高水头混流式水轮机的结构与运行特点分析

1、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

2、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

3、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

4、。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

5、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。

6、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

7、，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

8、，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）：25-26.2A.W.奥托，范春生，白韧。高水头混流式水轮机水力结构的开发