新技术在轴流转桨式水轮发电机组的应用

技术与市场　技术研发　２０１３年第２０卷第７期　

新技术在轴流转桨式水轮发电机组的应用　

杨清勇　

（广西水利电力建设集团有限公司麻石水力发电厂，广西柳州Ｉ　５４５４００）　

摘要：轴流转桨式水轮发电机具有过流量大、维护简单、效率较高等特点，并且机组生产加工费用比较低，安装方便。　但同时也存在高效率运行区域窄和经济运行管理范围小等局限性。轴流转桨式水轮机在设计的过程中对参数的选择　

和设计的方法有较高的要求，近年来，由于加工材料的性能提高和数控加工的科技进步，新材料、新工艺及新设计在轴　

流转桨式水轮发电机组中能够得到实际的应用。同时整个水轮发电机组主辅设备的新设计也会对发电站的运行稳定　

状态改善有很大的帮助。文章以麻石水力发电厂机组技术改造及应用为例，以供参考。　

关键词：新设计；轴流转浆；发电机组；应用　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０ｌ３．０７．０２０　

０引言　麻石水电厂于１９７０年９月动工兴建，电站的设计总库容　

为１．６亿ｍ３，调节库容０．６２５亿ｍ３，装设３台水轮发电机组共　

计１００　ＭＷ，其中＃１机组１９７２年１２月底发电，水轮机为芬兰　制造生产，发电机则配用东方电机厂产品；＃２、＃３机组于　

１９７６年投产，水轮机、发电机均采用罗马尼亚进口的成套设　

备。自首台机组投产至今运行时间已超过４０年，机组与辅助　

设备的老化是必然的，其缺陷和隐患也影响着机组的安全运行。　

针对设备特别是辅助设备的状况，近年来麻石电厂在一　

直进行有计划、有步骤的较大规模技术改造，如励磁系统、调　

速器、发变主保护、水车盘等，均已全面开展并大部分改造完　

毕，使电厂整个辅助设备的运行状况大为改观。对主机（发电　

机、水轮机）而言，通过对＃２机组的技术改造，包括更换定子、　

上机架加固、改造和更换上导瓦架等技术工作，于２００４年解决　

了困扰多年的＃２机振动问题；２００６年和２００８年分别成功对　

＃２、＃３机转轮进行更换改造，实现了每台机组增容　

３　０００　ｋｗ；２０１０年９月一２０１１年５月，对１＃机组进行了整体更　

换，成功实现１＃机组由２８ＭＷ增容至３６．５　ＭＷ，增容量超过　

３０％。　

＃２、＃３水轮机的叶片原厂是由罗马尼亚进口的不锈钢　

叶片，机组运行十多年后由于叶片根部出现裂纹而进行了更　

换，更换为国产的铸钢叶片，叶型流线也稍有改变，但随后机　

组的出力总无法达到额定功率。经过多年的运行，发电机定　

子也存在绝缘老化、定子松动等安全隐患，特别是随着国内水　

轮发机材料、技术、设计等进步，对于六七十年代建设的老水　

电厂来说，进行以水轮机转轮技术改造、过流流道改造为主的　

改扩建工程是提高电厂发电容量，提高水能利用率，实现老电　厂增值保值提高经济效益的有效途径。　

１　轴流转桨式水轮发电机组应用新技术的需求　我国七八十年代建设的中小型水电站比较多，轴流转浆　

式水轮发电机组的应用也比较多。但是，在技术开发的过程　

中，普遍技术指标也比较低，经过三四十年的发电运行，机组　

老化、安全隐患多，所以需要进行改造，提高水电站的整体性　

能。并且随着节能减排，提高水能利用及经济效益的需求，开　发新的设计方案是必要的，也是必须的。按照我国的基本现　

状和基本国情，在不断提高性能轴流转浆式水轮机，在新技术　

的开发中，需要开发出一批３—６叶片，适合水头６～４０　ｍ的轴　

流转桨式的转轮，要求效率不断地提高。新的技术比普通技　

术的效率比较高，新技术具有更高的推广价值。　

１．１轴流式水轮机的优越性能　轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，二　

者结构上最明显的差别是转轮，其次是导叶高度。根据转轮　

叶片在运行中能否调节，轴流式水轮机又分为轴流定桨式和　

轴流转桨式两种型式。轴流式水轮机用于开发较低水头（３～　

４０　ｍ），较大流量的水能资源。它的比转速大于混流式水轮　

机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与　

混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和　

出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大，可以采用较小的　

转轮直径和较高的转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。　

当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机　

能发出更多的功率。轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随　

着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效　

率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广　

泛使用的优良机型，这一特点特别适合老水电厂的技术改造　

的应用。　

限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两　

方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大，单位流量和　

单位转速都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混　

流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。在相同水头　

下，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压　

差较混流式叶片的大，桨叶正背面的平均压差较混流式的大，　

所以它的空化性能较混流式叶片的差。因此，在同样水头条　

件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和　

更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大　

量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方　

面，由于轴流式水轮机桨叶数较少（３～８片），桨叶呈悬臂形　

式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的　

强度，

就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置　技术研发　

下桨叶和转动机构，转轮的轮毂比，亦要随之增大，这些措施　

将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量下降。当达　到某一水头时，轴流式水轮机的单位流量甚至比混流式水轮　

机的还要小，这种情况也限制了轴流式水轮机应用水头的提　

高。　

随着科学技术的发展，通过改进转轮的设计方法，选择更　

加合理的流道几何参数和桨叶的型线，使得桨叶背面的压力　

分布更加均匀，降低桨叶正面和背面的平均压差，从而达到改　善水轮机空化性能的目的。此外，还可以通过采用新型的高　

强度的材料，改进结构，使桨叶受力情况得到改善。相信通过　

以上措施会使轴流式水轮机的应用水头进一步提高。　

轴流转桨式水轮机设有转动桨叶的机构及双调设备等，　

通过发电机及水轮机大轴、操作油管、一套油压设备等共用设　备达到导叶和桨叶的控制。仅仅是水机和调速器还有油压等　

几项加工费就可以节省到一半左右，并且机组加工制造比较　

简单，可以缩短工期，提高发电速率，增加发电效益。小型水　

电站的设备需求比例占市场需求总量的绝大部分，前几年统　

计，目前全国中小水型电站已有４．８万座以上，而大型、巨型　

水电站不足千座。新产品的技术创新使其加工成本，主要设　

备的生产加工及安装成本都有大幅度下降，所以从设备制造　厂家的角度来说，上述设备的需求量在将来的一段时期还是　

保有量增加，存在一定的盈利空间。　

１．２轴流转桨式水轮机在水能利用方面的优越性　

轴流转桨式水轮机在水能利用上同样具有一定的优点：　

轴流转桨式水轮机转轮的体积比较小，流量比较大，空化比较　

小，效率也比较高；转轮室及轮体都为圆柱形，转轮内的流线　比较平顺，更能提高性能。水电站设计中最核心的工作就是　

设计选择好水轮机，从１８２４年起，世界各国相继开发出了多种　

类型的水轮机，水轮机的每一次进步都对当时水力发电效率　

与效益的大幅度提高产生决定性的作用。但是，现在最常采　

用的混流式、转桨式水轮机，因其结构和作用方式决定其还是　

会产生空蚀、磨蚀、振动、漏损、高效区限制、效率低等问题，并　

且长期难于根本解决。因为混流式水轮机在中小水电站采用　效率更低，所以目前中小水电站主要是采用定桨或转桨式水　

轮机，但一般理想转化率不超过８０％，且定桨式水轮机效率区　

限明显，在全球范围内目前还没有更加适合于中小型水电站　采用的水轮机机型，而适合于大型水电站采用的混流式水轮　

机存在的问题也相同多，只是其水能转化效率高些罢了。轴　

流转桨式水轮机将使这一切情况发生根本改变，桨轮式水轮　

机在大型与巨型水电站也同样适用，而且对水头高度的限制　

也不是太严苛。　

２新设计转桨式水轮机的特点　

２．１转轮叶头比较大，适应单位转速及来流角度的变化　

叶片头部的形状对转轮性能的影响比较大。正常效率高　

的叶片形状为叶片水边较薄，头部呈圆弧形，头部较厚的叶片　

效率比较低。而头部较薄也有一定的弊端就是具有较差的适　

应性，在流角发生变化时，必然会产生重交，而较薄的叶片则　

会使性能降低。　

２．２叶片进水边迁移，改善空化特性　

根据现代轴流式水轮机转轮叶片的最新设计观念，叶片　Ｖｏ１．２０。Ｎｏ．７，２０１３　

最大厚度则会向水边推动，可以使水边的形状减小，水轮机内　

部的流动出现收缩的情况，最大厚度向水边移动，这样可以降　

低翼型最大流速的数值，虽然这样会导致头部的速度有所增　加，但是对空化性能有一定的影响。　

２．３加大叶片的扭角，加大流量　加大流量则会提高大流量的效率，叶片扭角加大后，对内　

部的放角差别也比较大，这样更适用于不同的来流角。但是，　

这样的角度不能保证所有的断面能够用接近于０冲角，从而　

无法保证最大限度上满足根本要求。　２．４机组额定水头的选择　

近年来，由于水电能源的突出优点和国家相应的鼓励政　

策，国内水电开发力度十分明显，大至三峡、龙滩等的巨型机　组，小至１　０００　ｋＷ的小型电站。麻石电厂原三台机的过水流道　

相同，只是由于建厂时主机设备供货的原因造成机组型号、出　

力不同，在进行整体技术改造过程中，不再进行机组模型试　

验，但也没有相应的水轮机运转特性曲线作为可靠的设计依　据，考虑麻石电站现有水能条件的改变不大，考虑了近６年的　

电站加权平均水头１９．２　ｍ，经初步选型与初算校核，确定的额　

定水头维持与现有机型一样，即同样为１８　ｍ。在机组的额定　转速选择问题，与额定水头的选择一样，考虑对整台机组的改　

造工作协调量，还是选定为１０７　ｒ／ｒａｉｎ。　

２．５机组的出力增加、效率提高分析　

２．５．１新转轮对机组效率提高的贡献　

传统的一元、二元水轮机转轮设计方法已逐渐被准三元　

和完全三元流动的设计计算方法所代替。采用三元流动的计　算方法进行设计和校核，已成为水轮机设计的一个必要步骤。　

水轮机蜗壳、导水机构、尾水管的流动较为稳定、简单。对上　

述三个部件的水力设计，采用传统的设计方法就可较好地模　

拟三个部件的水轮机内部流动规律。目前，对上述三个部件　

的水力设计基本采用传统设计法，故设计人员把设计重点放　在对水轮机转轮的水力设计上。水轮机转轮内的流动是十分　

复杂的，实际流动是非定常、三维可压缩、粘性流动。显然要　用数学解析的方法求解是不可能的，因此，在实际的数值求解　

过程中，在考虑了真实流体的流动情况之后，作一些近似合理　

的各种简化假设，可以对转轮内部流体流动进行求解。故继　

传统的转轮水力设计之后水力机械学者把对水轮机转轮水力　设计重点放在三元理论数值求解上。　

麻石电厂原＃１机转轮是４叶片、转轮直径５．３　ｍ，新转轮　

采用５叶片，叶片外圆直径为５．５　ｍ，具有过流能力增大、流线　变好等特点，且转轮体采用整体铸造，材质为铸钢２０ＳｉＭｎ，转　

轮体外表面叶片根部扫过区域将铺焊不锈钢转轮体具有足够　

的强度和刚度，能承受在最大水头和最大负荷工况下的综合　

应力。具有足够的刚强度，满足各种工况下的安全运行。新　

叶片选用优质不锈钢ＺＧ０６Ｃｒｌ３Ｎｉ４Ｍｏ铸造，叶片采用ＶＯＤ精　

炼铸造，翼型数控加工，增设了叶片裙边，有效提高水能效率　

和减少空蚀及震动。　

２．５．２过水流道的改变对机组出力提高的贡献　

麻石电厂原＃１机转轮直径较小、２４个导水叶、转轮体体　

积过大等客观原因直接影响了机组过水能力。新机组水轮机　

（下转第３８页）