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研制四重斜流式轉槳水輪機的必要性與可行性
摘要：本文探討了我國研制四重斜流式轉槳水輪機的必要性與可行性，水輪機出力公式中一個被忽視的問題，以及尾水管、補氣裝置結構的改進。關鍵詞：轉槳水輪機 "管""洞"結合
巴西曾以"水電立國"策略解決能源問題，美國國家水力發電協會今又指出："解決美國對更清潔、更可靠能源需要的方案，不在于采用任何單一科技，而是在于制定一個權衡的能源計劃，實現減少對國外能源依賴、增加供電可靠性、提供清潔大氣、考慮環境保護等多個目標。現在是實事求是地審視水電、支持有成本效益的水電開發，確保水電成為21世紀的一種能源構成的時候了。不重視開發水電這一國內的、可再生、清潔、可靠的能源，將是一種政策失誤，美國子孫后代將因此而受到影響"。我國把"西電東送"列為21世紀四大工程之一，體現了黨和政府能源政策的光輝，而西部水力發電是"西電東送"的唯一亞綠色低成本源泉與可持續不竭源泉；應指出"綠色風能"發電功率=1/2×Cp×ρk×Vw3×A，式中Cp為功率系數，ρk為空氣的密度（單位為kg/m3），Vw為風速(單位是m/s)，A是轉子掃過的區域面積（單位為m2），實用型風力渦輪發電機輸出功率只有20kW～30kW，現在的最高水平僅4.5MW。探討水力發電的主要設備水輪機有十分重大意義。
50多年來，我國水輪機從無到有、從小到大，凝聚著水輪機研制者的畢生心血。但有些已認識的問題，由于各種條件的限制，沒有采取必要措施，現探討如下：
1、研制四重斜流式轉槳水輪機
目前我國水電廠（站）以混流式水輪機應用最多，軸流式水輪機次之。據文獻[1]統計國內134座大中型水電站479臺水輪機，其中混流式92站318臺，軸流式35站129臺（內含定槳式1站4臺），斜流式轉槳機僅3站6臺；湖南省單機容量500kw以上的水電廠（站）有235站[2]（4站設備不明），其中裝置混流式水輪機有138站，裝置軸流式水輪機有59站（小水電定漿機多），還有其它機型，無斜流式轉槳機。
眾所周知，混流式水輪機應用水頭較高，但葉片固定，負荷變化較大時，效率顯著下降；而軸流式轉槳機盡管能適應水頭與負荷變化，高效率區寬，但空蝕系數(動力真空與水頭之比值)較大，且懸臂的槳葉強度有限，故應用水頭一般在60米以下。因此，研究一種既能應用于較高水頭又能適應負荷變化的新型水輪機，便是上個世紀下半葉世界各國一項重要任務。應運而生的是斜流式轉槳機，注意它不同于混流式過渡到軸流式的中間產物。前蘇聯捷雅水電站的斜流式轉槳機標稱直徑6米，水頭變化范圍74.5～97.3米，單機功率達220MW，它的蝸殼、座環、導水機構仍屬于徑向式，水流流線從蝸殼經座環、導水葉、漿葉到尾水管直錐段總轉角仍達90度，但不急轉，即過機水流流線轉彎半徑相對值（ρ/D1）增大，因而水力效率得到提高。而我國可以研發一種效率η更高的斜流轉槳機，它的蝸殼、座環、導水機構及轉輪全部制成斜向式，前三者也傾斜布置[3]，暫且稱此機型為四重斜流式轉槳水輪機，其自蝸殼經座環、導水葉、槳葉至尾水管的過流通道更加平暢，即水流流線轉彎半徑相對值（ρ/D1）更為增大，可以肯定水輪機水力效率ηs更進一步提高；另外此型機組的平面尺寸相對較小（單元流量Q／D12√H更大），它的空蝕系數(動力真空與水頭之比值)也較軸流機小，它的水頭應用范圍20～200米，正適合我國可開發水電電源點常見的水頭，在我國應用有廣闊的前景。1970年我國哈爾濱電機廠為云南毛家村水電站生產了一臺8000kw的斜流式轉槳機，雖然采用徑向式蝸殼、座環、導水機構，但仍不失一次有益嘗試，人們發現、認識了它的優點，但由于斜流式轉輪槳葉及四重斜流式轉槳機之斜向式導水機構導葉的操動是一個空間運動，而非一個平面運動，被認為"結構復雜"，"制造工藝要求高"而沒有成系列地生產。現在隨著技術進步，我國水輪機制造、安裝水平都已今非昔比，積極研發具有性能優勢的斜流式轉槳機，優化各大水電基地尤其是西部大、巨型水力發電廠的能量指標，應該提上議事日程。我由于較長時間惦記著研發四重斜流式轉槳水輪機，為"西電東送"源泉建言獻策，于2002年12月26日中午閃現靈感，四重斜流式轉槳水輪機之斜向式導水機構與斜流轉槳轉輪的操動用臺錐齒輪傳動，咬合線鉛垂！使原結構的操作控制策略由空間運動化為平面運動，相信這一水力機械問題的突破對研發高效率的四重斜流式轉槳水輪機攻克了一難點。
2、我國水輪機的出力公式
我國水輪機教科書及設計手冊都千篇一律地把水輪機出力公式記為N=9.81QHη(kw),無疑式中9.81是重力加速度取值，它源于前蘇聯水能權威Ф.Ф古賓教授著作《水力發電站》，此書1949年在我國翻譯發行，1981年又再版。"9.81"正是俄羅斯山區的重力加速度取值，與俄羅斯國情相吻合。而我國北京g值為9.8，長江三峽為9.7935，同時考慮緯度與海拔高程的影響，估計大西南水電基地的重力加速度值只有9.79左右，與9.81差約0.2%，這對小水電是可忽略的，但對于大型及巨型水電廠就不容忽視了，例如溪落渡裝機12500MW，其0.2%就是25MW，竟是一座中型水電站的出力，故在水輪機選型計算中應考慮站址處重力加速度值變化（尤其是大、巨型水電廠），水輪機出力公式為：
N=gbQHη(kw)
式中N-----水輪機出力（kw）；gb-----水電廠房處重力加速度值(m/s2)；Q-----水輪機過機流量（m3/s）；η-----水輪機總效率
J.J.圖馬研究員曾給出g值的算法，我們自己也可根據地球自轉對重力的影響(主要是緯度和海拔高程)推出下式：
gф=9.78049(1＋0.0052884sin2ф－0.0000059sin22ф)
gb=gф－0.00000286Δ(Δ≤4000米，吻合我國大西南水電基地)
式中ф----廠房處緯度；Δ----所設計水力發電廠水輪機安裝高程
3、變“尾水洞”為“管”“洞”結合
我國立式反擊型水輪機泄水部件多采用4H與4C型標準尾水管，與其說是尾水管，倒不如說是“尾水洞”，因為它系鋼筋混凝土澆筑而成，與大地結合緊密，只不過其直錐段用鋼板襯護（H大于200米時要求彎肘段也用鋼板襯護），一旦形成就不能移動與搬移了，我們能看到的只是一個“洞”而已。若轉輪需要檢修，就只好把轉動部分撐起，從發電機頂部零部件、卡環、推力頭、推力瓦、上機架、轉子、下機架自上而下按次序拆卸，而后在過水流道已排干積水時卸開水輪機頂蓋，才能吊出轉輪。如果發電機部分毫無問題，這個檢修轉輪的程序就太過勞神費力了。若對尾水管直錐段管壁加厚，四周預留空間，彎肘段及水平擴散段仍采用鋼筋混凝土澆搗。同時加厚的直錐段分瓣制造，螺栓把合成整體
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