3　水轮机选型设计和水力优化

3.1　叶片数及基础模型选择

凯乐塔水电站最高水头为50.30m，在轴流转桨式水轮机中属为数不多的高水头机组，国内已建水电站中水头达到如此之高的轴流机，仅陕西石门水电站（最高水头78m）、福建水口水电站（最高水头57.8m）等数例而已。因此，水轮机的选型和水力设计需把握“高水头”这一特点。

转轮叶片数直接决定了叶栅稠密度，而叶栅稠密度对水轮机性能影响较大。对于高水头水轮机，适当增加叶片数有利于减小单个叶片的载荷，提高水力稳定性和空化性能，并使转轮刚强度和可靠性得到提高；但叶片数增加同时也导致转轮过流能力下降，轮毂操作机构设计难度加大及成本增加。经综合比较分析，东芝水电决定选用6叶片转轮。

东芝水电对于类似的高水头轴流机经验丰富，其业绩包括波黑Visergrad（最高水头47m，单机功率111MW）、美国Summer Falls（最高水头48.5m，单机功率51MW）、印尼BiliBili2（最高水头49.5m，单机功率14MW）等。经多个方案比较分析，选用东芝水电最新开发的一个高性能6叶片转轮作为该项目基础模型，并根据凯乐塔水电站参数特点和具体要求，对该模型转轮和流道进行进一步的优化。

3.2　转速和比转速

水轮机的转速决定了比转速，而比转速是衡量水轮机参数水平的重要指标。在给定的条件下，提高比转速意味着提高机组转速和水轮机的过流能力，从而减小水轮机和发电机的尺寸，降低造价；但是比转速的提高受到空化性能、材料性能和技术发展水平的制约。随着时代的发展，水轮机的比转速呈不断提高趋势。

评价一个水轮机的比转速是否合理，通常用统计法。凯乐塔水电站选择额定转速166.67r/min，对应比转速为370.6m·kW，比速系数为2575.6。根据东芝水电对轴流式水轮机的水头-比转速关系统计，符合当前的技术发展水平，如图1所示。

3.3　转轮直径的选择

单位流量作为水轮机过流能力的体现，直接决定转轮直径的尺寸大小。众所周知，单位流量大，意味着过流能力大和转轮直径小，工程造价低。经综合方案分析比较，凯乐塔水电站水轮机转轮直径最终确定为4.85m，对应的额定工况单位流量为1.09m3/s。

3.4　水轮机主要参数

经上述原则确定的水轮机主要参数如下：

额定转速：166.7r/min。

飞逸转速：375r/min。

转轮直径：4.85m。

吸出高度：-9.98m。

最大轴向水推力：865t。

旋转方向：俯视逆时针。

3.5　水力优化设计

水轮机外形的主要尺寸确定后，根据合同中对水轮机主要流道控制尺寸的要求，以基础模型流道为基础，对每一个过流部件的形状进行详细优化设计。

（1）蜗壳。由于凯乐塔水电站最高水头达50.30m，蜗壳内压力大、流速高，低水头轴流机通常采用的混凝土蜗壳已无法满足需求，故采用圆形金属蜗壳。蜗壳包角为342°，分为20个环节，利用自由涡理论，对蜗壳各断面进行等流速设计，使从流道进口到流道末端的平均流速保持圆周恒定。为防止蜗壳内二次流所造成的水力损失，对蜗壳尾端进行了适当加大设计。

（2）固定导叶和活动导叶。设计为20只活动导叶和20只固定导叶。20只固定导叶在不同的象限采取不同形状的设计；对活动导叶采用非对称形设计，头部采用半圆形，尽可能减小水流冲击影响，尾部设计成避免卡门涡共振的非对称形状。

（3）转轮。选用6叶片转轮，在基础转轮翼型基础上，根据凯乐塔水电站参数特点，通过CFD手段对叶片翼型进行优化设计。为有效地进行能量转换，轮毂尺寸宜尽可能地小，但是需以满足6叶片轮毂操作机构布置及刚强度需求为前提，最终设计的轮毂比为0.5。

（4）尾水管。在合同要求的控制尺寸前提下，对尾水管锥管段的扩散角、长度及肘管段截面面积进行合理化设计，通过CFD解析分析找出压力恢复的最适合形状，从而降低尾水管的水力损失，减小水压脉动。