大型高水頭混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 梁

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610056）

0 引言

混流式水輪機(jī)適應(yīng)水頭廣、應(yīng)用范圍寬，在水力發(fā)電中廣泛使用；隨著水電開發(fā)的不斷進(jìn)展，混流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭和單機(jī)容量逐漸增大，穩(wěn)定性成為非常關(guān)注的問題[1]。本文研究的混流式水輪機(jī)應(yīng)用于大型水電站中，電站總裝機(jī)容量4800MW，單機(jī)容量600 MW，額定水頭288m，保證出力1972MW。該電站的水輪機(jī)運(yùn)行水頭高，部件尺寸大，且汛期有一定的過機(jī)泥沙，因此水輪機(jī)的整體設(shè)計(jì)、制造難度達(dá)到了世界先進(jìn)水平[2]。

本文根據(jù)電站工程特點(diǎn)，首先對(duì)國(guó)內(nèi)外相近水頭和規(guī)模的大型水輪機(jī)主要參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，分析了該電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)特點(diǎn)；然后在模型試驗(yàn)和仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片和活動(dòng)導(dǎo)葉等關(guān)鍵部件進(jìn)行了穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化；最后通過優(yōu)化前后的性能和流場(chǎng)的分析對(duì)比，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，保障了電站長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

1 水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

該電站的總裝機(jī)容量為4800MW，水頭范圍為279.2～321.0m，水輪機(jī)運(yùn)行水頭高，單機(jī)容量巨大，參數(shù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外與其水力條件相近的大型水輪機(jī)主要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)研究，并結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)該電站水輪機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了比選，最后確定的主要參數(shù)如表1所示。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)表Table 1 Hydro-turbine main parameters

其中比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的一個(gè)綜合性指標(biāo)。提高比轉(zhuǎn)速，不僅可以減小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組造價(jià)，同時(shí)還可以減小主廠房尺寸，降低土建投資[3]；但比轉(zhuǎn)速的提高往往受到水輪機(jī)的平均效率、穩(wěn)定性、抗空蝕性能，以及機(jī)組剛度和強(qiáng)度等性能的制約[4]。

圖1 水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)圖Figure 1 Rated specific speed statistics for Hydro-turbine

圖1 是根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已投產(chǎn)、在建和擬建的中、高水頭段大型水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速ns統(tǒng)計(jì)曲線。

從圖1中可以看出，隨著不銹鋼材料性能提高，近年來的比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)曲線略有提高，但是考慮到該電站的水頭較高，而且存在一定的泥沙磨損，選擇適中的比速系數(shù)，有利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此該電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速值不宜過高，最后確定的比轉(zhuǎn)速在110m·kW以內(nèi)[5]。

通過主要參數(shù)的分析對(duì)比，可以看出該電站的水輪機(jī)采用了較為穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)，在保證高性能的同時(shí)，也具有較好的空化性能。2008年4月完成了水輪機(jī)的第一次模型驗(yàn)收，各項(xiàng)水力性能均滿足合同要求，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)較為順暢，沒有出現(xiàn)大的破壞性強(qiáng)的渦帶。

通過更細(xì)致的CFD模擬和轉(zhuǎn)輪動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算仿真，發(fā)現(xiàn)在原設(shè)計(jì)的水輪機(jī)中，活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)存在較大的高頻壓力脈動(dòng)。無葉區(qū)的高頻壓力脈動(dòng)在水輪機(jī)內(nèi)部傳播，將大大增加轉(zhuǎn)輪葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并可能對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)造成破壞，是影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要原因之一[6]。為了進(jìn)一步提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)合水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了更深入的穩(wěn)定性優(yōu)化。

2 水輪機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化

混流式水輪機(jī)無葉區(qū)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要原因是水輪機(jī)運(yùn)行中導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間存在動(dòng)靜干涉，以及導(dǎo)葉出口的脫流[7]，因此要減小無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)就要減弱動(dòng)靜干涉的影響和減小導(dǎo)葉出口的脫流。結(jié)合該電站水頭范圍和工況特點(diǎn)，本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案從優(yōu)化轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊和導(dǎo)葉翼型，以及增加無葉區(qū)距離等幾方面入手，降低無葉區(qū)壓力脈動(dòng)，提高水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化

（1）適當(dāng)減少轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑，增加無葉區(qū)距離；同時(shí)為保證飛逸轉(zhuǎn)速盡可能低，不能減少太多，通過多次研究計(jì)算，確定轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑減少0.2%。

（2）子午面上進(jìn)水邊修型為圓弧形，中間截面處的直徑減少2%，平均進(jìn)口直徑減少1.4%。

如圖2和圖3所示，虛線為原設(shè)計(jì)，實(shí)線為優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 活動(dòng)導(dǎo)葉優(yōu)化

（1）優(yōu)化了活動(dòng)導(dǎo)葉壓力側(cè)的型線，實(shí)線是優(yōu)化后的新型線，它的低壓側(cè)型線比較平直，降低導(dǎo)葉后壓力場(chǎng)的不均勻性。

（2）導(dǎo)葉分布圓直徑由7360mm增加至7404mm，增加無葉區(qū)距離。

圖2 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口優(yōu)化Figure 2 Runner inlet optimization

圖3 轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊優(yōu)化Figure 3 Runner blade inflow edge optimization

如圖4和圖5所示，虛線為原設(shè)計(jì)，實(shí)線為優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 活動(dòng)導(dǎo)葉型線優(yōu)化Figure 4 Guide vanes shape optimization

圖5 導(dǎo)葉分布優(yōu)化Figure 5 Guide vanes distribute optimization

3 穩(wěn)定性優(yōu)化成果分析

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)優(yōu)化后的水輪機(jī)性能和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，和原設(shè)計(jì)的水輪機(jī)進(jìn)行了分析對(duì)比。

3.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析對(duì)比

表2是不同工況下的轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)力大小對(duì)比，可以看出優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯小于原設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，說明無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的影響減小了，降低了機(jī)組葉片損壞的可能性，提高了使用壽命，提升了機(jī)組整體穩(wěn)定性。

表2 不同工況下葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)力Table 2 Blade dynamic stress under different conditions

表3是原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的活動(dòng)導(dǎo)葉的水中自振頻率對(duì)比，可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的自振頻率降低了5%左右，其固有頻率更加遠(yuǎn)離激振頻率，降低了發(fā)生共振的可能性。

表3 活動(dòng)導(dǎo)葉水中振動(dòng)頻率Table 3 Guide vane natural vibration under water

3.2 效率分析對(duì)比

表4是模型試驗(yàn)得出的各種工況下原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率值對(duì)比，可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率與原設(shè)計(jì)相比，一些工況下略有降低，相差不多，個(gè)別工況效率增加，加權(quán)效率基本不變。優(yōu)化設(shè)計(jì)后對(duì)水輪機(jī)效率性能影響不大，保證了在較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)都有高效率。

表4 不同工況下的水輪機(jī)效率值Table 4 Hydro-turbine efficiency under different conditions

3.3 流場(chǎng)分析對(duì)比

采用CFD計(jì)算軟件對(duì)原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了模擬仿真，對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的壓力分布和流線軌跡進(jìn)行了研究對(duì)比。

圖6和圖7是額定工況下固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間壓力分布和流線分布的對(duì)比，可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間的壓力變化相對(duì)較為均勻，逆壓力梯度變化減少。

圖6 額定工況下固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間的壓力分布（a）原設(shè)計(jì)；（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)Figure 6 Pressure between stay vanes and guide vanes under rated condition

圖7 額定工況下固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間的流線分布（a）原設(shè)計(jì)；（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)Figure 7 Streamline between stay vanes and guide vanes under rated condition

圖8 和圖9分別是額定工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)和尾水管內(nèi)的流線分布，可以看出轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和尾水管流線分布沒有明顯變化。

圖8 額定工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流線分布（a）原設(shè)計(jì)；（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)Figure 8 Streamline in runner under rated condition

圖9 額定工況下尾水管內(nèi)的流線分布（a）原設(shè)計(jì)；（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)Figure 9 Streamline in draft tube under rated condition

通過額定工況下的流場(chǎng)分析可以看出：優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間的壓力分布，從而降低了無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)；整個(gè)水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)較為順暢，沒有明顯的撞擊和脫流，水力穩(wěn)定性好。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，上海福伊特公司采用了穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案并生產(chǎn)制造了8臺(tái)水輪機(jī)。2012年12月，電站的首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行，在5年多的電站運(yùn)行中，水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，表現(xiàn)優(yōu)異。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電站的大型高水頭混流式水輪機(jī)采用了較為穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)理念，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，在保證高性能的同時(shí)，也具有較好的空化性能；同時(shí)針對(duì)原設(shè)計(jì)存在的無葉區(qū)壓力脈動(dòng)較大的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊和活動(dòng)導(dǎo)葉翼型以及適當(dāng)增加了無葉區(qū)距離，從而改善了導(dǎo)葉間的壓力分布，減小了無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)，顯著降低了轉(zhuǎn)輪葉片上的動(dòng)態(tài)應(yīng)力；實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了本次優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，滿足了機(jī)組長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的需要。