大型混流式水轮机的应用现状与技术发展

魏杰 黄波

摘要：混流式水轮机的应用范围广，结构简单，运行稳定，效率高。它是现代应用最广泛的水轮机之一。我国自引进大型混流式水轮机以来技术不断提高，水轮机容量从最初的几百千瓦发展到三峡的70万千瓦，水轮机的效率也提高到95%。但大型混流式水轮机的发展过程中也遇到了一些难题：水轮机泥沙磨蚀；导叶漏水量过大；工地安装困难；机组振动、摆度过大。通过长短叶片转轮技术，计算流体动力学（CFD）解析技术，泵板+非接触式间隙密封等技术的应用推广，大型混流式水轮机的问题得到了有效改善。

关键词：大型混流式水轮机；应用现状；技术难题；改进技术

1 前言

混流式水轮机水流经转轮的径向，然后沿轴向大致流出流道。混流式水轮机也曾被称为辐轴流式水轮机，美国工程师弗兰西斯于1849发明了它，也被称为弗兰西斯涡轮机。混流式水轮机水头宽（约20～700米），结构简单，运行稳定，效率高，是目前应用最广泛的现代水轮机[1]。据不完全统计，中国已投入500多个大中型水电站，其中混合流动单元超过320个。由此可见，混流式水轮机是最常用的。

2 混流式水轮机的应用现状

2.1 混流式水轮机的优点

混流式水轮机具有以下优点[2]：

●尺寸小，转速高，机组造价比冲击式水轮机低；

●能量指标高，效率比冲击式水轮机高；

●额定工况下，发足装机容量时，过机流量会少一点；

●可以更加充分利用电站水头，还可局部回收尾水管动能；

●混流式机组及其附属设备在安装、运行和维护方面相比冲击式机组有较大优势；

相比于其他形式的水轮机混流式水轮机在高水头大流量的情况下更加适用，因此国内外大多数大型水电站都采用了大型混流式水轮机。

2.2 水轮机容量

经过几十年的技术发展，中国混流式水轮机的装机容量由最早的石龙坝几百千瓦发展到三千瓦的70万千瓦级，2012年发展到80万kW级。水轮机直径从0.71m发展到三峡的10.4m。

2.3 水轮机的效率

中国大型混流式水轮机水力设计取得了重大进展。研制了一系列性能优良的模型转轮。最大模型效率大于95%。进一步控制尾水管和无叶区的压力脉动。使水轮机能够在高效率区更加稳定的运行，与以往的汽蚀稳定性和水力稳定性相比有很大的改进。

3 混流式水轮机的技术发展

3.1 技術难题

高水头混流式水轮机在中国的应用发展至今已有将近30年的历史，从起初的引进国外技术，到后来的模仿直至完全掌握，经历了很长一段时间，期间遇到了各种技术难题[3]。

（1）水轮机泥沙磨蚀

随着20世纪80年代，高水头混流式水轮机技术的引进及应用，在那些河流含沙量较大的地区，水轮机出现了不同程度的泥沙磨蚀。

（2）导叶漏水量过大

高水头机组，经常会出现由于导叶漏水量过大而无法正常关机的，必须依赖关进水球阀来实现关机。

（3）工地安装困难

高水头机组由于尺寸小，导水机构、主轴密封等部件工地安装时，操作空间会显得比较局促。

（4）机组振动、摆度过大

设计时应保证蜗壳中水流均匀流动，导叶水流均匀流动，水轮机止漏环密封处不会产生不均匀的水力不平衡力。

3.2 改进技术

3.2.1长短叶片转轮技术

高水头混流式水轮机转轮形状，一般进水处尺寸D1较大，而出水处尺寸D2较小（D1>D2）。为了提高水轮机的水力性能，业内开发出了一种在转轮内交替分布长叶片和短叶片的新型转轮，通常称之为“长短叶片转轮”，即在每两个长叶片中间布置一个短叶片，使水轮机性能有了飞跃式的提高。短叶片长度通常为长叶片长度的2/3左右，短叶片设在转轮进水边侧，在尺寸较小的转轮出水边只有长叶片，因此在转轮性能得到提高的同时，又有足够的操作空间可以确保焊接加工质量。另外，由于总体叶片数增加，使得在高水头条件下工作的转轮刚强度和可靠性得到提高，基于此长短叶片转轮产生裂纹的概率要比常规叶片转轮低[3]。

3.2.2 计算流体动力学（CFD）解析技术

CFD解析的主要功能是流场计算、流场分析、流场预测。通过CFD流体解析技术，对水轮机进行设计优化和性能预测，提高水轮机的水力性能，已逐渐得到广泛运用。在充分把握性能指标、合同要求的前提下，分析现存问题和运行条件，制定性能开发目标，通过CFD解析技术，开发设计出较优的水力模型。

3.2.3 泵板+非接触式间隙密封

水轮机主轴密封一直是水轮机检修最多的部件之一，特别是对于高水头混流式水轮机更是一个关键点.高水头水轮机主轴密封主要采用非接触密封结构，即泵板加间隙式迷宫密封。此种结构的主轴密封主要由间隙式密封、转轮上冠处的泵板、顶盖排水管等组成。间隙式密封静止部分与运动部件不接触，运行时无需密封润滑冷却水，密封件也不存在磨损现象，无需维护和更换[4]。

4 结语

（1）混流式水轮机适用水头范围大，尺寸小、重量轻、能量指标高等优点已成为大型水电站的首选。

（2）经过几十年的技术发展，国内大型混流式水轮机的技术水平得到了长足发展，水轮机容量从最早的龙石坝水电站的几百千瓦发展到三峡的70万千瓦，水轮机的效率也达到了95%，是国际领先水平。

（3）在大型水轮机的发展过程也遇到了一些技术难题主要有：水轮机泥沙磨蚀；导叶漏水量过大；工地安装困难；机组振动、摆度过大。

（4）随着技术水平的不断提高，随着长短叶片转轮技术，计算流体动力学（CFD）解析技术，泵板+非接触式间隙密封等技术的应用推广，大型混流式水轮机的问题得到了有效改善。

参考文献：

[1]刘启钊、胡明. 水电站（第4版）[M]. 北京：中国水利水电出版社，2017. 3-4

[2]沈源国，王颖玉.500m水头段高水头混流式水轮机的选型设计[J]小水电，2005，（4）：27-29

[3]刘韶春.高水头混流式水轮机参数选择研究及应用[D]. 浙江大学，2017：8-9

[4]曾镇铃. 高水头混流式水轮机的结构及运行特性[J]. 水力发电，2006，32（9）：37-39