大型混流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展

魏杰 黃波

摘要：混流式水輪機(jī)的應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。它是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)之一。我國自引進(jìn)大型混流式水輪機(jī)以來技術(shù)不斷提高，水輪機(jī)容量從最初的幾百千瓦發(fā)展到三峽的70萬千瓦，水輪機(jī)的效率也提高到95%。但大型混流式水輪機(jī)的發(fā)展過程中也遇到了一些難題：水輪機(jī)泥沙磨蝕；導(dǎo)葉漏水量過大；工地安裝困難；機(jī)組振動(dòng)、擺度過大。通過長短葉片轉(zhuǎn)輪技術(shù)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解析技術(shù)，泵板+非接觸式間隙密封等技術(shù)的應(yīng)用推廣，大型混流式水輪機(jī)的問題得到了有效改善。

關(guān)鍵詞：大型混流式水輪機(jī)；應(yīng)用現(xiàn)狀；技術(shù)難題；改進(jìn)技術(shù)

1 前言

混流式水輪機(jī)水流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的徑向，然后沿軸向大致流出流道?；炝魇剿啓C(jī)也曾被稱為輻軸流式水輪機(jī)，美國工程師弗蘭西斯于1849發(fā)明了它，也被稱為弗蘭西斯渦輪機(jī)?；炝魇剿啓C(jī)水頭寬（約20～700米），結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高，是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代水輪機(jī)[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國已投入500多個(gè)大中型水電站，其中混合流動(dòng)單元超過320個(gè)。由此可見，混流式水輪機(jī)是最常用的。

2 混流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 混流式水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

混流式水輪機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

●尺寸小，轉(zhuǎn)速高，機(jī)組造價(jià)比沖擊式水輪機(jī)低；

●能量指標(biāo)高，效率比沖擊式水輪機(jī)高；

●額定工況下，發(fā)足裝機(jī)容量時(shí)，過機(jī)流量會(huì)少一點(diǎn)；

●可以更加充分利用電站水頭，還可局部回收尾水管動(dòng)能；

●混流式機(jī)組及其附屬設(shè)備在安裝、運(yùn)行和維護(hù)方面相比沖擊式機(jī)組有較大優(yōu)勢；

相比于其他形式的水輪機(jī)混流式水輪機(jī)在高水頭大流量的情況下更加適用，因此國內(nèi)外大多數(shù)大型水電站都采用了大型混流式水輪機(jī)。

2.2 水輪機(jī)容量

經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，中國混流式水輪機(jī)的裝機(jī)容量由最早的石龍壩幾百千瓦發(fā)展到三千瓦的70萬千瓦級(jí)，2012年發(fā)展到80萬kW級(jí)。水輪機(jī)直徑從0.71m發(fā)展到三峽的10.4m。

2.3 水輪機(jī)的效率

中國大型混流式水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)取得了重大進(jìn)展。研制了一系列性能優(yōu)良的模型轉(zhuǎn)輪。最大模型效率大于95%。進(jìn)一步控制尾水管和無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)。使水輪機(jī)能夠在高效率區(qū)更加穩(wěn)定的運(yùn)行，與以往的汽蝕穩(wěn)定性和水力穩(wěn)定性相比有很大的改進(jìn)。

3 混流式水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展

3.1 技術(shù)難題

高水頭混流式水輪機(jī)在中國的應(yīng)用發(fā)展至今已有將近30年的歷史，從起初的引進(jìn)國外技術(shù)，到后來的模仿直至完全掌握，經(jīng)歷了很長一段時(shí)間，期間遇到了各種技術(shù)難題[3]。

（1）水輪機(jī)泥沙磨蝕

隨著20世紀(jì)80年代，高水頭混流式水輪機(jī)技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用，在那些河流含沙量較大的地區(qū)，水輪機(jī)出現(xiàn)了不同程度的泥沙磨蝕。

（2）導(dǎo)葉漏水量過大

高水頭機(jī)組，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于導(dǎo)葉漏水量過大而無法正常關(guān)機(jī)的，必須依賴關(guān)進(jìn)水球閥來實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。

（3）工地安裝困難

高水頭機(jī)組由于尺寸小，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸密封等部件工地安裝時(shí)，操作空間會(huì)顯得比較局促。

（4）機(jī)組振動(dòng)、擺度過大

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證蝸殼中水流均勻流動(dòng)，導(dǎo)葉水流均勻流動(dòng)，水輪機(jī)止漏環(huán)密封處不會(huì)產(chǎn)生不均勻的水力不平衡力。

3.2 改進(jìn)技術(shù)

3.2.1長短葉片轉(zhuǎn)輪技術(shù)

高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪形狀，一般進(jìn)水處尺寸D1較大，而出水處尺寸D2較?。―1>D2）。為了提高水輪機(jī)的水力性能，業(yè)內(nèi)開發(fā)出了一種在轉(zhuǎn)輪內(nèi)交替分布長葉片和短葉片的新型轉(zhuǎn)輪，通常稱之為“長短葉片轉(zhuǎn)輪”，即在每兩個(gè)長葉片中間布置一個(gè)短葉片，使水輪機(jī)性能有了飛躍式的提高。短葉片長度通常為長葉片長度的2/3左右，短葉片設(shè)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊側(cè)，在尺寸較小的轉(zhuǎn)輪出水邊只有長葉片，因此在轉(zhuǎn)輪性能得到提高的同時(shí)，又有足夠的操作空間可以確保焊接加工質(zhì)量。另外，由于總體葉片數(shù)增加，使得在高水頭條件下工作的轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度和可靠性得到提高，基于此長短葉片轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的概率要比常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪低[3]。

3.2.2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解析技術(shù)

CFD解析的主要功能是流場計(jì)算、流場分析、流場預(yù)測。通過CFD流體解析技術(shù)，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能預(yù)測，提高水輪機(jī)的水力性能，已逐漸得到廣泛運(yùn)用。在充分把握性能指標(biāo)、合同要求的前提下，分析現(xiàn)存問題和運(yùn)行條件，制定性能開發(fā)目標(biāo)，通過CFD解析技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)出較優(yōu)的水力模型。

3.2.3 泵板+非接觸式間隙密封

水輪機(jī)主軸密封一直是水輪機(jī)檢修最多的部件之一，特別是對(duì)于高水頭混流式水輪機(jī)更是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn).高水頭水輪機(jī)主軸密封主要采用非接觸密封結(jié)構(gòu)，即泵板加間隙式迷宮密封。此種結(jié)構(gòu)的主軸密封主要由間隙式密封、轉(zhuǎn)輪上冠處的泵板、頂蓋排水管等組成。間隙式密封靜止部分與運(yùn)動(dòng)部件不接觸，運(yùn)行時(shí)無需密封潤滑冷卻水，密封件也不存在磨損現(xiàn)象，無需維護(hù)和更換[4]。

4 結(jié)語

（1）混流式水輪機(jī)適用水頭范圍大，尺寸小、重量輕、能量指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)已成為大型水電站的首選。

（2）經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)大型混流式水輪機(jī)的技術(shù)水平得到了長足發(fā)展，水輪機(jī)容量從最早的龍石壩水電站的幾百千瓦發(fā)展到三峽的70萬千瓦，水輪機(jī)的效率也達(dá)到了95%，是國際領(lǐng)先水平。

（3）在大型水輪機(jī)的發(fā)展過程也遇到了一些技術(shù)難題主要有：水輪機(jī)泥沙磨蝕；導(dǎo)葉漏水量過大；工地安裝困難；機(jī)組振動(dòng)、擺度過大。

（4）隨著技術(shù)水平的不斷提高，隨著長短葉片轉(zhuǎn)輪技術(shù)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解析技術(shù)，泵板+非接觸式間隙密封等技術(shù)的應(yīng)用推廣，大型混流式水輪機(jī)的問題得到了有效改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉啟釗、胡明. 水電站（第4版）[M]. 北京：中國水利水電出版社，2017. 3-4

[2]沈源國，王穎玉.500m水頭段高水頭混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)[J]小水電，2005，（4）：27-29

[3]劉韶春.高水頭混流式水輪機(jī)參數(shù)選擇研究及應(yīng)用[D]. 浙江大學(xué)，2017：8-9

[4]曾鎮(zhèn)鈴. 高水頭混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性[J]. 水力發(fā)電，2006，32（9）：37-39