大中型水水轮发电机组

大中型水斗式水轮机的关键技术高曾江】，冯雪萍2,刘世泽彳，宫让勤昭，高海军j王洪斌"，段伟赞"（1.甘肃电力明珠集团有限公司，兰州730070;2.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂,甘肃永靖731000；3.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨150040;4.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040）［摘要］水斗式水轮发电机组是开发高水头水力资源的理想机组，对环境影响较小，机组功率调节范围宽广，与风、光互补性强，机组在部分负荷运行的效率高且稳定性远优于其他任何水电机组。

以往因我国缺乏对大中型水斗式水轮发电机组的需求，我国企业在大中型水斗式水轮机研制方面投入不足，研制技术落后国外先进厂家。

随着我国水电资源开发向西南高水头地区扩展，大中型水斗式水轮机将迎来较大的应用空间。

本文对大中型水斗式水轮机国内外应用现状、研制参数选择、转轮水力设计、配水环管设计、抗磨蚀技术、转轮制造工艺等进行了综述，指出了大中型水斗式水轮机研制需要突破的难题并提出了相关的建议。

［关键词］水斗式水轮机；效率；飞逸转速；泥沙磨损；转轮制造［中图分类号］TK735［文献标志码］A［文章编号］1000-3983(2021)03-0063-06Key Technologies of Large and Medium-sized Pelton-TurbineGAO Zengjiang1,FENG Xueping2,LIU Shize2,GONG Rangqin3,4,GAO Haijun4,WANG Hongbin4,DUAN Weizan4(1.Gansu Electric Power Mingzhu Group Co.,Ltd.,Lanzhou730070,China;2.Liujiaxia Hydropower Station,State Grid Gansu Electric Power Company,Yongjing731000,China;3.State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM),Harbin150040,China;4.Harbin Electric Machinery Company Limited,Harbin150040,China)Abstract:Pelton-turbine generator set is the ideal unit for the development of high water head hydraulic resources,the environmental impact is small,the unit power adjustment range is broad,and the strong complementarity with wind and light,the unit in part of the load operation of high efficiency and stability is far better than any other hydropower unit.In the past,due to the lack of demand for large and medium­sized Pelton-turbine generator units in China,the investment of enterprises in the development of large and medium-sized Pelton-turbine is insufficient,and the development technology lags behind foreign advanced manufacturers.With the development of hydroelectric resource in China expanding to high-head areas in Southwest China,large and medium-sized Pelton-turbine will be used in a larger application space.The application status of large and medium-sized Pelton-turbine at home and abroad,and the key technologies of R&D of large and medium-sized Pelton-turbine such as selection of parameters, runner designing,water distribution ring pipe designing,anti-erosion technology,runner manufacturing process are summarized in this paper.The problems that need to be solved in the development of large and medium-sized Pelton-turbine are pointed out and relevant suggestions are put forward.Key words：Pelton-turbine;efficiency;runaway speed;sand erosion;manufacturing of runner0前言水斗式水轮机适用水头范围为40m到2000m,出力范围可从0.05MW到800MW甚至更高（目前我国正在论证单机容量1000MW的水斗式水轮发电机组），特别是在水头大于800m的高水头区，当其他类型水轮机无法适用时，水斗式水轮机的优势更明显：无须建筑大型水坝，下游尾水系统简单，电站的单位千瓦投资比其他类型机组低，对自然环境影响较小。

水轮发电机的选择计算一、 发电机型式的选择水轮发电机按其轴线位置可分为立式布置和卧式布置两类，大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。

本电站采用立式布置，立式布置又分为悬式和伞式两种。

悬式布置和伞式布置的适用条件，查参考【2】P 149表3-1，悬式适用于转速大于150/min r ，伞式适用于转速小于150/min r 。

因为水轮机的标准转速为166.7r/min ，所以水轮发电机选用悬式布置。

水轮发电机的冷却方式采用径向通风密闭式空气循环冷却。

二、 主要尺寸估算待选水轮发电机的有关参数如下：发电机型式：悬式 标准转速：166.7r/min 磁极对数：18外形尺寸计算如下：1、极距τ根据统计资料分析,极距与每极的容量关系如下: 42ps K f j =τ cm 参考【2】P 159公式3-2式中9,,,10~8,:18;:);(:本设计中取线速度高的取上限容量大一般为系数磁极对数发电机额定容量j f K P p KVA s =f s =N f ／cos ＆, cos ＆为功率因数角，取cos ＆取0.875。

f s =247423／0.875=282769KV A 。

418*2282769*9=τ=84.73 cm由上求出τ后,尚应校核发电机在飞逸状态下,转子飞逸线速度V f 是否在转子材料允许范围内。

V K V f f = 参考【2】P 160公式3-3式中飞逸线速度秒时在数值上等于极距周当频率转子额定线速度的比值确定与额定转速机组的飞逸转速与水轮机型式有关或按飞逸系数:;/50,:;,:f e f f V f V n n K τ= f K = f n ／e n =308.4／166.7=1.85; V =τ=84.73 cm.V K V f f ==1.85*84.73=156.75m ／s查参【2】P 160，转子磁轭的材料用整圆叠片。

2、定子内径i D 计算公式： τπpD i 2==3.784*18*2π=971.43 cm 参考【2】P 160公式3-43、定子铁芯长度t l 计算公式： ei f t n CD S l 2= cm 参考【2】P 160公式3-5式中：冷却方式为空冷取表见参考系数定子内径额定转速发电机额定容量,107,53]2[,:);(:);(:);(:6160-⨯=-C P C cm D rpm n KVA S i e f.7166*3.4971*10728276926-⨯=t l =256.79 cmt l ／τ=256.79／84.73=3.03＞3 ，通风较困难。

及装置试验规程DL 489-92大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程DL 489-92目录1 主题内容与适用范围2 引用标准3 术语与符号4 试验分类5 试验项目6 基本试验方法与要求附录A 对试验记录的要求（参考件）附加说明1 主题内容与适用范围本标准规定了大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置的试验分类、试验项目、基本试验方法与要求以及对试验记录的要求。

给出了在SD299《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》中未规定而在本规程中用到的一些术语、符号、计算公式。

本标准适用于额定容量为10MW及以上水轮发电机的静止整流励磁系统（以下简称励磁系统）及装置。

对于本标准本规定的事项，应符合GB755《电机基本技术要求》、SD152《大中型水轮发电机基本技术条件》、GB1497《低压电器基本标准》以及相应设备和元、器件等标准中试验方面的有关规定。

2 引用标准本规程主要引用了下列标准：GBJ232 电气设备交接试验标准SD299 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件GB1497 低压电器基本标准GB988 低压电器基本试验方法GB2900. 32 电工名词术语电力半导体器件3 术语与符号本标准所用的名词术语与符号除了使用SD299《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》（以下简称《技术条件》）规定的以外，补充了如下部分：3．1 术语断态不重复峰值电压U DSM—晶闸管（可控硅整流器）两端出现的任何不重复最大瞬时值的瞬变断态电压。

断态重复峰值电压U DRM—晶闸管两端出现的重复最大瞬时值断态电压，包括所有的重复瞬态电压，但不包括所有的不重复瞬态电压。

反向不重复峰值电压U RSM—整流管或晶闸管两端出现的任何不重复最大瞬时值的瞬态反向电压。

反向重复峰值电压U RRM—整流管或晶闸管两端出现的重复最大瞬时值反向电压。

包括所有的重复瞬态电压，但不包括所有的不重复瞬态电压。

冲击式：反击式：1、轴流式：轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。

适用于中低水头、大流量的水电站。

在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。

根据其转轮叶片在运行之中能否转动，又可分为轴流转桨式和轴流定桨式两种。

轴流定桨式水轮机：其叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。

优点：结构简单，造价较低。

缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。

根据其特点，一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机：其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。

但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

轴流式水轮机转轮主要包含转轮轮叶、转轮轮毂、泄水锥三部分组成。

图1：轴流式混流式：混流式水轮机又称法兰西斯水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。

图2：混流式转轮图3：混流式轴流式与混流式不同之处在于转轮的不同。

如图2与图3。

3、贯流式：贯流式水轮机的引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称为贯流式水轮机。

贯流式水轮机应用水头范围一般在2~25m，单机出力从几千瓦到几万千瓦。

1）灯泡贯流式：灯泡贯流式水轮机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机水平方向安装，发动机主轴直接连接水轮机转轮。

灯泡贯流式水轮机组的水轮机部分由转轮室、导叶机构、转轮、尾水管组成；发电机轴直接连接到转轮，一同安装在钢制灯泡外壳上，发电机在灯泡壳内，转轮在灯泡尾端，发电机轴承通过轴承支持环固定在灯泡外壳上，转轮端轴承固定在灯泡尾端外壳上，发电机轴前端连接到电机滑环与转轮变桨控制的油路装置。

大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件代替DL/T 583-1995（修改征求意见稿）Specification for static commutated excitation systemsand devices for large and medium hydraulic generators中华人民共和国发展和改革委员会2005-12批准2006-01-01实施1、范围本标准规定了大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置的基本技术要求、使用的术语、定义、计算方法、试验、技术文件等。

本标准适用于单机容量为10MW及以上大中型水轮发电机（以下简称发电机）的静止整流励磁系统及装置的使用与订货要求。

（本标准中：10MW到100MW为中型，100MW以上为大型水轮发电机组）由于整流型励磁系统目前主要是以自并励方式的系统为主，其它方式实际使用已很少。

因此本标准主要针对自并励系统进行阐述，整流型励磁系统亦可参照执行。

2、引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。

在标准出版时，所示版本均为有效。

所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列标准最新版本的可能性。

GB1497-85低压电器基本标准GB4728电气简图用图形符号GB7159-87电气技术中的文字符号制订通则GB14285-04继电保护和安全自动装置技术规程GB/T7409同步电机励磁系统GB1094电力变压器GB3797-89电控设备，第二部分: 装有电子器件的电控设备GB6450-86干式电力变压器GB/T17626电磁兼容试验和测量技术GB/T15153远动设备及系统：工作条件GB50150-91电气安装工程，电气设备交接试验标准DL489-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程DL490-92大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置安装、验收规程DL491-92大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行、检修规程JB2759-80机电产品包装通用技术条件JB4159-85热带电工产品通用技术要求3、基本技术要求3.1使用条件3.1.1静止整流励磁系统及装置应适用于下述环境条件：a）海拔高度不大于2000m；b）环境最高温度+40℃；c）环境最低温度：功率单元采用水内冷者为+5℃，采用其他冷却方式者为-10℃；d）最湿月的月平均最大相对湿度为90%，同时该月的月平均最低温度不高于+25℃；e）安装地点应无爆炸危险的介质，无腐蚀金属和破坏绝缘的气体，以及周围清洁。

大中型水轮发电机基本技术条件SD152-871987-2-13发布1987-9-1实施中华人民共和国水利电力部队批准1适用范围1.1本条件适用于三相50Hz额定容量为12500kV A及以上的水轮发电机。

可逆式发电—电动机,贯流式及其他特殊形式的水轮发电机应另有专门的技术规定。

1.2本条件未规定事项应按国家标准GB755-81《电机基本技术要求》及其他有关的标准执行。

如有特殊要求,用户和制造厂可在水轮发电机专用的技术协议中商定。

2一般要求2.1水轮发电机的设计应在保证机组运行可靠的基础上,提高效率,降低造价。

水轮发电机的设计审查应有用户代表参加。

2.2当水轮发电机及其附属设备的设计结构及新技术、新材料的采用足以引起某些特性参数或经济效益发生重大变化时,应经过工厂试验、中间试验、工业试验等阶段,并由主管部门组织用户、科研等有关单位鉴定合格后才能正式使用。

如果需要直接用水电厂作为某种新技术(新材料的试验场所,事前必须经过水电部有关部门批准。

2.3水轮发电机主要结构部分的材料如金属材料、电工材料等应按国家标准进行检查验收。

制造厂应对其所使用材料的质量负完全责任。

2.4水轮发电机各部件的加工必须符合图纸的要求。

工件公差应符合国家标准。

对标准零件的加工必须保证其通用性,对相同工件的加工必须保证其互换性。

2.5经考试合格并持有证明的焊接人员才能担任主要部件的焊接工作。

焊接工艺须遵守《焊接通用技术条件》(Q/ZB74-73的规定。

需要消除焊接应力的机械加工面,在应力消除后再加工到最终所需的尺寸。

对重要的焊缝除进行外观检验外,应采用超声波等探伤方法进行非破坏性检查;在高应力区尚应进行射线照像检查。

如用户对某部位的焊缝机械性能要求进行检查时,由用户与制造厂协商确定。

按国家标准GB2649~2656-81《焊接接头机械性能试验方法》进行检验。

2.6水轮发电机的铸锻件应符合专门技术条件(如JB1270-72《水轮机、水轮发电机大轴缎件技术条件》等的规定。

水力发电厂简介水力发电是利用江、河、水库的势能也就是水位的落差来作功，推动水轮机转动再带动发电机转动发电的。

水轮发电机所发出的功率与上游的水头和单位时间所流过水轮机的水量乘正比的，因此，为了有效合理地利用自然能源，还需要我们不断的努力去改造自然来实现。

在人与大自然不断的的抗争中已经形成了多种形式的水利发电厂，下面我们就简单的介绍一下水力发电厂。

（一）水力发电厂的特点水力发电厂的水轮发电机组不但具有设备简单，操作灵活，易于实现自动化等特点，而且还可以在几分钟内迅速启动投入运行等特点，这种快速反映的特点除了燃气轮机可以与之媲美外，这是其它发电厂望尘莫及的。

虽然燃气轮机的启动速度可以与之媲美，但是对于节约能源和对大气的污染以及发电成本上，燃气轮机就摇显逊色了。

在正常情况下水力发电厂的启动到带满负荷只需4-5分钟。

在紧急情况下可缩短到1分钟左右且增减负荷也十分方便灵活。

因此，水轮发电机组通常可以承担电网的调峰，调频曾加电力网的无功分量和事故备用等。

其它发电厂虽然也可以承担上述任务，但是确存在着设备多，启动复杂且时间较长，浪费能源等。

但是水力发电厂的一次性投资大，工期长。

（二）效率高、成本底水力发电厂水轮机组生产效率较高，大、中型水力发电厂效率为80-90%，小型水电站一般为60-70%，而火力发电厂的发电效率紧为35%左右。

同时水力发电厂发电成本较底，一般为火力发电厂的三分之一到四分之一，并且水力发电厂几乎不产生对环境的污染。

（三）水力发电厂的基本型式a、按集中落差方式的不同，水力发电厂可区分为堤坝式、引水式和混合式三种。

堤坝式水力发电厂又可按电厂厂房所处的位置的不同，分为坝后式、河床式和岸边式。

1、坝后式水力发电厂是由河道中拦河筑坝建水库，调节水的径流来集中水流落差，厂房设在堤坝下游的坝处，有的设在坝内但不承受上游水的压力。

2、河床式水力发电厂适宜于建筑在河床宽阔、落差较小、流量大的平川河道上，其厂房和堤坝一同担负着拦截水的作用。

大中小型水轮机分类标准
水轮机是一种通过水流驱动的装置，将水能转化为机械能或电能。

按照水轮机的容量和规模，可以将其分为大、中、小型水轮机。

不同国家和地区对水轮机的分类标准可能略有不同，以下是一个常见的分类标准：
1. 大型水轮机：装机容量在10兆瓦（MW）及以上的水轮机。

这类水轮机通常用于大型水力发电站，如大坝、水库等，可以产生大量电能，为国家和地区提供稳定的电力供应。

2. 中型水轮机：装机容量在1兆瓦（MW）至10兆瓦（MW）之间的水轮机。

这类水轮机适用于中等规模的水力发电项目，如中小型水库、河流等。

它们在满足当地电力需求的同时，也可以为电网提供一定的支持。

3. 小型水轮机：装机容量在1兆瓦（MW）以下的水轮机。

这类水轮机通常用于小型水力发电项目，如微型水库、农村、山区等。

它们的投资成本相对较低，适合在分散式能源系统中应用。

需要注意的是，不同国家和地区对水轮机的分类标准可能有所差异。

在具体应用中，需要参考当地的标准和规定来选择合适的水轮机类型。