图1 X叶片
图2 长短叶片
张忠良
摘 要 高水头混流式水轮机是当前较为先进的水轮机设备，具有尺寸小、重量轻、水力效率高等优点。在设计过程中，考虑了不同部件对水力效率的影响，设计开发了长短叶片转轮和带翼大端面大轴颈偏心导叶，解决了高水头机组在运行中效率损失、空蚀和磨损等诸多难题。适合多泥沙河流电站开发使用。
关键词 导叶 混流式 水轮机
一、高水头混流式水轮机的发展趋势
我国水力资源十分丰富，其中大部分的水头位于200～650ｍ之间。在前些年，这样的高水头电站由于受到技术的限制只能采用冲击式水轮机机型。如今，随着国外先进技术的引进，在转速、容量和水头相匹配的情况下，许多电站都采用混流式水轮机机型。
以周宁电站为例，对混流式水轮机机型与冲击式水轮机机型进行比较。
混流式机型与冲击式机型相比，优点是机组尺寸小、重量轻、转速高、水力效率极高，由此使得机电设备和厂房土建的成本较低，同时由于水力效率的提高，给投资者带来更大的回报。另外，在机组设备的安装、运行和维护方面，混流式机型比冲击式机型有许多便利条件。
二、高水头混流式水轮机的水力特点
水力效率、抗空蚀磨损、稳定性是水力开发中的重要性能指标，水力设计者总是为达到和平衡这些性能而不断努力，尤其是对水力效率。 |
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首先，我们来看一下高水头混流式水轮机中不同部件对水力效率的影响，即典型的效率损失源。
转轮和导叶在高水头混流式水力设计开发中是十分重要的。
1．转 轮
对高水头混流式水轮机的转轮采用其专有的Ｘ形叶片。从图１可以清楚地看出Ｘ叶片形状从中也直观地解释了“Ｘ叶片”名称的由来。该类型转轮集高效率、高水力稳定性和抗空蚀、抗泥沙磨损等性能于一体。Ｘ叶片转轮设计已在长期实践中得以证明并且近年来通过计算机流体动力学（ＣＦＤ）和大量的模型试验得以进一步改进。 |
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与常规混流式转轮相比，Ｘ叶片转轮均匀的流态和压力分布大大减少了涡流和磨损问题。转轮能在极宽的水头和流量范围内运行而不会产生进口涡流和空蚀。其出口处的特殊几何形状能有效地降低尾水管压力脉动。
除Ｘ叶片设计之外，先进的高水头混流式转轮还会装有短叶片。所谓短叶片，简单地说就是在两个长叶片中间加一短叶片，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，而是略靠近长叶片背面，如图２所示。
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为什么要装短叶片且短叶片出水边需略靠近长叶片背面布置，同时转轮叶片的数量又有什么变化呢？
由于低比转速转轮的叶片较长，进口处与出口处半径相差较大，造成进口处比出口处宽得多。在低比转速转轮中，辐流成分是主要的，在哥氏力的作用下，两叶片之间的水流流速分布很不均匀，特别是在低负荷工况运行时，可能在叶片正面的某些部位水流速度为零，甚至出现负流而形成一个涡流区，这将大大降低水轮机的效率，并引起振动。为了使进口窄而又要保证出口宽度不变，最简单最好的办法就是在两叶片的进口处加一短叶片，但加短叶片后增加了进口处的拥挤。为消除此影响，可减少叶片数，如把原具有１７只叶片的转轮设计为１５只长叶片和１５只短叶片的转轮。这样，短叶片使得转轮进口部分的流态得到良好的控制，同时在拥挤的转轮出口让出更多的空间以利于叶片的焊接。
短叶片出水边的位置略靠近长叶片背面布置是为了迫使短叶片出水边正面水流增加，并使出水边的正、背面流速趋于相等，否则其正、背面的速度差将会产生不必要的水力损失。
可能有人会认为，由于叶片总面积的增加引起摩擦损失的增加，从而对长短叶片转轮的最高效率产生负面影响。其实不然，在典型的高水头混流式水轮机中，相对的水流速度在进口处为10ｍ/ｓ，而在出口处为40ｍ/ｓ。因为摩擦损失与水流的速度平方成正比，所以转轮内部摩擦损失的绝大部分发生在叶片出口处，而在该区域内没有短叶片。事实上，长短叶片转轮在该区域的叶片面积要比传统叶片转轮在该区域的叶片面积小。
目前，典型的长短叶片高水头混流式转轮共有30只叶片，其中有15只长叶片和15只短叶片，而传统的转轮一般是17只叶片。这项转轮设计具有以下优点：
（1）水力条件好，转轮叶栅密度增加，避免了流道中产生回流的影响，这是提高水力效率、降低振动的一个重要原因。
（2）叶片受压面积增加，单位面积负荷减轻，叶片正背面压差减小，改善了转轮的空蚀性能。
（3）部分负荷效率提高，即具有较宽的高效率区，从而也提高了水轮机的加权平均效率。
（4）叶片较薄，简化了厚度变化，便于采用钢板模压。
因此，长短叶片的转轮除了极佳的水力性能外，特别是在部分负荷或过负荷的条件下运行时，它所具有的高抗泥沙磨损性能十分突出。云南的鲁布革电站就是最好的例证。鲁布革电站经过10多年运行后解体检查，转轮未出现明显空蚀或泥沙磨损现象，几乎是完好如初，未经任何处理继续投入使用。
当然，除了开发出好的转轮叶片翼形，其加工工艺也是极其重要的。一般来说，高水头长短叶片采用等厚不锈钢板加工后热压成型，然后利用五轴联动数控机床加工，这样可以保证经数控加工给出的几何形状和设计者定义的完全相应，同时使转轮装配和焊接更方便、更精确。
2．导 叶
对高水头混流式水轮机导叶，一般采用带翼大端面大轴颈的偏心导叶，如图3所示。 |
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因此，该设计有助于：
（1）在机组需要停机时有利于机组快速停机。
（2）在机组运行时能尽可能地提高水轮机的效率。
（3）减轻导叶两个端面和顶盖、底环的间隙空蚀和泥沙磨损。
（4）在结构上可以实现导叶轴端自动补偿型轴向密封设置，防止多泥沙水流对导叶轴径的直接侵蚀，非常适合多泥沙河流电站。
（5）该种导叶具有良好的自关闭性能。
三、结束语
长短叶片转轮已成功地解决了高水头机组的效率、空蚀和磨损以及振动等诸多难题，为高水头混流式电站的应用奠定了坚实的技术基础。
作者单位：通用电气亚洲水电设备有限公司
