微型水力发电设备优化方案

1.种类及特点

水轮机是把天然河道中水流的能量转变为旋转机械能的一种动力机械，利用水电站的水头和流量作功。当水流冲动水轮机转轮叶片时，水轮机带动发电机一起旋转便发出电来。由于水轮机的出力大小、工作情况，决定于水电站的水头和流量等水力条件，而天然河道的水力条件又是千差万别的，所以为了合理开发水力资源，水轮机的类型是多种多样的。

按照水流对水轮机转轮作用方式不同，水轮机可分为反击式和冲击式两大类，每类按其结构和水流在水轮机中运动规律的不同，又分为若干种不同型式：

反击式水轮机的转轮是由若干个具有空间曲面的叶片组成。它是利用水流在轮叶正反面所产生的压力差，使转轮转动作功的。反击式水轮机按水流经过转轮的方向不同，又分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式。

冲击式水轮机主要由喷嘴和转轮组成，它是利用喷嘴将高压水管引来的水，形成一股坚实的射流，冲击转轮上的部分斗叶，使之转动做功的。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同，又分为斗叶式（水斗式）、斜击式和双击式。

2.发电机组的构成

微型整装水轮发电机组的特点是水轮机、发电机及调速器组装成一整体，由于是整装，所以机组结构紧凑、体积小、重量轻、建站容易、安装方便、操作简单、运行可靠，适用于山泉、小溪等微型水力资源的开发利用。

根据水流作用的原理，微型水轮机可分为以下三类：

1）轴流式微型水轮发电机组：轴流式微型水轮发电机组由水轮机体、转轮、尾水管、发电机和控制器组成。它是利用低水头、小流量的水流，通过水轮机及尾水管，驱动水轮机叶片，带动发电机发电。

这类机组适用于10M以下的低水头微型水电站。机组为竖轴金属蜗壳，轮叶四片，有三种不同安装角，配同步发电机或异步发电机。一种采用电动调速器操纵导水叶片外的罩筒，自动地调节通过水轮机的流量；另一种采用机械调速器，由飞摆、弹簧和杆件组成机械调速装置来操纵导水叶片外的罩筒，自动调节通过水轮机的流量。

2）混流式微型水轮发电机组：混流式微型水轮发电机组由水轮机体、转轮、蜗壳、转轴、带轮、发电机等组成。水流通过引水室、导叶进入转轮，驱动水轮机叶片，带动发电机发电。

这类机组适用于水头为5～20M的微型水电站。微型混流式水轮机有两种机型：一种是单导叶型，用装在蜗壳进口处的平板单导叶来起闭机组，调节流量；另一种是蝴蝶阀型，用装在蜗壳进口处的蝴蝶阀起闭机组、调节流量。该机组一般配异步发电机，并装有带轮，不发电时（切除电容器）可直接拖动加工机械。

3）斜击式微型水轮发电机组：斜击式微型水轮发电机组由水轮机体、转轮、喷嘴、流量调节闸阀、发电机、带轮等组成。它是利用高水头、微小流量的水流通过压力水管形成高速射流，冲击转轮叶片，带动发电机发电。

这类机组适用于水头10～35M的微型水电站。水轮机转轮的进水平面与水流相交成一锐角，该机组一般配用异步发电机或永磁同步发电机，并装有带轮，不发电时（切除电容器）可直接拖动加工机械。

3.基本工作性能

水轮机的工作参数表示了这台水轮机的整体性能。在规定的工作参数范围内运转时，水轮机的使用最经济，最合理。

1）水轮机的工作水头：水轮机的工作水头是指保证水轮机发出额定出力的最小水头，这是选择水轮机的主要参数，用H表示（单位为M）。水轮机在此范围内工作，其工作情况和效率都比较好。

2）水轮机计算流量：水轮机计算流量是指在工作水头下，水轮机在额定出力时每秒钟内通过每台水轮机的水量，用Q表示（单位为M³/S）。在运行中，水轮机的流量是随机组负荷的变化而变化的。当流量减小到一定值时，水轮机的效率急剧下降，机组运行情况将变坏。

3）水轮机有效出力：根据水轮机的工作水头和计算流量，计算出来的出力，称为有效出力，用Ｎ表示（单位为kW），即

式中，Q为水轮机的计算流量（M³/S）；H为工作水头（M）；η_T为水轮机效率（在初步计算时，一般采用η_T＝0.7～0.8）。

发电机出功率P（kW）为P_发＝Ｎη_发η_传＝981QHη_Tη_发η_传式中，η_发为发电机效率（一般采用η_发＝0.8～0.9）；η_传为传动效率（如平传动带传动η_传＝0.90，V带传动η_传＝0.95，直接传动η_传＝1.0）。

4）水轮机效率：当具有工作水头为H，计算流量为Q的水流通过水轮机时，水流功率不可能全部转换为水轮机的有效功率，而有部分功率被水轮机自身消耗掉了，消耗的这部分功率的大小，就用水轮机效率来表示。水轮机在工作过程中，效率不是一个常数，它有两个特征效率：当水轮机达到极限出力时的效率，称为极限工况下的极限效率；水轮机在最优工况（设计水头、设计流量）下的效率，称为最高效率。水轮机在运行中当出力（负载）变化时，效率也跟着变化，但变化程度随水轮机类型不同而有很大差别，轴流定桨式和贯流定桨式的效率受出力变化的影响最显著。

水轮机的损失有容积损失、水力损失和机械损失三种。水轮机的效率η_T为η_T＝η_容η_水η_机式中，η_容为容积效率；η_水为水力效率；η_机为机械效率。

一般小型水轮机的效率为0.80左右。(www.xing528.com)

5）水轮机额定转速：水轮机额定转速是指水轮机的转轮，在正常运转情况下，每分钟旋转次数，用ｎ表示（单位为R/MIｎ）。一定的水头和流量，可以选用不同类型和不同转速的水轮机。在初选水轮机时，如有几种类型的水轮机可供选择，应优先选用转速高的水轮机，这样再选择配套的发电机就较为经济，而且容易与水轮机直接连接（因为发电机的转速一般都比较高）。如果水轮机和发电机是直接连接的，水轮机的额定转速，必须符合发电机同步转速的要求。

6）比转速（又称比速）：比转速ｎ_S，是水轮机的综合特征参数，它等于工作水头1M，水轮机发出功率1kW时的转速

式中，Ｎ为水轮机有效出力（kW）；H为工作水头（M）；ｎ为水轮机的额定转速（R/MIｎ）。

几何尺寸相似的水轮机，在相似的工作条件下其特性相同，比转速ｎ_S相等。但每个水轮机，在不同的工作条件下有不同的比转速。

由上式可以看出，在同样条件下（H和Ｎ相同），比转速越高的水轮机，其转速越大，要求的直径越小；反之，同一直径的水轮机，比转速越高，发出的功率越大，即过水流量越大。因此，选择比转速较高的水轮机是有利的。但是比转速与汽蚀有关，比转速越大，汽蚀越容易发生。

比转速是水轮机重要的综合参数，代表着水轮机系列的特性。它对于同系列的水轮机为常数，不同系列的水轮机则不相等，所以常用它来对水轮机进行分类。

4.水轮机的型号

为了便于水轮机规格的统一和工作方便起见，我国对水轮机的型号作了统一规定，规定的型号由以下三部分组成，分别用汉语拼音字母及阿拉伯数字说明，各部分之间分别用一短横线分开。其具体形式如下：

表3-18 水轮机型式代表符号

表3-19 主轴布置形式及引水室特征代表符号

图3-3 各种水轮机标称直径的规定

对于冲斗式和斜击式水轮机型号的第三部分，规定按下列方式表示：

对于双击式水轮机，则按下列方式表示：

水轮机型号举例：

1）zD760-LM-25型水轮机 表示轴流定桨式水轮机。转轮型号（比转速）为760，主轴布置方式为立轴式，引水型式为明槽式，转轮直径为25CM。

2）GD260-LP-35型水轮机　表示贯流定桨式水轮机。转轮型号（比转速）为260，主轴布置方式为立轴式，水轮机室型式为灯泡式，转轮直径为35CM。

3）HL240-WJ-25型水轮机　表示混流式水轮机。转轮型号（比转速）为240，主轴布置方式为卧轴式，引水型式为金属蜗壳，转轮直径为25CM。

4）型水轮机　表示斜击式水轮机。比转速为13，主轴布置方式为卧轴式，转轮直径（轮叶节圆直径）为20CM，一个喷嘴，射流直径为5CM。