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)03-0063-06
Key Technologies of Large and Medium-sized Pelton-Turbine
GAO 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 technolog
y 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 runner
0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。机组的稳定运行范围能实现15%〜100%的额定出力[1]，可满足电力市场的调峰、调频负荷需求，不需要增加额外的设备，机组
即可进行调相运行，与风、光互补性好，对能源环境发展具有很强的适应性。其运行效率高且变化平缓，特别是在小负荷运行时效率通常高于混流式水轮机且运行稳定性高，是其具有优势的另一个原因。在过去的几十年当中，我国水电开发集中在中、低海拔地区和西部水电资源易于开发的地区，电站机组需求机型主要是混流式、轴流式和贯流式机组。因此由于缺乏需求推动，我国企业在大中型水斗式水轮发电机组研发方面投入不足，冲击式水轮机的研制落后于国外先进厂家，国产的水斗式水轮机单机容量偏小、运行水头低、性能指标较差、用户认可度低、应用业绩少。目前，我国东、中部地区水电及中、低水头水电资源已基本开发完毕，待开发的水电资源主要集中在生态脆弱、山高谷深的西南高海拔地区R3］。对环境影响小、适用高水头和超高水头的冲击式水电机组将迎来较大应用空间，如规划中的西藏扎拉水电站，单机容量250MW，额定水头667.40m叫规划中的雅江梯级A，单机容量720MW，额定水头720m。这些电站的建设对我国水斗式水轮机技术发展既是机遇也是挑战，本文从大中型水斗式水轮机国内外应用现状出发，对大中型水斗式水轮机研制所需的关键技术进行了综述，指出了我国大中型水斗式水轮机研制需要解决的问题并提出了相关建议，供水电行业工作者参考
借鉴，以加快我国大中型水斗式水轮机的研制工作。
1国内外大中型水斗式水轮机发展情况
摆度1.1国外大中型水斗式水轮机发展情况
国外大中型水斗式水轮机的研究开发和应用主要集中在上个世纪的欧洲地区。表1为欧洲水电设备制造厂商生产的单机容量大于100MW的水斗式水轮机的参数表E句，其中瑞士的Bieudron 水轮发电机组是世界上已投运的单机容量最大的水斗式机组。该机组水斗式水轮机额定出力达到423.13MW，运行额定水头1869m，转轮设计寿命在全负荷下运行80000h。为最大限度地利用水能，大中型水斗式水轮机最多可以设置6个喷嘴，但考虑到6个喷嘴的射流干涉影响水轮机在额定负荷运行时的效率和稳定性，该机组只设置了5个喷嘴。同时为提高机组轴系的稳定性，对该机组主轴长度进行了缩短，并采用两导支撑方式，水导轴承的设计刚度为0.6mm/MN，在满负荷时水导轴承处主轴的摆度为0.04mm⑺a〕。 表1国外公司生产的部分大中型水斗式水轮机主要参数电站名称地点机组台数/台喷嘴数/个转轮宜径/mm功率/MW水头/m转速/(r/min)
La Coche法国152840240.17906.50428.6 Bieudron瑞士353933423.131869428.6达阿果中国262707132.00631.90375.0 Kema no#6加拿大143420133.00750.00327.3 Kemano#B加拿大1434201
33.00750.00327.3 hinertk ir chen1瑞士1-2770164.8067140375.0 Maur anger挪威2-2290138.91855.00500.0 Sisoll挪威162100108.20671.00500.0 Tysso II挪威162080118.53731.50500.0 Tala不丹453139170.00859.00375.0 Thuong Kon Turn越南262045112.00946.50600.0 Bitsch I&II瑞士2-2820106.20733303750 Bitsch El瑞士1-2820146.00733.30375.0 Coca Codo Sinclair厄瓜多尔863349209.20616.74300.0 Evanger挪威162285119.3478900500.0 FMHL+瑞士2-237511880874.70500.0 La Bathie法国6-32501030.01200.00428.6 Grytten挪威1-2495152.71935.16500.0 Skj omen挪威22334109.24607.77428.6 Teesta Uija II印度653020233.75817.003750 Lot ru-Giung et罗马尼亚362950187.50788.003750 Vishnuprayag印度22880120.39953.404286 Lamg Sima挪威253050260.001065.00428.6 Sy sima挪威254060315.00885.00300.0 LasMesitas La Guaca哥伦比亚342480108.501015.00514.3 GRytten挪威152424143.00920.00500.0 Aurland挪威263000243.00840.00375.0 SK挪威362260103.00585.00428.6冶勒中国262600122.50580.00375.0
在上个世纪80年代，国外公司研发的冲击式水轮机的模型效率接近92%。目前，在有些比速下，国外公司的模型最高效率已突破92%。国外公司制造的水斗式水轮机转轮的节圆直径最大已经达到4450mm，转轮大部分采用铸造加手工铲磨的方式生产，为避免运行过程中出现水斗裂纹甚至掉斗的现象，水轮机的比转速选择相对较低，但在运行过程中也会出现一些裂纹和断斗的问题。目前，随着
制造工艺的进步，转轮制造除传统铸造铲磨外，还有整体铸造+数控、整体锻造+数控、组焊、微铸等形式。
1-2国内大中型水斗式水轮机发展情况
过去因我国水电开发对冲击式机组的需求远不如混流式、轴流式和贯流式机组，我国水电设备制造企业在冲击式水电机组研制领域投入不足，严重影响了其技术的发展，开发的水斗式转轮少、容量小、效率偏低、转轮制造质量不过关。因此，在过去由我国水电设备制造企业总包制造的大中型水斗式机组（参见表2），其核心部件转轮等通常由国外公司设计和提供，如金窝、大发、仁宗海、Fan、玛依纳、辛克雷、Suki Kinari均购买了国外公司的水力设计、转轮和喷嘴总成，吉牛电站的水力设计和转轮由国外公司负责，喷嘴总成由国内厂家设计生产供货。近年来，随着国内外对冲击式水电机组需求的改善，我国企业加大了在水斗式水轮机研制领域的投入，并把现代计算机技术、计算流体力学技术、新工艺技术和新的实验技术应用于冲击式机组的研发、设计和生产，冲击式水电机组的研制能力得到了快速的发展，具备独立完成150MW 级的冲击式水电机组的研制能力，由国内公司自主研制的米纳斯机组（水轮机单机容量92.486MW）于2018年投入运行，各项指标良好。但目前我国企业开发的水斗式水轮机主要集中在800m水头段以下，在高水头、大容量水斗式机组研制的关键技术方面还有待突破。
表2国内企业总包制造的部分大中型水斗式水轮机主要参数
电站名称地点机组台数/台喷嘴数/个转轮宜径/mm功率/MW水头/m转速/(r/min)合同日期/年羊湖中国13156523.100854.0750.02004金窝中国262630143.600619.8375.02003大发中国262950123.00482.0300.02003
仁宗海中国262550123.000560.0375.02003吉牛中国262890123.000457.0300.02006 Fan埃塞俄比亚25200448.820587.5500.02007 Nadarivatu斐济25170021.440324.3428.62009
玛依纳哈萨克斯坦263500153.500471.4250.02010
米纳斯厄瓜多尔36246092.486474.51360.02012
辛克雷厄瓜多尔863349187.000604.1300.02015
圣加旺秘鲁262260107.130629.2450.02018 Suki Kinari巴基斯坦463200224.400859.2375.02019
2水斗式水轮机关键技术
从水斗式水电机组的工作原理、结构组成、研制路径分析，高效率的大中型水斗式水电机组研制难点主要集中在水轮机部分，其关键技术主要包括参数设计、转轮水力设计、配水环管设计、导轴承设计、抗磨蚀技术、转轮制造工艺等方面。
2.1参数设计
水斗式水轮机的参数选择主要包括转轮直径与射流直径比（。佩）、水斗数、喷嘴参数、飞逸转速等，其中DJd。、水斗数、喷嘴参数是影响水斗式水轮机效率的重要因素，飞逸转速是影响机组总体设计的重要参数。
2.1.1水斗式水轮机D]/d。与效率的关系
水斗式水轮机的效率与有较大的关系，比值越大，效率越高，水轮机运行的稳定性越好，图1可以清楚的反映该比值对效率的影响，现有技术水平下水斗式水轮机的最优效率与DJd。的关系为71_=0.093x®/do）+91.336，水轮机0佩比值增大，机组的转速降低，经济性变差，过大的比值，引起转轮直径增大，风损增加，效率降低，在参数选择时，要进行多方案的技术经济比较，选取合理的比值。对于水头范围600~1000m的大中型水斗式水轮机，建议Di/d°在11~15之间取值，高水头
取大值，低水头取小值，国外公司研发的某电站水 斗式水轮机在DJd.为14.8时，模型最高效率已达
92.72% o
O 8
4
2 0 8 6 4
3.22.2
22.1.1 .L 999999999
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16
11
11^12131415转轮直径与射流直径比坷/d 。
图1模型水轮机最高效率与0/d 。的关系
2.1.2水斗数的选择
水斗数对水轮机的效率有较大的影响，研究塔 捷夫电站模型转轮时，由于其采用水斗固定在 上的设计，布置19个水斗在结构上很困难，故将 水斗数减少到18个，从容积损失的计算分析可知， 18个水斗的转轮有容积损失，而19个水斗却没 有。模型试验结果表明20个水斗水轮机效率最高。 水斗数与之间的关系见表3。尽管从强度和 工艺方面都希望减少水斗数，但是近代水斗式转
轮水斗数的变化很小，20年来大巨型水斗式转轮 的水斗数从未少于20个，一般为21或22个，只 是在个别情况下水斗数达到23或24。对于水头在 500~1000m 之间的水斗式水轮机，0/4。在10~15 之间，建议水斗数为20~23个。
表3水斗数与之间的关系
DJdo 6810152025
Z/个
17-21
18-2219-2422-27
24-3025-33
内置接力器的喷针，在电站的水头小于1000m 时，
推荐采用90。/50。组合的喷嘴。
2.1.4水斗式水轮机飞逸转速选取
飞逸转速影响大中型水斗式水轮机机组的整 体设计难度。在模型转轮飞逸试验中，会得到不同 喷嘴数和行程组合下的转轮单位飞逸特性，利用单 位转速计算公式和相应原型水轮机直径、水头参 数，即可得到不同喷嘴数组合的原型水轮机最大飞 逸转速。通常，对于多喷嘴水斗式水轮机，两喷嘴 运行时单位飞逸转速最高，且随着D 佩的增加， 转轮单位转速有增加的趋势，真机水轮机最大飞逸 转速甚至达到1.8倍的额定转速以上P]o 考虑到水 斗式机组本身转速较高，过高的飞逸转速使机组轴
系的临界转速很难满足GB/T 15468-2006要求的轴 系的第一阶临界转速应不小于最高瞬态飞逸转速的
120%o 但在水斗式水轮机飞逸转速实际换算时， 由于机组轴承和主轴密封所引起的摩擦损失和电机 转子风损较大，考虑风损后，实际的飞逸转速要小 于由模型直接换算的飞逸转速，从而降低了高速大
容量发电机的设计难度。图2为某电站考虑风损后 的计算曲线，考虑风损后最大飞逸转速可降低约 1.5%~2.0%0
对于单机容量大于300MW 的高水头水斗式水 轮机，飞逸转速按1.785倍的额定转速，很难满足 GB/T 7849-2009要求的水轮机与发电机组安装完毕 后，机组转动部分的第一阶临界转速应不小于最大
飞逸转速的120%[10]，由于有限元技术的不断进步， 机组转动部分的临界转速计算的精确度越来越高，
对于避免机组共振而言，只要错开10%的余量就 可以，考虑到计算的误差，留有5%的余量，建议 对单机容量大于300MW 机组，把第一阶临界转速 与最大飞逸转速的比值降低到1.15。
2.1.3喷嘴的参数设计
现代水斗式水轮机喷射机构的喷管具有无拐 点的平面流线型的内表面，它的入口处与圆柱面 平稳相交，在出口处沿垂直其轴线的平面突然截 断。喷嘴显著的特征角是喷针锥角和喷管头锥角。
通常使用的喷嘴角度为60。/45。、80。/55。、90。/50。、 90°/60%如果喷针接力器布置在喷管内部，则喷管 头的锥角允许取稍大些，喷管头的锥角为1.6-1.8 倍的喷针锥角。近年来，喷针均采用内置接力器，
喷嘴角度一般选为90。/50。，如CCS 、大发、吉牛、 玛依纳、米纳斯机组均采用内置接力器的喷针结构。 模型试验结果显示，这种角度至少可使水轮机效率
增加0.15%。从当前的研究成果可以看出，对采用
s
d
腴辑隼罡詡M
-4000
6000
二喷嘴飞逸特性原型换算值■原型飞逸转速nR
4000
20004C 占原型机械损耗
原型飞逸转速n R /(r/min)
图2某电站原型水轮机飞逸转速确定
2.2转轮水力设计技术
水斗式转轮的设计既要保证水力性能优良，又
要保证具有足够的强度，避免局部应力过高，是水斗式水轮机设计的关键。随着计算流体动力学CFD 数值模拟技术的应用，大幅提升了水斗式水轮机的设计开发效率和开发水平。但是由于水斗式水轮机做功过程存在自由界面，水斗式水轮机水斗建模复杂，CFD数值模拟在涉及到两相流、非定常模拟计算等方面还存在不足阿，同时水斗式水轮机CFD 数值计算较之其他水轮机机型耗时要长，国内对水斗式水轮机水力研发工作较少，缺乏足够的经验和转轮数据库，CFD数值技术水平还有待提高，需开发专用的水斗式水轮机数值分析软件和搭建水斗式水轮机快速水力设计优化平台，实现水斗式水轮机内部流态的精确模拟和数值分析，以提高转轮的开发效率和转轮的设计水平。
2.3配水环管设计
配水环管对水斗式水轮机效率有一定的影响，此外多喷嘴水斗式水轮机进水管的重量约占整个水轮机总重的30%~40%凹。因此，确定配水管的最优尺寸和形状，使之既满足水力方面的要求，又不使金属消耗量过大，是一个设计难点。为减少进水管中的水力损失，应尽可能的缩短流道长度，使流道的曲
率较小且水流在其中流过的速度最小。更重要的是必须使配水管在喷射机构的入口前建立无涡旋的均匀流速场，以利于提高射流质量。水斗式水轮机过流部件采用的水流速度相对于混流式水轮机低一些。通常V=Kx(2gH)05，推荐K取小于等于0.09，水头较高时取值应选得小些。机组水力性能最优的结构是采用单喷嘴水轮机配带直流喷嘴的进水管。为了大大减小多喷嘴水轮机进水管流道相对曲率，理论上是应当增大机组的尺寸和流道长度。但实际采用的配水管流道曲率和长度取决于结构因素。为减小进水球阀的制造难度，也可取较高的流速值，建议流速不超过18m/s，球阀后的配水环管的进口采用扩散形式，扩散角不大于6。为宜。
流道断面尺寸较大时，流速将变小，同时增大流道直径将导致金属消耗量和机组尺寸的增加。通常流道断面尺寸是这样确定的：使其内水流的平均速度在所有断面上相同或是在运动方向上有某些增加(收敛型流道)。在喷射机构附近，流道直径应为喷嘴出口直径的3~3.5倍。所以，即使在最大负荷时，与喷嘴出口处射流相比，进水管流道内的平均流速要低10倍，而水流的动能则要小100倍。在部分负荷时，进水管内水流的动能与射流的动能相比则更小。故在进水管内直接的水力损失相对是不大的。
人们曾长时间认为多喷嘴水轮机由于进水管的输水道更为弯曲从而使效率降低，作功后的水流疏散条件恶劣，可能会造成射流更大的倾斜。但深入的研究发现，对于精细确定水力型线的多喷嘴水轮机，这些损失是不大的，在任何情况下由此增加的水力损失均小于采用多喷嘴后所减小的风损和机械损耗，从现在的研究结果看通过优化配水环管流道提升效率效果有限。
2.4导轴承设计
水斗式水轮机与反击式水轮机不同，反击式水轮机理论上水流冲击转轮为360°均匀分布，而水斗式水轮机是通过喷嘴射流冲击转轮，因此当投入的喷嘴数不同时，产生的径向力也发生很大变化。对于立式3喷嘴及以上的水斗式水轮机，一般以单喷嘴运行时的最大径向力作为轴承设计的径向载荷。对于水头为1000m的水斗式水轮机，在单机容量为800MW时，单喷嘴运行的最大径向力为2700kN，径向力是瑞士Bieudron机组的2.5倍，远远大于已投运的水电机组。为降低导轴承的设计难度，对于单机容量大于200MW的水斗式水轮机，应避免单喷嘴运行，在设计控制策略时，应把最小运行的喷嘴数设定为2，把两喷对称或准对称运行的最大径向力作为设计的输入条件，把单喷嘴运行的最大径向力作为导轴承承载力和发热计算的校核条件，并应开展大容量高转速高水头水斗式水轮发电机组轴承承载力和发热计算的专题研究，确保机组安全稳定运行。
2.5抗磨蚀技术
含沙水流通过水轮机过流部件时，部件均会遭到不同程度的破坏，对水斗式水轮机而言尤以转轮、喷针、口环、折向器等流速较高的零部件为甚，破坏非常严重的水轮机甚至无法修复。国外对水斗式水轮机的泥沙磨损问题进行了一定的研究问，我国近十年才有了中型水斗式水轮机的运行，对该机型的泥沙磨损研究比较少，为了更好的了解水斗式水轮机的泥沙磨损问题，需要对该问题进行研究冲均。
特别是要降低泥砂磨损给水轮机运行带来的严重危害，必须从水库和水电站沉砂设施的合理设计和运用，改善在含砂水流中工作的水轮机抗磨性能，研制抗泥砂磨损性能优越的金属与非金属材料，提高表面喷涂材料的结合强度和抗磨性能等方面入手，采取综合技术措施达到这一目的。
对于高水头水斗式水轮机应采取必要的水工措施，尽可能的减小泥沙粒径大于0.2mm的泥沙通过水轮机的含量。600m、700m、800m、900m、1000m水头段的水斗式水轮机，允许等效莫氏硬度大于等于4的过机泥沙含量应分别不大于0.030g/L、0.025g/L、0.023g/L、0.020g/L、0.019g/L o如果过机泥沙超过上述要求，需对水轮机进行特殊的抗泥沙
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