达94.39%和93.96%，非弃水期电量、弃水期电量和总年电量均超过合同保证值，若按三峡26台机组计，总的年平均电量将达880×108kw·h。可以说两个水力模型在能量特性上达到了国际较高水平。水轮机效率和电量比较见表1。
表1 水轮机效率和电量比较
模型1 模型2
合同保证值验收试验值合同保证值验收试验值
模型最优效率(%) 94.35 95.26 94.51 94.54
原型最优效率(%) 96.26 96.79 96.26 96.27
单机总年电量
3373 3382 3360 3397 (×106kW·h)
1.3 空化和耐磨损性能较好
空蚀是水轮机运行中常见的现象。水中含有泥沙时，空蚀常常与泥沙磨损联合作用，导致水轮机过流部件，特别是转轮叶片表面快速破坏，不仅会降低水轮机运行效率，严重时甚至危及部件的结构安全。
长江水中泥沙二峡坝址处多年平均含沙量为1.2kg/m3。虽然建库后泥沙会大量沉积库底，但在最初运行的10间仍有约1/3的泥沙过机。在每年长达4个月的汛期，平均过机泥沙含量将在0.5kg/m3以上。由于汛期水量大，水轮机多处于低水头满开度运行，水轮机内流速大，这更使泥沙磨损加剧。在这种条件下运行，水轮机部件是否会因空蚀和泥沙磨损的联合作用而发生过量金属失重?这也是水轮机设计和运行人员普遍关注的问题。
模型验收试验表明，转轮叶片压力面和负压面进口初生空化限制线均在合同规定的正常运行范围之外。由于模型水力设计优异，且真机转轮、活动导叶等用耐磨损的不锈钢材料制造，因而卖方对真机在空蚀和泥沙磨损双重作用下不会导致过量金属失重很有信心。卖方在合同中保证，水轮机在投入商业运行2年或8000h后，由于空蚀和泥沙磨损联合作用引起水轮机转轮、导叶和尾水管里衬等的金属失重之和，分别不超过52kg和25kg；且任一处金属剥蚀深度不超过10mm，任一连续的金属剥蚀区面积不大于0.5m2。这比IEC609规程“水轮机、蓄能泵、水泵水轮机空蚀评定”(1978)推荐的水轮
机在清水中仅因空蚀而导致的金属失重还低。对于10m直径转轮，IEC609推荐的金属失重量上下限约为46.8～187.2kg，金属剥蚀深度约为15.5～23.2mm。
1.4 预期稳定性能较好
表征水轮发电机组稳定性的主要参数为机组振动，轴线摆度，出力波动，噪音等。造成机组运行不稳定的原因是多方面的，就水轮机的水力设计而言，主要有尾水管涡带，叶道涡流和卡门涡流等。其中卡门涡流可以通过适当调整翼型出水边型线或直接对真机进行修型而得到改善，而层水管涡带和叶道涡流对混流式水轮机是不可避免的。叶道涡流会产生噪音；尾水管涡带将引起尾水管内压力的波动，从而使机组振动加剧，摆度与出力波动加大。
三峡水轮机模型验收试验表明，在合同规定的水轮机正常运行范围内，没有出现叶道涡流，且尾水管无涡带区较宽。在出现尾水管涡带的区域，尾水管压力脉动值也较小。在正常运行范围内，在80.6m以下的低水头区，尾水管压力脉动值在3%以下；在80.6m以上的水头区，尾水管压力脉动值一般在8%以下。尽管按合同规定，尾水管压力脉动值未全面满足保证值要求，但基本满足了原招标文件的要求。两个供货集团都明确保证，真机将能在整个运行范围内安全稳定运行。实际上在正常运行区域，在很宽的工作水头范围内，压力脉动的绝对值都不大于8m，达到了国际较好水平，预期的稳定性能较好。
1.5 出力大
三峡水轮机的初期运行水头范围为 61～113m，后期运行水头范围为71～113m，额定水头为80.6m。这就是说，在相当大的运行水头范围内(80.6～113m)，水轮机的实际出力将可以超过额定出力710MW。在接近最高水头运行时，水轮机的出力将远远高于710MW。为此，在高水头运行时，为避免和减轻小开度运行时产生激烈的压力脉动，发电机设置了840MVA的最大容量，且规定在额定功率因数Cosφ＝0.9时，发电机在最大容量下能长期连续稳定运行。由于功率因数可在 0.9～1.0之间变化，发电机的最大有功将可以在756～840MW之间变化，相应的水轮机出力将达767～852MW，导叶开度将可相应增大8%左右。按这一原则设计的三峡机组，适当改善了水轮机在高水头小开度运行的稳定性能，水轮机出力也提高了8%～20%，还可增大电站的调峰备用容量。模型验收试验表明，三峡水轮机在额定水头时的出力裕度约为3%，在84～85m时出力即可达767MW，在91m左右即可达852MW。从这个意义上说，三峡水轮机是世界上出力最大的水轮机。
2 结构特点
2.1 尾水管
为弯肘形尾水管。总高度(从导水机构中心线至尾水管底部最低点)为30m，约为转轮直径的3倍，这个值比通常的推荐值要大，目的是有利于防止或减轻尾水管涡带冲击肘管底部时水流对转轮的反作用力，有利于增加机组运行的稳定性。尾水管总长度(从机组中心线至尾水管出口)为50m，约为转轮直径的5倍。这个值也比通常的推荐值要大，
可适当提高尾水管的回能系数。模型试验证明上述决定是正确的，尽管这相应增加了一些工程量。尾水管出口总宽31.9m，高12.4m，由2个宽2.45m的支墩分隔成净宽 9m 的三个出口。整个尾水管出口扩散段的布置相对于机组中心线不对称。
鉴于国内外水头变幅大的机组都出现过尾水锥管里衬被撕裂的严重问题，如巴基斯坦塔贝拉电站和国内潘家口电站等，所以三峡机组从转轮出口开始直至水流速度不大于6m/s的尾水管内壁，以及支墩鼻端都安装了厚钢板里衬，厚度与伊太普相同，达25mm。从转轮出口开始的一段高度为1.5m的里衬(包括基础环的一部分)为不锈钢，以抵抗空蚀和防止撕裂，其余部位为Q235A和Q235B。另外，在里衬外围除间隔一定高度布置有加强环筋外，还安装有每平方米6至8根V形拉锚。所有这些措施，都是为了加强尾水管里衬的强度和里衬与周边混凝土结合度，以抵抗机组在恶劣工况下运行时尾水管内空化和压力波动对里衬的破坏。尾水管里衬由卖方分包商在现场埋件加工厂制作。
2.2 蜗壳
蜗壳与内径为12.4m的引水钢管相连，在机组X—X方向上最大外部尺寸约为34m，Y—Y方向最大外部尺寸约为29.4m。蜗壳材料为高强钢板NK—HITEN610U2，这对减小钢板厚度从而减少现场焊接工作量有利。单台蜗壳重达700t。
蜗壳进口断面供货范围为距X—X轴线 12.7m。进口延伸段分4节，蜗壳本体分31和27节，在现场埋件加工厂制作。有2—4节凑合节，每个凑合节的两边均留有100mm 的现场切割余量。蜗壳进入门直径800mm，位于第四象限与Y轴夹角43°处。蜗壳本体环节多数由4～5块钢板卷焊而成，尾部少数几节由1块或3块组成。钢板厚度在设计时考虑了3mm腐蚀余量。
蜗壳按单独承受最大水头时内水压力加水锤压力设计。按照卖方的设计，蜗壳应做1.5倍最大压力的水压试验并保压浇筑周边混凝土。由于电站施工进度紧，水压试验设备难以布置，蜗壳焊缝质量可采用多种有效措施检验，经过充分论证，决定蜗壳不做1.5倍水压试验。为了保证蜗壳与周边混凝土受力合理，蜗壳将在70mWC的内水压力下浇混凝土。
由于蜗壳尺寸巨大，因此内水压力和水温的变化对蜗壳变形影响较大。三峡坝址处历年最高河水水温为29.5℃，最低水温为1.4℃，在高温季节和低温季节保压浇混凝土的效果相差很大。举个例子，对直径为12.4m的蜗壳进口来说，在水温29.5℃、内水压力70mWC下保压浇混凝土，其变形量约与水温1.4℃、内水压力125mWC下保压浇混凝土相当。因此浇筑蜗壳周边混凝土时既要控制内水压力，又要控制水温，还要考虑周边混凝土上升过程中产生的热量对蜗壳变形的影响。
2.3 座环
为上、下环板和固定导叶组焊结构。受现场安装起吊设备容量限制，分6瓣在工厂制作并退火，在现场机坑内用预应力螺栓把合后组焊成整体，每瓣重量不超过80t。其中蜗壳尾部两节和进口舌板与座环一起在工厂焊接并退火，作为座环的一部分交货，这样便于现场安装。组焊后的座环(带蜗壳短板)总高度超过4m，最大外径约16m，总重
量约400t。座环有 3～4种翼型截面尺寸不同的固定导叶共23～24个，高2830～3000mm。上下环板厚190～230mm，为抗层状撕裂钢板。座环的组焊采用对称双 U形坡口中心不焊透焊缝和不对称双V形坡口全焊透焊缝。座环与蜗壳一起充水保压浇混凝土。座环与顶盖和底环的连接螺孔工厂不加工，在工地预装时配作。
通过计算，固定导叶中间横断面的静应力不超过所选材料极限强度的1/5，固定导叶与上下环板间焊缝的局部集中应力不超过中间断面平均应力的1.3倍，固定导叶在水中的自振频率不会与可能诱发的卡门涡频率发生共振。
2.4 转轮
转轮为铸焊结构，整体转轮交货。采用Cr不低于13%，Ni不低于4%和M0不低于0.5%的不锈钢制作。转轮进口直径约10m，出口直径约9.5～9.8m，喉径9.4～9.8m。转轮总高约 5.1～5.4m，总重约420～450t。上冠铸造。止漏环外径8480～9315mm，密封间隙4～5mm。均布有减压孔。法兰联轴孔在工厂通过模板加工。下环铸造。止漏环外径超过10m，密封间隙5～6mm。
叶片铸造，为X叶型。叶片与上冠和下环的交线较普通叶型长，扭曲程度也较普通叶型大，叶片出口边不在同一轴面内。流场分析表明，这种大扭曲长叶片的X叶型可使水流在叶道内的速度和压力分布更均匀，对效率、空化和运行的稳定性都有利。叶片数13～15片，用5轴数控机床加工，以确保加工精度和与模型转轮的几何相似性，单片重约16～18t。由于叶片较厚，与上冠、下环的焊接采用不全焊透焊缝。有限元计算和已建电站混流式水轮机的运行实践表明，叶片出口与上冠和下环交界处的应力值最大，因此特别加大了这些部位的过渡圆角半径。
ALSTOM转轮带特殊的泄水锥，分上下两节。上节
高约O.8m，为倒锥形；下节为圆柱简，外径约2m，高
约1.6m。泄水锥底面出口距转轮底面出口约 30mm。为
防止脱落，泄水锥与转轮焊成整体。模型试验表明，
这一泄水锥对降低尾水管压力脉动幅值有利。两种转
轮剖面示意图见图1。
图1 两种中标转轮剖面示意图2.5 主轴
为钢板卷焊轴身与锻造法兰组焊的中空结构。有两种外部结构形式：一种无轴领，一种有轴领。
无轴领结构，轴长6.68m，轴身外径 4m，壁厚118mm，轴内对应水导轴瓦中心线有一厚120mm宽400mm的环形加强筋。上下法兰均为内法兰，厚400mm。上法兰内径2.8m，下法兰内径2.6m，法兰与轴身过渡圆弧R150mm。与转轮用20个性20mm的沉头铰制螺栓联接，分布圆直径3.2m。与发电机轴通过30个φ205mm 的套筒螺栓联接，套简内径115mm，螺栓为M110×6，分布圆直径3.57m。发电机轴为外法兰，水轮机轴为盲孔。
带轴领结构，轴长6.3m，外径3.8m。轴身不等厚，上部壁厚130mm，轴领段壁厚155mm。轴领外径4.1m，高540mm，上部有8个斜向气孔，下部有36个水平平压孔。上
法兰为内法兰，内径约2.2m，厚335mm，与发电机轴采用20个φ250mm的铰制螺柱连接，其分布圆直径2.9m。下法兰为盲孔半法兰结构，外径4.16m，内径约2.95m，厚560mm，与转轮采用28个外径φ28mm套简螺柱连接，螺柱为M160×6，分布圆直径3.65m。主轴密封和检修密封分别安装于下法兰的上端面和圆周面。
上下法兰的联接孔用模板加工。轴内安装有用于转轮中心自然补气的补气管，在上下两个法兰处设有补气管支撑件。
2.6 活动导叶
活动导叶为自润滑二导轴承加止推轴承结构。两种设计的导叶翼型不同，一种为负曲率导叶，另一种为正曲率导叶。
导叶数24个，分布圆直径 11.14～11.6m，为整体不锈钢铸造，或导叶瓣体由钢板焊接，轴头为锻造或电渣熔铸再与瓣体焊成整体。瓣体高2.82～2.99m，总高 5.4～5.7m，单个导叶重约9.5t。端面为橡皮条与抗磨板复合密封，立面为钢对钢的刚性密封，无其它密封件。对负曲率导叶，其出水边上部略薄于下部，在导叶关闭接力器无压状态下，导叶底部先接触，立面有一楔形间隙，上部设计最大间隙为lmm。在设计的接力器压紧行程下，立面则无间隙，此时底部所受压力较上部大。由于导叶瓣体高达3m，在运行中导叶底部与顶部的压力差约为3m水柱，导叶的这种立面间隙设计，有利于减小漏水量和延长导叶的使用寿命，在国内五强溪电站已有应用。
导叶枢轴通过骑缝销与拐臂下块相连。拐臂由上下两块组成，上块一端与连杆用销轴相连，中部通过剪断销与下块相连，另一端通过摩擦装置套在下块上。当剪断销剪断后，摩擦装置能有效防止导叶的自由摆动。
2.7 顶盖
顶盖为钢板焊接的箱型结构，分4瓣在工厂制作并作消除应力处理，在安装现场用螺栓连接成整体。固定止漏环直接焊在顶盖上。底板厚140～150mm。外径12.28～13.29m(不包括法兰)，导叶枢轴处高1.76～1.82m。总重约290～380t。
顶盖与座环用螺栓连接，连接孔在现场安装时配作。采用在连接螺栓处加垫片的方法调整顶盖的水平。顶盖内设有6～8个大直径的平压管，以减小转轮的轴向水推力。主轴密封静止部分和检修密封位于顶盖内。顶盖内积水除利用4个空心固定导叶自流排出外，还内设有1～2台备用排水泵。
通过有限元计算，在各种工况下顶盖内的应力值都较小。即使在最高水头下考虑水锤压力的工况，其极限拉应力也不到90MPa。顶盖各部位的变形值也很小，在各种工况下导轴承支撑环处的径向位移均接近于零。
2.8 水导轴承
水导轴承为带巴氏合金里衬的分块瓦，尺寸为 24块315mm×315mm×l00mm(宽×高×厚，下同)和12块430mm×430mm×l30mm。间隙可通过楔形板调节。水导轴承支撑在
顶盖上，通过计算支撑板位置选定在径向间隙接近于零的中性面上，这样可减小因水导支撑基础发生位移而导致主轴摆度的增加。
水导轴承为油外循环冷却结构。对于带轴领的水导轴承，为单油盆结构。从冷却器出来的油经进油总管和支管送至每两个导轴瓦之间，位于油盆底部的排油管则由两台油泵(一台工作一台备用)驱动将油盆中的油送至冷却器，实现闭路循环。对于无轴领结构的水导轴承，为多油箱结构，包括1个工作油箱，1个溢流回油箱和1个漏油箱。从冷却器出来的油不断地送至工作油箱导轴瓦之间，经溢流板至溢流回油箱，再由排油管送至冷却器完成循环。另有少部分油从工作油箱漏至漏油箱，经排油管送至冷却器。在轴身上工作油箱的上方和下方各焊有一个斜向挡油环，以防止油沿轴身爬行到油箱外。这种无轴领结构已在巴西图库鲁依360MW机组上成功应用。
3 几个特殊问题的处理
3.1 两个不同的水力设计和结构设计
左岸电站14台水轮机设计制造合同分别授予了两个制造集团，因而出现了两个不同的水力设计和结构设计。为了有利于电站土建设计、施工，有利于机组安装、运行、维护和减少备品备件，在合同授予前曾召集可能中标的投标商进行了面对面的会谈，讨论几家中标而采用一个设计即一套图纸的可能性。由于投标商都是世界知名水电企业，各有优势，都对自己的设计充满信心，很难放弃自己的设计而接受别人的设计；同时，这些企业相互之间都是竞争对手，也不愿意拿出自己的成果与人共享，此外在商务上也有一些复杂问题，因此未能实现14台机组采用一套图纸的愿望。另一方面，两套设计也有其有利的一面，可使国内分包厂商通过技术转让，更全面地学习和了解国际先进的水电设备设计制造技术，对国内发电设备技术发展有更好的促进作用。
合同生效后，召开了有业主、工程设计单位和机组所有卖方参加的机组设计协调会。通过设计协调，使不同的制造商在设备布置、关键高程、与土建和其它设备的接口等方面尽可能取得了一致。这样，既方便了土建设计，又为不同制造集团发挥各自的优势留有必要的空间。
3.2 常规叶型转轮与X叶型转轮的选取
常规叶型叶片进口边前倾明显，出口边位于同一轴面内，叶片与上冠交线较短。 X 叶型叶片进口边前倾不明显甚至后倾，出口边不在同一轴面内，叶片与上冠交线较长，叶片扭曲程度较常规叶型大，从正面看，叶片进口边与出口边叠加象英文字母X而得名。研究表明，X叶片使水流在转轮流道内的压力和流速分布更均匀，因而转轮在效率、空化和稳定性等方面较优。从当时的投标资料来看，采用常规叶型水轮机和采用X叶型的水轮机所能达到的最好水平见表2：
表2 采用常规叶型转轮和采用X叶型转轮的比较
比较项目常规叶型X叶型
模型加权平均效率(%) 91.45 92.19
真机加权平均效率(%) 93.30 94.10 单机总年电量(×106kw·h)3330.6 3372.9 初生空化限制线进入正常运行区未进入正常运行区
高水头部分负荷尾水管压力脉动值
6 4
(%)
从表中可以看出，采用X叶型转轮的水轮机，性能明显优于采用常规叶型转轮的水轮机。X叶片在国内用得较少，鲁布革水电站使用这种叶型的转轮，效果良好，但水头较高。X叶片对于中低水头和水头变幅大的巨型机组是否也适用?这一问题一度是三峡机组评标专家们讨论的焦点。经过几轮与投标商的技术澄清，了解到X叶型转轮已在30多座电站运行，其中不乏水头变幅大的电站。在最终综合评出转轮技术指标排在前三名的投标方案中，前两名均采用的X叶型。最终决标选定的就是X叶型转轮。
3.3 模型试验中压力脉动不满足合同保证值的处理
模型试验表明，两个水轮机模型的能量和空化特性都达到或优于合同要求，但尾水管压力脉动值均未能全面满足合同保证值。对此，合同双方都非常重视。双方商定，卖方将进一步改进水力设计，在能量、空化性能满足合同要求的前提下，可在能量、空化、压力脉动三者之间进行调整，以提高水轮机在高水头区小开度运行的稳定性，然后进行补充模型试验。随后两个集团均作出了很大努力，或配用新型泄水锥，或改进水力设计后重新做模型。第二轮的补充试验表明，修改后的模型在压力脉动方面确有改进，脉动幅值有所降低，但与合同保证值相比，仍然不能全面达到保证值的要求。但基本上达到了原招标文件中对压力脉动值的要求。在此基础上，两个集团都对真机安全稳定运行作出了保证。
为此，业主邀请国内水力设计和模型试验专家集中研究了两轮试验成果并作出了评价。认为这两个集团的模型验收试验测试是严格的，成果是可靠的，达到了国际上较高的技术水平。但是，由于压力脉动从模型试验到真机运行的不完全相似性，需要抓好结构审查、零部件制造，安装和调试等每一个环节，确保真机运行的稳定性。叶片不可调节的混流式水轮机，在一定的工况下存在不稳定运行区是客观事实，必须进行科学分析，在运行中采用相应措施或避开振动区运行。根据专家的评价，业主原则上接受了这两个集团的模型，但要求两个集团继续改进设计，在真机的结构设计中充分考虑压力脉动的影响，并创造条件进行类似水轮机的真机现场试验，为三峡机组运行提供参考。
3.4 整体转轮加工运输
三峡水轮机转轮重420～450t，高约5.4m，最大外径超过10m。合同规定叶片、上冠、下环和泄水锥都用不锈钢制造，叶片必须用5轴数控机床加工，所有焊缝必须经无损探伤检测。整体转轮在工厂完成最后一道工序后，整体运输到最近的港口，从海上运输到上海港。
根据分包合同和技术转让要求、14台转轮的分配是：GEHydro2台，Voith2台，KEN3
台，从ALSTOM3台，哈尔滨电机厂有限责任公司和东方电机股份有限公司各2台。目前上冠、下环和叶片已开始铸造，有的叶片铸件已开始机械加工。 GE制造的转轮将整体从加拿大海上运输到上海，Voith的2台在上海希科的车间内组装加工，从ALSTOM制造的转轮将从马赛港起运到上海，KEN分包的3台转轮将在中国滨海葫芦岛组焊成整体退火，在大立车上整体加工后运到上海。哈电计划在葫芦岛接受KEN转轮组装加工技术转让后加工自己分包的转轮，东电将在自己的厂房内将叶片、上冠、下环组焊成整体，热处理和在大立车上整体加工后，运至大渡河上的肖湾码头，转入长江后直接运至三峡工地左岸重件码头。
[作者简介]
黄源芳中国长江三峡开发总公司副总工教授级高工
李文学中国三峡工程开发总公司机电工程部工程师
湖北宜昌 443002
(收稿日期：2000—05 编辑：李君林)网页制作：
水轮机 水轮机+ 发电机：水轮发电机组 功能：发电 水泵+ 电动机：水泵抽水机组 功能：输水 水泵+ 水轮机：抽水蓄能机组。 功能：抽水蓄能 水轮发电机组：水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。 第一节水轮机的工作参数 水轮发电机组装置原理图 定义：反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。 由水能出力公式：N=9.81ηQH可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率η，工作力矩M、机组转速n。 一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差。142米 1. 毛水头(nominal productive head) H M=E U-E D=Z U - Z D 2. 反击式水轮机的工作水头
毛水头 - 水头损失=净水头 H G =E A - E B =H M - h I -A 3. 冲击式水轮机的水头 H G =Z U - Z Z - h I-A 其中Z U 和Z Z 分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。 4. 特征水头(characteristic head) 表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。 最大工作水头： H max =Z 正-Z 下min -h I-A 最小工作水头： H min =Z 死-Z 下max -h I-A 设计水头(计算水头) H r ：水轮机发额定出力时的最小水头。 平均水头： H av =Z 上av -Z 下av 二、流量(m 3/s)(flow quantity)：单位时间内通过水轮机的水量Q 。单机12.2m 3/s Q 随H 、N 的变化：H 、N 一定时， Q 也一定； 当H =H r 、N =N 额时，Q 为最大。 在H r 、n r 、N r 运行时，所需流量Q 最大，称为设计流量Q r 三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率。N(KW)： 指水轮机轴传给发电机轴的功率。 水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q ；c.水体容重γ成正比。其公式为：QH QH N w 8.9==γ γ指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）： 水的比重=1000kg/m 3、G=9.8N/Kg γ=9800N/m 3 )(8.9)/(9800)/(9800)()/()/(33kw QH s J QH s m N QH m H s m Q m N N w ==?=??=γ 水轮机的输出功率：ηηQH N N w 8.9== 四、效率(efficiency )：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水轮机的机械效率、能量转换效率。η
长江三峡工程库区 地质灾害防治工程 胡经国 一、党和国家领导人有关指示 在2002年3月10日中央人口资源环境座谈会上，江泽民总书记强调：“全面加强地质灾害的监测预防，继续做好三峡库区等重点地区地质灾害防治工作。” 2001年7月16～18日，国务院在湖北省宜昌市召开了三峡工程移民暨对口支援工作会议。在这次会议上，国务院总理、国务院三峡工程建设委员会主任朱镕基明确指出：“三峡工程是中华民族的千秋伟业，库区地质灾害防治是关系三峡工程整体和全局、关系库区人民群众生命财产安全和子孙后代的大事。”“三峡库区地质灾害防治要快调查、快规划、快立项、快审批、快实施。”“距2003年6月第一期蓄水只有19个月了，时间紧迫，任务艰巨，刻不容缓哪！” 二、库区地质灾害基本情况 三峡库区是我国地质灾害多发区。地质灾害类型主要是滑坡、崩塌和泥石流。从2000年起，国土资源部组织进行了库区20个县（区、市）1∶5万地质调查工作。进一步查明了库区地质灾害，特别是崩塌、滑坡灾害的基本情况。到目前（2002年10月）为止，已经查出三峡库区两岸存在崩塌、滑坡2490处。此外，还有大小泥石流沟47条。 现已查明，在三峡库区5300多公里库岸线上，可能存在地质灾害隐患的库岸总长度约为440公里；需要实施工程防护的库岸总长度约为139公里。 1982年以来，库区两岸共发生崩塌、滑坡、泥石流70余处。其中，规模较大的有40余处。 三峡库区是我国地质灾害最严重的地区之一。其原因，主要有： 1、三峡库区地质条件复杂，环境容量有限。就地质灾害而言，三峡库区可以说是“先天不足”。 2、降水充沛，暴雨、洪水频繁，更加容易诱发地质灾害。
高水头混流式水轮机结构特点 【摘要】高水头混流式水轮机由于其运行水头高、额定转速高和过流部件流速高等特点，要求水轮机主要部件的结构与中低水头的混流式水轮机相比有明显的区别。 【关键词】高水头；混流式水轮机；结构 1 水轮机主要部件的结构特点 1.1 转轮 转轮采用抗空蚀、抗磨蚀和具有良好焊接性能的ZG00Cr13Ni5Mo不锈钢制造，上冠、下环和叶片均采用VOD精炼整铸成型，三者焊为一体，消除残余应力后，用五轴数控机床加工，从而保证叶片型线与模型的完全相似。 为减少高水头机组顶盖的压力，转轮上冠设有泵板，充分排泄转轮上冠与顶盖间止漏环处的漏水，以减小转轮的轴向水推力。 转轮上冠为梳齿式止漏环，下环为台阶式迷宫止漏环，上下转动止漏环与上冠下环一体，与转轮相同材料。泄水锥与转轮上冠采用相同的材料，与上冠通过螺栓把合联接。 1.2 导叶 高水头混流式水轮机一般采用带翼板导叶，材料为ZG00Cr13Ni5Mo，电渣熔铸，带翼板导叶具有优良的水力性能和抗磨蚀性能，可以减少导叶端面的漏水量及减少端部的空蚀及磨损。 由于高水头水轮机水压高，顶盖变形大和泥沙的磨损作用，使导叶端面间隙扩大很快，所以在导叶上、下过流端面设有铜压环自补偿密封，这样能有效减小漏水量。 1.3 导水机构 顶盖、底环和控制环均采用钢板焊接结构，具有良好的刚度。顶盖与底环上设置螺栓把合的固定止漏环，其硬度与转轮止漏环的硬度差一般在40HB以上，这样可有效防止转轮研损。 在中低水头水轮机上，顶盖和底环抗磨板一般采用螺钉连接的结构，但在高水头水轮机上，由于搞水头的作用，螺钉连接的抗磨板容易发生局部变形，使得导叶端面间隙不易达到高水头水轮机的要求，会导致导叶端面磨损，从而增大导叶端面漏水量。所以对高水头混流式水轮机的顶盖一般采用对焊不锈钢抗磨板的
课程设计任务书及指导书 水利水电工程专业 专科适用 教师：简新平 河北工程大学水电学院 年月日 Ⅰ《水电站》课程设计任务书 1 课程设计的目的 课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。 2 课程设计成果及要求 2.1 课程设计成果 （1）设计说明书一份，内容包括：
A、封面； B、课程设计任务书； C、中文摘要； D、英文摘要； E、目录； F、正文； G、谢辞； H、参考文献； I、附录（附录为可选内容）。 （2）设计图纸一张，内容为： 设计过程中的辅助图、蜗壳、尾水管单线图。采用大米格纸或1号AutoCAD打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。 2.2设计成果要求 ※请大家务必按以下要求完成设计成果，否则，审查时不予通过。 2.2.1说明书内容要求 （1）摘要。中文摘要在300字左右，外文摘要以250个左右实词为宜，关键词一般以3～5个为妥。 （2）目录。按三级标题编写（即：1……、1.1……、1.1.1……），附录也应依次列入目录。 （3）量和单位。量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100～GB3102-93，它是以国际单位制（SI）为基础的。非物理量的单位，可用汉字与符号构成组合形式的单位。 （4）正文标题层次。全部标题层次应有条不紊，整齐清晰。相同的层次应采用统一的表示体例，正文中各级标题下的内容应同各自的标题对应，不应有与标题无关的内容。 章节编号方法应采用分级阿拉伯数字编号方法，两级之间用下角圆点隔开，每一级的末尾不加标点。分级阿拉伯数字的编号一般不超过四级。 各层标题均单独占行书写。第一级标题居中书写；第二级标题序数顶格书写，后空一格接写标题，末尾不加标点；第三级和第四级标题均空两格书写序数，后空一格书写标题。第四级以下单独占行的标题顺序采用A.B.C.…和a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，后空一格写标题。正文中对总项包括的分项采用⑴、⑵、⑶…单独序号，对分项中的小项采用①、②、③…的序号或数字加半括号，括号后不再加其他标点。 （5）公式。公式号以章分组编号，如（2?4）表示第2章的第4个公式。公式应尽量采用公式编辑程序录入，选择默认格式，公式号右对齐，公式和编号之间不加虚线，公式调整至基本居中。 （6）表格。每个表格应有表序和表题，表序以章分组编号。表序和表题应写在表格上放正中，表序后空一格书写表题。表格允许下页接写，表题可省略，表头应重复写，并在右上方写"续表××"。 （7）插图。插图必须精心制作，线条粗细要合适，图面要整洁美观。每幅插图应有图序和图题，图序以章分组编号，如（图2?4）表示第2章的第4个图，图序和图题应放在图位下方居中处。图应在描图纸或在白纸上用墨线绘成，也可以用计算机绘图。 （8）参考文献。一律放在文后，参考文献的书写格式要按国家标准GB7714－87规定。参考文献按文中出现的先后统一用阿拉伯数字进行自然编号，序码宜用方括号括起。书写格式为：
水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷
水轮机 一、水轮机的基本参数 1)工作水头（H）:水轮机的工作水头就是指水轮机的进、出口单位 能量差，也就是上游水位与下游水位之差，用H表示，其单位为m。其大小表示水轮机利用水流单位能量的多少。 2)流量（Q）：在单位时间内流经水轮机的水量，称为流量，用Q表 示，其单位为m3/s。其大小表示水轮机利用水流能量的多少 3)出力（P）：具有一定水头和流量的水流通过水轮机便做功，而在 单位时间内所做的功率称为水轮机的出力，用P表示，其单位KW。 水轮机的出力为：P=9.81QH 4）效率（η）目前混流式水轮机的最高效率95% P=9.81QHη 5）比转速指工作水头H为1m、发出的功率P为1kw时水轮机所具有的转速，故称为比转速。 二、水轮机的类型与代号 我们根据水流能量的转换的特征不同，把水轮机分为两大类，及反击型和冲击型水轮机。 反击型水轮机，具有一定位能的水流主要以压能的形态，由水轮机转变为机械能。按其水流经过转轮的方向不同，反击型水轮机可分为以下几种类型： 反击型：轴流（定桨、转桨）水轮机、混流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机
冲击型：水流不充满过流流道，而是在大气压力下工作，水流全部以动能形态由转轮变为机械能。按射流冲击水斗的方式不同，可分为如下几种类型： 冲击型：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机 我国水轮机式的代号，有三部分组成，第一部分由水轮机型式及转轮型号组成,并由汉语拼音表示。 水轮机型式的代号 水轮机型式代号水轮机型式代号 混流式HL 轴流转桨式ZZ 斜流式XL 轴流定桨式ZD 双击式SJ 贯流转桨式GZ 斜击式XJ 贯流定桨式GD 冲击式CJ 以本电站为例：水轮机型号：HL(247)—LJ—235，表示混流式水轮机，转轮型号为247，立轴，金属蜗壳，转轮直径为235㎝。三、混流式水轮机 1定义：水流从径向流入转轮，在转轮中改变方向后从轴向流出的水轮机。其叶片固定，不能转动调节。 2 混流式水轮机 - 结构特点 混流式水轮机主要应用于20—450米的中水头电厂， 其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前 世界各国广泛采用的水轮机型式之一。
水电站水轮机结构详解 一、转轮室装配，转轮室装配包括转轮室、基础环、伸缩节。 1、转轮室为钢板焊接结构,上部在桨叶转角范围内90°易汽蚀区域采用不锈钢，与叶片配合面为球面，喉部直径为Φ5277mm，为了便于安装，分上、下两半，用螺栓把合在一起，采用Φ14橡胶条密封。转轮室用螺栓和外导水环把合在一起，把合法兰处密封采用Φ16橡胶条密封。 2、基础环上装有伸缩节，后部焊在尾水管上，它是伸缩节、转轮室的基础与座环具有一定的同轴度及平行度要求。基础环采用钢板焊接结构，在安装调整轴线后，下游端与尾水管里衬焊牢。基础环要承受转轮室传来的水力振动，因而要求与混凝土结合牢固。 3、伸缩节安装在转轮室与基础环之间,采用Φ27橡胶条密封结构,可有效地防止漏水,伸缩节轴向调节间隙15mm，作为消除安装时的间隙误差之用，也可消除因厂房基础变形而对机组结构之影响。 二、座环装配，座环装配分为座环、下游外锥两部分。 1、座环是机组的主要支撑，承受机组大部份重量，水的压力、浮力、正反向推力、发电机扭矩等，并将这些负荷传递到基础混凝土上，因而应具有足够的强度、刚度。座环是整个机组的安装基础，水轮机的导水机构，发电机定子，组合轴承等都固定在其法兰上，并以此为基础顺序安装。座环分为内环两半，外环两半，在水平方向有两个固定导叶，在垂直方向有两个进人筒，既为座环的主要受力构件，也作为安装油、水、气管路和电气线路，更换水轮机导轴承、密封、组合轴承的通道。在座环的外圆布置一些调整螺杆和锚钉，安装调整用。 2、导水机构，灯炮贯流式机组导水机构的主要功能是产生水流进入转轮前环量,并根据机组的功率的需要调节流量,水轮机停止运行时,导叶关 闭切断水流。导水机构装配主要包括：外配水环、内配水环、导叶、控制环、压环、套筒、导叶臂及传动机构等组成。 2.1 外配水环分成两半,两半之间以及与座环法兰把合面间用“O”橡胶条密封。外配水环和导叶配合面为球面，半径SR3782mm,外配水环上设有16只导叶套筒孔，与主轴中心线成65°夹角，并等距分布。为测量导叶后
保证出力与额定出力之间有什么关系，他们之间的区别是什么？分别怎样计算？ 保证出力指的是机组在各个运行水头稳定运行的出力范围。有最大保证出力，也有最小保证出力。各种机型的保证出力是不一样的。比如混流式的保证出力定义是：在最小到最大水头范围内水轮机出力是45~100%。那么最大保证出力就是某水头时的100%，最小出力为最大出力的45%。保证出力受能量性能（效率），气蚀等诸多因素的影响。例如，某水轮机出力在设计水头下为8333kw，那么，在这个水头下最大出力就8333kw,最小出力就是8333X45%=3750kw.。以上最大最小出力在行业规范中有具体的规定。额定出力是指机组在最优工况点的出力（既选择的运转特性曲线上效率最大点的水头和流量）。设计出力指的是在设计点的出力（设计水头，设计流量，设计效率）。 出力计算公式：N=9.81QHη（千瓦） 其中：9.81是水的比重常数 Q—通过水轮机的流量（立方米/秒） H—水轮机的工作水头（米） η—水轮机的工作效率（％） 水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。 一、转速特性曲线 转速特性曲线表示水轮机在导水叶开度、叶片转角和水头为某常数时，其他参数与转速之间的关系。在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。 如图下图所示。由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。
院校：河北工程大学水电学院专业班级：水利水电建筑工程01班姓名：苏华 学号： 093520101 指导老师：简新平
水电站水轮机的选型设计 摘要 本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。 关键词： 水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。 【abstract】 Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened . 【Keyword】 Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.
小型水电站水轮机的选型设计 摘要：高坪桥水库电站水头运行范围为22.99~57.92m，以统计规律为指导，在容量相近的水轮机参数水平基础上，结合目前国内机组制造水平及转轮特点，通过技术经济比较分析，进行机组选型设计，最终确定合理的水轮机参数。 关键词：卧式混流机组；选型设计 1 引言 浙江省龙游县高坪桥水库工程地处龙游县境内衢江支流社阳溪上，社阳溪流域现有社阳水库调蓄能力有限，且未设置防洪库容，下游地区受衢江洪水顶托，汛期每遇暴雨，易发生洪涝灾害。 2水轮机参数选择 2.1 电站基本参数 高坪桥水库总库容3206万m3，供水调节库容2431万m3，防洪库容560万m3；死库容218万m3；配套电站总装机容量3.6MW。电站为引水式电站，正常蓄水位182.0m，发电死水位150.0m；电站最大毛水头58.42m，最小毛水头26.0m，加权平均水头46.66m。 2.2 水轮机模型参数选择 本电站水头范围为26.00m~58.42m。对于该水头段的机组宜采用卧式混流式机组。参考现有的水轮机模型转轮，供本电站选用的混流机转轮较多，其中A289和A551C模型参数较优，其能量特性和空化性能均较好，具有一定的代表性。 经计算比较，机组选型方案比较表如下 两个方案均能满足运行要求。模型转轮A551c效率较高，选用的转轮直径较小，机组总造价较低。但安装高程较低，主厂房土建造价较高。考虑本阶段预留一定裕度，选取效率略低，单位流量较小的模型转轮，有利获得较好汽蚀性能。 综合考虑，本阶段暂按照A286转轮来选择水轮机参数及机组流道主要控制尺寸，提出本电站水轮机应具有的能量指标及空化指标。 2.3 水轮机机组台数选择 台数的选择应综合考虑满足工程功能要求的技术经济指标。从运行和检修方面来看，机组台数越多，运行调度越灵活，检修工作也越容易安排。但是台数增加将加大机电设备及土建投资。本电站发电厂房距离大坝较远，大坝位置另外设置生态流量泄放装置，不需考虑通过机组泄放生态流量。 根据以上原则要求，选取2台机（2600 kW +1000kW）和3台机（3×1200 kW）两组方案进行比较，对比如下表： 综上，从技术上看，2台机和3台机方案都可以满足本电站发电的要求；从造价上看，3台机方案要高于2台机方案约363万（可比投资）；从运行维护管理上看，三台机组备品备件相同，在运行维护管理上，可增加互换性；综上多方面比较，并考虑业主意愿及运行管理现状和经验，本阶段选择机组台数为3台1200 kW的方案。 2.4 额定水头的选择 本电站为引水式开发，水库正常蓄水位182.00m，发电死水位150.00，消落高度32m，水轮机加权平均水头46.66m，选取水轮机额定水头为40.00m，可使水轮机长期运行在额定水头附近，在较大的范围内能够满负荷和高效运行。 2.5 水轮机安装高程的确定 混流式水轮机的安装高程应同时满足在各种可能出现的运行工况下避免空蚀的要求。同时，卧轴混流式水轮机的安装高程还应满足尾水管出口最小淹没深度的要求。经过计算，1200kW机组允许吸出高度[Hs]=+5.17m，装机吸出高度Hs=2.66m。确定水轮机的安装高程为126.0m。由满足最大水头工况的空蚀条件决定。
贯流式水轮机基本结构 一、贯流式水轮机的特点 贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于25m以下的水头。这种机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。 此外，与其它机型相比，它还有其它一些显著特点： （1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损失减小，施工方便，另外它效率较高，其尾水管恢复功能可占总水头的40%以上。 （2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功率相同的条件下，贯流式的要比转桨式的直径小10%左右。 （3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出水流道没有急转弯，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向抽水和双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源，另外在一般平原地区的排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运行，应用范围比较广泛。 （4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建电站的积极性。 二、贯流式水轮机的分类 根据贯流式水轮机机组布置形式的不同可将其划分为以下几种形式： 1．轴伸贯流式 这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口， 出叶片后，经弯形（或称S形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，发电机水平布置在厂房内。 轴伸贯流式机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，如图7-1所示。这种贯流式机组与轴流式相比没有蜗壳、肘形尾水管，土建工程量小，发电机敞开布置，易于检修、运行和维护。但这种机组由于采用直弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大都将给运行检修带来不方便。所以一般只用于小型机组。 2．竖井贯流式 这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图7-2所示。
troduction of hydro-electric power and hydraulicturbines Power may be developed from water by three fundamental processes : by action of its weight, of its pressure, or of its velocity, or by a combination of any or all three. In modern practice the Pelton or impulse wheel is the only type which obtains power by a single process the action of one or more high-velocity jets. This type of wheel is usually found in high-head developments. Faraday had shown that when a coil is rotat ed in a magnetic field electricity is generated. Thus, in order to produce electrical ener gy, it is necessary that we should produce mechanical energy, which can be used to rot ate the coil. The mechanical energy is produced by running a prime mover by the ene rgy of fuels or flowing water. This mechanical power is converted into electrical powe r by electric generator which is directly coupled to the shaft of turbine and is thus run by turbine. The electrical power, which is consequently obtaind at the terminals of the generator, is then transited to the area where it is to be used for doing work.he plant or machinery which is required to produce electricity is collectiv ely known as power plant. The building, in the entire machinery along with other aux iliary units is installed, is known as power house. Keywords hydraulic turbines hydro-electric power classification of hydel plants head scheme There has been practically no increase in the efficiency of hydraulic turbines sinc e about 1925, when maximum efficiencies reached 93% or more. As far as maximum efficiency is concerned, the hydraulic turbine has about reached the practicable limit o f development. Nevertheless, in recent years, there has been a rapid and marked increa se in the physical size and horsepower capacity of individual units. In addition, there has been considerable research into the cause and prevention of cavitation, which allows the advantages of higher specific speeds to be obtained at hig her heads than formerly were considered advisable. The net effect of this progress wit h larger units, higher specific speed, and simplification and improvements in design h as been to retain for the hydraulic turbine the important place which it has
长江三峡库区地质灾害空间评价预警研究 刘传正李铁锋温铭生王晓朋杨冰 （中国地质环境监测院北京 100081） [摘要] 通过全面野外调查，填表登录了三峡库区（19县（区），54175km2）地质灾害点5706处。采用数字化地形底图，通过编制三峡库区工程地质图层，建立了基于MapGIS的三峡库区地质灾害空间数据库和分层图形库。在研究三峡库区地质灾害分布与的统计关系基础上，筛选提取了地质灾害空间评价预警研究的发育因子（响应因子）、基础因子、诱发因子和易损因子体系。创建了区域地质灾害评价预警的递进分析理论与方法（AMFP）。采用网格剖分整个区域，分别计算了三峡库区地质灾害“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”（简称“四度”）分布，采用图斑合并方法分别编制了相应的“四度”区划图。根据“四度”区划结果分别提出了三峡库区地质灾害监测预警与防治区划和地质环境开发利用的对策。 [关键词] 三峡库区地质灾害MapGIS “发育度” “潜势度”“危险度” “危害度” 1 概述 三峡库区地质灾害综合调查项目工作范围位于东经106°～111°，北纬29°～31°21′，行政区划跨越重庆市和湖北省的19县（区），包括湖北省的宜昌、兴山、秭归和巴东4县，重庆市的巫山、巫溪、奉节、云阳、万州、开县、忠县、石柱、丰都、涪陵、武隆、长寿、渝北、巴南和重庆主城区等15县（区），总面积约54175km2（图1）。 1.1 工作基础 三峡工程建设前的地质工作主要围绕三峡坝区和区域地壳稳定性开展，三峡库区地质灾害调查研究工作直到20世纪90年代随着移民工程建设遭遇地质灾害严重困扰才逐步受到重视。三峡库区重要的代表性地质工作可分为三个阶段： （1）20世纪50－70年代，以中小比例尺的区域地质调查为主，对三峡库区基础地质研究较为详细。 （2）20世纪80年代，结合国家“六五”、“七五”科技攻关计划，先后开展了三峡工程库岸稳定性研究、重大崩塌滑坡监测预报及减灾对策研究、三峡工程前期论证阶段环境工程地质调查、长江三峡工程库岸调查与稳定性预测、长江三峡工程库岸典型和大型崩塌滑坡形成条件、破坏机制及稳定性研究等。 （3）20世纪90年代，重点开展了城镇移民选址的地质论证、地质勘查与评价工作。如拟迁城市新址地质论证、三峡工程库岸稳态评价预测、长江三峡工程水库移民与开发环境地质研究、1：50万以地质灾害调查为主的区域环境地质调查和移民城市重大地质灾害防治工程研究等。 1.2 工作思路 依据区域地质灾害评价预警研究的递进分析理论与方法，全面研究三峡库区地质灾害发育状况、地质环境条件组合、地质灾害发生可能性和可能的危害性。基于地理信息系统（GIS）技术，实现数据和图形的实时查询或更新，实现GIS技术与数学模型耦合的空间评价预警递进分析[1]。 在19县（区）地质灾害调查成果基础上，研制完成三峡库区地质灾害信息系统（数据库、图形库），根据地质灾害分布与地质环境的相关性分析，建立地质灾害评价预测的因子体系（基础因子、回应因子、诱发因子和易损因子），进行三峡库区地质灾害空间“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”计算与区
水轮机的基本结构及其主要部件的作用 水轮机总体由引水、导水、工作和排水四大部分组成。 1、水轮机的引水部件： 主要指蜗壳及座环等，水流由蜗壳引进，经过座环后才进入导水机构。蜗壳的作用是使进入导叶以前的水流形成一定的旋转，并轴对称地、均匀地将水流引入导水机构；座环的作用是：承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水轮机的轴向水推力；以最小的水力损失将水流引入导水机构；机组安装时以它为基准。所以，座环既是承重件，又是过流件，也是基准件。因此，要求座环必须有足够的强度、刚度和良好的水力性能。 2、水轮机的导水机构： 导水机构主要由操纵机构（推拉杆、接力器及其锁锭装置）、导叶传动机构（包括控制环、拐臂、连杆和连接板等）、执行机构（导叶及其轴套等）和支撑机构（顶盖、底环等）四大部分组成。其作用使进入转轮前的水流形成旋转，并可改变水流的入射角度，当发电机负荷发生变化时，用它来调节流量，正常与事故停机时，用它来截断水流。 导水机构的操纵机构 导水机构的操纵机构的作用是：在压力油的作用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操作力矩。导水机构的操纵机构分为直缸式和环形接力器两大类。 调速环或接力器锁锭装置 锁锭装置的作用是：当导叶全关闭后，锁锭投入，可阻止接力器活塞向开侧移动；一旦关侧油压消失，又可防止导叶被水冲开。 导水机构的传动机构 导水机构的传动机构的作用：是将操纵机构的操作力矩传递给导叶轴并使之发生转动。其型式主要有叉头式和耳柄式两种。太站为耳柄式，长站为叉头式。正常运行时应着重检查控制环、拐臂、连杆和连接板之间的连接销有无串出或脱落。剪断销及引线是否完好。 导水机构的执行机构
三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求 三峡库区地质灾害防治工作指挥部 二○○四年十二月
0前言 主要引用和参考的规程规范有： 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2000）； 《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）； 《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）； 《铁路路基支档结构设计规范》（TB10025-2001）； 《堤防工程设计规范》（GB50286-98）； 《碾压式土坝设计规范》（SL 274-2001）； 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）； 《地质灾害防治工程设计规范》（DB50/5029-2004）重庆市地方标准； 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2002）； 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）； 主编单位是三峡库区地质灾害防治工作指挥部，参编单位是中国地质大学（武汉）、三峡大学。
2基本技术规定 2.1一般规定 2.1.1防治工程设计，应在审查通过的详细地质勘察成果基础上进行。 2.1.3防治工程设计应与社会、经济和环境的发展相适应，与当地城市规划、环境保护、土地利用相结合。 2.1.4防治工程设计应综合考虑崩塌、滑坡、危岩区的工程地质条件、类型、规模、动力来源、稳定性、移民状况、邻近建（构）筑物的分布情况、施工设备和施工季节等条件，因地制宜，合理设计。 2.1.5防治工程设计应采用先进技术、以达到最少投资、最短工期、安全运行的目的。 2.1.6总体防治方案的拟定，应在对地质灾害的具体情况综合分析研究的基础上，以提高灾害体稳定性为中心，拟定2种或2种以上的可行的治理方案，进行技术、经济比较，提出推荐方案。 2.1.7各项单项工程设计应执行相应的现行规范、规程，但应结合三峡库区地质灾害的特殊要求。 2.1.10防治工程设计应采用动态设计法。应提出对施工方案的特殊要求和监测要求，应掌握施工现场的地质状况、施工情况和变形情况、利用监测的反馈信息，必要时应对原设计进行校核、修改和补充。 2.1.11地质灾害防治工程设计应取得如下资料： （1）符合初步设计阶段的地形资料（包括控制点的坐标和高程数据），地质勘察报告及相应的岩、土试验资料，天然材料的调查报告等。 （2）工程用地红线图，被保护对象和灾害影响区的现有建（构）筑物分布图和规划图，必要时还应取得平、立、剖面和基础图。 （3）地质灾害区的气象水文资料，主要为降雨、风速、水库运行水位、吹程等。 （4）主要建筑材料价格、移民迁建费用和赔偿费用、灾害直接经济损失和间接经济损失等经济数据。 （5）条件相同的地质灾害防治工程经验； （6）施工技术、设备性能、施工经验和施工条件等资料。 2.1.15按水利部水总[2002]116号文颁发的《水利工程设计概（估）算编制规定》的费用构成和与之配套的《水利建筑工程概算定额》及《施工机械台时费定额》与国家计委、建设部计价格[2002]10号文颁发的《工程勘察设计收费标准》编制分项项目投资估算综合单价。
目录 1前言 (4) 2水电站的水轮机选型设计 (5) 2.1水轮机的选型设计概述 (5) 2.2水轮机选型的任务 (6) 2.3水轮机选型的原则 (6) 2.4水轮机选型设计的条件及主要参数 (7) 2.5确定电站装机台数及单机功率 (7) 2.6选择机组类型及模型转轮型号 (8) 2.7初选设计（额定）工况点 (11) 2.8确定转轮直径 D (12) 1 2.9确定额定转速n (12) 2.10效率及单位参数的修正 (13) 2.11核对所选择的真机转轮直径 D (14) 1 2.12确定水轮机导叶的最大开度、最大可能开度、最优开度 (18) 2.13计算水轮机额定流量 q (19) ,v r 2.14确定水轮机允许吸出高度 H (20) s 2.15计算水轮机的飞逸转速 (25) 2.16计算轴向水推力 P (25) oc 2.17估算水轮机的质量 (26) 2.18绘制水轮机运转综合特性曲线 (26) 3水轮机导水机构运动图的绘制 (35) 3.1导水机构的基本类型 (35) 3.2导水机构的作用 (36) 3.3导水机构结构设计的基本要求 (36) 3.4导水机构运动图绘制的目的 (37) 3.5导水机构运动图的绘制步骤 (37) 4水轮机金属蜗壳水力设计 (41)
4.1蜗壳类型的选择 (41) 4.2金属蜗壳的水力设计计算 (41) 5尾水管设计 (49) 5.1尾水管概述 (49) 5.2尾水管的基本类型 (49) 5.3弯肘形尾水管中的水流运动 (49) 6水轮机结构设计 (50) 6.1概述 (50) 6.2水轮机主轴的设计 (50) 6.3水轮机金属蜗壳的设计 (51) 6.4水轮机转轮的设计 (52) 6.5导水机构设计 (55) 6.6水轮机导轴承结构设计 (58) 6.7水轮机的辅助装置 (61) 7金属蜗壳强度计算 (63) 7.1金属蜗壳受力分析 (63) 7.2蜗壳强度计算 (63) 7.3计算程序及结果 (66) 8结论 (71) 1 前言 水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其他动力机械相比，它具有效率高、成本低、环境卫生等显著特点。另外，水轮机的好坏直接影响到水电站的能量转换效率，在水轮机生产制造前，我们必须首先根据给定电站的水力条件对水轮机进行
水泵水轮机全特性 1．水泵水轮机全特性曲线 抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。 水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。 图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线
2．水泵水轮机全特性曲线的特点 通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点： （1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。