里底電站水輪機水力設計關鍵技術及結構特點

祁英明，王 超，劉興勝

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西 674600）

1 電站概況

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉境內的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段規劃8個梯級中的第3級電站,上接烏弄龍電站，下接托巴電站。電站為河床式電站，總裝機容量420 MW，裝有3臺單機容量140 MW的軸流轉槳式水輪發電機組。水輪機單機額定功率14.75 MW，由東方電氣集團東方電機有限公司設計制造。2018年10月31日首臺機組投入商業運行，2019年4月30日最后一臺機組投入商業運行。

水輪機主要參數如下：最大水頭 41.2 m，加權平均水頭36.6 m，額定水頭34.0 m，最小水頭28.9 m，水輪機額定出力142.9 MW，轉輪直徑7 400 mm，同步轉速 107.1 r/min，水輪機的安裝高程1 770.4 m（導葉中心線高程），水輪機吸出高度 -12.04 m（槳葉中心線）。

2 水輪機及其過流部件的水力設計關鍵技術

里底水電站水輪機轉輪及其通流部件的水力設計是以里底電站相近水頭段的安谷、銅街子電站作為參考，并在此基礎上進行優化設計。

2.1 水輪機及其流道水力設計關鍵點及參數選擇

（1）過流通道設計。為了全面提高水輪機的各項水力性能，選擇合適的流道特征幾何參數是必不可少的。設計關鍵點：①優化蝸殼斷面的面積變化規律、固定導葉和活動導葉葉型，從而獲得具有合理水頭損失的引水部件；優化固定導葉與活動導葉匹配數量，有利于均勻導水機構中水流的分布。②優化尾水管過流面積變化規律，最大可能地提高尾水管的能量恢復系數，減輕尾水管的壓力脈動，減少水力損失。

（2）轉輪設計。轉輪在水輪機能量轉換中起著最為關鍵的作用，其設計的好壞直接影響整個水輪機的水力性能。設計關鍵點：①優化設計點位置，適當提高單位轉速運行區域水輪機的效率，改善轉輪的空化性能和運行穩定性。②電站運行水頭高，為保證轉輪具有足夠的剛強度以滿足機組安全穩定運行，適當增大葉片厚度和葉片重量。③在葉片進、出水邊設計時重點關注在電站主要運行范圍內消除葉片進水邊水流脫流情況，從而改善或避免葉片進水邊因水流脫流帶來的空蝕破壞，同時優化轉輪出口水流的流速分布規律，提高水輪機效率，減小尾水管壓力脈動，提高機組運行的穩定性。④在葉片幾何設計及流態分析計算中，將電站整個運行區域內最大相對流速控制在合理范圍內，避免或減緩因相對流速過高帶來的泥沙磨損。

（3）主要幾何尺寸參數選擇。①葉片數Z的選擇。近10年來，已投運的或正在建設的軸流轉槳式水輪機的實際運行情況表明，槳葉數為5片的轉輪完全可以應用到40 m以上水頭范圍，根據水頭的高低配以不同的輪轂比，完全能夠滿足強度、空化和穩定性的要求。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，采用5葉片轉輪是完全可行的。②輪轂比的選擇。輪轂比是軸流式水輪機的一個重要的幾何參數，其數值直接決定著水輪機過流通道的大小及轉輪高效率區的單位轉速和單位流量，從而對轉輪的運行區域產生較大的影響。減小輪轂比可使最優效率增加，改善空化性能。另一方面，輪轂比的大小也受到了電站最高使用水頭的限制。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，在該水頭段，通常采用較大的轉輪輪轂比。但近些年來，由于新材料和新工藝的不斷進步，使轉輪在采用較小的輪轂比時也不會存在強度上的問題。因此，轉輪輪轂比的選擇主要考慮效率和空化性能的影響。通過參考相近水頭段電站的水輪機轉輪參數和CFD分析，選擇里底電站轉輪輪轂比為0.46。③導葉相對高度的確定。導葉相對高度的選擇對于保證水輪機各項水力性能非常重要，同時的選擇對控制轉輪和導水機構內的最大流速非常重要,但的選擇還必須考慮水輪機轉輪、活動導葉和固定導葉的機械強度特性以及機組的尺寸限制和制造成本。一般說來，水輪機水頭愈高，愈小。近年來，由于先進可靠的機械強度計算軟件的應用和高強度新材料的使用，在相同最大水頭下有逐漸增大的趨勢。在最大水頭小于40 m范圍內，宜選擇在0.35～0.40范圍內。通過比較分析，選擇的里底電站導葉相對高度=0.375。

2.2 全三維粘性流動分析技術（CFD）

運用CFD對轉輪、蝸殼、雙列葉柵以及尾水管進行全三維粘性流動數值仿真，可以得到過流部件內部流場流線分布、速度分布、壓力分布等信息，對于評價轉輪以及過流部件設計水平非常有價值。

（1）控制方程與湍流模型

對不可壓流體的流動，采用均化的Navier-Storkes方程和標準κ-ε模型進行解算[1]，其方程如下[1]。

a.連續性方程：

b.運動方程組：

c.湍動能和耗散率計算公式：

式中：

C1=1.44；C2=1.92；Cμ=0.09；σk=1.0；σε=1.3；

μI——速度在坐標方向的分量；

ρ——流體密度；

P——壓力；

κ——湍動能；

ε——湍動能耗散率。

（2）蝸殼、雙列葉柵以及尾水管的三維建模以及網格劃分

依據水力設計結果，采用三維建模軟件分別對水輪機各個過流部件計算域進行三維建模，以便于下一步網格劃分。各部件三維模型如圖1所示，共包括蝸殼、雙列葉柵、轉輪、尾水管四大部分。

圖1 里底水輪機三維模型

采用網格劃分軟件對各個部件計算域進行網格劃分，對有限葉片數旋轉流體機械的葉片內部流動計算。因轉輪流道具有周期性，選取包含1個葉片在內的單通道作為計算區域，如圖2，這樣可以較好地模擬實際的流動狀態，又能縮短計算時間。依據實際情況，綜合考慮網格劃分經濟型與實用性，蝸殼計算域采用非結構網格，雙列葉柵、轉輪以及尾水管計算域均采用結構化網格，為保證計算精度，對于固壁面、進出口、計算域交界面進行網格加密。

依據設計經驗以及硬件資源進行網格總量的控制，根據軸流式水輪機的特點，電站水輪機轉輪葉片控制體的網格采用了161×61×21的網格規模，迭代的收斂精度設定為0.000 001，該規模的網格和精度大大提高了流動計算結果，能更好地反映實際的流動情況。

圖2 轉輪單周期計算域

（3）數值模擬結果及分析

對機組額定工況、最優工況進行數值模擬，分析過流部件內部的流態和壓力分布，可以優化過流部件斷面的面積變化規律，減少水力損失，提高水輪機效率及穩定性。額定工況引水部件流速分布見圖3、圖4，額定工況尾水管流速分布及流線分布見圖5、圖6。最優工況的轉輪流速分布及壓力分布見圖7、圖8。

圖3 額定工況蝸殼流速分布

圖4 額定工況導水機構流速分布

從圖3、圖4可以看出，蝸殼內蝸型部分和非蝸型部分的流速分布較為合理，固定導葉和活動導葉的匹配關系較好,優化設計的蝸殼斷面面積變化規律、固定導葉與活動導葉的葉型及數量選擇是合理的。

圖5 額定工況尾水管流速分布

圖6 額定工況尾水管流線分布

從圖5、圖6可以看出，水流在尾水管內流態良好，流線分布均勻，減少了機組的水力損失，最大可能地提高尾水管的能量恢復系數，優化設計的尾水管斷面面積變化規律是合理的。

圖7 最優工況轉輪出口流速

從圖7、圖8可知，在最優工況下轉輪葉片出水邊流速分布合理，使尾水管的流動更趨均勻，減小了尾水管的水力損失；葉片表面的流線分布都比較均勻，提高機組效率的同時，提高了轉輪的空化性能。

圖8 最優工況轉輪工作面流線分布

3 水輪機主要部件結構設計

借鑒國內外軸流轉槳式水輪機的設計經驗，在結構設計過程中將已投運軸流轉槳式水輪機存在的轉輪裂紋、轉輪密封、抬機、空蝕等突出問題的解決措施作為結構設計整體考慮的最重要任務，水輪機轉輪體、葉片、槳葉操作機構、轉輪密封結構、抬機防范措施作為里底電站結構設計的重點。根據制造廠的設計經驗及電站實際情況，主要部件的結構參數以及結構形式選擇如下：

（1）轉輪體

轉輪體是軸流式水輪機的重要部件，過流球面影響轉輪與葉片的間隙大小，軸孔的同軸度和各組軸孔的精度會影響到葉片在運行過程的轉動靈活性。為確保加工精度要求，轉輪體采用數控機床精確定位加工。為防磨蝕，轉輪體采用ZG20SiMn整體鑄造而成，球面過流表面粗加工后堆焊10 mm厚的不銹鋼層，加工后的不銹鋼層厚度為5 mm。轉輪體最大外徑3 394 mm，高度1 970 mm，質量約為39.5 t，整體運輸到工地。

（2）葉片

葉片是水輪機最重要的部件，其制造質量直接影響到轉輪的水力效率、出力以及運行的穩定性。葉片采用材質為ZG04Cr13Ni5Mo整體鑄造而成，在葉片外緣設抗空蝕裙邊。葉片采用數控加工工藝，使過流面線性與葉片翼型設計高精度貼合,大大提高葉片和轉輪的制造質量，保證機組具有良好的性能。葉片與葉片軸焊縫選擇適當的過渡圓角，以降低葉片根部的應力集中，防止轉輪裂紋產生。

（3）缸動式槳葉操作機構

槳葉操作機構采用缸動式接力器操作結構。葉片的轉動是通過受油器、操作油管將6.3 MPa油壓等級的壓力油引入轉輪接力器上下腔，活塞固定，缸體在油壓作用下上、下移動，帶動連接在活塞缸上的連桿結構，從而轉動槳葉。

（4）轉輪密封結構

借鑒國內軸流轉槳式水輪機轉輪密封結構的成功經驗，里底電站轉輪葉片密封采用雙向多層“V”型耐油聚氨酯密封結構，密封壓板采用抗磨性能好的0Cr13Ni5Mo不銹鋼，槳葉在運行中可在不拆卸葉片的情況下更換密封件。經過運行實踐證明，該密封結構簡單可靠、密封效果好。

（5）抬機防范措施

抬機現象是軸流轉槳式水輪機的固有特性[3]。吸取國內外電站軸流轉槳式水輪機防抬機的經驗，里底水電站抬機的防范措施如下：一是在水輪機頂蓋上裝設4個Φ300 mm真空破壞閥，當導葉迅速關閉時，真空破壞閥自動打開補氣。尾水回流時，將受到封閉于轉輪室空氣的阻擋，不觸及轉輪從而消除抬機。二是在支持蓋上設有鋁青銅材質止推環，止推環與轉輪體的距離為15 mm。經過運行實踐證明，里底電站抬機防范措施效果顯著，機組100%甩負荷時，最大上抬量僅為6 mm，遠小于設計上抬量。

4 結語

里底水電站水輪機為國內少有的高水頭、大容量軸流轉槳式水輪機，在水輪機設計過程中借鑒國內外已投運軸流轉槳式機組的設計經驗，并在此基礎上對目標水輪機及流道水力設計的關鍵點進行全三維粘性流動分析技術，優化水力設計。在結構設計過程中將轉輪裂紋、轉輪密封、抬機、空蝕等突出問題解決措施作為水輪機關鍵部件結構設計的最重要任務。

里底電站機組已投入商業運行一年多，機組運行安全、穩定、可靠，未發生因非安裝原因造成的非停，水輪機未出現轉輪葉片裂紋、轉輪磨蝕、抬機現象、漏油等問題，說明里底水電站軸流轉槳式水輪機的水力設計和結構設計是成功的，設計技術及設計方案是可靠的，可為以后同類型機組的電站設計提供借鑒。