500 MW沖擊式水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

沈鵬 周彥 郭連恒 李明明 何峰 胡定輝

收稿日期：2023-09-15

作者簡(jiǎn)介：

沈? 鵬，男，工程師，碩士，主要從事電力工程管理方面的工作。E-mail：747703789@qq.com

通信作者：

何? 峰，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：369121223@qq.com

引用格式：

沈鵬，周彥，郭連恒，等.

500 MW沖擊式水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（6）：88-93.

摘要：

西藏扎拉水電站需裝設(shè)2臺(tái)500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，是目前全球在建單機(jī)容量最大的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。為提升大型沖擊式水輪機(jī)制造水平，基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析總結(jié)了扎拉電站水輪機(jī)在高效率轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)、重大不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件制造、大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)。結(jié)果表明：① 在高效率轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)方面，可采用定常的氣液兩相流CFD分析配水環(huán)管、噴嘴，采用非定常兩相流CFD分析轉(zhuǎn)輪；扎拉水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)均勻合理，整體具有良好的水力性能。② 在重、大不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件制造方面，關(guān)鍵技術(shù)主要在于鋼材冶煉、鍛造和熱處理這3個(gè)過(guò)程中材料化學(xué)成分的優(yōu)化、鍛件鍛造載荷和鍛造溫度控制及熱處理工藝；扎拉水電站水輪機(jī)的重、大轉(zhuǎn)輪輪轂不銹鋼鍛件的質(zhì)量可行。③ 在大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造方面，扎拉水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用鍛焊結(jié)構(gòu)，合理選擇了水斗和輪轂的分瓣位置及焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪焊接接頭疲勞壽命與水斗根部的疲勞壽命等同。

關(guān)鍵詞：

沖擊式水輪機(jī)； 轉(zhuǎn)輪模型； CFD； 扎拉水電站； 西藏

中圖法分類號(hào)：TK735

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.015

文章編號(hào)：1006-0081（2024）06-0088-06

0? 引? 言

目前，中國(guó)水電設(shè)備制造企業(yè)已制造的、具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)、單機(jī)容量最大的沖擊式水輪機(jī)機(jī)組為厄瓜多爾美納斯水電站，額定水頭為474.51 m，單機(jī)容量為90 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為2.46 m；當(dāng)前正在制造的最大的沖擊式水輪機(jī)機(jī)組為秘魯圣加旺電站，額定水頭為629.2 m，單機(jī)容量為104.65 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為2.26 m。中國(guó)已投產(chǎn)沖擊式水電機(jī)組單機(jī)容量最大為四川省田灣河流域金窩水電站，額定水頭為595 m，單機(jī)容量為143.6 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為2.43 m，噴嘴與轉(zhuǎn)輪等核心部件由安德里茨制造［1］。安德里茨公司在沖擊式水輪機(jī)機(jī)組研發(fā)和制造中處于世界領(lǐng)先地位，研發(fā)并投運(yùn)的最大沖擊式水輪機(jī)機(jī)組為瑞士的畢奧德隆（Bieudron）水電站，該電站水輪機(jī)單機(jī)容量及轉(zhuǎn)輪直徑均為世界之最，額定水頭為1 869 m，單機(jī)容量為423.13 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為3.993 m。西藏扎拉水電站為Ⅱ等大（2）型工程，擬裝設(shè)2臺(tái)500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。目前，中國(guó)在建及已建成的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組最大單機(jī)容量為160 MW。相較于已有電站而言，扎拉水電站機(jī)組制造技術(shù)難度大，可供借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)較少。扎拉水電站是國(guó)內(nèi)目前唯一有條件進(jìn)行高水頭、大容量沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組科研攻關(guān)并實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)目，2021年被正式列入“能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目名單”。本文以西藏扎拉水電站500 MW沖擊式水輪機(jī)為研究對(duì)象，分析了大型沖擊式水輪機(jī)在高效率轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)、重大不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件制造、大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)。

1? 水輪機(jī)主要參數(shù)

扎拉水電站裝設(shè)2臺(tái)500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，最大水頭689.2 m，最小水頭668.5 m，加權(quán)平均水頭677 m，額定水頭671 m。水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，扎拉水電站沖擊式水輪機(jī)容量為507.1 MW，轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑為4.9 m。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)制造難度大，對(duì)國(guó)內(nèi)外廠商來(lái)說(shuō)都是巨大挑戰(zhàn)。

2? 高效率轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)技術(shù)

2.1? 計(jì)算模型

與反擊式水輪機(jī)單相流不同，沖擊式水輪機(jī)的CFD技術(shù)要更為復(fù)雜。對(duì)于配水環(huán)管、噴嘴等固定部件來(lái)說(shuō)，考慮噴針出口流動(dòng)特性的必要性，需要采用定常的氣液兩相流CFD分析。對(duì)于轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，CFD分析中需要采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬射流與轉(zhuǎn)輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)引入氣液兩相流技術(shù)模擬轉(zhuǎn)輪在開(kāi)放條件下與射流的相互作用，因此應(yīng)采用非定常兩相流技術(shù)計(jì)算進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的CFD分析，并通過(guò)對(duì)水斗的流動(dòng)分析，指導(dǎo)水斗局部?jī)?yōu)化，使水力設(shè)計(jì)更具目的性及針對(duì)性［2］。

轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)通過(guò)求解重組化群k-ε模型進(jìn)行CFD流動(dòng)分析計(jì)算。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNG k-ε模型更能反映曲率變化對(duì)流動(dòng)的影響，更適用于沖擊式水輪機(jī)流動(dòng)表面變化比較劇烈的情況［3］。所有計(jì)算假設(shè)流體為不可壓三維流體，采用有限體積法求解三維不可壓流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及湍流動(dòng)能和湍流耗散率的差分輸運(yùn)方程組。

2.2? 計(jì)算結(jié)果

對(duì)扎拉水電站500 MW沖擊式水輪機(jī)分別進(jìn)行噴管噴針計(jì)算、配水環(huán)管和噴管聯(lián)合計(jì)算以及射流和轉(zhuǎn)輪聯(lián)合CFD計(jì)算。從壓力、速度、流線和湍流動(dòng)能分布等方面來(lái)評(píng)判噴管噴針和配水環(huán)管中的流態(tài)和射流質(zhì)量，并根據(jù)結(jié)果來(lái)調(diào)整其結(jié)構(gòu)，初步計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～8。計(jì)算結(jié)果表明，配水環(huán)管的流速與壓力分布均勻，各噴嘴出口的流量均勻，具有良好的水力性能。從射流和水斗出流的干涉方面來(lái)評(píng)判配水環(huán)管和噴管共同運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的出水性能和水力穩(wěn)定性，初步計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。計(jì)算結(jié)果表明，水斗出口水流分布均勻，沒(méi)有與前后水斗形成劇烈干涉，未見(jiàn)到明顯水斗背面受出流撞擊的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)均勻合理，具有良好的出力性能和水力穩(wěn)定性。

3? 重大不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件制造技術(shù)

大型沖擊式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件材料一般選用04Cr13Ni5Mo，屬于低碳馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑韌性及抗腐蝕性能［4］。轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過(guò)程中需承受超高水頭有壓水流的沖擊和泥沙的沖蝕，對(duì)其鍛件材料的性能提出了很高的要求，特別是重、大、厚的圓餅結(jié)構(gòu)鍛件存在難以鍛透、晶粒組織不均勻的缺點(diǎn)。針對(duì)上述難點(diǎn)，開(kāi)展04Cr13Ni5Mo不銹鋼鍛件的試件試驗(yàn)，其關(guān)鍵技術(shù)主要在于鋼材冶煉、鍛造和熱處理這3個(gè)過(guò)程中材料化學(xué)成分優(yōu)化、鍛件的鍛造載荷和鍛造溫度控制、熱處理工藝。

鍛件廠采用VOD+VD+VT工藝，按照04Cr13Ni5Mo化學(xué)成分內(nèi)控值進(jìn)行37 t鋼錠試件的冶煉，利用6 000 t壓機(jī)對(duì)37 t鋼錠進(jìn)行壓實(shí)、成形鍛造試驗(yàn)（圖10～12），完成了直徑1 500 mm超大截面04Cr13Ni5Mo不銹鋼的鍛造，驗(yàn)證了鍛造加熱溫度、壓實(shí)規(guī)范、裂紋控制措施的有效性，改善并提高了不銹鋼鍛件的致密度，改善了金屬纖維方向，得到了需要的晶粒度和組織狀態(tài)。

試驗(yàn)鍛件熱處理采用兩次回火且第二次回火溫度不低于590 ℃，淬火冷卻采用鼓風(fēng)冷卻，見(jiàn)圖13。采樣深度0～600 mm取芯樣本的材料化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表2～3，從表中可以看出：直徑1 500 mm的試件從表面到600 mm深處屈服強(qiáng)度均能大于570 MPa，抗拉強(qiáng)度均大于740 MPa，說(shuō)明從化學(xué)成分（尤其是碳含量）的控制及逆轉(zhuǎn)變量控制方面改善可行。材料從表面到600 mm深處范圍內(nèi)的塑、韌性非常穩(wěn)定。

扎拉電站轉(zhuǎn)輪輪轂鍛件的外形尺寸為4 900 mm×1 200 mm（直徑×高），其毛坯重約303 t。基于試件試驗(yàn)的研究成果，開(kāi)展300 t級(jí)不銹鋼鋼錠的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：在15 000 t水壓機(jī)的壓力條件下采用多次鐓粗加旋轉(zhuǎn)開(kāi)邊的方式進(jìn)行鍛造，可滿足載荷要求；由鐓粗及拔長(zhǎng)的應(yīng)變場(chǎng)可見(jiàn)，鍛件心部鍛透，可滿足壓實(shí)效果。

4? 大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)

扎拉水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大外徑約6.2 m，若采

用整體鍛造工藝，其尺寸超過(guò)了鍛件廠不銹鋼鍛件毛坯制造能力。因此，扎拉水電站轉(zhuǎn)輪擬采用鍛件對(duì)焊工藝，將水斗和輪轂分件制造后再焊接成整體，其關(guān)鍵技術(shù)在于提升轉(zhuǎn)輪鍛鋼材料焊接接頭力學(xué)性能。

沖擊式轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工況下受力為交變的沖擊載荷，沖擊韌性反映金屬材料對(duì)沖擊載荷的抵抗能力，焊接接頭的沖擊韌性值將影響鍛焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行壽命。與鍛鋼04Cr13Ni5Mo匹配的焊接材料為ER410NiMo焊絲，焊絲的沖擊韌性值KV2（20 ℃）為50 J，與母材沖擊韌性值KV2（0 ℃）≥90 J有一定差距［5］。因此，提升鍛鋼焊接接頭力學(xué)性能，以實(shí)現(xiàn)焊接接頭的疲勞性能達(dá)到母材80%以上，是鍛焊結(jié)構(gòu)沖擊式轉(zhuǎn)輪的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

4.1? 高沖擊韌性焊接材料影響因素

為提升焊接材料ER410NiMo的沖擊韌性，影響材料沖擊韌性因素包括化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)兩方面，

凈化化學(xué)成分中影響沖擊韌性的雜質(zhì)元素如氧、硫、磷等。提升焊接材料ER410NiMo沖擊韌性的主要方法為控制冶金原材料的純度，凈化焊接材料ER410NiMo中的雜質(zhì)元素，提升其焊接材料沖擊韌性。

4.2? 焊接工藝性

焊接熱輸入量對(duì)焊縫熔敷金屬?zèng)_擊韌性（熱處

理態(tài)）的影響較大，通過(guò)焊接熱輸入量焊接試驗(yàn)研

究，提升焊接接頭力學(xué)性能。主要通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)和水介質(zhì)疲勞試驗(yàn)開(kāi)展焊接工藝性研究，研究不同線能量對(duì)熔敷金屬?zèng)_擊韌性（熱處理態(tài)）的影響試驗(yàn)，探究最佳的焊接工藝規(guī)范。

4.2.1? 沖擊韌性試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)預(yù)熱溫度為80 ℃，層間溫度不大于150 ℃，采用不同的焊接位置、焊接電流、焊接速度和焊接線能量參數(shù)，進(jìn)行了9組試板試驗(yàn)。試板焊接完成后，全部RT探傷，合格后取拉伸、沖擊等試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。沖擊韌性最好的兩組試板性能見(jiàn)表4。數(shù)據(jù)表明焊接線能量在17～20 kJ/cm范圍內(nèi)具有較高的沖擊韌性值，沖擊值KV2（0 ℃）可達(dá)到70 J以上，較行業(yè)平均水平有顯著提高，提升了轉(zhuǎn)輪焊縫焊接接頭沖擊性能。

4.2.2? 水介質(zhì)疲勞試驗(yàn)

為測(cè)試04Cr13Ni5Mo鍛件及焊接接頭水介質(zhì)條件下107疲勞極限，腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果處理原則如下：在某一應(yīng)力水平下，超過(guò)半數(shù)的試樣在未達(dá)到額定周次破壞（斷裂），而在低一級(jí)的應(yīng)力水平下，試樣試驗(yàn)至額定循環(huán)周次全部通過(guò)，則上述兩級(jí)應(yīng)力水平的平均值為材料的條件腐蝕疲勞極限。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖14～15。

圖14表明，按照腐蝕疲勞極限計(jì)算方法，水介質(zhì)環(huán)境下04Cr13Ni5Mo鍛件母材在370 MPa時(shí)，107全部通過(guò)；在R=-1受力載荷狀態(tài)下，107疲勞極限σa約為377.5 MPa。圖15表明，按照腐蝕疲勞極限計(jì)算方法，水介質(zhì)環(huán)境下04Cr13Ni5Mo鍛件焊接接頭在305 MPa時(shí)，107全部通過(guò)；在R=-1受力載荷狀態(tài)下，107疲勞極限σa約為315 MPa；與母材進(jìn)行對(duì)比，焊縫接頭的疲勞性能達(dá)到其母材80%以上。

5? 結(jié)? 論

本文分析了西藏扎拉水電站500 MW沖擊式水輪機(jī)在高效率轉(zhuǎn)輪模型水力開(kāi)發(fā)、重大不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件制造、大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)果表明：

（1） 采用定常的氣液兩相流CFD分析扎拉水電站水輪機(jī)配水環(huán)管、噴嘴，采用非定常兩相流CFD分析轉(zhuǎn)輪，在水輪機(jī)的初步水力設(shè)計(jì)成果中，配水環(huán)管的流速與壓力分布均勻，各噴嘴出口的流量均勻，前后水斗間無(wú)劇烈干涉，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)均勻合理，整體具有良好的水力性能。

（2） 扎拉水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂不銹鋼鍛件在鋼材冶煉、鍛造和熱處理這3個(gè)環(huán)節(jié)中不存在制約性因素。

（3） 通過(guò)凈化焊接材料的成分，研究合理的焊接工藝，將焊接材料ER410NiMo的0 ℃沖擊韌性值提高至70 J以上，鍛件焊縫接頭的疲勞性可以達(dá)到其母材的80%。扎拉水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用鍛焊結(jié)構(gòu)，合理選擇水斗和輪轂的分瓣位置，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪焊接接頭疲勞壽命與水斗根部的疲勞壽命等同。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 何峰，胡定輝，何志鋒，等.西藏扎拉水電站沖擊式水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)探討［J］.水利水電快報(bào)，2019，40（12）：36-38.

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［3］? 吳迪.沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的探討和發(fā)展探究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（19）：57.

［4］? 潘熙和，高雄，方斌臣，等.大型沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在云南高橋水電廠的應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（12）：88-92.

［5］? 王治宇，許海剛，宋紅梅.04Cr13Ni5Mo超級(jí)馬氏體不銹鋼焊接性能研究［J］.寶鋼技術(shù)，2016（4）：21-25.

（編輯：江? 文）

Research on key technologies of 500 MW Pelton turbine

SHEN Peng1，ZHOU Yan1，GUO Lianheng1，LI Mingming1，HE Feng2，HU Dinghui2

（1.Datang Xizang Energy Development Co.，Ltd.，Lhasa 850000，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xizang Zhala Hydropower Station will install two 500 MW Pelton turbine generating units，which is the largest single capacity of Pelton turbine generating units under construction in the world. In order to improve the manufacturing ability of large Pelton turbine，the technical difficulties in the hydraulic development of high-efficiency runner model by test and numerical simulation analysis，the manufacture of heavy stainless steel runner forgings and the manufacture of large impact runner of Zhala Hydropower Station were summarized. The results showed that in the hydraulic development of high-efficiency runner models，steady gas-liquid two-phase flow CFD could be used to analyze the water distribution ring and nozzle，and unsteady two-phase flow CFD could be used to analyze the runner. The internal flow of the Zhala Hydropower Station turbine runner was uniform and reasonable，and the overall hydraulic performance was good. In the manufacturing of heavy and large stainless steel forgings，the key technologies mainly lie in the optimization of material chemical composition，forging load and temperature control of forgings，and heat treatment method in the three processes of steel smelting，forging，and heat treatment. The production and manufacturing of stainless steel forgings for heavy and large runner required for the Zhala Hydropower Station turbine were feasible. In terms of manufacturing large runners，Zhala Hydropower Station′s turbine runner adopted a forged welding structure，and the reasonable selection of the split position and welding process for the bucket and runner hub had achieved the fatigue life of the welded joint to be equal to the fatigue life of the bucket root.

Key words：

Pelton turbine； runner model； CFD； Zhala Hydropower Station； Xizang