馬昌軍

（甘肅省節(jié)能投資有限責任公司，甘肅 蘭州730030）

由于我國水資源儲量較大，具有極大的開發(fā)前景，且大部分水頭在20-700m 之間，在以往受到水輪機組的影響，在大水頭條件下一般只能使用沖擊式水輪機機型?，F(xiàn)今，隨著國內(nèi)外水輪機制造技術(shù)的不斷進步，混流式水輪機逐漸被運用于高轉(zhuǎn)速、大容量情況，我國許多大型水電站都采用混流式水輪機型。混流式水輪機與傳統(tǒng)的沖擊式水輪機相比具有尺寸小、重量輕、轉(zhuǎn)速高以及水力效率高等優(yōu)點，能夠帶來極大的經(jīng)濟效益，且在后期機組的維修養(yǎng)護方面比沖擊式水輪機更加的便捷、簡單。

1 混流式水輪機概述

混流式水輪機是反擊式水輪機的一種，是在1849 年由美國工程師弗朗西斯發(fā)明。水流通過機組四周徑向流入轉(zhuǎn)輪，然后從機組近似軸向流出?；炝魇剿啓C的轉(zhuǎn)輪主要由上冠、下環(huán)與葉片組成?；炝魇剿啓C的水頭應(yīng)用范圍在20-700m 之間，由于其運行結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定性較強且具有較高的運行效率，被廣泛應(yīng)用于各大型水電站中，可以說混流式水輪機是現(xiàn)代運用最廣的水輪機。例如，我國三峽投入使用單機容量為700MW 的水輪發(fā)電機組、向家壩投入使用的800MW 水輪發(fā)電機組均采用的為混流式水輪機組?；炝魇剿啓C主要部件蝸殼、頂蓋、座環(huán)、尾水管、底環(huán)、控制環(huán)、導葉、轉(zhuǎn)輪、主軸等。

2 混流式水輪機應(yīng)用與發(fā)展

混流式水輪機的水頭范圍一般在20-700m，且因為其具有運行效率高、空化系數(shù)小、運行穩(wěn)定性強等特點，被應(yīng)用于我國各大型水電站中。目前，我國已經(jīng)能夠設(shè)計并制造直徑超過10m 的水輪機轉(zhuǎn)輪，例如我國向家壩所采用的水輪機單機容量就超過了800MW。為進一步提升混流式水輪機的整體性能優(yōu)化，我國學者基于CFD 技術(shù)對混流式水輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、幾何線性優(yōu)化等進行了大量額研究，相信不久的將來，更加優(yōu)異的混流式水輪機將被用于水電站中，為促進我國水利發(fā)電的高質(zhì)量發(fā)展提供支持。

3 混流式水輪機的水力設(shè)計進展

3.1 水輪機水力穩(wěn)定性表征形式。我國學者針對水輪機水力穩(wěn)定性表征形式進行了大量的實驗研究，通過使用模型試驗臺對水輪機各種水頭下的內(nèi)部流動情況進行了探討。因為混流式水輪機的葉輪是固定的，只有可移動的導流葉片才被調(diào)節(jié)，所以當運行條件偏離最佳狀態(tài)時，不僅會降低渦輪機的效率，而且水流還會造成“撞擊”、流失、氣蝕。尤其是水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的入口位置處損壞嚴重，這時會產(chǎn)生葉片渦流，并且在尾水管中會產(chǎn)生正反向旋轉(zhuǎn)的渦流帶，進而引起設(shè)備的振動，嚴重時會威脅到水輪機組的安全運行。高精度液壓機械模型試驗臺用于測試和觀察高、中、低揚程混流式水輪機液壓模型。如圖1 所示為水輪機內(nèi)部不同流態(tài)特征示意圖。

圖1 混流式水輪機流態(tài)特征

3.2 水力設(shè)計理論。（1）葉片循環(huán)分布模型。轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心組件，可將水流動能轉(zhuǎn)化為機械能。水輪機轉(zhuǎn)輪在運行的過程中，能夠通過對水流進入方向的控制來改變水流的循環(huán)方向，來獲取相應(yīng)的扭矩。水輪機在運行的過程中，葉片內(nèi)水循環(huán)分布情況對水輪機的流動規(guī)律有一定的影響，因此在實際應(yīng)用功能中需要對水輪機的流動狀態(tài)進行分析，總結(jié)流道葉片截面內(nèi)流循環(huán)分布規(guī)律，構(gòu)建分析模型。（2）水輪機流道內(nèi)葉片厚度分布的數(shù)學模型和計算公式。在進行水輪機設(shè)計時，首先需要確保水輪機轉(zhuǎn)輪的強度能夠滿足實際需求，且水輪機葉片具有足夠的厚度。在進行水輪機葉片厚度設(shè)計時，由于葉片翼型厚度對水輪機內(nèi)部葉輪的流動形式具有重要的影響，且會進一步對水輪機渦輪機的運行效率、噪聲等參數(shù)產(chǎn)生影響。所以水輪機葉片翼型厚度計算公式的應(yīng)用有助于水輪機轉(zhuǎn)輪的設(shè)計優(yōu)化，而且可以根據(jù)發(fā)電廠的水質(zhì)輕松地調(diào)整翼型的厚度分布，從而考慮到轉(zhuǎn)輪的效率和抗泥沙性穿。（3）流道葉片疊層成型技術(shù)?；凇傲鞯廊~片之間的流軸對稱”的假設(shè)，通過使用與水流方向正交的等勢線作為堆疊軸來調(diào)整葉片的傾斜角度，提高了流道的有效運行范圍。

3.3 混流式水輪機水力設(shè)計系統(tǒng)。我國學者通過多年的工作經(jīng)驗，構(gòu)建了混流式水輪機水力設(shè)計數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用能夠?qū)炝魇剿啓C模型假設(shè)不斷地進行優(yōu)化。該混流式水輪機水力設(shè)計系統(tǒng)軟件具有多種水輪機的模型優(yōu)化與假設(shè)設(shè)計，能夠有效地滿足水電站工程的建設(shè)與水輪機組的安裝。如圖2 所示為水力設(shè)計系統(tǒng)工作流程。

3.4 混流式水輪機“豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪配置”技術(shù)。我國學者針對徑流式水電站豐枯水期特點，提出了“豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪配置”技術(shù)理念。該理念的原理主要是將原水輪機轉(zhuǎn)輪作為豐水期轉(zhuǎn)輪，并以枯水期條件下水輪機的運行條件為設(shè)計參數(shù)，進而實現(xiàn)以最經(jīng)濟手段來解決豐水期、枯水期河流流量差別大的特點。如圖3所示為枯水期豐水期轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)與運行特性比較。

圖2 水力設(shè)計系統(tǒng)工作流程

實驗表明：該技術(shù)的應(yīng)用能夠提升混流式水輪機枯水期運行效率30%-80%。

4 案例應(yīng)用

在上述研究基礎(chǔ)上形成的混流式水輪機的水力設(shè)計方法，提高了高揚程模型的空化性能，大大降低了低揚程模型的葉片之間的錯流對效率的影響。例如，中國水科學研究院開發(fā)的低比速JF09 和JF18 系列水力模型的空化系數(shù)明顯小于大型國際水電站水輪機的空化系數(shù)統(tǒng)計曲線（如圖4 所示）；該模型的最高效率和溢流能力在45m 以下的頭部混合流液壓模型中處于國際領(lǐng)先水平（如圖5 所示）。

圖3 枯水期、豐水期轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)與運行特性比較

圖4 高水頭水輪機空化系數(shù)比較

圖5 低水頭水輪機轉(zhuǎn)輪流線

5 結(jié)論與展望

我國水資源儲量較大，具有極大的開發(fā)前景，我國的水資源利用效率在逐年上升。雖然近年來，我國水利水電行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但就我國現(xiàn)有的水資源儲存量來說，我國的水資源利用率相比其它國家而言仍然較低，仍具有較大的開發(fā)潛力?；炝魇剿啓C作為一種使用廣泛，應(yīng)用前景廣闊的機組，對我國水利水電行業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，但我們依然需要深入分析混流式水輪機組的開發(fā)與應(yīng)用，提高水輪機的抗疲勞性能將是未來技術(shù)的發(fā)展的主要目標。