映秀灣電站水輪機改造

王昌林

(映秀灣水力發電總廠，四川都江堰611830)

1 概述

映秀灣電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內的岷江上游左岸，電站設計水頭54 m，最高運行水頭66 m，最低水頭47 m，設計最大引用流量為240 m3/s。原初步設計電站裝機容量為3×37 MW，實際裝機容量為3×45 MW，實際最大發電能力為115 MW。電站采用徑流引水方式，河流多年平均含沙量為0.72 kg/m3，多年平均過機含沙量為0.33～0.37 kg/m3。電站三臺機組全部為哈爾濱電機廠制造，第一臺機組于1971年9月投產發電，電站于1972年全部竣工。

原水輪機主要技術參數:

水輪機型號:HL002－LJ－410

轉輪型號:A36

最大水頭Hmax:66 m

最小水頭Hmin:47 m

額定水頭Hr:54 m

額定出力Pr:46.7 MW

額定流量Qr:98 m3/s

額定轉速nr:125 r/min

飛逸轉速nR:250 r/min

吸出高度Hs:－0.5 m

最高效率:91.7%

導葉分布圓Do/D1:1.158 5

導葉高度bo/D1:0.25

尾水管高度h/D1:2.725

蝸殼包角φ:350°

2 原水輪機在運行中存在的主要問題

映秀灣電站始建于1966年8月，1971年9月第一臺機組發電，運行至今已有40余年。由于機電設備為20世紀60年代的產品，水輪機的性能指標較低。雖然水輪機轉輪選用的是從日本引進的鏡泊湖轉輪、在60年代末期由哈爾濱電機廠自行設計制造的混流式水輪機機組，但是，由于受當時設計和制造技術的限制，轉輪沒有進行計算機輔助設計和數控加工，導致水輪機效率設計值偏低;其次，映秀灣電站所處岷江河段屬山區河流，流經水輪機過流部件的水流中含有大量泥沙。根據水文資料，電站所在的岷江河流中，多年平均含沙量為0.72 kg/m3，進入沉沙池的多年平均含沙量約為0.41～0.45 kg/m3，泥沙平均粒徑為0.123 mm，中等粒徑為0.058 mm。特別是“5·12”汶川地震后，水流中的泥沙含量更大，從而造成水輪機過流部件泥沙磨損嚴重，導致機組檢修周期和壽命大大縮短;第三，映秀灣電站原轉輪采用2OSiMn鑄成，只是在轉輪葉片下部的背面和正面以及下環的內表面堆焊或鋪焊有3 mm厚的Gr5Cu材料，沒有采用全不銹鋼結構，轉輪的抗磨蝕能力較差，致使大修后水輪機效率快速降低;第四，轉輪葉片經過多次大修補焊、鏟磨，葉片變形嚴重，局部已呈蜂窩狀且多處出現裂紋;第五，多年統計資料表明，電站的引用流量很少達到水輪機設計的額定流量，機組長期在大大低于設計的額定工況下運行，導致機組運行振動大、穩定性差，從而大大降低了水輪機效率。

3 水輪機改造的目標

在現有水工建筑物和水輪機埋入部件基本不變的條件下，通過運用計算流體動力學數值求解(CFD)技術分析設計并進行數控機床加工制造，使改造后的水輪機達到以下目標:

(1)在不增加過流能力的情況下，通過提高水輪機效率，提升電站的發電能力。

(2)提高水輪機抗磨蝕能力，延長機組大修周期至8 a以上。

(3)提高機組的水力穩定性。

4 轉輪的設計與CFD分析

4.1 基礎轉輪的選擇

映秀灣電站最大水頭Hmax=66 m，額定水頭Hr=54 m，最小水頭Hmin=47 m。從對電站近年來水輪機運行情況進行的統計得知，機組主要運行在兩個區域:一個是汛期，低水頭(47～48 m)三臺機運行，單臺機實際運行工況為38～40 MW;另一個是枯水期，高水頭(57～58 m)運行，單臺機帶60%～100%負荷。表1為根據機組運行情況得出的不同水頭、不同負荷的加權因子。

表1 加權因子表

根據電站水頭和改造前A36轉輪的綜合特性曲線，得出電站改造前水輪機運行區域圖，各特征水頭對應的單位轉速見表1。

由于映秀灣電站受引水隧洞限制，三臺機組運行時，水輪機引用流量不能達到設計額定流量，故機組不需要提高過流能力來增容，只要求提高水輪機效率，改善機組的穩定性，提高水輪機抗磨蝕能力。因此，電站的改造最終選擇哈爾濱大電機研究所最新開發的A982轉輪為基礎轉輪。該轉輪經過哈爾濱大電機研究所高水頭試驗臺模型試驗得知，其能量指標及空化、壓力脈動等性能指標均達到很高的水平，并且經過了北京水科院同臺對比試驗的檢驗。

4.2 基礎轉輪A982性能指標

A982轉輪不僅具有較高的能量指標，而且空化和壓力脈動等指標也非常理想。A982轉輪基本能量參數見表2(相應于模型轉輪直徑D1)。

表2 A982轉輪基本能量參數表

A982轉輪壓力脈動最大值出現在錐管上游0.3 D2處，在n11=66.5～76.8 r/min，Q11=450～1 000 L/s范圍內，錐管上游壓力脈動幅值＜7%。從模型壓力脈動判斷，A982轉輪運行穩定性非常優秀，并且在A982轉輪基礎上改型設計的新轉輪A606c葉片形狀基本能夠保持不變。

4.3 轉輪軸面對比

實施轉輪軸面對比的目的是比較A982轉輪在映秀灣電站真機安裝中與原結構件的關系，它將決定改造工程量的大小。

圖1 新轉輪A606c與A36、A982軸面比較圖

從圖1可見:

(1)A982轉輪的導葉高度bo/D1為0.288，映秀灣電站水輪機的導葉高度bo/D1為0.25。

(2)通過將A982轉輪上冠下壓，即導葉高度由0.288降低到0.25，如圖1中軸面流道所示，成為新轉輪A606c的軸面流道。顯然，在A982基礎上改型設計得到的新轉輪A606c，比A982流量減小，在盡量保持原A982葉片形狀不變的前提下，基本適合于映秀灣電站的參數要求。

(3)A982轉輪下環軸面高度以及轉輪出口直徑D2與A36基本吻合，故決定采用A982做基礎轉輪的方案可使映秀灣電站原錐管保持不變，從而不增加改造工程量。

4.4 轉輪的CFD分析

4.4.1 流態分布比較

從對新舊轉輪在各工況下的CFD計算結果進行分析看，新轉輪A606c葉片工作面和背面壓力分布均勻，特別是背面壓力分布明顯好于A36轉輪。在最小水頭、額定出力工況下，新轉輪葉片頭部正面速度矢量分布均勻，沒有出現葉片進口頭部水流撞擊產生的回流現象，整個液道間流線分布合理。在最大水頭、額定出力工況下，新轉輪葉片頭部背面速度矢量分布均勻，同樣沒有出現葉片進口頭部水流撞擊產生的回流現象。通過多工況CFD分析結果可以預計，葉片正、背面脫流在映秀灣電站水輪機運行范圍內基本不會出現，流態分布的均勻性將對整個機組的穩定性非常有利。

4.4.2 數值效率比較

數值計算著重比較了額定水頭H=54 m(相應單位轉速n11=71.1 r/min)時的不同流量工況點。從圖2數值效率比較結果可知，在不同工況下，A606c數值效率比A36提高了2.5%以上，比改型基礎轉輪A982提高了0.3%左右。

圖2 轉輪數值效率比較圖

圖3 轉輪數值效率與導葉開口關系圖

映秀灣電站原導葉為正曲率型導葉，而基礎轉輪A982通道中的導葉也為正曲率型。從圖3中可以看出，相應于模型轉輪下，A36最優開口在17 mm附近，而A982和改型后的轉輪A606c最優開口在16 mm附近，并且以上各轉輪單位流量的計算結果與從葉片幾何出口面積的比較得出的單位流量相對大小非常吻合。

4.4.3 葉片表面最低壓力比較

在計算各個過流部件中，壓力最低點常發生在轉輪出口，這意味著該區域是最有可能發生空化的。圖4為對新舊轉輪各工況計算時葉片表面最低壓力值比較，其計算壓力零點設在葉片進口附近。

圖4 葉片表面最低壓力值比較圖

n11=71.1 r/min相應于映秀灣電站額定水頭54 m。計算結果表明，在額定水頭下，無論是低負荷工況、最優工況還是額定工況，A606c葉片表面最低壓力與A36相比明顯得到提高;A606c與改型設計基礎轉輪A982相比，在流量相同的條件下，最低壓力基本相當。由于基礎轉輪A982相應于映秀灣電站參數條件下的空化裕度較大，改型后葉片表面最低壓力值的提高和壓力值分布的更加均勻，將會使轉輪空化性能比原A36有很大改善。

4.4.4 轉輪葉片出口環量比較

葉片出水邊環量的變化影響轉輪出口渦帶的變化，一般情況下，水輪機在最優工況點為法向出口時，出口環量基本為零或出口環量較小。因此，控制出口環量，可以適當控制出口旋轉渦帶的產生。在轉輪出口為法向出口時，環量為零，此時為無渦帶;在特性曲線最優工況的左側，出口環量為正，此時渦帶為旋轉渦帶，為不穩定渦帶;在特性曲線最優工況的右側，出口環量為負，此時渦帶為柱型渦帶，為穩定渦帶。出力限制線流量與最優流量之比越大，水輪機穩定運行區域越大。故適當減小葉片出水邊環量，可以擴大水輪機穩定運行區域。圖5為A36和A606c在各自的最優工況和額定水頭、額定出力工況轉輪葉片出水邊環量分布的比較情況。

由比較得知，改型后A606c轉輪葉片出水邊環量在最優工況和額定水頭、額定出力工況下均比A36有所減小，特別是靠近上冠附近出口環量的降低比較明顯。而葉片靠近上冠附近出口環量對轉輪出口至尾水管渦帶的影響較大。由此可以判斷，A606c轉輪出口旋轉渦帶的強度將會有所降低，從而降低尾水管壓力脈動幅值，且其水力穩定性亦會得到改善。

圖5 轉輪葉片出口環量比較圖

4.4.5 流速比較

經CFD分析表明，葉片區流速最高的位置在葉片背面出口與轉輪下環附近(圖6)。圖7和圖8是映秀灣電站原型轉輪A36和A606c轉輪葉片出口相對流速量化分析的比較結果。

圖6 葉片表面相對流速最大的位置示意圖

圖7 最優工況相對速度比較圖

圖8 額定水頭、額定出力工況相對速度比較圖

圖9 蝸殼出流角與固定導葉進口安放角比較圖

從圖中可以看出，A606c轉輪葉片出口附近位置的相對流速在上述兩個工況下，分別比原A36降低10%左右，具有較好的抗磨蝕性能。

5 蝸殼的CFD分析

根據流場計算結果計算了蝸殼內直徑為558.3 mm(模型尺寸D1=350 mm)圓周(固定導葉外切圓)上的出流角。蝸殼出流角與固定導葉進口安放角的比較情況見圖9。

從計算結果得知，在整個蝸殼包角范圍內，蝸殼出流角變化從23.1°～31°，角度變化范圍為8°左右。蝸殼內流態分布也顯示出蝸殼壓力分布、流線均勻合理。由此表明，映秀灣電站蝸殼CFD計算結果是比較理想的。從圖10可以看出，固定導葉進口安放角約為27°，與蝸殼的匹配基本合適。

6 固定導葉與活動導葉的CFD分析

圖10為轉輪計算得出的導葉最優開口與固定導葉的幾何匹配情況。從圖中可以清楚地看出，改造后的轉輪A606c與正曲率導葉匹配的最優開口(16 mm)時，活動導葉進口角約為25.9°，而映秀灣電站固定導葉出口角為24.3°，其最優匹配關系很好。由此可以從固定導葉與活動導葉幾何位置關系上判斷，映秀灣電站原固定導葉和活動導葉匹配情況是合理的。

圖10 活動導葉最優開口與固定導葉幾何關系圖

為了進一步分析導葉區域流場分布情況，同時還做了固定導葉與活動導葉的CFD聯合計算分析。

從導葉CFD分析結果看，最優開口下，活動導葉進口頭部壓力駐點基本位于導葉頭部中間附近，速度矢量、流線分布均勻，說明轉輪計算最優開口時導葉區域流態分布良好。

根據CFD分析結果，計算了不同開口導葉區的水頭損失，并以數值效率的形式表示于圖11。

圖11 導葉區域數值效率示意圖

從圖中可以看出，導葉區水頭損失最小的開口為17 mm左右，也就是說，固定導葉、活動導葉聯合計算的最優開口與活動導葉、轉輪聯合計算的最優開口是基本一致的，說明改造后的轉輪A606c用于映秀灣電站與其它通流部件的匹配關系是合適的。

7 預想曲線

本次映秀灣電站改造經CFD分析設計選擇的基礎轉輪為A982，其基本參數比較適合映秀灣電站的參數條件。經過對轉輪進行改型設計，使改型后的A606c轉輪性能指標得到進一步提高。考慮到映秀灣電站通道和A982通道中異型部件的影響(映秀灣電站蝸殼真機尺寸在X和Y方向分別比A982蝸殼小914.9 mm和865.7 mm;映秀灣電站尾水管高度為2.725 D1，A982尾水管高度為2.81 D1)，綜合特性曲線需根據CFD分析的結果扣除一些效率，由此得出映秀灣電站水輪機改造的預想曲線見圖12。

圖12 水輪機綜合特性曲線圖

8 結語

在基礎轉輪A982上改型設計得到的新轉輪A606c相對于A36轉輪存在的問題，新轉輪速度矢量、流態分布更加合理，各個工況下轉輪的數值效率均得到了提高，葉片表面壓力分布有了明顯的改善，同時，葉片表面最低壓力也有所提高，轉輪葉片出口環量分布更加合理，轉輪葉片出口區流速得到了降低，并且蝸殼出流角與固定導葉進口安放角的匹配也很合理，固定導葉、活動導葉以及轉輪的最優開口匹配關系亦良好。

綜上所述，映秀灣電站水輪機改造選用A606c轉輪替代原A36轉輪方案，能夠滿足電站提高水輪機效率、穩定性和延長大修周期的目的。該方案還能保證活動導葉翼型不變，尾水錐管不變，進而可以降低水輪機改造工程量及工程造價。