削弱新安江電站2號機改造機組錐管空蝕的一種途徑

苗 雁，李任飛

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

1 前言

新安江水電站位于浙江省錢塘江上游的新安江上，距杭州市170km，廠內共裝機9臺，原總裝機容量為662.5MW，主要擔負華東電網的調峰、調頻和事故備用，并兼有防洪、灌溉、航運等多重作用。

隨著CFD技術在流體機械領域的普遍應用，水輪機的水力設計水平在近十年左右的時間得到了質的提高，哈爾濱大電機研究所應用先進的CFD技術配合現代流體機械測量技術對多個電站成功進行增容改造，并取得了較好的效果。2001年哈爾濱大電機研究所針對客戶要求對新安江2號機進行了增容改造設計，新設計的A788轉輪與原PO662轉輪相比無論在效率上還是在出力都有較大提高，并有效地消除了原轉輪中的空蝕破壞。下面給出原PO662轉輪與A788轉輪的參數比較

A788轉輪與PO662相比轉輪總體高度要高，這樣改造后的轉輪安裝在原有通道中，由于轉輪出口下移，使得新轉輪會進入原錐管，并出現明顯的流道突變，對流態存在不利影響。為了避免這種情況，在進行改造時，對原有錐管也進行了改造，在原錐管內增加了過渡段，過渡段一端與轉輪出口連接，另一端與原錐管連接從而使得過流部件光滑連接。圖1給出了A788軸面流道及PO662轉輪軸面流道及部分錐管流道。從中可以看出二者的差別。

表1 HL662轉輪與A788轉輪參數比較

2號機改造經過一段時間運行后，發現在過渡段的進口段存在嚴重的空蝕破壞，空蝕區位于過渡段至進口過渡段進口向下200mm處。

圖1 改造前后轉輪軸面（含部分錐管）

2 原因分析

根據空蝕發生的位置及空蝕情況，初步分析認為：由于改造后轉輪的流量比原轉輪又有較大程度地增加，這樣會使轉輪出口的速度有很大地提高，引起壓力降低，為空蝕的發生創造了條件；增加的轉輪與原錐管之間的過渡段盡管消除了流道的突變，但仍然在流道中存在著局部急劇擴散問題，過大的錐管錐角會導致局部脫流，并引起壓力降低，產生脫流空化，并導致空蝕破壞；同時尾水管進口處采用普通鋼，抗空蝕性能差，這是空蝕破壞的內因。

上述分析定性地說明了新安江2號機改造后空蝕的產生原因，為了對上述分析提供理論上的支持，同時也為了能夠更加準確地定量分析，我們采用CFD軟件TASCflow進行了A788轉輪與尾水管的聯合計算，計算域包括全部轉輪、錐管過渡段、錐管、肘管及擴散段（見圖2）。計算在模型轉輪上進行，模型轉輪直徑為D1m=350mm。我們分別計算了最優工況和額定工況，進口條件為流量進口，根據相應工況的導葉開口計算得到來流角。出口條件設為壓力出口，出口壓力取為0。轉輪部分的壁面為旋轉壁面，其余壁面為靜止壁面，轉輪出口與尾水管進口的動靜連接采用時均化處理。重點分析了錐管過渡段的壓力分布并借此了解這里的空化性能。

CFD計算結果表明，在各工況下，轉輪內部的速度壓力分布都比較理想，這證明了轉輪設計的合理性。由于本文主要關注錐管空蝕問題，因此在這里不詳述轉輪的計算結果。而額定工況低壓區的壓力比最優工況還要低，空化現象更為嚴重，因此在本文中我們只進行額定工況的結果分析。圖3給出了錐管側壁壓力，通過觀察錐管側壁壓力可以看出錐管進口附近都存在低壓區，該低壓區造成了錐管進口的空蝕。將CFD計算結果換算到原型機，并根據機組安裝高程及吸出高度可以算出在錐管進口段 200mm范圍附近的平均壓力為40886Pa，最低壓力為28378Pa。

圖2 A788轉輪及尾水管計算域

圖3 原始方案錐管過渡段壁面壓力

3 改進方案比較

為了提高錐管上的壓力，減弱空蝕的影響，決定在錐管進口處適當減緩流道的擴散程度，以圓弧過渡代替直線過渡，這樣有助于緩解這里速度的變化，避免脫流，在一定程度上削弱空蝕的發生。基于這種思想，我們比較了幾種錐管過渡段，分別為圖4中的小圓弧過渡方案（R=2887.6mm），大圓弧過渡方案（R=5857.1mm），及介于二者之間的方案（R=4285.7mm），并分別進行了CFD分析。各方案的工況點與邊界條件和原尾水管完全一致，以下給出各方案的部分計算結果和CFD分析。

圖4 初始改進方案與原過渡段比較

3.1 方案1（小圓弧方案R =2887.6mm）

圖5給出了本方案在額定工況的計算結果，通過比較本方案與原尾水管的計算結果可以發現本方案的低壓區在錐管上的位置要向下一些，低壓區范圍擴大很多，在最優工況低壓值有一定程度的升高，但不明顯。在額定工況低壓上升幅度要大一些。本方案額定工況錐管進口段 200mm范圍附近的平均壓力為41465Pa，最低壓力為34017Pa。

圖5 方案1錐管過渡段壁面壓力

3.2 方案2（大圓弧方案R =5857.1mm）

圖6給出了本方案在額定工況的計算結果。本方案與方案1及原尾水管相比可以看出，本方案的壓力變化在過渡段的上部要緩和得多，在過渡段的下部本方案的壓力要低于原方案，同時本方案的低壓區要比原尾水管小，低壓程度也要好于原尾水管，但在肘管內側進口處低壓變化不明顯。本方案額定工況錐管進口段200mm范圍附近的平均壓力為41050Pa，最低壓力為30713Pa。

圖6 方案2錐管過渡段壁面壓力

3.3 方案3（折衷方案R =4285.7mm）

圖7給出了本方案在額定工況的計算結果。通過分析比較這些結果可以算出，在額定工況，本方案對低壓區的比方案2好，尤其在肘管內側進口處低壓的提高較方案 2明顯。本方案額定工況錐管進口段200mm范圍附近的平均壓力為41026Pa，最低壓力為31426Pa。

圖7 方案3錐管過渡段壁面壓力

表2 最低壓力計算結果比較 Pa

通過表2可以得到三個方案與原始方案錐管最低壓力比較，通過表 3可以得到三個方案在錐管進口的平均壓力以及方案 1錐管中間段的平均壓力。通過綜合比較可以認為三個改進方案都極大程度地提高了錐管內部的壓力，從而有效削弱空蝕的發生，方案3與方案1各有特點，優于方案2。可以看到方案1的最低壓力及進口平均壓力均高于方案 3，但通過觀察圖 5可以看出方案1的低壓區下移，低壓范圍較大。而方案3盡管壓力比方案1稍低，但低壓范圍較小，為了更進一步優化設計方案，我們基于方案1與方案3又進行微調、優化，并得到了最終的方案（圖8）。

圖8 最終方案

表3 進口平均壓力計算結果比較 Pa

最終方案在錐管過渡段進口附近壓力比方案1略低一些（見表3），高于其他方案，但此最低值與方案1的最低壓力相當，但低壓范圍比方案1小。而對比最低壓力最終方案與方案1相當，要明顯好于其他方案（見表 2）。因此，認為最終方案的低壓水平與方案 1相當，但低壓范圍明顯減小，因此將其確定為我們得到的最終方案。該方案在額定工況錐管進口處平均壓力提高5%左右，最低壓力提高10%左右，會較好改善錐管進口的空化。

4 結論

隨著運行時間的增加，上世紀60年代、70年代服役的一些水電機組陸續進入改造期。受當時技術的限制，當初的水輪機在設計水平上與當代技術相比存在著比較大的差距，因此，電站在改造時用新研制的轉輪來代替已有轉輪從而提高效率、提高出力也是合理的。與新建電站不同，舊電站改造時受土建、結構等因素影響，往往只更換轉輪及部分導水機構，不可能對已有通道進行大規模改進。這樣就存在著這樣的問題，即如何讓新轉輪與已有的舊通道更好地匹配，充分發揮新轉輪的優秀特性。當新轉輪與已有舊通道不能合理配合時，就容易發生各種問題，如出力不足，出現空化等。

新安江電站2號機改造后，由于轉輪與已有尾水管配合存在局部急劇擴散現象引起了這里的空化，就是一個這樣的例子。通過適當修改錐管部分流道，可以削弱錐管中的空化，在一定程度上解決這個問題。新安江電站2號機的問題提醒我們在進行舊機組改造時要特別注意流道變化的影響。更多關于流道變化對水輪機性能影響的研究仍在進行中。