齐国庆
（黄河上游水电开发有限责任公司，青海，西宁，810008）
【摘 要】自改革开放以来，随着我国经济建设的不断发展和科技的不断进步，我国的水力发电技术也进入了一个崭新的发展时期。混流式水轮机作为一种工作效率高，适应能力强的水轮机而被世界各国所广泛采用，同时，在我国的水力发电厂中，这种水轮机也得到了广泛的应用。然而在实际的生产实践中，由于工作环境和水流流量等因素的影响，人们经常会遇到需要延长混流式水轮机叶片进出水边的问题。通过设计一种合理的符合生产实际的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法可以大大改善混流式水轮机的工作效率，同时提高其运行的稳定性。本文笔者立足于我国当下混流式水轮机的特点和使用现状，对其的改型方法进行深入探讨，并探讨混流式水轮机叶片进出水边的外延方法，供广大行内人员参考借鉴使用。
【关键词】混流式水轮机；叶片；外延方法
一、前言
混流式水轮机的发展在世界上具有悠久的历史。尤其第二次工业革命后，世界进入电气时代，混流式水轮机更是得到人们的广泛关注。早期的混流式水轮机又被称为法兰西斯水轮机。经过改进后的混流式水轮机以转轮为工作主体，当水流经过混流式水轮机的转轮时，它以径向流入，轴向流出的工作方式，在最大限度上保留了水力资源，符合当下我国节能环保和可持续发展的要求。然而，随着混流式水轮机的广泛使用，它将面临更为复杂的工作环境和工作条件。单一的转轮叶片已经无法适应生产的要求，因此，延长混流式水轮机的叶片进出水边是十分有必要的。
二、混流式水轮机叶片的工作特点
在混流式水轮机设计人员的不懈努力下，混流式水轮机现已形成结构鲜明，工作高效的水轮机体系。目前世界各国广泛采用的混流式水轮机的水头适应范围一般在20米至700米之间，水力发电采用的水头范围则普遍在40米至400米之间。最大的混流式水轮机适用水头可近800米，几乎达到了高水头的范围。
混流式水轮机相比于传统水轮机来说，还具有一个颇为明显的优势就是混流式水轮机的发电功率非常高。单个混流式水轮机的发电功率从几十千瓦到几十万千瓦不等。最大的工作效率已经接近于100万千瓦。而传统的水力发电设备的工作效率则远远低于混流式水轮机，一般不超过10万千瓦。这也是混流式水轮机被普遍采用的一个重要原因。
三、延长混流式水轮机叶片进出水边的原理探讨
混流式水轮机在长期的发展以来，转轮的运转速度已经达到一定的水平。然而，在不同的水力发电厂中，对于混流式水轮机的转速的规定是不同的。因此，为了充分发挥混流式水轮机在不同的水力条件下的最大作用，需要对混流式水轮机的叶片进行改进，有效延长叶片进出水边。下面将对混流式水轮机叶片进出水边的延长方法的原理进行探讨。
混流式水轮机叶片进出水边的延长方法主要是为了提高混流式水轮机的运行的稳定程度而生，她的原理主要是在一定程度上改变混流式水轮机的转轮的流量以及转速，使其能够适应各种各样的水文环境和工作条件，基本上做到水力发电的最优运行。而传统的混流式水轮机则是一机一用，即具备一种转轮的水轮机只能符合当地的水文环境，在一个新的水文环境下则无法保证水轮机的工作效率，甚至会发生停止运行的严重情况。
经过一定的设计方法后，现代意义上的混流式水轮机基本能做到一机多用，大大降低了混流式水轮机叶片的改造成本避免了繁琐的重新设计，而且工作稳定性大大提高，因此，研究混流式水轮机叶片进出水边的外延方法无疑具有很高的实用性。
四、延长混流式水轮机叶片进出水边的研究方法
基于研究混流式水轮机叶片进出水边外延方法的重要性，世界各国的专家都对其设计方法进行了有效的研究。并且目前已经取得令人满意的成果。下面将对于混流式水轮机叶片进出水边的外延方法进行深入研究。
随着数学研究方法的进步和互联网的发展，当今的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法主要是在计算机和互联网的支持下，采用高等数学中的解析几何思想，对混流式水轮机叶片进出水边进行一定基础上的延长，从而使混流式水轮机的转轮在不同的水电站具有不同的流量和转速。
混流式水轮机叶片进出水边的外延方法主要是采用了典型的解析几何中的曲面几何造型设计方法而对叶片进行延展。这些方法的实施对于改善混流式水轮机叶片的曲面造型具有积极的作用，并且也在一定程度上发展了水利工程中的数学设计思想。通过对叶片的曲率进行设计运算，有效发展了我国对于混流式水轮机叶片的几何设计，推动了水力发电的效率。
五、新型的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法设计
传统的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法经常会遇到设计的水轮机叶片不符合混流式水轮机叶片实际运行的标准。这往往是由于传统的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法仅仅考虑为数不多的物理因素的影响，或者是采用最小二乘法对水轮机的叶片进行数学建模的分析。这些研究方法在对叶片曲率要求极小，以及存在着简单的水文条件的地区可能适用。但是在面临更为复杂的水文条件时往往就会显得束手无策了。因此需要设计一种新的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法，以迎合时代发展的需要。
为了更为有效的阐述这种叶片进出水边的外延方法，现以某地的混流式水轮机的叶片为例进行探讨。
此地的混流式水轮机叶片在设计前的转轮直径为364.4mm，经过数学分析后的转轮转速为70r/min，经过实际操作运行，监测到的水轮机叶片转速为70.5r/min，绝对误差为0.5%，相对误差为0.71%。直径增加量为零。现在通过一定的设计标准，对叶片的的弧长进行一定的分析，利用计算机对弧长的曲率进行计算，并绘制叶片的曲率的增加对于叶片弧长产生的影响，在不违反相关的设计标准的基础上增加叶片的弧长，从而增加叶片的弯曲角度，从而增加叶片的外延。
为了增强混流式水轮机叶片进出水边的外延方法的设计精度。需要利用计算机对于混流式水轮机的叶片进行三维建模。通过对于相关坐标的分析，进一步提高设计方法的可行性。现建立三维坐标（x，y，z），根据水轮机叶片轴面的半径与其弧长的对应关系，利用相关的数学关系式对于叶片局部的包角进行数学计算，从而求出叶片的包角也就是叶片的弯曲角度。通过计算机的拟合方法建立各个量之间的数学关系，并生成数学关系图。将原始的数据和通过延长方法后的数据进行比较，形成一个新的文件。并计算通过这种方法增加的混流式水轮机叶片进出水边的效果和具体的数据。
经过一定的比对分析，通过这种新型的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法后，叶片得到了一定效果的延长，具体表现为经过改造后的叶片直径增加了大约12mm，同时其它数据与经过改造之前的数据基本无二。分别为：叶片的转轮直径为364.4，叶片的理论转速在71r/min，实际转速为71.2r/min，绝对误差为0.2%，相对误差为0.28%。由计算之后的结果可以看出此种混流式水轮机叶片进出水边的外延方法具有很好的效果，并且其实用价值也是相当明显的。
结束语
综上所述，研究一种实用价值高，合理有效的混流式水轮机叶片进出水边的外延方法可以在极大程度上提高混流式水轮机的应用价值，增强其适应性。笔者相信，在混流式水轮机叶片进出水边的外延方法的不断改进下，混流式水轮机必将得到更加广泛的应用。
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论文作者:齐国庆
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/27
标签：水轮机论文; 叶片论文; 流式论文; 水边论文; 外延论文; 方法论文; 进出论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;