混流式水輪機(jī)上冠泄排水聯(lián)合降壓數(shù)值模擬

貴辛未 牧振偉 夏慶成 李澤發(fā) 張治山

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052;3.新疆天富能源股份有限公司紅山嘴水電廠，石河子 832000)

0 引言

在設(shè)計(jì)和改造混流式水輪機(jī)過程中，采用合理的上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)其運(yùn)行效率和主軸密封性能的提高具有顯著影響。電站為降低水輪機(jī)上冠頂部水壓力常采取多類結(jié)構(gòu)措施，從而達(dá)到改善主軸密封工作條件以及減小轉(zhuǎn)輪軸向水推力的目的。

近年來，電站在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)各類上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)均存在一定優(yōu)缺點(diǎn)，不同型號(hào)水輪機(jī)上冠泄漏水的排泄方式也不同。水輪機(jī)上冠流道的泄漏水為間隙流動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該方面的研究取得了一些成果[1-2]，研究?jī)?nèi)容主要集中在頂蓋取水技術(shù)應(yīng)用是否成功、上冠間隙泄漏水對(duì)水輪機(jī)性能的影響[3-7]。

目前諸多學(xué)者多以某一類特定且單一的上冠降壓結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探究上冠間隙流動(dòng)對(duì)水輪機(jī)性能的影響，而對(duì)不同工況下常見的上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)措施統(tǒng)籌考慮，分析各類結(jié)構(gòu)對(duì)水輪機(jī)性能影響及其聯(lián)合降壓效果的研究較少。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，目前采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬水輪機(jī)間隙流動(dòng)的技術(shù)已較為成熟[8-14]，故本文利用CFD技術(shù)，結(jié)合紅山嘴水電站工程實(shí)例，將4類不同的混流式水輪機(jī)上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，建立不同的流體計(jì)算域模型，探究不同類型結(jié)構(gòu)對(duì)上冠流道內(nèi)泄漏水流態(tài)、主軸密封壓力、上冠軸向水推力以及梳齒環(huán)密封能力的影響。

1 計(jì)算模型及方案

1.1 技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)模型

本文以新疆紅山嘴一級(jí)電站4號(hào)水輪機(jī)為例，其主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)計(jì)水頭為104 m，單機(jī)流量為17.28 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，單機(jī)容量為 16 MW。

目前國(guó)內(nèi)外混流式水輪機(jī)上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)主要可歸為4類：僅在頂蓋上方設(shè)置排水管、僅在上冠開設(shè)泄水孔、上冠泄水孔和頂蓋排水管聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)、上冠增設(shè)轉(zhuǎn)輪泵的聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)。以上4類結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖1所示。

圖1 不同上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文將不同的轉(zhuǎn)輪上冠降壓結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，針對(duì)4類結(jié)構(gòu)在7種流量下展開數(shù)值模擬。根據(jù)上冠間隙的進(jìn)口特點(diǎn)，不同流量可由泄漏水進(jìn)入上冠間隙前的軸向速度來反映，軸向速度Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，故計(jì)算工況共計(jì)28個(gè)。

1.3 計(jì)算域模型及網(wǎng)格劃分

現(xiàn)階段紅山嘴水電站4號(hào)機(jī)組上冠降壓措施為第Ⅳ類結(jié)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)真機(jī)幾何參數(shù)，建立4類不同的轉(zhuǎn)輪上冠降壓結(jié)構(gòu)計(jì)算域模型，因轉(zhuǎn)輪上冠腔體內(nèi)的泄水孔、頂蓋排水管以及泵葉均為對(duì)稱布置，故可取轉(zhuǎn)輪上冠1/4的單流道作為計(jì)算域，同時(shí)可節(jié)省運(yùn)算資源，提高工作效率。不同計(jì)算域模型如圖3所示。

圖2 真機(jī)結(jié)構(gòu)模型

圖3 不同降壓結(jié)構(gòu)的計(jì)算域模型

針對(duì)4類不同的計(jì)算域模型，均利用ICEM軟件對(duì)其各自的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，最后再組裝[15-18]。網(wǎng)格劃分過程中考慮到轉(zhuǎn)輪上冠為環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用了2D轉(zhuǎn)3D塊的方法，避免了繁瑣的“O” 型網(wǎng)格關(guān)聯(lián)，并形成了0.8以上的高質(zhì)量網(wǎng)格。另外對(duì)計(jì)算域模型1.5 mm密封間隙作局部加密處理，與其周圍網(wǎng)格以Bigeometric方式1.2比例進(jìn)行光滑過渡。因第Ⅳ類泄排水降壓結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，故以此為例，顯示計(jì)算域網(wǎng)格劃分效果，如圖4所示。

圖4 第Ⅳ類結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

正式計(jì)算前需對(duì)所有計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。以第Ⅳ類結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為4.629 3×106時(shí)，主軸密封下側(cè)壓力、上冠軸向水推力、梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差3個(gè)指標(biāo)變化范圍均在2.1%以內(nèi)，滿足計(jì)算要求，如圖5所示。另外，因其他類型計(jì)算域模型結(jié)構(gòu)各不同，故劃分網(wǎng)格過程中，將各結(jié)構(gòu)包含的每個(gè)部件按與第Ⅳ類結(jié)構(gòu)各部件網(wǎng)格數(shù)量保持一致處理，即可避免因網(wǎng)格數(shù)量造成仿真誤差。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

1.4 邊界條件

根據(jù)水電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等資料，以水輪機(jī)額定水頭104 m和額定轉(zhuǎn)速375 r/min下最大輸出功率為計(jì)算工況。

入口邊界：由于轉(zhuǎn)輪上冠流道內(nèi)的泄漏水均來自上冠間隙和主軸密封，故4類模型的入口條件相同。設(shè)置主軸密封下側(cè)進(jìn)口流量Q為零、上冠間隙設(shè)置為速度進(jìn)口，泄漏水在進(jìn)入上冠間隙前包括圓周速度Vu和軸向速度Vz，根據(jù)頂蓋取水公式[19-20]

(1)

(2)

式中Hth——理論水頭g——重力加速度

u1——轉(zhuǎn)輪進(jìn)口泄漏水的圓周速度

ΔH——間隙兩端壓力差

η——間隙進(jìn)口圓角系數(shù)，一般取0.5～0.9

λ——沿程阻力系數(shù)

L——間隙長(zhǎng)度b——間隙寬度

經(jīng)計(jì)算，Vu為定值28 m/s；Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，該范圍已包含正常工況下所有泄漏量。

出口邊界：因4類轉(zhuǎn)輪上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)的出口形式不盡相同，故出口邊界需單獨(dú)設(shè)置。Ⅰ類結(jié)構(gòu)因僅有頂蓋排水管出口，故其出口設(shè)置為 0.1 MPa 的開放式邊界；Ⅱ類結(jié)構(gòu)出口僅有泄水錐，根據(jù)尾水出口位置建立伯努利方程，可求得泄水錐出口開放式邊界條件的壓力為0.007 408 MPa；Ⅲ 類結(jié)構(gòu)作為Ⅰ類結(jié)構(gòu)和Ⅱ類結(jié)構(gòu)的聯(lián)合降壓措施，其包括頂蓋排水管和泄水錐兩個(gè)出口，分別設(shè)置為 0.1 MPa 和0.007 408 MPa的開放式邊界條件；Ⅳ類結(jié)構(gòu)較Ⅲ類結(jié)構(gòu)主要增加了轉(zhuǎn)輪泵，對(duì)整個(gè)計(jì)算域出口并無影響，故其采用與Ⅲ 類結(jié)構(gòu)相同的出口邊界條件。

壁面邊界：壁面條件采用無滑移邊界條件。

其他邊界：各降壓結(jié)構(gòu)計(jì)算域所涉及到的動(dòng)靜交界面均采用冰凍轉(zhuǎn)子法[21-22]。另外計(jì)算收斂精度設(shè)置為10-4。

為表達(dá)計(jì)算域邊界條件具體位置，以第Ⅳ類結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，如圖6所示。

圖6 第Ⅳ類結(jié)構(gòu)計(jì)算域邊界條件

2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證模型可靠性，以該電站現(xiàn)階段采用的轉(zhuǎn)輪泵降壓結(jié)構(gòu)(Ⅳ類結(jié)構(gòu))為例，設(shè)置上述邊界條件數(shù)值計(jì)算。以頂蓋排水管出口壓力為驗(yàn)證指標(biāo)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果0.592 MPa與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值0.580 MPa相比，相對(duì)誤差為2.07%，模擬結(jié)果與電站實(shí)測(cè)值吻合，符合計(jì)算要求，故在此基礎(chǔ)上，再對(duì)其他各類型的降壓結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬。通過對(duì)比分析，重點(diǎn)探究各結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及轉(zhuǎn)輪上冠聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

2.1 流態(tài)分布

為探究混流式水輪機(jī)不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)上冠流道內(nèi)泄漏水流態(tài)的影響，首先將4類結(jié)構(gòu)在不同泄漏量下(Vz=15 m/s、Vz=21 m/s、Vz=27 m/s)的流速場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7～10所示。

由圖7可知，隨著上冠間隙泄漏量的增加，梳齒環(huán)出口前的流態(tài)變化較小，集中表現(xiàn)為泄漏水在經(jīng)過上冠間隙時(shí)動(dòng)能增大，隨后進(jìn)入梳齒環(huán)腔內(nèi)后形成典型的旋渦會(huì)消耗大部分能量。當(dāng)泄漏水從梳齒環(huán)出口流出時(shí)，因上冠流道斷面面積逐漸增大，泄漏水動(dòng)能會(huì)逐漸降低，呈內(nèi)低外高階梯式分布。

圖7 僅頂蓋排水管降壓結(jié)構(gòu)二維流線圖

另外泄漏量的增加對(duì)轉(zhuǎn)輪上冠流道高壓區(qū)域影響較大。主要表現(xiàn)為在高壓區(qū)域會(huì)形成兩個(gè)大小不同的旋渦。當(dāng)泄漏量較小時(shí)，內(nèi)側(cè)旋渦較大，隨著泄漏量的增加，外側(cè)旋渦會(huì)逐漸占據(jù)上冠高壓區(qū)域，呈現(xiàn)出向內(nèi)側(cè)移動(dòng)趨勢(shì)，這是因?yàn)樾孤┧艿綗o滑移壁面邊界層的影響，產(chǎn)生的不均勻逆壓力梯度導(dǎo)致回流現(xiàn)象。

由圖8可知，隨著上冠間隙泄漏量的增加，僅含泄水孔單一降壓結(jié)構(gòu)的梳齒環(huán)進(jìn)出口流態(tài)分布情況與僅含頂蓋排水管單一降壓結(jié)構(gòu)的類似。主要區(qū)別表現(xiàn)為泄漏水在泄水孔內(nèi)呈螺旋狀流入泄水錐，且因轉(zhuǎn)輪的高速旋轉(zhuǎn)使得泄漏水進(jìn)入泄水錐后流態(tài)更為紊亂，此過程中流速整體呈逐漸減小趨勢(shì)。

圖8 僅泄水孔降壓結(jié)構(gòu)二維流線圖

由圖9可知，泄漏水在上冠流道局部高壓區(qū)形成一個(gè)較大旋渦且渦量隨Vz的增大而增大，在進(jìn)入泄水錐后流態(tài)基本相同。在頂蓋排水管和泄水孔的雙重作用下，泄漏水在上冠流道內(nèi)及泄水錐內(nèi)部流速會(huì)有所降低，但水力損失仍然較大。該結(jié)構(gòu)較單一形式的降壓結(jié)構(gòu)具有更好降壓效果及穩(wěn)定性。

圖9 頂蓋排水管和泄水孔聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)二維流線圖

由圖10可知，上冠增設(shè)了轉(zhuǎn)輪泵(泵葉和泵蓋)，對(duì)上冠空腔泄漏水流態(tài)有顯著影響。泄漏水首先經(jīng)梳齒環(huán)后沿著泵蓋上腔進(jìn)入泵蓋下腔，隨后泄漏水分為兩個(gè)途徑排出，其中一路在轉(zhuǎn)輪泵泵葉加壓作用下經(jīng)頂蓋排水管排出，另一路經(jīng)泄水孔進(jìn)入泄水錐流出且流態(tài)穩(wěn)定。

圖10 含轉(zhuǎn)輪泵聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)二維流線圖

隨著泄漏量的增加，上冠流道內(nèi)泄漏水流態(tài)整體變化較小，這主要因在多項(xiàng)聯(lián)合降壓措施下，上冠流道內(nèi)壓力重新分布，使得泄漏水被高效穩(wěn)定排出。同時(shí)由于轉(zhuǎn)輪泵的離心作用，降低了主軸密封下側(cè)壓力，來自主軸密封腔體內(nèi)的泄漏水更易被吸入泵腔并及時(shí)排除，因此含轉(zhuǎn)輪泵的泄排水降壓結(jié)構(gòu)不僅可降低水輪機(jī)軸向水推力還可延長(zhǎng)主軸密封的使用壽命。另外，可發(fā)現(xiàn)若進(jìn)一步調(diào)整轉(zhuǎn)輪泵的泵葉或泵蓋的參數(shù)將更接近優(yōu)化目的。

2.2 主軸密封壓力分析

水輪機(jī)主軸密封漏水是電站常見難題。尤其對(duì)泥沙量較大的紅山嘴電站而言，最突出的問題就是主軸密封使用壽命很低，洪水期維修頻率高達(dá)每周一換，嚴(yán)重影響運(yùn)行效率。該一級(jí)電站采用轉(zhuǎn)輪泵結(jié)構(gòu)泄排水降壓裝置后表現(xiàn)出理想效果。不同泄排水降壓裝置對(duì)主軸密封的影響不容忽視，因此本文將主軸密封下側(cè)壓力作為研究指標(biāo)之一。主軸密封下側(cè)絕對(duì)壓力用p1表示，該值越小說明越有利于主軸密封處更多泄漏水被吸入上冠空腔內(nèi)，對(duì)主軸密封工作環(huán)境越有利。

不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)的主軸密封下側(cè)壓力變化特性曲線如圖11所示。

圖11 主軸密封下側(cè)壓力變化特性曲線

由圖11可知，4類不同的轉(zhuǎn)輪上冠泄排水降壓方式所引起的主軸密封壓力均隨Vz的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明無論哪類結(jié)構(gòu)，泄漏量的增加對(duì)主軸密封壓力均不利，軸向速度Vz是影響主軸密封腔體壓力的直接因素，水電站在主軸密封改造過程中可采取減小上冠間隙尺寸等措施解決漏水問題。將4類不同降壓結(jié)構(gòu)在不同泄漏量下對(duì)主軸密封壓力的影響對(duì)比可知，僅頂蓋排水管或僅泄水孔的單一降壓結(jié)構(gòu)的主軸密封下側(cè)壓力，隨著泄漏量的增加平均變化幅度較為明顯，分別為58%和68%，而頂蓋排水管及泄水孔聯(lián)合結(jié)構(gòu)或含轉(zhuǎn)輪泵降壓結(jié)構(gòu)的主軸密封壓力平均變化幅度較為平緩，僅為37.6%和39.8%，可見在不同泄漏量下，后者更有利于主軸密封壓力穩(wěn)定。

另外，在同一泄漏量下將4類不同降壓結(jié)構(gòu)對(duì)主軸密封壓力的影響進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)降壓效果從優(yōu)到劣依次為：轉(zhuǎn)輪泵降壓結(jié)構(gòu)、頂蓋排和泄水孔聯(lián)合泄排水降壓結(jié)構(gòu)、僅泄水孔降壓結(jié)構(gòu)、僅頂蓋排水管降壓結(jié)構(gòu)。諸多電站采用含轉(zhuǎn)輪泵的降壓結(jié)構(gòu)對(duì)改善主軸密封工作條件顯出一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閬碜灾鬏S密封以及上冠間隙的泄漏水經(jīng)轉(zhuǎn)輪泵泵葉區(qū)加壓后，經(jīng)頂蓋排水管可快速排出；另外，上冠流道低壓腔未及時(shí)排除的多余泄漏水又可通過泄水孔下泄至泄水錐，最后經(jīng)泄水錐排至尾水，轉(zhuǎn)輪泵降壓結(jié)構(gòu)的雙重作用使得主軸密封下側(cè)長(zhǎng)期保持較低壓力，更有利于主軸密封的泄漏水及時(shí)排出。頂蓋排水管和泄水孔聯(lián)合泄排水降壓結(jié)構(gòu)與含轉(zhuǎn)輪泵的降壓結(jié)構(gòu)相比降壓效果平均下降15.98%，這是因?yàn)槿鄙俎D(zhuǎn)輪泵的加壓作用，該結(jié)構(gòu)對(duì)于含泥沙量較大的機(jī)組不建議使用。僅頂蓋或僅泄水孔的單一降壓結(jié)構(gòu)對(duì)主軸密封降壓效果較差，這主要因?yàn)殚_孔數(shù)量或幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，導(dǎo)致泄漏水不能被及時(shí)排出，甚至還會(huì)經(jīng)主軸密封腔體出現(xiàn)上溢。

經(jīng)對(duì)比可知，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠增設(shè)轉(zhuǎn)輪泵對(duì)主軸密封壽命的提高具有顯著作用，尤其對(duì)于含泥沙量較大的機(jī)組更為適宜。

2.3 上冠軸向水推力對(duì)比分析

降低水輪機(jī)軸向水推力可減輕其軸承負(fù)荷，延長(zhǎng)軸油封及軸承使用壽命，故不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)水輪機(jī)上冠軸向水推力的影響也是該研究的重要指標(biāo)。

水輪機(jī)上冠軸向水推力用F表示(規(guī)定向下為正方向)，該值越小說明上冠空腔內(nèi)的水壓越低，更利于降低上冠軸向水推力。不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)的上冠軸向水推力變化特性曲線，如圖12所示。

圖12 上冠軸向水推力變化特性曲線

由圖12可知，隨著泄漏量的增加，4類不同泄排水降壓方式所引起的上冠軸向水推力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。尤其僅頂蓋排水管降壓結(jié)構(gòu)引起的上冠軸向水推力較大且平均變化幅度為17.1%，原因是頂蓋排水口數(shù)量不足或孔徑過小，泄漏水進(jìn)入上冠空腔后因頂蓋排水管的限制不能被及時(shí)排除，在上冠空腔內(nèi)大量累積，從而大幅度增大了向下的軸向水推力；同時(shí)說明若采用此降壓結(jié)構(gòu)需通過增加梳齒環(huán)的密封性能或減小上冠間隙寬度的措施來滿足降壓要求。

在相同泄漏量下，僅泄水孔降壓措施與僅頂蓋結(jié)構(gòu)降壓措施相比所引起的上冠軸向水推力較小，但不是最優(yōu)，這主要是因泄水孔數(shù)量或安置角度不適引起的，以上兩類單一的泄排水降壓措施對(duì)減小轉(zhuǎn)輪上冠軸向水推力效果一般，故工程中常采用頂蓋排水和泄水孔聯(lián)合的泄排水降壓措施，其效果突出且軸向水推力受泄漏量影響的平均變化幅度為11.03%。

對(duì)于含轉(zhuǎn)輪泵結(jié)構(gòu)的泄排水聯(lián)合降壓措施，由于其泵葉的增壓作用提高了上冠空腔泄漏水的排出效率，它較一般的聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)可使上冠軸向水推力平均降低52.99%。另外，該結(jié)構(gòu)引起的上冠軸向水推力受泄漏量的變化影響較小，平均變化幅度僅達(dá)3.12%。隨著電站運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪上冠間隙必會(huì)增大，從而致使泄漏量增加，而含轉(zhuǎn)輪泵的泄排水降壓結(jié)構(gòu)較其他降壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸向水推力不會(huì)出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，更有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，故建議在中高水頭混流式水輪機(jī)組上推廣使用含轉(zhuǎn)輪泵的泄排水聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)。

2.4 梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差分析

水輪機(jī)上冠軸向水推力以及主軸密封壓力均與經(jīng)梳齒環(huán)的泄漏水量有直接聯(lián)系，為增強(qiáng)梳齒環(huán)密封性能，從根本上減少泄漏水量，提高水輪機(jī)運(yùn)行效率，故將4類不同的上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差的影響作為研究指標(biāo)之一。

梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差用p2表示，該值越小，說明越不利于間隙泄漏水進(jìn)入上冠空腔。不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)的梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差變化特性曲線如圖13所示。

圖13 梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差變化特性曲線

由圖13可知，4類不同的上冠泄排水降壓方式所引起的梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差均隨著軸向速度Vz的增加呈較大幅度增加，可見上冠間隙泄漏水量嚴(yán)重影響梳齒環(huán)的密封性能。另外，不同泄排水降壓結(jié)構(gòu)在同一泄漏量下的梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差變化幅度很小且穩(wěn)定，這說明無論采用4類泄排水降壓結(jié)構(gòu)的何種類型對(duì)梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差造成的影響均較小，故在實(shí)際工程中若要增強(qiáng)梳齒環(huán)的密封性能，從根本上減少上冠間隙泄漏量，還需在梳齒環(huán)自身結(jié)構(gòu)上采取改造措施才可達(dá)到優(yōu)化目的。

考慮到不同上冠泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)梳齒環(huán)進(jìn)出口壓差的影響較小且紅山嘴電站主要是以提高水輪機(jī)主軸密封性能以及減小上冠軸向水推力為改造目標(biāo)，故采用含轉(zhuǎn)輪泵的泄排水降壓結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

(1)中高水頭混流式水輪機(jī)不同的泄排水降壓結(jié)構(gòu)對(duì)上冠流道泄漏水流態(tài)分布存在一定差異，主要集中在高壓腔和泄水錐區(qū)域，另外，含轉(zhuǎn)輪泵的聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)流態(tài)更加穩(wěn)定。

(2)在中高水頭混流水水輪機(jī)上冠采用含轉(zhuǎn)輪泵的聯(lián)合降壓措施對(duì)降低主軸密封內(nèi)腔壓力、減小上冠軸向水推力、減少上冠間隙泄漏量具有顯著效果。

(3)針對(duì)新疆紅山嘴一級(jí)電站主軸密封漏水問題，建議電站采用含轉(zhuǎn)輪泵的聯(lián)合泄排水降壓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使主軸密封下側(cè)壓力平均降低15.98%左右，更有利于泄漏水被吸入上冠空腔，延長(zhǎng)主軸密封的使用壽命。

(4)該電站機(jī)組采用含轉(zhuǎn)輪泵的聯(lián)合降壓結(jié)構(gòu)，可使上冠軸向水推力平均降低52.99%左右，有效降低主軸軸承及軸油封的磨損程度。