用于流量变化大的双转轮混流式水轮机

２０２３年７月水 利 学 报

ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５４卷　第７期

文章编号：０５５９－９３５０（２０２３）０７－０７９４－１２

收稿日期：２０２３－０２－１４；网络首发日期：２０２３－０７－１７网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ２?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０７１４．１３２２．００２．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金项目（５１８３９０１０，５２１０９１０９）；中国博士后科学基金项目（２０２１Ｍ７０２６４１）；陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目（２２ＪＰ０５７）；陕西高校青年创新团队（２０２０－２９）作者简介：李颜雁（１９９６－），博士生，主要从事流体机械流动理论研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｙ＿ｘｕｔ＠１６３．ｃｏｍ通信作者：郭鹏程（１９７５－），博士，教授，主要从事流体机械流体动力学及稳定性控制研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｙｉｃｈｅｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

李颜雁１，孙龙刚１，郭鹏程１，２，范文睿１，徐卓飞１

（１．西安理工大学水利水电学院，陕西西安　７１００４８；２．西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点试验室，陕西西安　７１００４８）

摘要：水轮机经历飞逸过程时，其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性，本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象，对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究，数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明：飞逸过程中，转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离，诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构，且随转速升高，涡漩体积逐渐增大，对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动，频率范围在０．５倍叶频以下，且对应的转轮域压力幅值最高。进一步，本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性，发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段，且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的９０％。此外，湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项，表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应，表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源，为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。关键词：混流式水轮机；飞逸；瞬态流动；涡漩；能量耗散 中图分类号：ＴＶ７３４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３００７９

水轮机原理及构造

1、概述混流式水轮机工作原理：

水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流〔形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，到达机组稳定运行的目的〕，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮〔所以称之为混流式水轮机〕，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理〔问题〕，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。

注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。

①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；假设是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，假设导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。

②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关 三者互相垂直 ，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。

③在电磁感应现象中机械能转化为电能。

应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。

①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。

②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。

2、水轮机的主要类型：

水轮机基本类型有：还击式

冲击式

还击式：

混流式〔HL〕、

冲击式：

反击式：

1、轴流式：轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。适用于中低水头、大流量的水电站。

在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。根据其转轮叶片在运行之中能否转动，又可分为轴流转桨式和轴流定桨式两种。

轴流定桨式水轮机：其叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。优点：结构简单，造价较低。缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。根据其特点，一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机：其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

轴流式水轮机转轮主要包含转轮轮叶、转轮轮毂、泄水锥三部分组成。

图1：轴流式

混流式：混流式水轮机又称法兰西斯水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出 转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。

图2：混流式转轮

图3：混流式

轴流式与混流式不同之处在于转轮的不同。如图2与图3。

3、贯流式：贯流式水轮机的引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称为贯流式水轮机。 贯流式水轮机应用水头范围一般在2~25m，单机出力从几千瓦到几万千瓦。

1）灯泡贯流式：灯泡贯流式水轮机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机水平方向安装，发动机主轴直接连接水轮机转轮。

灯泡贯流式水轮机组的水轮机部分由转轮室、导叶机构、转轮、尾水管组成；发电机轴直接连接到转轮，一同安装在钢制灯泡外壳上，发电机在灯泡壳内，转轮在灯泡尾端，发电机轴承通过轴承支持环固定在灯泡外壳上，转轮端轴承固定在灯泡尾端外壳上，发电机轴前端连接到电机滑环与转轮变桨控制的油路装置。钢制灯泡通过上支柱、下支柱固定在混凝土基础中，上支柱也是人员出入灯泡的通道。图中蓝色箭头线表示水流走向，水流进入后从灯泡周围均匀通过到达转轮，推动转轮旋转做功后由尾水管排出。通过导叶角度与转轮叶片角度的调整配合可使水轮机运行在最优状态。灯泡贯流式水轮机组具有结构紧凑、稳定性好、效率较高，适用于低水头大中型水电站。

轴流式水轮机基本结构

轴流式水轮机与混流式水轮一

样属于反击式水轮机，二者结构上

最明显的差别是转轮，其次是导叶

高度。根据转轮叶片在运行中能否

调节，轴流式水轮机又分为轴流定

桨式和轴流转桨式两种型式。轴流

式水轮机用于开发较低水头

（3m~55m），较大流量的水能资源。

它的比转速大于混流式水轮机，属

于高比转速水轮机。在低水头条件

下，轴流式水轮机与混流式水轮机

相比较具有较明显的优点，当它们

使用水头和出力相同时，轴流式水

轮机由于过流能力大（图5-13），

可以采用较小的转轮直径和较高的

转速，从而缩小了机组尺寸，降低了

投资。当两者具有相同的直径并使

用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的功率。但在相对高水头条件下，轴流式水轮机

除了空化系数较大，厂房要有较大开挖量外，飞逸转速和轴向水推力较混流式水轮机高。

轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮

机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广泛使用的优良机型。

限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机

的过流能力大。单位流量和单位转速都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径

的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。在相同水头下，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压差较混流式叶片的大，桨叶正背面的平均压差较混流式

的大，所以它的空化性能较混流式叶片的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混

流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的

投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机桨

叶数较少（3~8片），桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证

足够的强度，就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置下桨叶和转动机构，转

轮的轮毂比，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单