高水頭混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與運行特征探討

秦赫

摘 要：隨著生產(chǎn)設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步，我國高水頭混流式水輪機(jī)的建設(shè)得到了比較好的發(fā)展，無論是正在建設(shè)的還是已經(jīng)投入使用的，數(shù)量都比較多。在文章中，首先介紹了高水頭混流式水輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，隨后，對其運行特征進(jìn)行了分析，通過對結(jié)構(gòu)與運行特征的探討，促進(jìn)高水頭混流式水輪機(jī)更好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高水頭；混流式水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)；運行特征

前言

所謂高水頭混流式水輪機(jī)，是指混流式水輪機(jī)采用的額定水頭在250m以上的。與國外相比，國內(nèi)高水頭混流式水輪機(jī)的應(yīng)用比較晚，再加上受到設(shè)計與制造技術(shù)的限制，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的影響。不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，此種混流式水輪機(jī)的應(yīng)用逐步加深，現(xiàn)今，國內(nèi)已經(jīng)建成多個，而且已經(jīng)投入到運行當(dāng)中。

1 高水頭混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 轉(zhuǎn)輪帶有副葉片

在高水頭混流式水輪機(jī)中，轉(zhuǎn)輪葉片的長度非常長，進(jìn)口半徑與出口半徑之間的差異性比較大，在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪設(shè)計時，如果采用常規(guī)的設(shè)計方法，那么葉片的進(jìn)口處半徑就會非常大，比出口半徑寬出很多。幅流成分是轉(zhuǎn)輪水輪中比較重要的一個部分，在兩個葉片之間，水流受到哥氏力作用的影響，會呈現(xiàn)出分布不均勻的狀態(tài)，這樣一來，在運行的過程中，就會出現(xiàn)某些部位零水流流速的問題，這對水輪機(jī)運轉(zhuǎn)效率的影響是比較大的，嚴(yán)重時會對機(jī)組的正常運行產(chǎn)生破壞?；诖?，為了避免問題的產(chǎn)生，在將進(jìn)口寬度變小時，出口的寬度要保證不發(fā)生變化，同時，在兩個葉片之間還需要增加一個葉片，葉片要與進(jìn)口的距離比較近，而且長度要短[1]。副葉片的增加有效地提升水力效率，避免了不必要損失的產(chǎn)生，提升了水輪機(jī)的運行效率，保證其穩(wěn)定運行。

1.2 導(dǎo)葉的偏心結(jié)構(gòu)

高水頭混流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉高度并不高，因此，立面的漏水量是比較少的，不過，其水壓要比普通的混流式水輪機(jī)高很多，很容易發(fā)生頂蓋變形，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)葉端面的間隙不斷的加大，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，為了避免這個問題，就需要對導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)今，水輪機(jī)導(dǎo)葉采用的是偏心結(jié)構(gòu)，端面比較大，而且?guī)б恚瑫r，在導(dǎo)葉的軸頸處，安裝有密封圈，有效的將損壞降低[2]。在偏心結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉中，增設(shè)了翼板，安裝的位置為正壓面的上端及下端，而且軸頸的直徑也進(jìn)行了增加處理，這樣一來，有效地避免了過多的漏水，使水輪機(jī)保持在高校的運轉(zhuǎn)中。

1.3 不銹鋼層焊接

在導(dǎo)葉中，兩個端面之間的間隙是比較小的，比如頂蓋和抗磨板，二者在進(jìn)行連接時，通過螺釘來實現(xiàn)，在高水頭運行的過程中，抗磨板受到其作用的影響，在局部的某個位置上會發(fā)生變形，這樣一來，保持端面的小間隙就變得非常困難。為了改善這種狀況，保證端面之間的小間隙，在進(jìn)行抗磨板與頂蓋連接時，改為采用焊接不銹鋼層，進(jìn)而最大限度避免抗磨板變形的產(chǎn)生。

1.4 主軸密封

根據(jù)高水頭混流式水輪機(jī)檢修記錄可知，最容易發(fā)生問題的部件之一就是主軸。水輪機(jī)的主軸需要進(jìn)行密封，采用的密封結(jié)構(gòu)為非接觸密封，這種密封方法顯著的提升了主軸的使用壽命。在非接觸密封結(jié)構(gòu)中，由三部分組成，一是間隙式密封，二是轉(zhuǎn)輪上冠處的泵板，三是頂蓋排水管[3]。在機(jī)組運行的過程中，泵板轉(zhuǎn)動裝置的啟動需要由轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動來帶動，泵板轉(zhuǎn)動起來之后，內(nèi)腔里的水也會隨之轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生壓差之后進(jìn)入到集水箱中，集水箱中的水主要有兩種用途，一種是用來冷卻機(jī)組，一種是排向尾水管。在主軸密封區(qū)域中，水輪機(jī)組要求具備比較高的速度，而非接觸式密封結(jié)構(gòu)能夠充分的滿足速度要求，同時，運行過程中磨損幾乎不存在，從而有效地減少了主軸的檢修次數(shù)，延長了主軸的使用壽命。

1.5 頂蓋取水

在轉(zhuǎn)輪的上迷宮環(huán)運行的過程中，可能會發(fā)生漏水的問題，頂蓋取水主要就是避免漏水的發(fā)生，在轉(zhuǎn)輪的上冠處安裝泵板，在泵板的作用下，將水取出，同時，把取出的水用來進(jìn)行機(jī)組的冷卻。水電站機(jī)組在進(jìn)行供水時，水壓和水量都具備一定的要求，為了充分的滿足要求，就需要采用上冠無減壓孔，最終在頂蓋處將水取出。同時，還將徑向葉片泵結(jié)構(gòu)安裝在上冠上，這樣一來，上迷宮環(huán)的流水就會進(jìn)入到兩個地方，一個是頂蓋的內(nèi)墻，一個是在轉(zhuǎn)輪與頂蓋的間隙上。

2 高水頭混流式水輪機(jī)的運行特征

2.1 常規(guī)運行特征

高水頭混流式水輪機(jī)在國內(nèi)的水電站應(yīng)用之初，水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)為常規(guī)結(jié)構(gòu)，在水輪機(jī)運行的過程中，導(dǎo)葉漏水、泥沙磨損、噪音等問題不斷地發(fā)生，而且都帶來了比較嚴(yán)重的影響，幾乎每一年都需要進(jìn)行檢修、補焊工作，尤其是轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉部件。通常來說，水輪機(jī)在運行1年到2年左右的時間時，就必須要進(jìn)行大修，這對機(jī)組長期的安全穩(wěn)定運行來說，有著非常大的影響，進(jìn)而影響到水電站的運行效率。為了改變這種情況，國內(nèi)應(yīng)用高水頭混流式水輪機(jī)的水電站對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，轉(zhuǎn)輪增加了副葉片，這樣一來，水輪機(jī)組的運行狀況顯著的提升，經(jīng)常發(fā)生的泥沙磨損、導(dǎo)葉漏水等問題也得到了顯著的減少，大修周期也得到了延長，這也使得水輪機(jī)組的長期安全運行得以實現(xiàn)。此種常規(guī)運行特征在綠水河水電站、漁子溪一級水電站中得到了比較好的實踐。

2.2 新結(jié)構(gòu)運行特征

隨著社會及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水輪機(jī)技術(shù)也得到了良好的發(fā)展，在這個過程中，高水頭混流式水輪機(jī)技術(shù)引入到國內(nèi)，并在各個水電站中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提升應(yīng)用的效果，我國開始加大對高水頭混流式水輪機(jī)技術(shù)的研究力度，在水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造等方面都取得了比較好的研究效果，由此一來，國內(nèi)的高水頭混流式水輪機(jī)應(yīng)用效果得到顯著的提升，而且其所具備的運行特征和性能也在很大程度上得到了改善[5]。在南水北調(diào)工程中，中線丹江口大壩就應(yīng)用了高水頭混流式水輪機(jī)，大壩經(jīng)過加高處理之后，由原來的162米加高至176.6米，同時，最高蓄水位也由原來的157米增加到170米，最高運行水頭79米。這些改變?yōu)樗啓C(jī)的應(yīng)用提供了很好的便利條件，通過水輪機(jī)組安全、穩(wěn)定的運行，促進(jìn)南水北調(diào)中線工程的發(fā)展。高水頭混流式水輪機(jī)在應(yīng)用了新結(jié)構(gòu)之后，泥沙磨損變得微乎其微，即使是機(jī)泥的含沙量非常高，在運行的過程中，磨損也是非常小的，而且出現(xiàn)磨損的部位也非常少，磨損的深度也都在1mm以內(nèi)。在頂蓋與抗磨板之間、導(dǎo)葉兩端面上，并不會出現(xiàn)空蝕和水流沖刷現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

與中低水頭混流式水輪機(jī)相比，高水頭混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)具備十分獨特的特點，在其運行的過程中，額定水頭及額定轉(zhuǎn)速都是比較高的，能夠有效地提升機(jī)組的運行效率。盡管新結(jié)構(gòu)具備比較好的性能及運行特征，但是新結(jié)構(gòu)的高水頭混流式水輪機(jī)是從國外引進(jìn)的，基于此，我國應(yīng)該加大研究的力度，從而自主地生產(chǎn)水輪機(jī)的新結(jié)構(gòu)部件，在促進(jìn)水輪機(jī)深度應(yīng)用的同時，促進(jìn)水輪機(jī)水力設(shè)計的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]黃丕偉.高水頭混流式水輪機(jī)的構(gòu)造特性[J].技術(shù)與市場，2010（5）：25-26.

[2]A.W.奧托，范春生，白韌.高水頭混流式水輪機(jī)水力結(jié)構(gòu)的開發(fā)與原型試驗[J].水利水電快報，2015（2）：8-11.

[3]陳道全，吳偉.高水頭混流式轉(zhuǎn)輪和水泵轉(zhuǎn)輪的制造新工藝[J].東方電機(jī)，2014（3）：71-75.

[4]劉麗娜，潘偉峰，麻志成.混流式水輪機(jī)低負(fù)荷運行水力穩(wěn)定性的研究[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2015（2）：20-23+26.