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含沙水流运行条件下混流式水轮机的水力设计 端润生 (水利部发展研究中心，北京100038) 【摘要】一些需装置混流式水轮发电机组的水电站，过机水流含沙量高和水头变幅大，要在这样特殊的运行条 件下，设计出具有良好抗磨蚀性能、较高效率和优良运行稳定性的水轮机，水力设计技术难度很大。本文结合 小浪底水轮机的选型设计、国际技术交流和招标采购，对令世人瞩目的这一被世界上有名厂商认为是具有挑战 性的工作，作了详尽而深入地阐述，高度概括并总结了所述条件下混流式水轮机水力设计的思路、方法和特点， 富有新意和技术深度。 【关键词】水轮机磨蚀破坏综合治理含沙水流运行要求水力设计 1引言 治理水轮机过流部件的磨蚀破坏是一项复杂的系统工程，影响因素多，涉及面广，技术难度大，虽积 累了丰富经验，但要很好解决，还需长期艰苦努力。据初步统计，我国约有占大中型水电总装机容量 40％左右的水轮机遭受到泥沙磨损危害。在建的小浪底等电站如何最大限度地减少水轮机的泥沙磨损成为 工程建设中关键技术难题之一。 由于各方面重视，在减缓水轮机磨蚀破坏的对策上近来取得了不少进展。在小浪底水轮机的询价书、 技术交流和合同中反映了综合治理的许多新观点，其要点如下：在电站枢纽布置上，应采取尽量减少过机 含沙量的措施；合理安排调电、调水和排沙，有可能则使水轮机避开沙峰运行；适当降低水轮机的比转速 以降低流道中关键部件的过流速度；对转轮、导水机构等要采用优秀的、配套的水力设计，使流态较好， 空蚀安全裕度大，不片面追求高效率，对转轮的迷宫和上冠排水等要有特殊考虑；在含沙量高的汛期，使 水轮机运行在最优工况区域，同时要求做到无空蚀运行；有针对性地选择抗磨蚀性能好的材料；提高制造 质量和加工工艺，对表面粗糙度、波浪度和光洁度提出严格的技术标准，具有已被证明是有效的表面喷涂 防护措施，易于现场采用；结构上应方便维修和更换易损件；合理安排运行及检修等。’ 为了充分利用我国在水轮机抗磨蚀方面的经验，同时博采世界上先进的水力设计等优势，在我国有关 部门的大力支持下，小浪底水电站的6台套单台额定出力为306MW的混流式水轮机及其附属设备，是利 用买方信贷方式国际议标采购的。参加“小浪底水电站水轮机设备国际技术交流会”的国外水轮机制造厂 后，将合同授予伏伊特(vorIH)公司。本文作者为水利部小浪底机电设备招标协调会议水轮机咨询专家 组组长，也是技术交流会中方主要发言人。本文仅就含沙水流运行条件下混流式水轮机的水力设计作一阐 述，以期通过小浪底的典型例子，把握含沙水流运行条件下混流式水轮机水力设计的要点和特点。 2小浪底水轮机的含沙水流运行条件 由于小浪底水电站位于黄河中游的高含沙河段，电站具有水流含沙量高和水头变幅大的特点。表1为 电站各运行时段水轮机净水头，从表1中可见，最大、最小水头之比大于2。为了使水轮机尽可能靠近最 优效率区运行以减轻磨蚀，同时考虑到在最初10年运行期内，转轮因磨蚀已进行检修，因此有的厂商曾 建议电站采用两种不同的转轮设计，在不改变过流部件尺寸的前提下只需更换转轮。分析认为，采用两个 转轮比只用一个转轮更适应全部水头范围，运行性能较好，综合年平均效率较高，但据估价，更换一个转 415 第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷) 轮约需2000万元人民币。本文仅考虑采用一个转轮的方案。 表1 电站各运行时段水轮机净水头 水库运用期 初 期 正常运用期 年 序 第1—3年 第4—10年 第ll—14年 第15—28年 第28年以后 加权平均水头 7．9月 74．17 91．73 1cr7．22 109．22 107．22 (m) 10—6月 98．49 111．47 123．38 124．06 125．84 水头范围 最大 131．67 131．67 141