混流式水轮机多工况运行转轮特性

我国混流式水轮机的设计、制造和运行经验非常丰富，但仍存在许多问题，例如：目前国内的混流式水轮机多数是在设计工况运行，而在实际运行中往往需要考虑不同水头、不同负荷的运行要求。特别是在我国南方地区，水头波动频繁，负荷变化大，运行工况范围更宽。目前国内的混流式水轮机设计技术、制造水平和运行经验与国外相比还有一定差距。此外，由于混流式水轮机转轮具有多工况运行的特点，如：当流量较小时，水轮机转轮进口出现旋涡区；当流量较大时，水轮机转轮出现尾水管中的涡带。在多工况条件下如何合理地设计混流式水轮机转轮已成为一个重要的课题。

一、混流式水轮机概述

混流式水轮机是一种广泛应用于水力发电领域的重要设备。它具有结构简单、运行稳定、适应性强等特点，被广泛应用于高、低水头水电站。

（一）基本概念

混流式水轮机是一种利用水流能量进行发电的水力机械。它通过转换水流能量为机械能，再进一步转换为电能，从而实现水力发电。混流式水轮机结合了轴流式和径流式水轮机的特点，具有独特的转轮结构。

（二）特点

1. 适应性强：混流式水轮机既适用于高水头，也适用于低水头水电站。其转轮设计灵活，可以根据不同的水头条件进行调整，以实现最佳的运行性能。

2. 效率高：混流式水轮机具有较高的效率，能够在不同的工况下保持较高的发电效率。

3. 运行稳定：混流式水轮机的转轮设计合理，运行稳定可靠，能够满足长时间连续运行的要求。

4. 结构简单：混流式水轮机的结构相对简单，制造和安装方便，维护成本较低。

（三）应用

混流式水轮机广泛应用于水力发电领域，特别是在河流、水库等水源丰富的地方。它能够为电力系统提供稳定的电力输出，满足人们的用电需求。此外，混流式水轮机还可用于灌溉、供水等水利工程中，实现多用途的水资源利用。

总之，混流式水轮机是一种重要的水力发电设备，具有广泛的应用前景。通过了解其基本概念、特点和应用，可以更好地认识和理解混流式水轮机在水力发电领域的重要作用。

二、多工况运行转轮特性

（一）转轮叶片特性

在不同工况下，转轮的叶片角度和形状会发生变化，以适应水流的变化。叶片的角度调整能够改变转轮的进水量和出水速度，从而影响水轮机的功率输出。

（二）转轮负荷特性

由于水电站的水头波动较大，如设计水头为 600m 时，最大流量为 450m³/s 。在实际运行中，机组的流量经常变化，如设计流量为 700m³/s 时，最大流量也可能为750m3/s。水轮机在多工况下运行时，其负荷特性也与设计工况不同。

混流式水轮机在设计工况下的效率可达 85% 以上。随着运行负荷的增大，转轮的效率逐渐降低，当负荷接近最大设计值时，其效率为80% 左右；在运行工况下的效率略高于设计工况的效率，这是因为此时转轮内会出现涡带及空化现象。

转轮的空化主要是由水流压力脉动引起的，随着水轮机的运行时间增加，叶片表面出现较多的空化现象。转轮空化最严重时叶片表面会出现很多细小的小空泡。

（三）转轮效率特性

混流式水轮机的效率由三部分组成：水力损失、空化损失和涡带损失。当水力损失超过一定限度时，将会影响水轮机的效率，如：水流的平均速度超过转轮的最大转速（单位 m/s ）、在导水机构内发生局部空化或产生涡带、水流的平均速度超过转轮的最小允许空化速度（单位 m/s ），或者在导水机构内发生涡带。

三、影响因素分析

（一）水头变化

水头变化对转轮内部的压力分布和速度分布有很大影响。在其他工况下，转轮进口、出口和尾水管内的压力分布和速度分布都很均匀，而在最小流量时，转轮进口和尾水管内的压力分布和速度分布都不均匀。

（二）流量变化

流量变化对转轮的影响主要体现在负荷和效率上。流量增加时，转轮的负荷增大，效率提高；流量减小时，则相反。

（三）转轮设计参数

通过对不同工况下转轮效率进行校核，可以看出，当转轮的设计参数在一定范围内时，随着转速的升高，转轮的效率逐渐升高；随着流量的增加，转轮的效率逐渐降低。

由于不同工况下水轮机转轮的设计参数不相同，所以在实际应用时对其进行校核时，应该针对不同的工况选择不同的设计参数。

例如：当水头变化时，转轮出口水流速度及压力也会相应发生变化；而转轮进口水流速度及压力会随流量增大而增大。在不同水头和不同负荷下，由于

水流速度及压力变化不同，所以应根据转轮设计参数选择合理的设计方案。

四、优化措施

（一）转轮结构优化

在确定了转轮的结构尺寸后，就可以进行转轮的优化设计。优化设计主要有以下两个方面：

1. 在保证转轮效率、强度和稳定性等性能参数的前提下，尽量减小转轮叶片出口边的厚度，降低叶片出口边与尾水管的连接处出现涡带的可能性。

2. 减小转轮叶片进出口边与尾水管连接处的厚度，从而减少尾水管中产 生涡带和涡带引起的水力损失。

通过以上两方面的优化，可以使转轮在不同流量、不同工况下的水力性能达到更好的效果。

通过上述分析，可得出以下结论：（1）在多工况条件下，由于转轮进口出现旋涡区，使水轮机运行工况范围变宽，但转轮进口出现旋涡区时，其水力性能会比不出现旋涡区时更差。（2）转轮叶片进出口边厚度越大，对多工况条件下水轮机运行越有利。

（二）智能化控制

混流式水轮机是一个复杂的机电系统，其运行工况范围比较宽。对转轮进行多工况优化，一方面可以改善机组的稳定性，另一方面可以提高电站运行效率。在保证机组安全稳定运行的前提下，还应尽量减少机组对电网和水轮机本身的冲击和影响。

另外，由于混流式水轮机转轮具有多工况运行的特点，所以在转轮优化设计时要充分考虑到这一因素，可以对转轮的转速环、导叶开度等参数进行实时监测和控制，实现对混流式水轮机转轮多工况运行的优化。特别是要充分考虑到电站在不同水头下运行的要求，实现对机组效率、稳定性、可靠性和安全性的综合优化。

（三）维护保养

在实际运行中，为了使混流式水轮机转轮的水力性能得到充分发挥，提高机组的运行稳定性和可靠性，避免出现水力资源浪费或不能满足要求的问题，应注意以下几个方面：

1. 在转轮设计、制造和运行管理过程中，应尽量采用合理的水力模型和转轮设计方案，尽可能地减少转轮的非设计余量。

2. 在转轮的制造过程中，应尽可能采用先进的制造工艺，如采用先进的加工设备和检测仪器等。

3. 在机组运行过程中，应尽量使机组在额定工况下运行，避免出现转速低于额定转速或转轮叶片入水角度过小等情况。

4. 在转轮的安装过程中，应注意水轮机转轮叶片出水边、尾水管出口边和转轮室端面等部位的清洁处理。

结论：总之，混流式水轮机在多工况运行中转轮的特性研究对于提高其运行性能和发电效率具有重要意义。通过优化转轮设计和采用智能化控制技术，可以进一步提高混流式水轮机的适应性和稳定性。未来，随着智能化技术的发展，混流式水轮机将实现更加智能化、高效化的运行。

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