抽水蓄能机组转轮的结构特点

  转轮是机组的“心脏”，也是水泵水轮机的核心部件，其作用是在水轮机的转动下将水的动能及势能转变成旋转的机械力矩，在水泵转动下将旋转的机械力矩转变成水的势能，通过正反转两种工况完成水能与机械能的可逆式转换，以此来实现发电或抽水的功能。转轮其质量、性能直接影响到机组的安全稳定运行。

  混流式水轮机的水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮（径向进入），然后转为向下方向出口，水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮，同时在向下通过叶片时也推动转轮。混流式水轮机属反击式水轮机的一种，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，又称弗朗西斯水轮机。下图是混流式水轮机水流走向示意图。混流式水轮机适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到一百万千瓦。目前这种水轮机最大出力已超越100万千瓦。我国单机容量1000兆瓦混流式机组在白鹤滩投入运行。

  可逆式水轮机也叫水泵水轮机，是一种既可以作水轮机使用又可以作水泵使用的水力机械。理论上讲，混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机都能轻松实现可逆运转，实际上要经过专门设计才能在两种运作时的状态下高效运行。

  混流式水泵水轮机组的转轮由上冠、叶片和下环组成，叶片数量少，但长而薄，一般为6-10个，如绩溪和阳蓄采用5+5长短叶片。叶片包角很大，过流通道狭长。随着水泵水轮机应用水头的提高，如敦化和阳江700m水头段，转轮变得十分扁平，外缘的圆周转速很高，最高达到了112.6m/s。又如黑麋峰采用一种头部悬伸式6+6长短叶片新型转轮，在保证能量特性的同时，解决了机组相位共振及动静干涉引起的振动超标和异常噪声问题。由于其特有的结构特征，水泵水流机的结构在满足水力设计的条件后，主体问题就是对转轮叶片的应力控制和提高其抗疲劳性能。

  较高水头水泵水轮机的转轮由于其特有形状，叶片所受作用力和常规水轮机叶片受力不同。常规水轮机的转轮叶片高度大而流线长度小，各个叶片近似固结于上冠的平板，叶片所承受的作用力主要为水压力所形成的弯曲应力，在飞逸时离心力部分抵消了这部分弯曲应力。

  但是水泵水轮机特别是高水头水泵水轮机的叶片较长，同时叶片的包角很大，与上冠和下环连接处较长，故叶片承受水压力作用的弯曲力并不大，叶片应力主要由离心力形成。正常运行时，叶片上有水力负荷，一部分离心力被抵消，故叶片应力最小。作旋转备用时因为叶片上水压力小，应力反而大，甩负荷转速上升时主要是离心力起作用，故应力最大。所以在飞逸条件下，离心力的影响特别突出。

  由于水泵水轮机转轮叶片与导叶之间的干扰大，造成叶片的动应力较常规机组要大。近年来，有限元方法已大范围的使用在转轮应力和变形的计算，在转轮设计时，使叶片应力分布均匀不出现过度应力集中，并使转轮在水中的固有频率与激振频率（水力冲击频率）的足够的间隔，有很大成效避免共振现象的发生，使转轮的动应力降低到材料的疲劳限度以下，以确保转轮在常规使用的寿命内周期性变动荷载下不产生任何裂纹、断裂或有害变形。

  转轮上止漏环结构及形式分为塔式水平梳齿式、阶梯式、梳齿阶梯式三种，间隙一般在1.5mm左右。下止漏环结构及形式分为阶梯式、梳齿阶梯式两种，间隙一般在1.7mm左右，大于上止漏环间隙。

  站在新的起点向历史回望：一条引进、消化、吸收、再创新的漂亮轨迹，一道起步、跨越、赶超、腾飞的完美型线……我国大型抽水蓄能机组无论是效率、压力脉动还是空化等综合特性指标均达到了国际领先水平。求木之长，必固其根本，我国抽蓄机组制造厂还需继续努力，通过自主创新掌握核心技术，解决国外企业没解决的难题。

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