水輪機(jī)是將水流機(jī)械能轉(zhuǎn)換為固體機(jī)械能的水力原動(dòng)機(jī)。根據(jù)在水輪機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的水流能量形式及水流在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征，貫流式水輪機(jī)屬于軸流式水輪機(jī)一類(lèi)。而根據(jù)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)組的布置形式，貫流式水輪機(jī)有全貫流式、半貫流式(燈泡貫流、軸伸貫流和豎井貫流)等形式的區(qū)別。
1 貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
貫流式水輪機(jī)的流道形式和軸流式水輪機(jī)不同，為保證向?qū)畽C(jī)構(gòu)均勻供水和形成必要的環(huán)量，保證導(dǎo)葉較平滑繞流，軸流式水輪機(jī)需設(shè)置蝸殼，其流道由蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機(jī)沒(méi)有蝸殼，流道由圓錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和直錐擴(kuò)散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置，從流道進(jìn)口到尾水管出口，水流沿軸向幾乎呈直線(xiàn)流動(dòng)，避免了水流拐彎形成的流速分布不均導(dǎo)致的水流損失和流態(tài)變壞，水流平順，水力損失小，尾水管恢復(fù)性能好，水力效率高。燈泡貫流機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝置在水輪機(jī)流道中的燈泡形殼體內(nèi)，采用直錐擴(kuò)散形尾水管，流道短而平直對(duì)稱(chēng)，水流特性好。大型貫流機(jī)組幾乎都是燈泡機(jī)組，中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。
貫流式水輪機(jī)單位過(guò)流量大，轉(zhuǎn)速高，水輪機(jī)效率高，且高效區(qū)寬，加權(quán)平均效率也較高，具有比軸流式水輪機(jī)更優(yōu)良的能量特性。其特征參數(shù)比轉(zhuǎn)速ns、可達(dá)1000以上，比速系數(shù)可達(dá)3000以上。與軸流式水輪機(jī)相比，在相同水頭和相同單機(jī)容量時(shí)，其機(jī)組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機(jī)組造價(jià)低。貫流機(jī)組電站還可獲得年發(fā)電量的增加。
貫流式水輪機(jī)的空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機(jī)，其空化系數(shù)相對(duì)較小，機(jī)組可靠性高，運(yùn)行故障率低，可用率高，檢修時(shí)間縮短，檢修周期延長(zhǎng)。對(duì)于低水頭資源開(kāi)發(fā)，貫流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍寬，在極低水頭時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行(如超低水頭1.5m以下)，是其他類(lèi)型的水輪機(jī)不可比的。如廣東白垢電站，額定水頭6.2m，*大水頭10.0m，但在1.3m水頭時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。
貫流式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡(jiǎn)潔，廠(chǎng)房土建工程量較小，可節(jié)省土建投資。貫流機(jī)組設(shè)備運(yùn)輸和安裝重量較輕，施工和設(shè)備安裝方便，可縮短工期，實(shí)現(xiàn)提前發(fā)電。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)水電站的統(tǒng)計(jì)資料，采用燈泡貫流機(jī)組比相同容量軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組，電站建設(shè)投資一般可節(jié)省10%～25%，年發(fā)電量可增加約3%～5%。如我國(guó)廣東白垢和廣西馬騮灘水電站，投資節(jié)省分別達(dá)22.6%和24%。小型水電站采用軸伸貫流機(jī)組與立式軸流機(jī)組比較，也可節(jié)省建設(shè)投資約10%～20%。由此可見(jiàn)，貫流式水輪機(jī)是開(kāi)發(fā)低水頭水能資源的一種*經(jīng)濟(jì)、適宜的水輪機(jī)形式，具有資源利用充分、投資節(jié)省的優(yōu)勢(shì)和電量增值、綜合效益增值的效果。
2 國(guó)內(nèi)外貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀
貫流式水輪機(jī)自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)，因其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性和適用性而得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，包括燈泡貫流發(fā)電機(jī)技術(shù)在內(nèi)的貫流機(jī)組技術(shù)日益成熟，貫流式水電站的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)日益豐富。國(guó)外水頭25m以下的水電開(kāi)發(fā)，已出現(xiàn)取代軸流式水輪機(jī)的局面。貫流機(jī)組技術(shù)在1960～1990的發(fā)展*為迅猛，這一時(shí)期投入運(yùn)行的貫流機(jī)組，*大單機(jī)容量達(dá)65.8MW(燈泡貫流，日本只見(jiàn))，*大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)8.2m(豎井貫流，美國(guó)墨累)，*高工作水頭達(dá)22.45m(燈泡貫流，日本新鄉(xiāng)**)。
我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始貫流式水輪機(jī)的研究和應(yīng)用，到20世紀(jì)80年代，貫流機(jī)組技術(shù)及其應(yīng)用取得突破性的進(jìn)展，1983年引進(jìn)設(shè)備的**座大型燈泡貫流機(jī)組電站一湖南馬跡塘水電站建成，1984年自主開(kāi)發(fā)的廣東白垢電站轉(zhuǎn)輪直徑5.5m，單機(jī)容量10MW燈泡貫流機(jī)組投運(yùn)，標(biāo)志著具備自行開(kāi)發(fā)研制大型貫流機(jī)組設(shè)備的能力。貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用研究和運(yùn)行技術(shù)也獲得了發(fā)展，積累了經(jīng)驗(yàn)。*近20年來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)建成引進(jìn)設(shè)備、技術(shù)合作或自行裝備的大型燈泡貫流機(jī)組電站數(shù)十座，如凌津?yàn)?、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電?大工作水頭27.3m，單機(jī)容量45MW，是目前世界上應(yīng)用水頭*高、國(guó)內(nèi)單機(jī)容量*大的燈泡貫流機(jī)組。國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的燈泡貫流式水輪機(jī)*大轉(zhuǎn)輪直徑已達(dá)7.5m。目前規(guī)劃或在建的貫流式水電站遍布國(guó)內(nèi)各地，在建的廣西長(zhǎng)洲水電站裝機(jī)15臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)621.3MW。在西北地區(qū)，20世紀(jì)80年代開(kāi)始貫流式水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)，并完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現(xiàn)已建成青海尼那電站，寧夏沙坡頭電站即將竣工，甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我國(guó)海拔*高的大型燈泡貫流機(jī)組電站，沙坡頭則是應(yīng)用于高含沙水流的**座大型燈泡貫流機(jī)組電站，各具特色，為貫流式水電站的開(kāi)發(fā)提供了新的經(jīng)驗(yàn)。
對(duì)于低水頭小型水電站，軸伸貫流水輪機(jī)和豎井貫流水輪機(jī)具有與燈泡貫流水輪機(jī)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，國(guó)外20m以下的小水電開(kāi)發(fā)，已逐步取代軸流機(jī)組。據(jù)文獻(xiàn)介紹，國(guó)外已運(yùn)行的軸伸貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)8.6m，單機(jī)容量達(dá)到31.5MW，*大使用水頭達(dá)到38m。我國(guó)軸伸貫流式水輪機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)起步較晚，自行研制的GZ006、GZ007(5葉片)等轉(zhuǎn)輪的性能達(dá)到或超過(guò)******，但尚沒(méi)有得到普遍的技術(shù)推廣和形成相應(yīng)的生產(chǎn)和市場(chǎng)規(guī)模。國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的軸伸貫流水輪機(jī)多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，*大轉(zhuǎn)輪直徑2.75m，單機(jī)容量3.5MW，*大使用水頭22m。而豎井貫流和全貫流機(jī)組技術(shù)開(kāi)發(fā)程度較低，應(yīng)用很少，與國(guó)外存在明顯差距。
3 貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展探討
我國(guó)水電資源豐富，第四次水力資源復(fù)查成果顯示，國(guó)內(nèi)江河水電資源蘊(yùn)藏量達(dá)7億kW，可開(kāi)發(fā)量5億kW，經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)量4億kW。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)量1億kW，只占到經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)量的25%。我國(guó)江河的低水頭水力資源，根據(jù)文獻(xiàn)估算，水頭在10m左右的資源量占到可開(kāi)發(fā)資源的約500，達(dá)0.2億kW以上。此外，我國(guó)大陸和島嶼海岸線(xiàn)蘊(yùn)藏著巨大的海洋潮汐能資源，可開(kāi)發(fā)量超過(guò)0.21億kW，尚未進(jìn)行規(guī)模開(kāi)發(fā)。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，我國(guó)適用于貫流式水輪機(jī)開(kāi)發(fā)的低水頭水能資源蘊(yùn)藏巨大，貫流式水輪機(jī)應(yīng)用前景廣闊，需求巨大。經(jīng)過(guò)40余年的研究與實(shí)踐，我國(guó)對(duì)貫流機(jī)組設(shè)備開(kāi)發(fā)、研制以及貫流水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行技術(shù)都取得了很大的發(fā)展和成就。對(duì)于25m以下低水頭水電開(kāi)發(fā)，優(yōu)先選擇貫流機(jī)組，已基本形成共識(shí)。但目前國(guó)內(nèi)貫流機(jī)組設(shè)備技術(shù)和供給能力還不能滿(mǎn)足水電建設(shè)的需要，許多大型或**的機(jī)組設(shè)備需要國(guó)際市場(chǎng)供貨，國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品在設(shè)備性能、單位千瓦材料消耗等技術(shù)方面存在著較明顯的差別，中小型貫流機(jī)組產(chǎn)品的多樣性和技術(shù)適應(yīng)性也不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)或適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)的需求。由于研發(fā)能力和技術(shù)水平的限制，又影響貫流式水輪機(jī)的廣泛應(yīng)用。因此，**提升我國(guó)貫流式水輪機(jī)的技術(shù)水平，任務(wù)迫切，意義深遠(yuǎn)。
推進(jìn)我國(guó)貫流水輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)當(dāng)關(guān)注貫流機(jī)組大型化技術(shù)的發(fā)展，并致力于提高國(guó)內(nèi)貫流機(jī)組整體技術(shù)水平。
根據(jù)對(duì)貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用及其技術(shù)發(fā)展的分析，應(yīng)用水頭逐漸提高、貫流機(jī)組大型化是國(guó)際貫流水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，這也和我國(guó)低水頭水電開(kāi)發(fā)對(duì)大型貫流機(jī)組的應(yīng)用需求相吻合。貫流機(jī)組對(duì)開(kāi)發(fā)低水頭水電資源具有優(yōu)勢(shì)，而這些資源的開(kāi)發(fā)地點(diǎn)往往位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的平原或河谷地區(qū)，自然資源富集或處于交通要道(如黃河上游等地區(qū))。這類(lèi)水電資源經(jīng)濟(jì)合理的開(kāi)發(fā)，要求實(shí)現(xiàn)發(fā)電、防洪、航運(yùn)等綜合利用功能，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和土地資源，減少移民搬遷及交通設(shè)施等淹沒(méi)、浸沒(méi)及賠償，修建高壩大庫(kù)通常已不適宜。為了優(yōu)化開(kāi)發(fā)方案和工程總體布置，便于工程綜合功能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)，有利于保護(hù)生態(tài)和環(huán)境等資源，往往需要采用單機(jī)容量(機(jī)組尺寸)更大或應(yīng)用水頭更高的貫流機(jī)組。
大型化貫流式水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)不存在重大的技術(shù)難題，但機(jī)組設(shè)計(jì)、制造與安裝等方面的一些關(guān)鍵技術(shù)，以燈泡機(jī)組為例，燈泡體及水輪機(jī)的支承結(jié)構(gòu)，軸系的分析計(jì)算、大噸位軸承的設(shè)計(jì)制造，發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻，機(jī)組的剛度及振動(dòng)特性的評(píng)估、優(yōu)化，大尺寸機(jī)組的安裝技術(shù)等，存在較大的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。近年，我國(guó)水電業(yè)界結(jié)合湖南洪江、廣西惡灘擴(kuò)建工程、四川桐子林等水電站機(jī)組的選型設(shè)計(jì)，對(duì)此進(jìn)行了研究。在洪江水電站，對(duì)采用燈泡貫流機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)及制造難度，與日本只見(jiàn)、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)論是技術(shù)可行。該工程已成功實(shí)施，成為我國(guó)貫流電站技術(shù)進(jìn)步的典型案例。而惡灘擴(kuò)建工程采用燈泡貫流機(jī)組方案，其應(yīng)用水頭和單機(jī)容量等設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)組設(shè)計(jì)制造的技術(shù)難度均已超越了世界上已運(yùn)行的同類(lèi)電站機(jī)組，研究表明采用燈泡貫流機(jī)組在技術(shù)上是可行的。兩座電站的經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)也都表明，可節(jié)省建設(shè)投資和獲得年電量的增加，特別是惡灘擴(kuò)建工程采用8臺(tái)75MW燈泡貫流機(jī)組與采用4臺(tái)150MW軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組的方案比較，前者首臺(tái)機(jī)組提前9個(gè)月發(fā)電，工程總工期縮短一年，其提前發(fā)電的電費(fèi)收入，與比后者高出的投資差基本相抵(貫流機(jī)組方案設(shè)備投資概算按采用2臺(tái)進(jìn)口、6臺(tái)合作編制)，每年還可多獲得約3%的電量增加，其經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)越。上述研究也說(shuō)明，開(kāi)發(fā)、應(yīng)用25～35m水頭段的貫流式水輪機(jī)和單機(jī)容量75MW及以上的燈泡貫流機(jī)組，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上仍處于有利和合理范疇。
**提高我國(guó)貫流式水輪機(jī)的整體技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)包括產(chǎn)品研制技術(shù)(水力開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)分析、制造工藝、試驗(yàn)研究等)及產(chǎn)品的技術(shù)性能、貫流式水輪機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和運(yùn)行等技術(shù)水平的**提升，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際和借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)如計(jì)算機(jī)CFD、FE、CAD/CAM等及現(xiàn)代制造技術(shù)在貫流式水輪機(jī)開(kāi)發(fā)、研制和運(yùn)行等領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收．研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的貫流式水輪機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)，這是提升我國(guó)貫流式水輪機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必然途徑。此外，我國(guó)的各類(lèi)水電資源開(kāi)發(fā)，包括廣大農(nóng)村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規(guī)模開(kāi)發(fā)，需要技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性?xún)?yōu)越的，包括各類(lèi)貫流式水輪機(jī)在內(nèi)的多樣性的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軸伸貫流式水輪機(jī)的研究和推廣應(yīng)用，完善軸伸貫流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的研究并形成系列型譜；應(yīng)加強(qiáng)對(duì)用于潮汐能源開(kāi)發(fā)的雙向可逆貫流機(jī)組、全貫流機(jī)組及豎井貫流機(jī)組的技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究；對(duì)齒輪增速技術(shù)及設(shè)備在貫流機(jī)組的應(yīng)用，以及貫流水輪機(jī)適用的調(diào)速設(shè)備的開(kāi)發(fā)等技術(shù)課題，應(yīng)進(jìn)行**的規(guī)劃布局和系統(tǒng)的研究。
4 結(jié)語(yǔ)
推進(jìn)我國(guó)貫流式水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展水平進(jìn)行客觀(guān)的評(píng)估，對(duì)貫流機(jī)組的需求情況(包括近期和遠(yuǎn)期需求)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，制訂技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，指導(dǎo)發(fā)展研究。我國(guó)有巨大的市場(chǎng)需求，**提升貫流機(jī)組的技術(shù)及應(yīng)用水平，將為我國(guó)低水頭水電資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也將為我國(guó)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備提高競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。