高水头混流式水轮机的构造特性

摘要：本文对高水头混流式水轮机的主要结构特点及运行特性进行了分析总结，并说明了带副叶片的高水头混流式水轮机的应用优势和特点。

关键词：结构运行特性混流式水轮机高水头

1．高水头混流式水轮机主要结构特点

高水头混流式水轮机由于其具有运行水头高、额定转速高、过流部件流速高等特点，因此，其水轮机主要部件的结构与中低水头的混流式水轮机相比有其自身的特点。

1.1 带副叶片的水轮机转轮

由于高水头混流式水轮机转轮叶片较长，转轮进口和出口的半径相差较大，采用常规的转轮设计方法会造成叶片进口处比出口处宽得多。在高水头混流式水轮机转轮水流中，幅流成分是主要的，在哥氏力的作用下，两叶片之间的水流流速分布很不均匀，在部分负荷运行时，可能出现叶片正面的某些部位水流流速为零或负的情况，特别是当水流流速为负时，由于叶片正面出现负向流动而产生涡流区，将大大降低水轮机的效率，并引起机组较大的振动，甚至使机组无法正常运行。为了使叶片进口宽度变窄而同时保证出口宽度不变，在两个叶片之间靠近进口处增加一短叶片。短叶片出水边的位置略靠近前面一片长叶片的背面，因为在哥氏力作用下短叶片出水边的水流和在两长叶片中间的水流，在短叶片出水边正、背面流速不等，即速度差过大，因此，将会产生不必要的水力损失，当短叶片出水边的位置略靠近前面一片长叶片的背面就能迫使短叶片正面水流流速增加，并使正背面流速趋于相当。增加短叶片后，大大地改善了叶片进口区域的水流流态，但也同时加大了叶片进口处的排挤，为了消除此影响，可以适当减少转轮叶片数或减薄叶片厚度。由于采用长短叶片后避免了二次回流，从而使水轮机运行稳定性好，抗空蚀性能大大提高。

高水头混流式水轮机转轮采用铸焊结构，叶片用等厚不锈钢板加压后模压成型，再焊接在上冠和下环上，然后打磨抛光，上冠不设置泄压孔，其短叶片的长度约为长叶片的2/3，并且短叶片出水边在流道中不是对称布置，其各项性能均较好，基本上无空蚀磨损破坏。

1.2 大轴颈偏心导叶

对于高水头混流式水轮机，因导叶高度相对较低，立面漏水相对较少。但由于水压高，顶盖变形大，再加上泥沙的磨损作用，使导叶端面间隙很快扩大，因此，解决导叶端面漏水十分必要。水轮机导叶采用的是带翼大端面偏心结构，同时，导叶轴颈装有“0”型整铸聚酰胺酯密封圈以减轻导叶轴颈处的损坏。这种导叶在导叶的正压面的上下端部加了翼板，并尽量加大导叶轴颈，一方面增加了导叶分布圆周上的挡水长度，另一方面又加大了导叶端部在上下抗磨板处覆盖的面积，加长了导叶正背面之间的路径，增加了导叶端面泄漏阻力，从而减少了导叶端面的泄漏量，提高了水轮机的效率。同时，在这种结构上还可以实现导叶轴端的自动补偿型轴向密封的设置，防止多泥沙河流对导叶轴颈的直接侵蚀。

1.3顶盖、底环及抗磨板

由于高水头混流式水轮机导叶端面间隙较小，如顶盖和底环上的抗磨板采用常规的用螺钉连接的结构，在高水头的作用下，抗磨板会发生局部变形，使得要获得较小的导叶端面间隙几乎不可能。因此，对高水头混流式水轮机的顶盖底环抗磨板一般采用焊接不锈钢层的方法。

1.4主轴密封

水轮机主轴密封是水轮机检修最多的部件之一，高水头混流式水轮机主轴密封主要采用非接触密封结构，这种结构的主轴密封主要由间隙式密封、转轮上冠处的泵板、顶盖排水管等组成。当机组运行时，转轮开始转动，同时带动泵板转动装置，由泵板带动泵板内腔的水转动，使泵板进出口的水产生压差，再由排水管将水排向集水箱，作为机组冷却水或者直接排向尾水管。机组刚起动时，间隙密封处的水是不能完全靠泵板全部排干的，极少量的水通过间隙密封处的排水管直接排至集水井，当机组转速继续上升后，间隙密封处的水将全部被排出，达到密封效果。机组额定转速运行时此密封装置的密封性能非常好。由于这种密封型式为非接触性密封，因而完全适应高水头机组主轴密封区域高速度的要求。间隙式密封静止部分与运动部件不接触，运行时无需密封冷却水，密封件也不存在磨损现象，无需维护和更换。

1.5顶盖取水

顶盖取水是将转轮上迷宫环的漏水，通过转轮上冠的泵板作用后，取出作机组冷却用水。为满足电站机组供水系统必要的水压和水量，结合主轴密封的型式，采用转轮上冠无减压孔，将上迷宫漏水全部由顶盖排出，直接供机组技术供水系统；在转轮上冠上专门设置了径向叶片泵结构，上迷宫的漏水，一部分直接进入顶盖内腔，另一部分沿转轮与顶盖之间的间隙流动，并且被径向叶片加压后进入顶盖内腔，用管路引出供技术供水。当机组运转时，由于离心力的作用，使主轴法兰处为低压区，从而使主轴密封处于无水情况下运行。因此，非接触式密封尽管由于转轮叶片泵系统会增加部分能量消耗，而另一方面由于主轴密封是非接触式的，减少了其磨擦损失，综合起来不会降低水轮机的效率。

1.6水轮机的检修方式

高水头混流式水轮机，特别是在含沙水流中工作的高水头混流式水轮机，由于其导水机构和转轮流道内水流速度高，因此水轮机的检修机会要比发电机多，即水轮机的装拆次数要多。为了缩短机组的检修时间，高水头混流式水轮机可以考虑设置水轮机中拆结构和下拆结构，可在不拆除发电机部件的情况下，单独对水轮机进行除埋件以外其他零部件进行拆卸检修。中拆结构需设置一根水轮机中间轴和一套机坑中的吊运设备，同时在水轮机层机墩上开有一个能满足水轮机拆御部件运出的通道。下拆结构是指在尾水锥管拆后，放下底环，即可更换下固定密封环并对转轮进行补焊打磨等检修工作。这种下拆结构必需要将尾水锥管设计成活动的，周围不能浇注混凝土。因此，对水轮机就有三种检修方式，如果整台机组检修可以用常规的年拆方式，如果单独检修水轮机可以用中拆方式，如检修转轮等就可以用下拆方式。根据不同的机组检修内容采用不同的检修方式，可以大大地缩短机组检修时间。

2．高水头混流式水轮机的运行情况

2.1 常规结构的高水头混流式水轮机的运行

20世纪60、70年代，国内装有高水头混流式水轮机均采用了常规结构，其水轮机泥沙磨损、导叶漏水、空蚀、振动、噪音等非常严重，转轮，导叶等过流部件基本上每年都要进行大量的补焊检修，一般1-2年就要进行水轮机大修，造成电站水轮发电机组很难长期安全稳定运行。当都用带副叶片的转轮进行全面的改造后，目前运行情况都比较良好，其水轮机泥沙磨损，导叶漏水，空蚀振动等性能均有很好的改善，大修周期基本上可以保持4-5年。

2.2新结构的高水头混流式水轮机的运行

随着水轮机技术的进步和发展，特别是高水头混流式水轮机先进技术的引进，使我国高水头混流式水轮机的水力设计、结构设计、加工制造等各方面都有了很快的发展，其运行稳定性、安全可靠性、抗磨蚀性能以及叶片无裂纹等各项指标均很好，即使是在过机泥沙含量较高的河上运行，也仅仅在出水边背面和根部有微小的磨损和空蚀，顶盖和底环的抗磨面、导叶两端面无空蚀和水流冲刷现象，尾水肘管和锥管以及其他部位都没有空蚀磨损现象。

3．结语

1)目前，国内已投运的高水头混流式水轮机较多，实际运行经验也证实了高水头混流式水轮机在采用了新结构、新工艺后运行特性很好，大力推广使用新结构高水头混流式机组，对节约投资，提高电站经济效益具有十分重要的意义。

2)国内已投运的高水头混流式水轮机大多采用了带副叶片的转轮，其运行特性也很好，但由于带副叶片的转轮叶片数量比常规转轮叶片数多1倍，其转轮重量大，投资相对较高。

3)带副叶片的转轮叶片与上冠、下环的焊接打磨空间小，焊接存在一定的难度，稍不注意，就可能造成焊接质量问题，所以对其焊接质量和焊接工艺要求更高。同时，叶片质量也是直接影响水轮机转轮质量和性能特性好坏的重要因素，高水头混流式水轮机转轮叶片应采用不锈钢钢板进行模压成型。

4)顶盖取水是高水头混流式水轮机很好的一种取水方式，建议在高水头混流式水轮机的设计中进行推广应用。顶盖取水不但可以节省大量的厂用电，而且水质好，水压稳定，操作简单，运行可靠性高。

参考文献：

[1]何士华，张立翔，武亮．混流式水轮机转轮叶片的自由曲面构造[j].水力发电，2005，31(3)：54-55.