2　水轮机选型的技术经济比较

根据该水电站各方面的技术经济参数，并经过认真仔细的初步计算，可以知道有8种可能的技术可行性方案：①单喷嘴单转轮；②双喷嘴单转轮；③三喷嘴单转轮；④单喷嘴双转轮；⑤双喷嘴双转轮；⑥三喷嘴双转轮；⑦四喷嘴单转轮；⑧四喷嘴双转轮。

冲击式水轮机初步选型方案讨论见表1。

从上述计算中选择合适的方案。

根据不同的选择有以下8种型号水轮机及其难度系数和质量，列于表2中，供进一步选型。

从表2的结论来看，方案5的技术经济效果是最好的，其技术难度系数及难度系数质量也最小，其次是方案8。

结合多年的实际工作经验和水电站设计运行的技术经济需要，从以上8个技术可行性方案里优选出了下面4个方案进行技术和经济方面的可行性优劣比较，希望能够对该老挝3+1项目中水斗式水轮机的选型提供一个比较合理的实施技术方案，为进一步正确决策提供较佳的技术参考数据。

（1）双喷嘴单转轮水轮机（图1）。型号为CJ××××-W-205/2X21。

此时经过认真反复的计算和比较，水轮机的最佳计算转速n=518r/min，选额定转速n=500r/min。因此，与水轮机配套的水轮发电机型号为SFW42-12/4250。此时的=0.065m3/s，按飞逸特性表查得=73r/min，则飞逸转速nr=910r/min，nr/n=910/500=1.82。

结构说明：水轮机转轮单悬臂装设于发电机伸出来的主轴上，两个射流喷嘴有序地装设在进水压力钢管与水轮机机座之间，并固定在水轮机机座上的预置孔道内，工作压力水通过喷嘴后形成高速束状射流，作用在水轮机水斗上，带动转轮旋转做功，并通过主轴把旋转能量传递给发电机。

优点：属于常规的卧式水斗式水轮机，技术较为成熟。

缺点：虽然是属于常规的卧式水斗式水轮机的结构，但是目前国内外还均无体积这么大，质量这么大的卧式水斗式水轮机，所以其实它的技术复杂程度，即难度却并不低。尤其是这么大的转矩分别由发电机的两个导轴承来承受，这就对轴承的设计、制造和安装调试带来了不可忽视的挑战（也可能是致命的挑战）。

这样就将会使该技术经济方案在技术可行性和经济价值上都成为了一个比较差的方案。

如采用此方案，该机将成为目前世界上体积最大的卧式水斗式水轮机，并将对发电机的卧式轴承提出较为严苛的技术和工艺生产加工及安装调试方面的要求，故应慎之。

因此，尽管业主在该项目的特殊技术规范里，已经明确规定了初步选择此双喷嘴单转轮的技术方案，本着“客户是上帝，一切为了客户”的目标，还是建议相关部门进一步与客户沟通，进行修改。

（2）三喷嘴单转轮水轮机（图2）。型号为CJ××××-W-180/3X17。

此时经过认真反复的计算和比较，水轮机的最佳计算转速n=605r/min，选额定转速n=600r/min。因此，与水轮机配套的水轮发电机型号为SFW42-10/4000。此时的=0.088m3/s，按飞逸特性表查得=71r/min，飞逸转速，nr/n=1033/600=1.72。

结构说明：水轮机转轮还是单悬臂装设于发电机伸出来的主轴上，3个射流喷嘴有序地装设在进水压力钢管与水轮机机座之间，并固定在水轮机机座上的预置孔道内，工作压力水通过喷嘴后形成高速束状射流，作用在水轮机水斗上，带动转轮旋转做功，并通过主轴把旋转能量传递给发电机。

由于多设置了一个射流喷嘴，因此机组的体积和质量也都得到了一定的优化和改善，而且水轮发电机组的额定转速也得到了一定的提高，这样对于减少机组体积和质量（也同时降低了轴承轴瓦的有效载荷）是非常有利的。

优点：该方案在满足客户的所有技术要求的前提下，可以使机组的体积和质量都可以得到有效减小，而且在技术难度和复杂性上对于双喷嘴单转轮水轮机技术方案来说，得到了很大的改善。

因为水轮发电机组的体积和质量都得到了有效减小，所以其发电机的两个导轴承的设计、制造和安装调试的难度也就得到大大的缓解，因此也是能有效实现机组正常运行目标的。

缺点：应该特别说明的是，目前在我国成功运行的卧式三喷嘴水斗式水轮机还很少，因此这方面的经验还是有待于进一步完善（不过三喷嘴与两喷嘴的最大区别是在进水环管的结构和制造工艺上，只要认真严格按照相关标准来进行，也应该能够满足要求）。

另外在设计、制造加工以及水电站现场工地进行安装调试上也是有一定的技术难度的，这主要体现在进水环管和发电机的两个导轴承上，不过比之双喷嘴单转轮水轮机技术方案来说，技术难度也有一定的减小。

结论：该方案应该是作为最优的备选技术方案。

（3）双喷嘴双转轮水轮机（图3）。型号为2CJ××××-W-180/2X15。

此时经过认真反复的计算和比较，水轮机的最佳计算转速n=709r/min，可以调整为额定转速n=750r/min。因此，与水轮机配套的水轮发电机型号为SFW42-8/3750。此时的=0.112m3/s，按飞逸特性表查得=78r/min，飞逸转速=1243r/min，nr/nr=1243/750=1.66。

结构说明：如果把两个转轮分别布置在发电机的两端，这实际上就变成了两台水轮机共同带动一台水轮机了，这仍然将增加机组体积和质量，而且在水电站现场安装和检修时对发电机的转子线圈的拆装也都是非常麻烦的。所以业主在该项目的特殊技术规范里不一定会认可这种技术方案。

因此，为尽量满足业主要求，我们把两个转轮依次并联安装布置在发电机一端伸出的主轴上，因为这一段悬臂过长，所以考虑增加了一个导轴承，这样水轮发电机组的轴系统就变成了通用的三支点结构，可以更好地满足机组的受力条件。

不过这样也的确是把机组的技术复杂程度增大了，但是对于机组的轴承系统是有好处的。

如果上面的两支点轴系统结构经过详细计算仍然不能满足轴承的设计技术要求的话，此方案倒也不失为一个最佳的后备选择。

优点：水轮机结构变得更加紧凑，体积和质量都可以得到进一步的优化性减小，而且因为增加了一个轴系轴承支点，所以机组受力状态应该更加得到改善，运行工况也会更加平稳。

缺点：因为多装设了一个转轮，同时又多了一个轴承支点，因此在结构上更复杂，安装和盘车时的难度也有所增加。

装拆发电机转子线圈时可以取掉电机尾部的轴承座，从这一端进行发电机转子线圈的穿心或取心，还是可行的。

从机组制造成本来看，是有一些好处的，但是因为水斗式水轮机的主要成本是在水轮机转轮上，而现在一个转轮变成了两个，那么在转轮的总质量上还是有所增加，因此在成本上也有所增加。

对于水斗式水轮机的飞逸特性，与反击式水轮机也是有区别的。因为在水斗式水轮机的结构上设置有折向器，必要时可以迅速投入折向器，使喷嘴射流偏转，不作用在转轮上，还可以迅速开启反向喷嘴使机组飞逸转速得到有效控制，都可以有效地防止机组的飞逸破坏后果，这是与反击式水轮机不同的地方。

结论：该方案应该是作为最优的推荐选型技术方案，这样的话，该水电站的选型就应该是比较理想的了。

（4）三喷嘴双转轮水轮机（图4）。型号为2CJ××××-W-150/3X13。此时经过认真反复的计算和比较，水轮机的最佳计算转速n=765r/min，可以调整为额定转速n=750r/min；因此，与水轮机配套的水轮发电机型号为SFW42-8/3750。此时的=0.103m3/s，按飞逸特性表查得=71.5r/min，飞逸转速，nr/n=1367/750=1.82。结构说明：如上所述，这时把两个转轮分别布置在发电机的两端，这实际上就变成了两台水轮机共同带动一台水轮机了，这仍然将增加机组体积和质量，而且在水电站现场安装和检修时对发电机的转子线圈的拆装也都是非常麻烦的。所以业主在该项目的特殊技术规范里不一定会认可这种技术方案。

因此为尽量满足业主要求，我们把两个转轮依次并联安装布置在发电机一端伸出的主轴上，因为这一段悬臂过长，所以考虑增加了一个导轴承，这样水轮发电机组的轴系统就变成了通用的三支点结构，可以更好地满足机组的受力条件。

不过这样也的确是把机组的技术复杂程度增大了，但是对于机组的轴承系统是有好处的。

如果上面的两支点轴系统结构经过详细计算仍然不能满足轴承的设计技术要求的话，此方案倒也不失为一个最佳的后备选择。

优点：因为实际上就已经是六喷嘴水轮机了，所以结构也变得更加紧凑，体积和质量都可以得到更进一步的优化性减小，而且因为增加了一个轴系轴承支点，所以机组受力状态应该更加得到改善，运行工况也会更加平稳。

缺点：因为多装设了一个转轮，同时又多了一个轴承支点，因此在结构上更复杂，安装和盘车时的难度也有所增加。

装拆发电机转子线圈时可以取掉电机尾部的轴承座，从这一端进行发电机转子线圈的穿心或取心，还是可行的。

同理，从机组制造成本来看，是有一些好处的，但是因为水斗式水轮机的主要成本是在水轮机转轮上，而现在一个转轮变成了两个，那么在转轮的总质量上还是有所增加，因此在成本上也有所增加。

对于水斗式水轮机的飞逸特性，与反击式水轮机也是有区别的。因为在水斗式水轮机的结构上设置有折向器，必要时可以迅速投入折向器，使喷嘴射流偏转，不作用在转轮上，还可以迅速开启反向喷嘴使机组飞逸转速得到有效控制，都可以有效地防止机组的飞逸破坏后果，这是与反击式水轮机不同的地方。

结论：该方案应该是作为次优的推荐选型技术方案，这样的话，该水电站的选型就应该是比较理想的了。

从飞逸特性的趋势来看，随着喷嘴数目的增加，飞逸转速也会增加，但与额定转速的比值却略有下降。

因此从经济角度来看，喷嘴数越多，水轮机的转轮射流中心直径将减小，体积和质量也都将减小，因为水轮机的射流中心直径的减小同时带来了发电机同步转速的增高，使发电机的体积与质量也能够得到一定的减小，这样不但对于水电站的厂房高度和面积，以及电站起吊设备能力的减小是十分有利的，而且对机组的轴承设计与稳定运行也是有利的。

随着机组体积和质量的减少，也对于今后水电站的安全正常运行、检修和管理带来了不可估量的好处。

同样的，这些数据对于我们进行水电站机电设备的选择上就是值得非常慎重的了，因为这里面可是包含了很大的经济技术价值的。

因此通过以上的简单介绍，我们可以知道，通过认真进行水轮发电机组的选型设计和认真比较选择，是能够尽可能地达到最优经济技术目的的，也为市场的开拓提供了更加有力的支持。

通过以上分析可知，如果采用三喷嘴双转轮方案，这在技术经济方面是最为有利的，其次就是采用双喷嘴双转轮方案了，虽然比不上三喷嘴双转轮技术方案，但还是比双喷嘴单转轮技术方案又要好得多了。但令人遗憾的是在该项目的特殊技术规范里，用户却已经明确规定了初步选择双喷嘴单转轮的技术方案。

特别应该指出来的就是在水轮发电机组技术制造的难度上，尤其是发电机导轴承的设计和安装调试方面，单转轮双喷嘴技术方案的技术难度都是远远超过其他两个技术方案的。

说明：在上述3个技术方案中，压力钢管和进水球阀是没有变化的，发电机的励磁系统也是不变的，自动化元件及其他辅助设备等也基本都是一样的，不会有很大不同的（发电机的转速有变化，磁极对数和机座号也有变化）。

调速器也会有一点儿不同，调速器采用专用的冲击式调速器，这种调速器输出的形式不再是力矩，而是一根根的压力油管。每一个喷嘴将分别配有两根油管，一根供压力油，另一根回油。还有每一个喷嘴体上都单独配有紧急关机时使用的折向器，操作折向器动作的也是由调速器供给的压力油管来分别进行的。

水轮机喷嘴喷针的设计关闭时间TS1＜15～30s；折向器关闭时间TS2＜2s；此时水轮机整个过流通道内的暂态速率上升小于50%。

水轮机喷嘴的操作油压等级：P=6.3MPa。水轮机的飞逸转速nr＜950r/min（nr/n=1.9），飞逸时间为5min。此时机组甩负荷后的速率上升小于80%、压力上升小于40%。

水轮机过流通道内部的实际最大工作压力P=9MPa（计算值为9MPa，误差在1%左右，应该是可以接受的）。

水电站进水球阀参数如下：

主进水阀型号：QFZ-00/ϕ950。

阀门进水直径：950mm。

阀门关闭形式：压力油+重锤。

油压等级：P=6.3MPa。

主进水阀的阀门关闭时间：t＜120s。