一种适应高水头、高转速和高含沙量的抗磨损混流式水轮机的制作方法

本发明属于流体机械及工程设备技术领域，特别涉及一种混流式水轮机，尤其涉及一种适应高水头、高转速和高含沙量的低比转速抗泥沙磨损的混流式水轮机。

背景技术：

我国多条河道中水流含沙量较高，且沙粒直径偏大，因此泥沙磨损对水轮机长期稳定运行的影响是设计过程中需要重点考虑的因素。在多泥沙河道上建成的电站中多采用混流式水轮机组，流道形式丰富多样。

其主要的流道特点是转轮采用较低的转速，然而实际电站调研发现导叶磨损速率已远超过转轮,成为影响机组正常运行和控制大修周期的制约因素。这是由于在高水头低比速混流式水轮机，导叶在小开度下水轮机即达额定功率，这就造成导叶绕流绝对流速大于转轮旋转相对速度,泥沙磨损部位逐渐从转轮扩展到导叶。同时转轮为匹配导叶出口流速方向，叶片进口弯曲严重，转轮进口、出口位置流速较高。导致转轮和导叶的磨损速度均大大增加。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种抗磨损混流式水轮机，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的一种适应高水头、高转速和高含沙量的抗磨损混流式水轮机，包括蜗壳(1)、固定导叶(2)、活动导叶(3)、转轮(4)和尾水管(5)，其中，

所述活动导叶型线是对称的两条三次曲线组成的闭合曲线，三次曲线的方程为：

y＝0.000003x³-0.0006x²-0.112x+29.514

所述转轮(4)的结构为上部的转轮上冠(8)的下侧安装若干个水轮机叶片(7)，在水轮机叶片(7)的下端安装与转轮上冠(8)同轴的转轮下环(6)，所述转轮上冠(8)与水轮机叶片(7)相接触的最高点到所述转轮下环(6)与水轮机叶片(7)相对应的最高点间的距离h为125-135mm；

所述水轮机叶片(7)的长叶片和短叶片的中间截面均为两段首尾相接的曲线组成的闭合曲线。

其中，长叶片的两条曲线的方程分别为：

y＝0.0000001x⁴+0.00001x³-0.0081x²+0.1904x+67.165

y＝0.00000001x⁴+0.00002x³-0.0103x²+0.4251x+62.951

短叶片的两条曲线的方程分别为：

y＝0.000002x⁴-0.0012x³+0.2179x²-18.193x+624.89

y＝0.0000006x⁴-0.0002x³+0.0233x²-1.3429x+88.844

调整所述尾水管(5)的直锥段长度和进口截面的直径，使所述转轮(4)上的导叶中心至尾水管底板的高度差h为3200-3250mm，进口截面直径dd为650-680mm。

本发明的有益效果为：

1、采用长短叶片转轮、对转轮直径、叶片包角、叶片进口安放角、进口到出口的叶片厚度变化规律进行全新的设计，不但更好的匹配流场和转轮结构强度，可显著降低泥沙对转轮出口边的磨损。

2、活动导叶域的流速及流道中的阻力损失更小，流动更加顺畅，可有效减轻泥沙对导叶出口区域的磨损。

3、由于相对于其他现有机组大大提高了转轮及导叶的抗泥沙磨损性能，减小了振动、压力脉动和转轮叶片动应力，使转轮叶片出现裂纹的概率大大降低，水轮机的运行稳定性和安全运行寿命得以提高。

附图说明

图1为本发明混流式水轮机的结构示意图；

图2为本发明混流式水轮机的转轮剖面图；

图3为本发明混流式水轮机的固定导叶和活动导叶的布置图；

图4为本发明混流式水轮机的活动导叶的形状示意图；

图5为本发明混流式水轮机的转轮叶片中间截面示意图；

图中附图标记为：

1-蜗壳；2-固定导叶；3-活动导叶；4-水轮机转轮；5-尾水管；

6-转轮下环；7-水轮机叶片；8-转轮上冠；9-固定导叶；10-活动导叶；

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明的一项宽泛实施例中，本发明提供了一种适应高水头、高转速和高含沙量的抗磨损混流式水轮机，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，该水轮机包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、水轮机转轮4和尾水管5。

如图2所示，水轮机转轮4的结构为：上部的转轮上冠8的下侧安装若干个水轮机叶片7，在水轮机叶片7的下端安装与转轮上冠8同轴的转轮下环6，所述转轮上冠8与水轮机叶片7相接触的最高点到所述转轮下环6与水轮机叶片7相对应的最高点间的距离h，即转轮上冠8和转轮下环面的高度差，为125-135mm。

如图3和图4所示，固定导叶2位于活动导叶3的外圈；为降低导叶出口速度实现减轻磨损的目的，将所述活动导叶3的形状设计成对称导叶，并对导叶尾部做出专门设计，使其厚度减小、局部速度降低，提高其抗磨损能力。导叶型线是对称的两条三次曲线组成的闭合曲线，三次曲线的方程为：

y＝0.000003x³-0.0006x²-0.112x+29.514

如图2和图5所示，为降低转轮流道内相对速度，提高转轮的抗磨损性能，并综合考虑与导叶出流的合理匹配、水轮机的水力性能、结构强度等因素，本研究采用长、短叶片转轮型式。水轮机叶片的长、短叶片中间截面为两段首尾相接的曲线组成的闭合曲线，长叶片的两条曲线的方程分别为：

y＝0.0000001x⁴+0.00001x³-0.0081x²+0.1904x+67.165

y＝0.00000001x⁴+0.00002x³-0.0103x²+0.4251x+62.951

短叶片的两条曲线的方程分别为：

y＝0.000002x⁴-0.0012x³+0.2179x²-18.193x+624.89

y＝0.0000006x⁴-0.0002x³+0.0233x²-1.3429x+88.844

如图1所示，增加所述尾水管5的直锥段长度和进口截面的直径，使所述转轮上的导叶中心至尾水管底板的高度差h为3200-3250mm，进口截面直径dd为650-680mm，达到有效回收尾水管内能量，降低水力损失，提高机组效率的目的。

本发明在原型混流式水轮机上进行了数值模拟和现场测试，分析了转轮及导叶域流场相对速度，分析了流道形状变化对能量性能、空化性能和稳定性的影响，分析了各部分流道的流动损失及不同运行工况的水力性能。通过测试数据和实际效果，可以发现，使用本发明的机组相对于其他现有机组可大大降低导叶域和转轮域的流速，显著提高高含沙水流条件中转轮及导叶抗磨损的性能。此外减轻了机组的振动和压力脉动，减小了转轮叶片动应力，可明显延长含沙水流中转轮及导叶的检修更换周期，提高水轮机的运行稳定性和安全运行寿命。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。