儲能水管-沖擊式水輪機發電系統設計及發電效益分析

施利民，姜小龍，郭佳燕

（杭州杭發發電設備有限公司，浙江 杭州 311251）

高處落下的流水是沖擊式水輪發電系統轉動的唯一動能，這一過程實現了動能和勢能的轉換，下落水流推動發電機主軸，發電機被流水推動以后即可發電，轉輪在這一過程中發揮主要作用，因此轉輪是沖擊式水輪發電系統的核心部件，沖擊式水輪發電系統可以按照機型進行細分。

設計性能更高的沖擊式水輪發電系統可以有效解決部分偏遠地區的用電問題，運用更先進的技術設計沖擊式水輪發電系統無論是對于我國水電開發，還是水電設備制造都具有積極意義。

1 沖擊式水輪加工技術

1.1 關鍵技術

關于沖擊式水輪發電系統的研究主要集中于轉輪設計，因為轉輪是整個系統的能量轉換中心，并且轉輪的水平直接關系到沖擊式水輪發電系統的運作效果。高性能的沖擊式水輪發電系統水電轉換率>90%。高速水流的周期性沖擊是沖擊式水輪發電系統的一大特點，在此過程中會出現明顯的交變應力，系統的水斗在應力的變換下發生斷裂，致使機組無法繼續運行[1]。對沖擊式水輪發電系統進行設計，首先要對高速流水進行力學分析。將系統水斗內部的水流作為突破口，水流周圍是一種復雜的、非常態氣液兩相流動，同時因為水斗的不規則性，越臨近邊緣時曲率變化越快。

1.2 沖擊式轉輪加工

因為轉輪是沖擊式水輪發電系統的核心部件，直接關系到沖擊式水輪發電系統的運作效率，所以其在加工制造的過程中運用多樣化的技術。轉輪尺寸大、重量大、曲面變化大，因此加工空間狹窄。

1.2.1 整鑄鏟磨

整鑄鏟磨是小型轉輪加工常用技術，經過整體鑄造隨后進行精細打磨，導致水斗的型線極易出現誤差，進而無法滿足系統的水力性能需求，使用整鑄鏟磨制造的轉輪、水斗會導致水輪機出力不足，并且水斗之間型線缺少一致性，在機組運行期間極容易由重量不均衡導致整個機組出現振動[2]。倘若轉輪、水斗所使用的材料性能較差，在運作過程中的水斗根部會出現大面積的應力集中，將這種轉輪、水斗應用到大型轉輪當中，在強大的水流沖擊下水斗根部就會斷裂，嚴重時甚至會造成整個機組損毀。

1.2.2 鉚接

雙箍結構是一種特殊的鉚接工藝，使用這種工藝加工水斗，可以實現水斗的單獨鑄造加工，從根本上提升水斗的受力狀態并延長了水斗的使用壽命。不過雙箍結構不利于水力性能，隨著轉輪的重量不斷增加，相應的轉輪的剛度會呈現下降趨勢，圖1 為轉輪雙箍結構。

圖1 轉輪雙箍結構

1.3 整體鍛造

整體鍛造常見應用于中小型轉輪加工，使用整體鍛造工藝對轉輪進行加工，通常在對材料進行整體鍛造時，與轉輪的預計尺寸接近時選擇數控加工技術，具有很大的切削量[3]。通常使用整體鍛造、數控加工得到的轉輪性能更加出眾，但是成本更高。截至目前為止，全球范圍內尚未存在使用整體鍛造技術加工制造直徑>4 m 的轉輪，這從根本上阻礙了超大容量沖擊式機組的發展。

2 沖擊式水輪機發電系統數值分析

2.1 相互作用力

沖擊式水輪機水斗、射流相互作用的數值關系可以基于動量定理進行推導，得出每個參數水輪機運行效率產生的影響，圖2 為沖擊式水輪機速度三角形，圖3 為原理模型。

圖2 沖擊式水輪機速度三角形

圖3 原理模型

結合動量定律對水斗方向射流段進行分析，得：

式中：△t為時間段；W1u為U方向進口速度相對分量；W2u為U方向出口速度相對分量；Fu為U方向水斗對射流作用力的分力；m 為流體質量。

則△t受力流體質量：

式中，Q為流量；r為重度；g為重力加速度。

假定水斗速度U與射流速度V1比值為速度比，記為ψ，則：

此時假設進出口流水速度相同，則按照余弦定理結合圖2 可得：

隨即進一步計算W1u、W2u：

式中，W1為進口相對速度；W2為出口相對速度；α 為射流速度V1與水斗速度U夾角。

則有：

結合牛頓第三定律計算射流對水斗的功率N：

水輪機投入功率Nw：

式中：H為水頭。

式中：φ2為噴嘴效率。

得到沖擊式水輪機原理模型方程式：

式中，η 為效率。

2.2 斗根曲率均勻度

本次研究中的斗根曲率均勻度可以視為不同位置深度均勻度，如圖4 所示，展現出應力缺口曲面不同曲率的變化，由上至下方案分別為A1~A6，并建立針對性結構方案有限元模型，各結構的應力結果詳見表1[4]。可以看出伴隨對斗根曲率均勻度的不斷調整，相應的應力水平不斷下降，A6 應力水平處于最低水平，即最終優化方案，綜合應力下降9.1%，交變應力幅值下降7%，平均值下降5.7%[5]。

表1 斗根曲率均勻度對應力水平的影響

圖4 斗根曲率均勻度

2.3 斗根深度

力不同缺口深度由上至下為B1~B5，B3 與優化方案A6 相對應，構建有限元模型的同時施加相應的邊界條件和載荷，最終獲得每個方案的應力結果，見表2。伴隨斗根深度減小，相應的應力水平下降，B5 應力水平最低，即深度優化最終方案[6]。

表2 斗根深度對應力水平的影響

3 綜合效益分析

3.1 流量測定

對沖擊式水輪發電機流量進行測定，結合沖擊式水輪發電機的屬性使用美國7410 型超聲波流量計度進行流量測定。測定結果顯示各項指標均達到相應的生產標準。為了進一步驗證流量監測的可靠性，在更換流量測定儀后獲得的數據與第一次測定的結果近似，因此可以驗證本次沖擊式水輪發電機流量已經達到預期標準。

3.2 功率測定

沖擊式水輪發電機的功率決定了其綜合效益，因此對本次設計的沖擊式水輪發電機功率進行測定，使用0.2 級高精度功率變送器從發電機出口儀用電壓、電流互感器二次端子接線測定。以預先設定的公平功率變送器標定為基準，經測定后方證實本次設計的沖擊式水輪發電機符合設計要求。

3.3 出力特性

表3為沖擊式水輪發電機最大出力情況，經測定得知符合生產標準要求，同時保留相應的裕量。

表3 沖擊式水輪發電機最大出力

3.4 效率特性

已知沖擊式水輪發電機工作水頭，測得沖擊式水輪發電機效率高達94.25%，比出廠時廠家保障的效率提高了1.15%，且沖擊式水輪發電機出力區間為33~34 MW，對提升綜合效益具有積極意義。

3.5 經濟效益

本次設計的沖擊式水輪發電機，電站水頭整體變化幅度有限，最大出力得到顯著提升，總計提升最大出力約10 MW。沖擊式水輪發電機年運行時長6 000 h、累計增加發電量約為2 700 萬KW·h，以0.15 元/KW·h計算則年均增加產值約400 萬元。

4 結論

本次設計的水輪發電系統可以大力提升發電效率與水能利用率，避免傳統水輪發電系統制造工藝當中存在的由多次裝夾造成的設計誤差進而無法提升發電效率的問題。改善水力性能、對水輪發電系統構件尺寸進行合理控制，提升設備精度與對稱性。同時有效縮短了水輪發電系統設計時間，提升經濟效益。