高水头混流式水轮机的结构与运行特点分析

　　前言

　　所谓高水头混流式水轮机，是指混流式水轮机采用的额定水头在 250m 以上的。与国外相比，国内高水头混流式水轮机的应用比较晚，再加上受到设计与制造技术的限制，导致其应用受到一定的影响。不过随着科学技术的发展，此种混流式水轮机的应用逐步加深，现今，国内已经建成多个，而且已经投入到运行当中。

　　1 高水头混流式水轮机的结构

　　1.1 转轮带有副叶片

　　在高水头混流式水轮机中，转轮叶片的长度非常长，进口半径与出口半径之间的差异性比较大，在进行转轮设计时，如果采用常规的设计方法，那么叶片的进口处半径就会非常大，比出口半径宽出很多。幅流成分是转轮水轮中比较重要的一个部分，在两个叶片之间，水流受到哥氏力作用的影响，会呈现出分布不均匀的状态，这样一来，在运行的过程中，就会出现某些部位零水流流速的问题，这对水轮机运转效率的影响是比较大的，严重时会对机组的正常运行产生破坏。基于此，为了避免问题的产生，在将进口宽度变小时，出口的宽度要保证不发生变化，同时，在两个叶片之间还需要增加一个叶片，叶片要与进口的距离比较近，而且长度要短[1].副叶片的增加有效地提升水力效率，避免了不必要损失的产生，提升了水轮机的运行效率，保证其稳定运行。

　　1.2 导叶的偏心结构

　　高水头混流式水轮机的导叶高度并不高，因此，立面的漏水量是比较少的，不过，其水压要比普通的混流式水轮机高很多，很容易发生顶盖变形，进而导致导叶端面的间隙不断的加大，产生比较严重的漏水现象，为了避免这个问题，就需要对导叶的结构进行调整。

　　现今，水轮机导叶采用的是偏心结构，端面比较大，而且带翼，同时，在导叶的轴颈处，安装有密封圈，有效的将损坏降低[2].在偏心结构的导叶中，增设了翼板，安装的位置为正压面的上端及下端，而且轴颈的直径也进行了增加处理，这样一来，有效地避免了过多的漏水，使水轮机保持在高校的运转中。

　　1.3 不锈钢层焊接

　　在导叶中，两个端面之间的间隙是比较小的，比如顶盖和抗磨板，二者在进行连接时，通过螺钉来实现，在高水头运行的过程中，抗磨板受到其作用的影响，在局部的某个位置上会发生变形，这样一来，保持端面的小间隙就变得非常困难。为了改善这种状况，保证端面之间的小间隙，在进行抗磨板与顶盖连接时，改为采用焊接不锈钢层，进而最大限度避免抗磨板变形的产生。

　　1.4 主轴密封

　　根据高水头混流式水轮机检修记录可知，最容易发生问题的部件之一就是主轴。水轮机的主轴需要进行密封，采用的密封结构为非接触密封，这种密封方法显着的提升了主轴的使用寿命。在非接触密封结构中，由三部分组成，一是间隙式密封，二是转轮上冠处的泵板，三是顶盖排水管[3].在机组运行的过程中，泵板转动装置的启动需要由转轮的转动来带动，泵板转动起来之后，内腔里的水也会随之转动，产生压差之后进入到集水箱中，集水箱中的水主要有两种用途，一种是用来冷却机组，一种是排向尾水管。在主轴密封区域中，水轮机组要求具备比较高的速度，而非接触式密封结构能够充分的满足速度要求，同时，运行过程中磨损几乎不存在，从而有效地减少了主轴的检修次数，延长了主轴的使用寿命。

　　1.5 顶盖取水

　　在转轮的上迷宫环运行的过程中，可能会发生漏水的问题，顶盖取水主要就是避免漏水的发生，在转轮的上冠处安装泵板，在泵板的作用下，将水取出，同时，把取出的水用来进行机组的冷却。水电站机组在进行供水时，水压和水量都具备一定的要求，为了充分的满足要求，就需要采用上冠无减压孔，最终在顶盖处将水取出。同时，还将径向叶片泵结构安装在上冠上，这样一来，上迷宫环的流水就会进入到两个地方，一个是顶盖的内墙，一个是在转轮与顶盖的间隙上。

　　2 高水头混流式水轮机的运行特征

　　2.1 常规运行特征

　　高水头混流式水轮机在国内的水电站应用之初，水轮机的结构为常规结构，在水轮机运行的过程中，导叶漏水、泥沙磨损、噪音等问题不断地发生，而且都带来了比较严重的影响，几乎每一年都需要进行检修、补焊工作，尤其是转轮和导叶部件。通常来说，水轮机在运行 1 年到 2 年左右的时间时，就必须要进行大修，这对机组长期的安全稳定运行来说，有着非常大的影响，进而影响到水电站的运行效率。为了改变这种情况，国内应用高水头混流式水轮机的水电站对其结构进行了优化，转轮增加了副叶片，这样一来，水轮机组的运行状况显着的提升，经常发生的泥沙磨损、导叶漏水等问题也得到了显着的减少，大修周期也得到了延长，这也使得水轮机组的长期安全运行得以实现。此种常规运行特征在绿水河水电站、渔子溪一级水电站中得到了比较好的实践。

　　2.2 新结构运行特征

　　随着社会及科学技术的不断进步，水轮机技术也得到了良好的发展，在这个过程中，高水头混流式水轮机技术引入到国内，并在各个水电站中得到了广泛的应用。为了提升应用的效果，我国开始加大对高水头混流式水轮机技术的研究力度，在水力设计、结构设计、加工制造等方面都取得了比较好的研究效果，由此一来，国内的高水头混流式水轮机应用效果得到显着的提升，而且其所具备的运行特征和性能也在很大程度上得到了改善[5].在南水北调工程中，中线丹江口大坝就应用了高水头混流式水轮机，大坝经过加高处理之后，由原来的 162 米加高至 176.6 米，同时，最高蓄水位也由原来的157 米增加到 170 米，最高运行水头 79 米。这些改变为水轮机的应用提供了很好的便利条件，通过水轮机组安全、稳定的运行，促进南水北调中线工程的发展。高水头混流式水轮机在应用了新结构之后，泥沙磨损变得微乎其微，即使是机泥的含沙量非常高，在运行的过程中，磨损也是非常小的，而且出现磨损的部位也非常少，磨损的深度也都在 1mm 以内。在顶盖与抗磨板之间、导叶两端面上，并不会出现空蚀和水流冲刷现象。

　　3 结束语

　　与中低水头混流式水轮机相比，高水头混流式水轮机的结构具备十分独特的特点，在其运行的过程中，额定水头及额定转速都是比较高的，能够有效地提升机组的运行效率。尽管新结构具备比较好的性能及运行特征，但是新结构的高水头混流式水轮机是从国外引进的，基于此，我国应该加大研究的力度，从而自主地生产水轮机的新结构部件，在促进水轮机深度应用的同时，促进水轮机水力设计的发展。

　　参考文献

　　[1]黄丕伟。高水头混流式水轮机的构造特性[J].技术与市场，2010（5）：25-26.

　　[2]A.W.奥托，范春生，白韧。高水头混流式水轮机水力结构的开发与原型试验[J].水利水电快报，2015（2）：8-11.

　　[3]陈道全，吴伟。高水头混流式转轮和水泵转轮的制造新工艺[J].东方电机，2014（3）：71-75.

　　[4]刘丽娜，潘伟峰，麻志成。混流式水轮机低负荷运行水力稳定性的研究[J].水电自动化与大坝监测，2015（2）：20-23+26.