混流式水轮机的应用现状与技术发展

马昌军

（甘肃省节能投资有限责任公司，甘肃 兰州730030）

由于我国水资源储量较大，具有极大的开发前景，且大部分水头在20-700m 之间，在以往受到水轮机组的影响，在大水头条件下一般只能使用冲击式水轮机机型。现今，随着国内外水轮机制造技术的不断进步，混流式水轮机逐渐被运用于高转速、大容量情况，我国许多大型水电站都采用混流式水轮机型。混流式水轮机与传统的冲击式水轮机相比具有尺寸小、重量轻、转速高以及水力效率高等优点，能够带来极大的经济效益，且在后期机组的维修养护方面比冲击式水轮机更加的便捷、简单。

1 混流式水轮机概述

混流式水轮机是反击式水轮机的一种，是在1849 年由美国工程师弗朗西斯发明。水流通过机组四周径向流入转轮，然后从机组近似轴向流出。混流式水轮机的转轮主要由上冠、下环与叶片组成。混流式水轮机的水头应用范围在20-700m 之间，由于其运行结构简单、运行稳定性较强且具有较高的运行效率，被广泛应用于各大型水电站中，可以说混流式水轮机是现代运用最广的水轮机。例如，我国三峡投入使用单机容量为700MW 的水轮发电机组、向家坝投入使用的800MW 水轮发电机组均采用的为混流式水轮机组。混流式水轮机主要部件蜗壳、顶盖、座环、尾水管、底环、控制环、导叶、转轮、主轴等。

2 混流式水轮机应用与发展

混流式水轮机的水头范围一般在20-700m，且因为其具有运行效率高、空化系数小、运行稳定性强等特点，被应用于我国各大型水电站中。目前，我国已经能够设计并制造直径超过10m 的水轮机转轮，例如我国向家坝所采用的水轮机单机容量就超过了800MW。为进一步提升混流式水轮机的整体性能优化，我国学者基于CFD 技术对混流式水轮机的结构设计、几何线性优化等进行了大量额研究，相信不久的将来，更加优异的混流式水轮机将被用于水电站中，为促进我国水利发电的高质量发展提供支持。

3 混流式水轮机的水力设计进展

3.1 水轮机水力稳定性表征形式。我国学者针对水轮机水力稳定性表征形式进行了大量的实验研究，通过使用模型试验台对水轮机各种水头下的内部流动情况进行了探讨。因为混流式水轮机的叶轮是固定的，只有可移动的导流叶片才被调节，所以当运行条件偏离最佳状态时，不仅会降低涡轮机的效率，而且水流还会造成“撞击”、流失、气蚀。尤其是水轮机转轮叶片的入口位置处损坏严重，这时会产生叶片涡流，并且在尾水管中会产生正反向旋转的涡流带，进而引起设备的振动，严重时会威胁到水轮机组的安全运行。高精度液压机械模型试验台用于测试和观察高、中、低扬程混流式水轮机液压模型。如图1 所示为水轮机内部不同流态特征示意图。

图1 混流式水轮机流态特征

3.2 水力设计理论。（1）叶片循环分布模型。转轮是水轮机的核心组件，可将水流动能转化为机械能。水轮机转轮在运行的过程中，能够通过对水流进入方向的控制来改变水流的循环方向，来获取相应的扭矩。水轮机在运行的过程中，叶片内水循环分布情况对水轮机的流动规律有一定的影响，因此在实际应用功能中需要对水轮机的流动状态进行分析，总结流道叶片截面内流循环分布规律，构建分析模型。（2）水轮机流道内叶片厚度分布的数学模型和计算公式。在进行水轮机设计时，首先需要确保水轮机转轮的强度能够满足实际需求，且水轮机叶片具有足够的厚度。在进行水轮机叶片厚度设计时，由于叶片翼型厚度对水轮机内部叶轮的流动形式具有重要的影响，且会进一步对水轮机涡轮机的运行效率、噪声等参数产生影响。所以水轮机叶片翼型厚度计算公式的应用有助于水轮机转轮的设计优化，而且可以根据发电厂的水质轻松地调整翼型的厚度分布，从而考虑到转轮的效率和抗泥沙性穿。（3）流道叶片叠层成型技术。基于“流道叶片之间的流轴对称”的假设，通过使用与水流方向正交的等势线作为堆叠轴来调整叶片的倾斜角度，提高了流道的有效运行范围。

3.3 混流式水轮机水力设计系统。我国学者通过多年的工作经验，构建了混流式水轮机水力设计数据库。该数据库的应用能够对混流式水轮机模型假设不断地进行优化。该混流式水轮机水力设计系统软件具有多种水轮机的模型优化与假设设计，能够有效地满足水电站工程的建设与水轮机组的安装。如图2 所示为水力设计系统工作流程。

3.4 混流式水轮机“丰枯水期双转轮配置”技术。我国学者针对径流式水电站丰枯水期特点，提出了“丰枯水期双转轮配置”技术理念。该理念的原理主要是将原水轮机转轮作为丰水期转轮，并以枯水期条件下水轮机的运行条件为设计参数，进而实现以最经济手段来解决丰水期、枯水期河流流量差别大的特点。如图3所示为枯水期丰水期转轮结构与运行特性比较。

图2 水力设计系统工作流程

实验表明：该技术的应用能够提升混流式水轮机枯水期运行效率30%-80%。

4 案例应用

在上述研究基础上形成的混流式水轮机的水力设计方法，提高了高扬程模型的空化性能，大大降低了低扬程模型的叶片之间的错流对效率的影响。例如，中国水科学研究院开发的低比速JF09 和JF18 系列水力模型的空化系数明显小于大型国际水电站水轮机的空化系数统计曲线（如图4 所示）；该模型的最高效率和溢流能力在45m 以下的头部混合流液压模型中处于国际领先水平（如图5 所示）。

图3 枯水期、丰水期转轮结构与运行特性比较

图4 高水头水轮机空化系数比较

图5 低水头水轮机转轮流线

5 结论与展望

我国水资源储量较大，具有极大的开发前景，我国的水资源利用效率在逐年上升。虽然近年来，我国水利水电行业发展势头迅猛，但就我国现有的水资源储存量来说，我国的水资源利用率相比其它国家而言仍然较低，仍具有较大的开发潜力。混流式水轮机作为一种使用广泛，应用前景广阔的机组，对我国水利水电行业的发展起到了巨大的推动作用，但我们依然需要深入分析混流式水轮机组的开发与应用，提高水轮机的抗疲劳性能将是未来技术的发展的主要目标。