貫流式水輪機貫流式水輪機特點

（1）從進水到出水方向軸向貫通形狀簡單，過流通道的水力損失減小，施工方便，另外它效率較高，其尾水管恢復功能可占總水頭的40%以上。

（2）貫流式機組有較高的過濾能力和比轉速，所以在水頭與功率相同的條件下，貫流式的要比轉槳式的直徑小10%左右。

（3）貫流式水輪機適合作了逆式水泵水輪機運行，由于進出水流道沒有急轉彎，使水泵工況和水輪機工況均能獲得較好的水力性能。如應用于潮汐電站上可具有雙向發(fā)電，雙向抽水和雙向泄水等六種功能，很適合綜合開發(fā)利用低水頭水力資源，另外在一般平原地區(qū)的排灌站上可作為可逆式水泵水輪機運行，應用范圍比較廣泛。

（4）貫流式水電站一般比立軸的軸流式水電站建設周期短、投資小、收效快、淹沒移民少，電站靠近城鎮(zhèn)，有利于發(fā)揮地區(qū)興建電站的積極性。

貫流式水輪機，是一種臥軸式水輪機，即水流在流道內(nèi)基本上沿著水平軸向運動。它主要適用于1～25m的水頭，是低水頭、大流量水電站的一種專用機型。由于其水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運動，不轉彎，因此機組的過水能力和水力效率能有所提高。特適用于潮汐電站，其雙向發(fā)電、雙向抽水和雙向泄水等功能很適合綜合利用低水頭水力資源。

貫流式水輪機適合低水頭應用，而且效率高投資低，發(fā)展較快，而且功率也越來越大。

貫流式水輪機，根據(jù)其結構特點和布置型式，可分為全貫流式、半貫流式(又分為豎井式、軸伸式和燈泡式)兩種，其適用范圍各不相同 。

貫流式水輪機全貫流式水輪機

全貫流式機組則把發(fā)電機轉子裝在旋轉的水輪機轉輪輪緣上，發(fā)電機定子固定在流道外面周圍的支承上。

全貫流式機組轉動慣量大，能保證機組的穩(wěn)定運行，避免頻率波動，對水頭變化較為頻繁的潮汐電站更為有利。同時其流道和機組布置形式適合于可逆式機組，還可用于抽水蓄能，將徑流式梯級電站的上下游水庫作為抽水蓄能電站的上下庫，利用原有水工建筑和機電設備就可將普通電站建成既能抽水蓄能又能發(fā)電的混合式水電站，提高徑流電站在電力系統(tǒng)中的補償作用；也可將貫流式機組用于排灌站，收到排水發(fā)電的雙重效益。

貫流式水輪機軸伸貫流式水輪機

軸伸貫流式水輪發(fā)電機組采用臥式布置，也有傾斜安裝的，水輪機部分主要有轉輪室、轉輪、導葉與控制機構、S形尾水管組成，轉輪主軸穿出尾水管連接到發(fā)電機。由于低轉速發(fā)電機體積龐大、價格貴，小型貫流式水輪發(fā)電機組多采用齒輪增速后帶動高速發(fā)電機的形式 。

軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的特點是，它具有一個水平或略微傾斜的軸和一個位于S形通道之外的發(fā)電機，小燈泡體內(nèi)只需容納軸承，增速器布置在水輪機和發(fā)電機的中間，尾水管流道有兩個彎呈S形。因此，其效率沒有豎井式和燈泡式的高。

圖中藍綠色箭頭線表示水流走向，水流沿軸向進入，經(jīng)過導葉進入轉輪室，推動轉輪旋轉做功，流經(jīng)轉輪葉片后，通過S形尾水管排出。該水輪發(fā)電機造價與工程投資少，但效率較低，在低水頭小水電站中應用較廣，其中水平臥式用得最多。

貫流式水輪機豎井貫流式水輪機

豎井貫流式水輪機是將發(fā)電機組安裝在水輪機上游側的一個混凝土豎井中，水輪機部分主要由導葉機構、轉輪室、轉輪、尾水管組成，轉輪主軸伸入混凝土豎井中，通過齒輪箱等增速裝置連接到發(fā)電機。也有把發(fā)電機布置在上面廠房，轉輪主軸通過扇齒輪或皮帶輪與發(fā)電機連接，使豎井尺寸更小一些。

圖中藍綠色箭頭線表示水流走向，水流進入后從混凝土豎井兩旁通過再匯集到導葉進入轉輪室，水流推動轉輪旋轉做功后從尾水管排出。為更清楚看清水流走向，在圖3中顯示剖去混凝土結構上部分的機組圖，圖中藍綠色箭頭線表示水流走向。豎井貫流式水輪機組結構簡單、造價低廉、運行和維護方便，但效率較低，在低水頭小水電站中應用較廣。

貫流式水輪機燈泡貫流式水輪機

燈泡貫流式水輪機組的發(fā)電機密封安裝在水輪機上游側一個燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機水平方向安裝，發(fā)動機主軸直接連接水輪機轉輪。

燈泡貫流式水輪機組的水輪機部分由轉輪室、導葉機構、轉輪、尾水管組成；發(fā)電機軸直接連接到轉輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發(fā)電機在燈泡殼內(nèi)，轉輪在燈泡尾端，發(fā)電機軸承通過軸承支持環(huán)固定在燈泡外殼上，轉輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發(fā)電機軸前端連接到電機滑環(huán)與轉輪變槳控制的油路裝置。鋼制燈泡通過上支柱、下支柱固定在混凝土基礎中，上支柱也是人員出入燈泡的通道。

圖中藍色箭頭線表示水流走向，水流進入后從燈泡周圍均勻通過到達轉輪，推動轉輪旋轉做功后由尾水管排出。通過導葉角度與轉輪葉片角度的調(diào)整配合可使水輪機運行在最優(yōu)狀態(tài)。燈泡貫流式水輪機組具有結構緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，適用于低水頭大中型水電站。

燈泡貫流式機組是當前廣泛應用于大、中型機組的一種機型，其過水流道是軸向的或略微傾斜的。燈泡體位于水輪機轉輪上游，導水機構是錐形。發(fā)電機轉子直接耦合在水輪機軸上，水輪機軸由兩個導軸承支持。燈泡貫流式機組以較低的轉速運行，大型機組的轉速大約是70～125r/min。燈泡貫流式機組唯一的限制是部件制造和運輸條件的限制 。

發(fā)電機置于流道豎井中的貫流式水輪機。

第一章緒論1

第一節(jié)貫流式機組的應用與發(fā)展2

一、全貫流式機組應用現(xiàn)狀2

二、燈泡貫流式機組應用現(xiàn)狀2

三、燈泡貫流式水輪機水力設計方面的進展4

四、軸伸貫流式機組應用現(xiàn)狀4

五、豎井貫流式機組應用現(xiàn)狀6

第二節(jié)高水頭貫流式機組的研究與發(fā)展前景6

第二章高水頭貫流式水輪機的設計理論9

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機的水力性能分析9

一、高水頭貫流式水輪機與常規(guī)水輪機的性能對比分析9

二、高水頭貫流式水輪機的水力性能分析11

第二節(jié)固定導葉的設計理論16

一、高水頭貫流式水輪機的固定導葉16

二、固定導葉設計的理論17

第三節(jié)活動導葉的設計理論22

第四節(jié)轉輪的設計理論29

一、高水頭貫流式水輪機轉輪的設計理論29

二、基于CFD的高水頭貫流式水輪機轉輪內(nèi)部流動及水力設計37

三、70m水頭段高水頭貫流式水輪機轉輪的水力設計42

第五節(jié)尾水管的設計理論46

一、直錐型尾水管設計47

二、非圓錐形擴散尾水管的設計48

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機過流通道幾何尺寸的設計優(yōu)化52

第三章高水頭貫流式水輪機的結構設計與應用57

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機的結構分析57

一、高水頭貫流式水輪機結構57

二、導流室結構分析58

三、轉輪及轉輪室結構分析59

四、導水機構及活動導葉結構分析60

五、尾水管的結構分析61

六、軸承系統(tǒng)分析61

七、高水頭貫流式水輪機整機強度計算分析67

第二節(jié)軸伸式結構設計71

第三節(jié)燈泡式結構設計71

第四節(jié)梅花式結構設計73

第五節(jié)高水頭貫流式水輪機與常規(guī)水輪機的結構對比研究75

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機的選型設計77

一、額定水頭Hr的確定77

二、機組主要參數(shù)的選擇77

第七節(jié)高水頭貫流式水輪機的電站布置設計81

一、高水頭貫流式水電站建筑物的布置特點81

二、廠房布置設計82

三、廠房主要尺寸的確定84

第四章高水頭貫流式水輪機的性能測試研究86

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機的性能測試86

一、性能測試情況86

二、效率實驗分析90

第二節(jié)不同導葉、轉輪條件下的性能對比試驗92

一、不同導葉條件下的性能測試92

二、不同轉輪條件下的性能測試93

第三節(jié)高水頭貫流式水輪機導葉流場的測試94

一、測試裝置及原理94

二、測量工況點的布置95

三、測試結果及結論95

第四節(jié)現(xiàn)代水輪機與高水頭貫流式水輪機的水力效率對比97

第五章高水頭貫流式水輪機的CFD分析101

第一節(jié)CFD技術的發(fā)展101

第二節(jié)高水頭貫流式水輪機過流部件幾何模型的建立102

一、轉輪的幾何參數(shù)102

二、轉輪三維實體的建立103

三、轉輪網(wǎng)格的劃分及質(zhì)量檢查104

四、固定導葉及活動導葉的建模及網(wǎng)格化106

五、尾水管的建模及網(wǎng)格化107

第三節(jié)全流場的流動模擬計算107

一、計算精度的確定108

二、網(wǎng)格質(zhì)量的檢查及修改108

三、確定計算模型的各參數(shù)109

四、CFD迭代計算111

五、計算結果及分析112

第四節(jié)高水頭貫流式水輪機固定導葉的三維設計及CFD計算結果117

一、導葉幾何形狀的設計118

二、建立計算固定導葉的邊界條件119

三、固定導葉的計算119

第五節(jié)高水頭貫流式水輪機活動導葉的三維設計及CFD計算結果119

一、高水頭貫流式水輪機導葉結構119

二、活動導葉的三維設計及CFD計算120

三、結果分析121

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機轉輪的三維設計及CFD計算結果122

一、高水頭貫流式水輪機的流場解析122

二、CFD計算122

第七節(jié)高水頭貫流式水輪機尾水管的三維設計及CFD計算結果124

一、模型的建立124

二、CFD分析模型的選擇124

三、邊界條件及檢測點的設置125

四、計算結果及分析125

第八節(jié)高水頭貫流式水輪機固定導葉與活動導葉的匹配研究126

一、固定導葉承擔100%環(huán)量全流道的分析128

二、固定導葉承擔75%環(huán)量全流道的分析131

三、固定導葉承擔50%環(huán)量全流道的分析134

四、固定導葉承擔25%環(huán)量全流道的分析137

五、結論140

后記141 2100433B

高水頭貫流式水輪機是杜同教授1958年提出的一種新型水力發(fā)電機型，采用了貫流式或燈泡式水輪機的輻向式錐形布置的導水機構和類似于混流式或斜流式水輪機的轉輪，具有流道直，水流轉彎少，水力損失小，水力效率高等諸多優(yōu)點，經(jīng)專家鑒定這種形式的水輪機是水輪機發(fā)明100多年來，在水輪機結構型式方面的一項創(chuàng)新，屬國內(nèi)外首創(chuàng)。本專著介紹了這種水輪機與常規(guī)的貫流式水輪機在水力和結構上的不同，闡述了這種水輪機的固定導葉、活動導葉、轉輪及尾水管等的水力設計理論及方法，介紹了這種水輪機的結構設計、選型設計及應用于電站時的廠房設計等，并就其實驗研究及性能測試結果進行了論述，最后詳細介紹了基于CFD技術的高水頭貫流式水輪機的內(nèi)部流動及強度的研究成果。