50多年來，我國水輪機從無到有、從小到大，凝聚著水輪機研制者的畢生心血。但有些已認識的問題，由于各種條件的限制，沒有采取必要措施，現(xiàn)探討如下：

 

　　目前我國水電廠（站）以混流式水輪機應(yīng)用最多，軸流式水輪機次之。據(jù)文獻[1]統(tǒng)計國內(nèi)134座大中型水電站479臺水輪機，其中混流式92站318臺，軸流式35站129臺（內(nèi)含定槳式1站4臺），斜流式轉(zhuǎn)槳機僅3站6臺；湖南省單機容量500kw以上的水電廠（站）有235站[2]（4站設(shè)備不明），其中裝置混流式水輪機有138站，裝置軸流式水輪機有59站（小水電定漿機多），還有其它機型，無斜流式轉(zhuǎn)槳機。

 

　　眾所周知，混流式水輪機應(yīng)用水頭較高，但葉片固定，負荷變化較大時，效率顯著下降；而軸流式轉(zhuǎn)槳機盡管能適應(yīng)水頭與負荷變化，高效率區(qū)寬，但空蝕系數(shù)(動力真空與水頭之比值)較大，且懸臂的槳葉強度有限，故應(yīng)用水頭一般在60米以下。因此，研究一種既能應(yīng)用于較高水頭又能適應(yīng)負荷變化的新型水輪機，便是上個世紀下半葉世界各國一項重要任務(wù)。應(yīng)運而生的是斜流式轉(zhuǎn)槳機，注意它不同于混流式過渡到軸流式的中間產(chǎn)物。前蘇聯(lián)捷雅水電站的斜流式轉(zhuǎn)槳機標稱直徑6米，水頭變化范圍74.5～97.3米，單機功率達220MW，它的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)仍屬于徑向式，水流流線從蝸殼經(jīng)座環(huán)、導(dǎo)水葉、漿葉到尾水管直錐段總轉(zhuǎn)角仍達90度，但不急轉(zhuǎn)，即過機水流流線轉(zhuǎn)彎半徑相對值（ρ/ D1）增大，因而水力效率得到提高。而我國可以研發(fā)一種效率η更高的斜流轉(zhuǎn)槳機，它的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)及轉(zhuǎn)輪全部制成斜向式，前三者也傾斜布置[3]，暫且稱此機型為四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機，其自蝸殼經(jīng)座環(huán)、導(dǎo)水葉、槳葉至尾水管的過流通道更加平暢，即水流流線轉(zhuǎn)彎半徑相對值（ρ/ D1）更為增大，可以肯定水輪機水力效率ηs更進一步提高；另外此型機組的平面尺寸相對較小（單元流量Q／D12√H更大），它的空蝕系數(shù)(動力真空與水頭之比值)也較軸流機小，它的水頭應(yīng)用范圍20～200米，正適合我國可開發(fā)水電電源點常見的水頭，在我國應(yīng)用有廣闊的前景。1970年我國哈爾濱電機廠為云南毛家村水電站生產(chǎn)了一臺8000kw的斜流式轉(zhuǎn)槳機，雖然采用徑向式蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)，但仍不失一次有益嘗試，人們發(fā)現(xiàn)、認識了它的優(yōu)點，但由于斜流式轉(zhuǎn)輪槳葉及四重斜流式轉(zhuǎn)槳機之斜向式導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)葉的操動是一個空間運動，而非一個平面運動，被認為"結(jié)構(gòu)復(fù)雜"，"制造工藝要求高"而沒有成系列地生產(chǎn)�，F(xiàn)在隨著技術(shù)進步，我國水輪機制造、安裝水平都已今非昔比，積極研發(fā)具有性能優(yōu)勢的斜流式轉(zhuǎn)槳機，優(yōu)化各大水電基地尤其是西部大、巨型水力發(fā)電廠的能量指標，應(yīng)該提上議事日程。我由于較長時間惦記著研發(fā)四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機，為"西電東送"源泉建言獻策，于2002年12月26日中午閃現(xiàn)靈感，四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機之斜向式導(dǎo)水機構(gòu)與斜流轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪的操動用臺錐齒輪傳動，咬合線鉛垂！使原結(jié)構(gòu)的操作控制策略由空間運動化為平面運動，相信這一水力機械問題的突破對研發(fā)高效率的四重斜流式轉(zhuǎn)槳水輪機攻克了一難點。

 

　　我國水輪機教科書及設(shè)計手冊都千篇一律地把水輪機出力公式記為N=9.81QHη (kw),無疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前蘇聯(lián)水能權(quán)威Ф.Ф古賓教授著作《水力發(fā)電站》，此書1949年在我國翻譯發(fā)行，1981年又再版。"9.81"正是俄羅斯山區(qū)的重力加速度取值，與俄羅斯國情相吻合。而我國北京g值為9.8，長江三峽為9.7935，同時考慮緯度與海拔高程的影響，估計大西南水電基地的重力加速度值只有9.79左右，與9.81差約0.2%，這對小水電是可忽略的，但對于大型及巨型水電廠就不容忽視了，例如溪落渡裝機12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水電站的出力，故在水輪機選型計算中應(yīng)考慮站址處重力加速度值變化（尤其是大、巨型水電廠），水輪機出力公式為：

 

　　N= gbQHη (kw)

 

　　式中 N-----水輪機出力（kw）；gb -----水電廠房處重力加速度值(m/s2)；Q-----水輪機過機流量（m3/s）；η-----水輪機總效率

 

　　J.J.圖馬研究員曾給出g值的算法，我們自己也可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)對重力的影響(主要是緯度和海拔高程)推出下式：

 

　　gф=9.78049(1＋0.0052884sin2ф－0.0000059sin22ф)

 

　　gb=gф－0.00000286Δ(Δ≤4000米，吻合我國大西南水電基地)

 

　　式中 ф----廠房處緯度；Δ----所設(shè)計水力發(fā)電廠水輪機安裝高程

 

　　我國立式反擊型水輪機泄水部件多采用4H與4C型標準尾水管，與其說是尾水管，倒不如說是“尾水洞”，因為它系鋼筋混凝土澆筑而成，與大地結(jié)合緊密，只不過其直錐段用鋼板襯護（H大于200米時要求彎肘段也用鋼板襯護），一旦形成就不能移動與搬移了，我們能看到的只是一個“洞”而已。若轉(zhuǎn)輪需要檢修，就只好把轉(zhuǎn)動部分撐起，從發(fā)電機頂部零部件、卡環(huán)、推力頭、推力瓦、上機架、轉(zhuǎn)子、下機架自上而下按次序拆卸，而后在過水流道已排干積水時卸開水輪機頂蓋，才能吊出轉(zhuǎn)輪。如果發(fā)電機部分毫無問題，這個檢修轉(zhuǎn)輪的程序就太過勞神費力了。若對尾水管直錐段管壁加厚，四周預(yù)留空間，彎肘段及水平擴散段仍采用鋼筋混凝土澆搗。同時加厚的直錐段分瓣制造，螺栓把合成整體，并與底環(huán)及肘管里襯螺栓連接，即所謂“管”“洞”結(jié)合。當(dāng)僅對轉(zhuǎn)輪檢修時，只需關(guān)閉進、尾水管閘門，并排干過水流道積水，卸下尾水管直錐段，再卸下轉(zhuǎn)輪，由預(yù)留的檢修廊道送入檢修場。這對于加快水輪機檢修進程有較大意義，并且此時不需同步檢修的發(fā)電機可作調(diào)相運行，補充電力系統(tǒng)無功功率。

　　4.1 緊急真空破壞閥 其作用是甩負荷時減小下游尾水返沖力和抬機高度，有強迫式與自吸式兩種，但存在原理性缺陷:強迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，不易向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進氣；自吸式真空破壞閥動作時已形成大真空度，加之水擊波在t＝（2×25～2×50）／1000＝0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳仍進氣極少，屬“亡羊補牢”之法；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法只能略微減輕而不能消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊，對解決大Kz值的機組抬機幾乎無效。故應(yīng)采用自動閥門控制壓縮空氣在甩負荷時不延時立即補入，使補氣量約等于由于導(dǎo)水葉關(guān)閉造成的水流量減少值，詳見文獻[4]，用可編程控制器PLC實施PID控制效果更佳，見文獻[5]。

 

　　4.2 十字架補氣與短管補氣 它們的作用是防止尾水管壓力脈動與空腔氣蝕，但要盡量減少補氣管對轉(zhuǎn)輪出水的阻礙，為此，宜把補氣管的橫斷面由圓形改為扁狀，扁面與軸面流向相切，這樣對水流軸向流動阻礙很小，而對尾水管水流旋轉(zhuǎn)運動阻礙很大，將更有效地起著破壞渦帶的作用。

 

[1]國內(nèi)水電站主要數(shù)據(jù)匯編.1987年,南寧

 

[2]湖南省水利水電廳.中小水電站技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.1996年（再加入大站.新站）

 

[3]程良駿.水輪機(M).機械工業(yè)出版社,1981年

 

[4]朱文杰.水輪機防抬措施探討.水利水電技術(shù).水利電力出版社,1994.9

 

[5]朱文杰.用PLC根治水力機組甩負荷抬機．中國水利水電市場（ISSN 1684-4696）,2005.6