4.2 水力设计参数的选择

4.2.1 比转速 n s 的选择

比转速 n s 是表征水轮机能量性能优劣的综合性能指标。提高水轮机的比转 速可带来十分巨大的经济效益。比转速提高后，转轮直径减小，可以降低机组的 厂房尺寸及机组造价，因此，随着水轮机技术水平的提高，各水头段的水轮机比 转速稳步攀升。但是，比转速的提高受到水轮机强度，空化，运行稳定性等方面 因素的制约。如果单纯追求过高的比转速，可能会导致水轮机的空蚀.泥沙磨损 和压力脉动等性能恶化，最优效率降低，高效率运行工况区变窄，反而达不到提 高综合性能的目的。另外，各电站的水工条件、水质、运行条件也各异，因此， 必须根据具体电站的实际情况， 参考水轮机的各项性能指标来选择比转速值。根 据统计资料和参考国内的发展水平，一般在额定工况点

4.2.2 单位转速n11和单位流量Q11的选择

由比转速与单位参数的关系式可以看出，由不同的单位 转速n11r和单位流量Q11r以及效率η 的组合可以得到同样的nsr值，改变n11r， Q11r，η 中的任何一者，都能起到改变nsr的目的。因为效率η 的提高是非常有 限的，因此nsr的改变主要通过改变n11r或Q11r来实现。提高水轮机的单位转速n11r，可提高发电机同步转速n，减轻发电机重量，降低机组造价。但n11r的升高一般会引起转轮出口相对流速W2上升，这会对水轮机的空化、磨损和运行稳定 性带来不利影响。而且单位转速n11r的上升还会引起单位飞逸转速n11f以大致相 同的比率上升以及使转动部件的离心应力升高， 从而n11r的提高受到水轮发电机 强度的制约。提高水轮机的单位流量Q11r，既可减小水轮机本身的尺寸，降低机 组造价，又可减小厂房尺寸，缩减土建投资。但是，Q11r的提高也受到水轮机的 强度条件和其他一些因素的约束，同时，Q11r的提高一般会增大水轮机过流部件 的流速和水轮机转轮的空化系数，对贯流式电站，由于流量大，转轮叶片上相对 流速较大，容易发生空蚀，因此，Q11r的提高主要受到空化系数限制。n11r，Q11r的增大有可能因为空化系数的加大而增加电站厂房开挖的工程量， 从以上全方位 的分析我们认为， 不能片面的追求较高的比转速。 根据贯流式水轮机的性能特点， 一般选取

4.2.3 效率η 、空化系数σ 值的预估

相对于立式机组， 由于灯泡贯流式水轮机的水力通道基本不转弯，具有较高 的效率。近年来，随着水轮机科研工作的不断深入开展，水轮机的效率水平提高 很快， 从国内、 外一些著名大公司的最新研究成果资料来看， 贯流式水轮机η optm 已突破94%的水平。我国以前的设计水平较差，但是水平提高很快，已经有多个 转轮的效率超过93%，接近94%。

水轮机空化性能的好坏， 也是衡量水轮机综合性能的一个重要指标。电站装 置空化系数σ y的大小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行寿命。σ y的大小， 主要是由模型空化系数σ m决定。水轮机研究工作的重点之一，就是在提高水轮 机能量指标的同时，降低水轮机的空化系数，改善空化性能。但是，水轮机的能 量性能与空化性能常常相悖。一般地，σ m与ns相关，随着ns的提高，σ m也呈 上升趋势。也就是说，如果追求过高的能量指标，免不了牺牲空化性能，这也是 我们在前述选择能量指标时，不赞成片面追求过高的能量指标的原因之一。

对于贯流式水轮机，空化系数的大小是一个非常重要的参数，它影响机组的 安装高程，如果空化系数大，则要求减小机组的安装高程，增加电站土石的开挖 量，增加电站的投资。下式是电站装置空化系数的计算公式：

灯泡贯流式水轮机是水平布置，其叶片在不同的位置有不同的Hs，由计算公 式可得出不同的装置空化系数， 有的电站规定计算σ 的参考位置在叶片顶部，有 的电站规定其位置在距叶片顶部0.25Dl的位置， 有的电站规定其位置在叶片轮毂 处， 有的电站规定其位置以转轮中心线为基准，我们规定其参考位置以转轮中心 线为基准。对于大、中型机组，由于转轮直径大，上、下叶片之问的压力差别很 大，转轮在旋转的过程中，其空化系数是发生周期性变化的。为了保证转轮在运行过程中不发生空化，一般规定电站装置空化系数σ y/σ i>1.2。

4.2.4 尾水管压力脉动

水轮机尾水管压力脉动值的大小，直接影响机组的安全稳定运行。对于灯泡 贯流式水轮机，由于在协联工况下压力脉动值比较小，在很大的运行范围内，一 般不会超过5%，在非常高的单位转速时，即水头远远偏离设计水头的情况下， 一般不会超过8%，同时，由于水头低，因此其压力脉动绝对值也小，一般不会 影响机组的稳定运行。

4.3 水轮机的水力设计

4.3.1 导叶的水力设计

导叶的水力设计主要是合理的确定其翼型，在保证刚、强度和能够正常关闭 的前提下，为转轮提供合理的进口水流环量，同时减小其自身的水力损失。在最 优工况点的导叶转角(从导叶关闭位置开始)范围内， 可以使导叶进口可以很好的 适应引水管中的来流情况， 又可以适当降低导叶上水流的相对速度，减小水力损 失。 通过分析不同工况点导叶上的水流情况， 找出导叶出口水流的流速分布规律， 为转轮的几何设计提供参考， 同时，还可以把导叶的计算分析和转轮的计算分析 合在一起，从而把导叶的设计和转轮的设计结合在一起考虑。

4.3.2 转轮的水力设计

在转轮叶片的水力设计中， 首先根据电站参数特点，在数据库中选出与之相 近的转轮，在此基础上进行设计，可以大大缩短设计时间，提高设计的可靠性。 在设计时， 从轮毂到轮缘把叶片分为11个截面，然后在每个截面的保角变换平面 上进行翼型设计。 这样对叶片的几何尺寸控制相比于过去传统的6断面或7断面设 计就要严密和精确得多，相应网格划分和计算精度也大大地得到了提高。

在贯流式水轮机转轮叶片的设计中采用类似混流式水轮机“X”形叶片型线， 从而使转轮具有良好的能量、空化、水力稳定性以及抗磨损特性，特别是可提高 转轮过流能力， 增大转轮大流量区的效率水平;再加之贯流式水轮机具有叶片和 导叶的双重调带能力，前提高机组效率和安全稳定性。

(a)适当增大叶片扭角，即加大叶片的“X”形状，同时适当增大叶片轮毂断 面的安放角。可提高转轮中低转速大流量区的效率。

(b)适当增大叶片出口角，即减小轮毂附近断面的叶型挠度，可提高转轮高 转速大流量区的效率。

参考文献

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【3】陈晓山，宋文武，杨永全，灯泡混流式水轮机的研究与设计[J]，大电机技 术，2004 NO.1

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【5】李仲全，灯泡贯流式水轮机水力设计及试验[D]，华中科技大学

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【7】王正伟，周凌九，陈炎光，丁铭，陈国栋，灯泡贯流式水轮机水力损失分 析[J]，大电机技术，2004 NO.5