高水头混流式水轮机的构造特性

摘要：本文对高水头混流式水轮机的主要结构特点及运行特性进行了分析总结，并说明了带副叶片的高水头混流式水轮机的应用优势和特点。

关键词：结构运行特性混流式水轮机高水头

1．高水头混流式水轮机主要结构特点

高水头混流式水轮机由于其具有运行水头高、额定转速高、过流部件流速高等特点，因此，其水轮机主要部件的结构与中低水头的混流式水轮机相比有其自身的特点。

1.1 带副叶片的水轮机转轮

由于高水头混流式水轮机转轮叶片较长，转轮进口和出口的半径相差较大，采用常规的转轮设计方法会造成叶片进口处比出口处宽得多。在高水头混流式水轮机转轮水流中，幅流成分是主要的，在哥氏力的作用下，两叶片之间的水流流速分布很不均匀，在部分负荷运行时，可能出现叶片正面的某些部位水流流速为零或负的情况，特别是当水流流速为负时，由于叶片正面出现负向流动而产生涡流区，将大大降低水轮机的效率，并引起机组较大的振动，甚至使机组无法正常运行。为了使叶片进口宽度变窄而同时保证出口宽度不变，在两个叶片之间靠近进口处增加一短叶片。短叶片出水边的位置略靠近前面一片长叶片的背面，因为在哥氏力作用下短叶片出水边的水流和在两长叶片中间的水流，在短叶片出水边正、背面流速不等，即速度差过大，因此，将会产生不必要的水力损失，当短叶片出水边的位置略靠近前面一片长叶片的背面就能迫使短叶片正面水流流速增加，并使正背面流速趋于相当。增加短叶片后，大大地改善了叶片进口区域的水流流态，但也同时加大了叶片进口处的排挤，为了消除此影响，可以适当减少转轮叶片数或减薄叶片厚度。由于采用长短叶片后避免了二次回流，从而使水轮机运行稳定性好，抗空蚀性能大大提高。

高水头混流式水轮机转轮采用铸焊结构，叶片用等厚不锈钢板加压后模压成型，再焊接在上冠和下环上，然后打磨抛光，上冠不设置泄压孔，其短叶片的长度约为长叶片的2/3，并且短叶片出水边在流道中不是对称布置，其各项性能均较好，基本上无空蚀磨损破坏。

1.2 大轴颈偏心导叶

对于高水头混流式水轮机，因导叶高度相对较低，立面漏水相对较少。但由于水压高，顶盖变形大，再加上泥沙的磨损作用，使导叶端面间隙很快扩大，因此，解决导叶端面漏水十分必要。水轮机导叶采用的是带翼大端面偏心结构，同时，导叶轴颈装有“0”型整铸聚酰胺酯密封圈以减轻导叶轴颈处的损坏。这种导叶在导叶的正压面的上下端部加了翼板，并尽量加大导叶轴颈，一方面增加了导叶分布圆周上的挡水长度，另一方面又加大了导叶端部在上下抗磨板处覆盖的面积，加长了导叶正背面之间的路径，增加了导叶端面泄漏阻力，从而减少了导叶端面的泄漏量，提高了水轮机的效率。同时，在这种结构上还可以实现导叶轴端的自动补偿型轴向密封的设置，防止多泥沙河流对导叶轴颈的直接侵蚀。

1.3顶盖、底环及抗磨板

由于高水头混流式水轮机导叶端面间隙较小，如顶盖和底环上的抗磨板采用常规的用螺钉连接的结构，在高水头的作用下，抗磨板会发生局部变形，使得要获得较小的导叶端面间隙几乎不可能。因此，对高水头混流式水轮机的顶盖底环抗磨板一般采用焊接不锈钢层的方法。

1.4主轴密封

水轮机主轴密封是水轮机检修最多的部件之一，高水头混流式水轮机主轴密封主要采用非接触密封结构，这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。当机组运行时，转轮开始转动，同时带动泵板转动装置，由泵板带动泵板内腔的水转动，使泵板进出口的水产生压差，再由排水管将水排向集水箱，作为机组冷却水或者直接排向尾水管。机组刚起动时，间隙密封处的水是不能完全靠泵板全部排干的，极少量的水通过间隙密封处的排水管直接排至集水井，当机组转速继续上升后，间隙密封处的水将全部被排出，达到密封效果。机组额定转速运行时此密封装置的密封性能非常好。由于这种密封型式为非接触性密封，因而完全适应高水头机组主轴密封区域高速度的要求。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。

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