高水头混流式水轮机结构特点

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【摘 要】高水头混流式水轮机由于其运行水头高、额定转速高和过流部件流速高等特点，要求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明显的区别。

【关键词】高水头；混流式水轮机；结构

1 水轮机主要部件的结构特点

1.1 转轮

转轮采用抗空蚀、抗磨蚀和具有良好焊接性能的ZG00Cr13Ni5Mo不锈钢制造，上冠、下环和叶片均采用VOD精炼整铸成型，三者焊为一体，消除残余应力后，用五轴数控机床加工，从而保证叶片型线与模型的完全相似。

为减少高水头机组顶盖的压力，转轮上冠设有泵板，充分排泄转轮上冠与顶盖间止漏环处的漏水，以减小转轮的轴向水推力。

转轮上冠为梳齿式止漏环， 下环为台阶式迷宫止漏环， 上下转动止漏环与上冠下环一体，与转轮相同材料。泄水锥与转轮上冠采用相同的材料，与上冠通过螺栓把合联接。

1.2 导叶

高水头混流式水轮机一般采用带翼板导叶， 材料为ZG00Cr13Ni5Mo，电渣熔铸，带翼板导叶具有优良的水力性能和抗磨蚀性能，可以减少导叶端面的漏水量及减少端部的空蚀及磨损。

由于高水头水轮机水压高，顶盖变形大和泥沙的磨损作用，使导叶端面间隙扩大很快，所以在导叶上、下过流端面设有铜压环自补偿密封，这样能有效减小漏水量。

1.3 导水机构

顶盖、底环和控制环均采用钢板焊接结构，具有良好的刚度。顶盖与底环上设置螺栓把合的固定止漏环，其硬度与转轮止漏环的硬度差一般在40HB以上，这样可有效防止转轮研损。

在中低水头水轮机上，顶盖和底环抗磨板一般采用螺钉连接的结构，但在高水头水轮机上，由于搞水头的作用，螺钉连接的抗磨板容易发生局部变形，使得导叶端面间隙不易达到高水头水轮机的要求，会导致导叶端面磨损，从而增大导叶端面漏水量。所以对高水头混流式水轮机的顶盖一般采用对焊不锈钢抗磨板的结构。

1.4 蜗壳

高水头混流式水轮机的蜗壳采用345全包角金属蜗壳，蜗壳设计成不考虑与混凝土联合受力条件下可单独承受工作压力。应保证蜗壳的流道形线和尺寸与模型水轮机相似。

蜗壳采用数控下料，加工和制作。为了方便工地进行安装，设置足够凑合节，并留有足够的切割余量。焊缝按相关标准要求进行无损探伤。

在高水头混流机的蜗壳进口应设置止推环，以减少充水后蜗壳进口承受的单边轴向力引起蜗壳及钢筋变位。

且蜗壳和座环在工地需要做打压试验并保压浇混凝土。

1.5 尾水管

尾水管由尾水直锥管和尾水肘管（扩散管）组成。尾水管单线图与模型流道图相似。高水头水轮机尾水管必要时，尾水管扩散段也需设置金属里衬。

高水轮混流式水轮机采用浮动式尾水锥管结构，运行中可有效防止因底环变形引起的位移、导水机构的振动等被传入基础及厂房等建筑。

1.6 主轴密封

高水头混流式水轮机主轴密封一般采用间隙式泵板密封系统。其主要组成部分有转轮上冠处的泵板、顶盖排水管和间隙式密封等。这种结构的密封只有在几组刚启动时，有极少量的水通过间隙密封处的排水管排至集水井或稍有渗出。然而一旦机组开始运行，转轮转动带动泵板转动，从而带动泵板内腔的水转动，在离心力的作用下将所有水由顶盖排水管排向集水井。从而保证机组在正常运行时主轴密封可以滴水不漏。

由于间隙式泵板密封为非接触式密封，所以密封件不存在磨损现象，无需密封和冷却水。这种结构的主轴密封完全满足在高水头机组密封区域高速运转的条件下使用。且几乎无需维护和更换，有性能可靠， 使用寿命长特点。

1.7 水导轴承

导轴承采用抛物面轴瓦筒式油轴承；

所有的主要部件都为焊接结构，分瓣后用螺栓把合。

轴承座用法兰固定在水轮机顶盖上，并形成上油箱。它也是轴瓦的基础。油盆固定在主轴上并随之转动。轴瓦用法兰固定在轴承座上，内嵌固定的巴氏合金瓦，并加工成抛物线曲面，具有优越的轴承动态液压性能。只要拆掉上油箱的油箱盖，就可以很方便地从上面检查轴承间隙或拆卸轴承。

轴承为自循环形式，所有的油都包含在轴承内，无需泵或外部油箱。静止时，所有的油都在油盆里，轴瓦下部浸在油中，启动前不需另外供油。油位可通过轴承座上的一个孔受到监测。当轴旋转时，油自动地在油盆和上油箱之间进行循环。油盆内的毕托管把油吸进并导向上油箱，油然后从上油箱经轴承体流回油盆。泵水轮机的导轴承里的每一旋转方向需要一个毕托管。在正常运行时，几乎所有的油都集中在上油箱中。

这种轴承结构无需轴领，可有效减小主轴与轴承接触面面积及降低线速度，从而有效保证轴承油温在要求范围内。且该轴承轴瓦可以互换， 在工地不需刮瓦，工地安装简单方便。

2 补气系统

水轮机在部分负荷运行时， 会在尾水管中产生压力脉动， 为改善水轮机运行稳定性，顶盖上设置自动补气装置，空气由顶盖进入，至转轮泄水锥下补气。

补气装置由补气管、补气阀和检修闸阀组成。补气阀采用橡皮膜单向阀，设检修闸阀，能在不停机工况下检修补气阀。

3 机组检修方式

高水头混流式水轮机，由于其水压高，在导水机构和转轮流道内的流速高，特别是在含沙量高的水质条件下运行时。其过流部件的磨损比较大，所以相对发电机而言水轮机的检修机会要大很多，即需要经常装拆水轮机。如果单单为了检修水轮机而需与常规机组一样先拆卸发电机，再拆卸水轮机来检修，会增加很多不必要的工作量，导致检修时间会很长。所以对高水头水轮机可以考虑水轮机下拆结构，这样在每次检修的时候只需单独拆卸水轮机来进行拆卸检修和更换。下拆结构是指在尾水锥管拆后，放下底环，即可更换下固定密封环并对转轮进行补焊打磨等检修工作。这种下拆结构必需要将尾水锥管设计成活动的，周围不能浇注混凝土。

4 结束语

随着水轮机技术的进步和发展，特别是高水头混流式水轮机先进技术的引进，现在高水头混流式水轮机的水力设计、结构设计和加工制造方面都有了很快的发展，已经有更多更好的方法去克服以前所遇见的困难，使水轮机具有更好的稳定性、安全性和抗磨蚀性等。

虽然水轮机技术已经有了很大的进步和发展，但是仍然还有很多问题是我们没有很好的解决的，还需我们在实践中努力的发现和解决这些问题。从而制造出更加完美的水轮机。

参考文献：

[1]武亮.混流式水轮机转轮叶片的自由曲面构造[J].水力发电，2005（3）.