摘要： 本文一方面介绍了小型水轮机设计选型的方式和方法，另一方面探讨了交界水头段的水轮机的型式选择。对小型水电站水轮机实际选型设计工作有一定指导意义。
关键词： 小型水电站；水轮机；选型设计
中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0080-02
1 小型水轮机设计选型的方式和方法
在对水轮机进行选型时，其核心思想在于能否合理准确的确定出水轮机的一些关键参数。尽管小型水轮机能够产生的能量有限，但是却影响着由其组成的小型水电站的运行效益，然而水轮机的运行效益在很大程度上受一些参数左右[2]。水轮机参数的确定方法主要有两种，其一是参照现有水轮机模型相关数据资料或通过对比水轮机型谱来确定应选水轮机，其二是借鉴应用实践经验，并依据比转速，结合统计比较法来选择出应选的水轮机参数。以上两种水轮机选型方法，其全面性均有所欠缺。例如参照现有水轮机模型相关数据资料或通过对比水轮机型谱来确定水轮机，经常会因资料不全，无法甄选出参数更佳的机型；而借鉴经验，结合统计比较法来选择参数的水轮机，往往针对性不强，极易造成小型水轮机生产厂家的制造能力无法匹配应用要求[3]。
这种现象产生的根本原因在于市场和生产厂家制造技术能力在很大程度上影响着小型水轮机选型工作。首先，小型水电站成本投入不大，建设周期相对较短，厂家能够获取的利润空间较小，因此，一般不会针对特定水电站重新设计水轮机；其次，部分大型水轮机生产厂虽然掌握先进机型的制造技术，但却不屑于生产小型机组，而部分专业从事小型水轮机生产的厂家，其制造能力和所掌握的的生产技术也有限。此外，部分中小水轮机设计院，其所掌握的转轮模型和设计技术较为落后，而小型水电站设计周期短，投入小，致使设备选型时出现厂家代替选型的现象。针对上述情况，笔者通过查阅相关文献资料，并结合自身多年水轮机选型经验，总结了一些小型水轮机选型的设计要点，其具体如首先下：
首先，在对小型水轮机进行选型设计工作时，一般选取技术相对成熟并已经投放过市场的机型，因此，选型设计人员应重点留意不同地质环境下各水头段内已经投放运行的水电站所用的水轮机组，收集这些机组的资料，并有针对性的关注融入新兴技术的机型资料。其次，与小型水轮机生产商建立长期的沟通交流关系，以便能够充分了解其生产技术与生产能力。最后，优化选型设计思路。在项目可行性评估过程中，应结合水电站的基本参数，收集生产厂家的资料，在经过生产制造能力摸底的基础上，预估出能够使水轮机保持良好运行状态的参数范围，同时筛选出候选生产厂家及机型；招标过程中，应与水电站项目业主互相配合，对各种水轮机组招标方案进行探讨，以确定出技术经济相对符合期望的机型。此外，在小型水电站水轮机选型设计过程中，应根据所具备的条件挑选出参数性能相对优越、经济性相对较好的方案，不可一味追求高参数，投入运行的水轮机组还应对其进行后期跟踪，以了解其稳定性情况。
2 交界水头段的水轮机的型式选择
不同于大型水轮机，交界水头段的小型水轮机在选型时需综合考虑水电站周围地质地貌、技术要求、经济能力等。
2.1 灯泡贯流式水轮机和轴流转桨式水轮机 近10年来，灯泡贯流式水轮机在我国被大量应用，实践证明，相比于传统轴流转桨式水轮机，灯泡贯流式水轮机在25米以下水头端拥有较好的经济性。其中，灯泡贯流式水轮机应用过程中有以下几方面需要注意：
①如果在一些峡谷或深山中建设水电站，因水电站所处的河道很窄，导致洪峰流量相对较大，在很大程度上增大了水电站下游尾水位变幅，因此要求洪水位需设计得较高。而如若仍选择灯泡贯流式水轮机，即便采取卧轴布置方式，也无法避免因水电站下部开挖程度较大而大量增加 防洪土建成本的情况。
②灯泡贯流式水轮机制造起来比较困难，目前国内大部分中小水轮机生产厂家未能掌握较好的转轮模型，且受设计水平、生产能力制约。在进行招标时，应严格限制实力不允许的厂家参与。
③部分引水式小型水电站，灯泡贯流式水轮机组GD2不够大，无法满足调保要求。
④不同于传统轴流转桨式水轮机，灯泡贯流式水轮机组在运行和检修方面均不同。
2.2 轴流式水轮机和混流式水轮机 轴流式水轮机通常分为两种，分别是转桨式和定桨式。其中定桨式水轮机主要应用于小型水电站中。其结构不复杂、造价成本低，并且不会出现转轮漏油问题，但是因其结构问题，其运行效率较低，稳定性有待提高。此外，一些高海拔地区的径流式低水头电站，因其流量变化大，会直接影响定桨式水轮机的运行效益，造成水轮机空载运行或小负荷运行时振动较为剧烈，使实际流量大于初始设计流量，增大了水头损失，即便在水轮机导叶全开的情况下，仍然不能以额定功率做功。因此，轴流定桨式水轮机应尽量应用于转轮直径小于2米的情况下。
混流式水轮机主要应用于低水头小型水电站中，其机组选价相对较高，但是空化性能优越，Hs值也比较大，安装机组时高度较高，因此土建成本较低。相比于轴流定桨式水轮机，混流式水轮机运行过程中的稳定性较好。同时当其处于高尾水位工作环境下，不会出现定桨式水轮机的抬机问题。
近些年，轴流式水轮机经过不断研发与创新，大大提高了其运行效率和稳定性，并且因其负荷调节具有较大的范围，可以有效缩减机组数量，降低了机组选价，虽然其做功受空化条件影响，但不可否认的是在汛期下游尾水较高时，其出力裕度仍然比混流式水轮机出色。此外，轴流转桨式水轮机通过合理增大转轮直径和抬高水轮机组安装高程，能够使其应用于小型水电站时增强其空化性能，虽然其Hs值较小，土建成本较高，但是其发电机的造价相比混流式而言极低，且能保持较大的出力裕度。综合比较，轴流式水轮机相比混流式水轮机具有投资成本小的优势。
2.3 水斗式水轮机与混流式水轮机 由于我国高水头混流式水轮机受设计水平、制造能力、原材料加工技术制约，使得上世纪80年代以前小型水电站主要应用水斗式水轮机。而随着我国设计制造水平的提升，高水头混流式水轮机已经逐渐应用于高水头水电站中。相比于水斗式水轮机，混流式水轮机因其采用了大轴颈导师叶、高刚度顶盖以及长、短叶片转轮结构，提升了抗磨蚀性和运行稳定性，并且其机组造价低相对较低，运行水头可达500m，但将其应用于小型水电站时，还需注意以下问题：
①高水头混流式水轮机Hs值通常为负值，机组安装高程极低，遇到深山峡谷，土建成本很高。
②高水头混流式水轮机转速很高，当机组容量设计不够大时，极易出现转速超出额定范围，需要重新增大转轮直径以降低转速。加大经济投入的同时，还会降低运行效率与稳定性。
3 结束语
随着国民经济和国家现代化进程的迅猛发展，使得在城市化建设中需要越来越多的水电工程，通过掌握小型水轮机设计选型的方式和方法，并了解一些常见各类交界水头段水轮机性能的优缺点，对于提升小型水电站运行效率和经济效益而言至关重要。
参考文献：
[1]李佳新，王国伟.浅谈混流式水轮机转轮的设计方法及其设计细则[J].中国水利水电技术应用，2011（8）；187-188.
[2]傅文杰.试谈水轮机组的选型设计实践[J].吉林广播电视大学学报，2011（01）：33-35.
[3]王春暖.中小型水电站水轮机选型设计评述[J].水电站机电技术，2010（02）：15-17.
