为提高机组出力，决定对2号水轮机进行增容改造。原2号水轮机主要技术参数如下：
额定出力 82．5 MW；
最大水头 74 m；
设计水头 60 m；
最小水头 55 m；
加权平均水头 64 m；
设计流量 155 m3／s；
相对导叶开度 0．25％；
额定转速 136．4 r／min；
飞逸转速 280 r／min；
吸出高度 －2 m；
　　设计效率 91．1％；
安装高程 89．3 m；
导叶关闭时间 7 s；
　　轴向水推力 3 087．2 kN。
1　水轮机改造目标
　　在流道尺寸基本不变、设计水头和额定转速不变、水轮机转轮直径基本不变及满足招标技术文件的前提下，水轮机额定出力不小于93 MW，在设计水头发出额定出力时水轮机效率不低于92％，水轮机效率保证值不低于94％，加权平均效率不低于93％，且运行可靠稳定。
　　显然，水轮机效率的提高主要是通过水涡轮叶型改变来实现，其次是增大叶片的开度以增加过流量来提高出力。但提高水涡轮过流量增加出力必须在保证水轮机效率的前提下进行，否则技术改造意义不大。
2　流量－尾水位曲线变化情况
枫树坝水电厂经过近30年的运行，尾水河床历经多次大洪水、大流量的冲刷，尾水出口底面变低，底面高程下降，造成尾水位下降。其尾水流量－水位关系曲线（流量小于500 m3／s的低水部分）如图1所示。由图1可知，在设计流量下，尾水位下降近2 m。

3　最大净水头确定
　　按GB／T15468—1995《水轮机基本技术条件》规定，水轮机最大净水头为电站最大水头减去一台机空载时引水系统所有水头损失后的工作水头。本电站最大水头确定条件为：水库正常高水位时，最低尾水位按50％额定流量时选取，所有水头损失是指拦污栅、工作闸门及压力钢管沿程的损失和局部损失（指弯管），水头损失为0．2 m。
3．1　初步设计额定流量计算
　　初步设计额定流量计算公式为

式中：qVr———水轮机额定体积流量，m3／s；
Pout———水轮机轴输出功率，初定93 MW；
g———重力加速度，取9．81 m／s2；
ρ———流体密度，取1 t／m3；
Hr———额定净水头，取61 m；
　　 ηr———对应额定水头和流量的效率，取94％。
　　代入上式可得qVr＝165 m3／s。
3.2 最大净水头计算
最大净水头计算公式为：

式中：Z1--水库正常高蓄水位；
Z2--最低尾水位，根据水轮机设计规范取50％qVr对应的下游尾水位；
Δh———空载时总水头损失，为理论计算的沿程和局部损失之和，同时用效率试验实测计算值校核，并取二者平均值，空载流量取18％的额定流量。Δh取0．2 m。
　　代入上式可得Hmax＝76．95 m，取Hmax＝77 m。
4　设计最大净水头须考虑的因素
4．1　转轮强度和空蚀
　　由于尾水位降低，Hmax变大，造成实际吸出高度增大（原设计计算吸出高度由－2 m变为0），转轮翼型汽蚀加大，设计吸出高度的保证率应不低于95％，要求设计转轮强度和抗空蚀性能提高，新转轮应采用更好的抗空蚀性能不锈钢材料。
4．2　推力轴承承载能力
　　轴向水推力K值与水轮机型号有关，Hmax变大将使Fa增大，应校核推力轴承承载能力。轴向总负荷包括轴向水推力、水涡轮重量、发电机转子重量及两大轴重量，经计算轴向总负荷为7 821．5 kN，按7 946 kN为校核依据。
4．3　飞逸转速
发电机转子的强度和主轴临界转速均按飞逸转速设计，为单位飞逸转速，与转轮型号有关，由模型试验获得。因主轴和发电机基本结构不变，所以飞逸转速受限于原最大值，设计计算应减小n′run，1／D1值。计算值应满足nrun≤280 r／min。
4．4　调节保证计算
4．4．1　水击压力升高计算
　　水轮机导叶关闭时间ts＞2 L／c（式中L为管长，c为水击波速），产生间接水锤。最大水压上升发生在末相。蜗壳最大压力上升值为

式中：Hmax--最大净水头；
ξc--最大蜗壳水压上升率；
Lt，vt--引水管的长度与各段平均流速；
Lc，vc--蜗壳的长度与各段平均流速；
ΣLivi--引水管、蜗壳、尾水管长度和流速乘积的总和。
　　各段管平均流速计算与水轮机在最大净水头时的引用流量和过流断面面积相关，引用流量查改造设计的模型水轮机综合特性曲线计算得到

D1———水轮机标称直径，m。
　　发生末相水击

4.4.2 尾水真空度计算

式中：Hs———吸出高度（安装高程至设计尾水位的高度），m；　
v———尾水管出口流速，m／s；
Lb———尾水管计算长度，m；
　　 vb———各段平均流速，m／s。
　　计算应满足ξc≤30％，尾水真空值不大于8m的要求。
4．4．3　速度上升率计算
　　机组转速最大相对升高值按下式计算：

式中：Pout———水轮机出力，取93 MW；
ts1———取0．9ts；
f———修正系数；
J———机组飞轮转动惯量，t·m2；
　　 n———转速，r／min。
　　调节保证计算应满足β≤55％。
4．5　接力器尺寸与行程校核
　　由于调速器已做过由原T－100 A型升级改造为WST－150－PLC型，留有较大裕度（约40％），原调节功和接力器按前苏联经验公式近似计算，接力器直径公式为：

式中：D1———转轮直径，4．1m基本不变；
b0--导叶高度，其值为1.024m。
计算后按较大直径准系列选择。
接力器最大行程按经验公式求取：
　　Smax＝（1．4～1．8）a0 max．
式中：a0max———导叶最大开度。
　　对双缸接力器的总容积计算按公式计算：

　　进行水轮机结构设计时应校核接力器直径、行程和数量以及最低操作油压，必要时进行水力计算复核。
5　当今先进的水轮机设计和试验方法
　　自20世纪90年代以来，尤其是三峡工程机组招标以后，国内以哈尔滨电机厂和东方电机厂为主的水电设备制造商，以及阿尔斯通（天津）公司和希科（上海）公司等合资企业都采用了国外先进的三维黏性水力CFD分析及水力CAD设计。CFD设计分析技术作为一种新的手段引入到水轮机设计开发中，它能根据用户的目标参数，对老电站整个流道进行速度、压力场、流场、效率等模拟分析计算，修型后提出目标转轮，经模拟进行模型试验及流态分析，再修型及优化得到转轮。从而水轮机的改造可以做到量身定做，使得水轮机的整体设计水平上了一个新台阶。以高性能水力DF－100等模型试验台和先进的观测系统进行模型试验，以及五轴数控镗铣床、数控车床等高精加工设备的投入，可为老电站的水轮机的改造提供高效率、低空化系数的转轮，所以达到以上目标和要求是完全可以实现的。
6　结束语
　　由于尾水河床冲刷水位降低，使得水轮机最大水头变大，这对水轮机改造设计提出更高要求。由于老机组改造工作的受限条件较多，因此必须就各种情况作全面分析，同时应参考老机组的运行情况，必要时对尾水池出口修造杯口，从而达到降低水头和满足吸出高度的要求，以实现改造设计的圆满解决。