500m水頭段高水頭混流式水輪機的選型設(shè)計

本文介紹了為解決龔嘴電站水輪機存在的異常噪聲問題所進行的cfd分析、模型試驗和真機實測。理論分析和模型及真機試驗結(jié)果表明,噪聲產(chǎn)生的根源在于水輪機空載和低負荷運行時轉(zhuǎn)輪的葉道渦。通過不同補氣方式的模型和真機試驗研究,最終找到了消除噪聲的最佳解決方案,并在電站成功實施。

聽命河水電站運行水頭范圍為875.20～921.50m,已經(jīng)超過了混流式水輪機的運行范圍極限,只能選擇沖擊式水輪機。沖擊式水輪機是按照動量定理進行能量轉(zhuǎn)換的,與反擊式水輪機做功方式不同,因此,其選型的計算方法有自身的特點,在保證單位轉(zhuǎn)速的條件下還需考慮轉(zhuǎn)輪直徑d_1與噴嘴直徑d_0之比m值的合理性。本文通過對聽命河水電站水輪機的選型計算,對超高水頭段沖擊式水輪機選擇進行探討。

從水輪機選型設(shè)計的主要內(nèi)容、所必需的資料及主要參數(shù)選擇等幾個方面簡述了小型水電站混流式水輪機的選型設(shè)計,探討了混流式水輪機選型設(shè)計應(yīng)注意的問題,為小型水電站混流式水輪機的選型設(shè)計及研究提供參考。

通過幾個電站混流式水輪機的現(xiàn)場水壓脈動檢測試驗發(fā)現(xiàn),在機組額定出力的20%～30%范圍內(nèi)出現(xiàn)過水系統(tǒng)整體(蝸殼進口、頂蓋、尾水管)水力共振,頻率為轉(zhuǎn)頻的1～1.4倍,嚴重地影響機組穩(wěn)定運行。將在實際工程試驗中遇到的有關(guān)混流式水輪機水力振動及相關(guān)問題解決方法進行介紹。

介紹混流式水輪機導(dǎo)水機構(gòu)在制造過程中需要注意的幾個問題,以及為了保證質(zhì)量而采取的措施。

本公司承接的混流式水輪機組額定功率為83mw,額定水頭386.0m,為高水頭、高轉(zhuǎn)速的中小容量水輪機組。由于機組的設(shè)計特點,轉(zhuǎn)輪制作空間較小,無法采用整體組裝焊接的方式進行制作。本文介紹了區(qū)別于以往小型轉(zhuǎn)輪的制作方法,采用分體制作的方式及嚴格的質(zhì)量控制過程,通過實踐證明,采用此方法制作的高水頭混流式小型轉(zhuǎn)輪可以滿足設(shè)計要求,該方法為今后制作同類型的小型轉(zhuǎn)輪制作提供參考。

近年來，我國大力扶持國內(nèi)小水電增容改造，很多小水電制造企業(yè)都從中嘗到了其中甜頭，面對即將來臨的新一輪的小水電市場的增容改造，這對于國內(nèi)新建中、小水電站日趨飽和，水電市場不景氣的大環(huán)境下，各個中、小水電設(shè)備制造廠家都想通過國家的一系列政策措施來擺脫目前企業(yè)所面臨的困境，可改造是把雙刃劍，效益很高，可機組改造所需要考慮的比新機組要多得多，一旦改造失敗就會面臨失去客戶的信任，失去龐大的小水電改造市場。

采用混合物空化模型對混流式水輪機的內(nèi)部流場進行了數(shù)值計算,得到了大流量工況、最優(yōu)流量工況、小流量工況水輪機的內(nèi)部流動特性。計算結(jié)果表明:在大流量工況和小流量工況下,尾水管中心截面的低壓區(qū)與渦帶是相對應(yīng)的,壓力脈動的幅值主要受尾水管渦帶直徑兩端壓力差的影響,其尾水管進口段左右兩側(cè)以及彎肘段附近均有較大的漩渦區(qū)域,造成較大的能量耗散,尾水管內(nèi)有明顯的回流現(xiàn)象,水輪機內(nèi)部流動比較紊亂。

通過混流式水輪機全流道的定常流動數(shù)值模擬,研究混流式水輪機內(nèi)部尤其是尾水管在不同工況下的流動特點,目的在于探明引起混流式水輪機內(nèi)部流動不穩(wěn)定的真正原因。計算結(jié)果表明,引水部件的流動,蝸殼鼻端處壓力波動均較為劇烈,周向分布不均勻,但是經(jīng)過固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的過濾后周向分布基本對稱。轉(zhuǎn)動部分的流動,小開度低單位轉(zhuǎn)速時,較小的導(dǎo)葉出流角,使轉(zhuǎn)輪葉片頭部受到撞擊,葉片上橫向流動和背面的葉道渦嚴重,轉(zhuǎn)輪出口靠上冠處有回流和橫向流動,泄水錐下方回流嚴重;大開度時,轉(zhuǎn)輪進出口流態(tài)都得到改善。尾水管內(nèi),小開度時,錐管中心回流嚴重,大部分水流流向外緣,受肘管的影響,錐管和肘管內(nèi)部形成兩個渦流區(qū),主流流經(jīng)支墩左側(cè),右側(cè)較為紊亂;最優(yōu)開度時,尾水管內(nèi)部水流流線順暢,支墩兩側(cè)水流平穩(wěn)性基本一致;大開度時,尾水管主流向錐管中心聚攏,經(jīng)過肘管的轉(zhuǎn)彎時,出現(xiàn)很多局部的旋渦流動,支墩右側(cè)水流相對平穩(wěn),而左側(cè)較為紊亂。研究結(jié)果為壓力脈動測量位置的選擇提供理論依據(jù)。

通過一例水中尸塊的法醫(yī)學(xué)檢驗,將水電站水輪機葉片對尸體的機械力碎尸與人力碎尸進行比較、區(qū)別,以積累類似案件的檢驗經(jīng)驗。

混流式水輪機磨蝕嚴重的部位是葉片背面出口邊靠近下環(huán)處、下環(huán)內(nèi)外表面等。根據(jù)黃河水流的特性和對磨蝕規(guī)律的分析,水輪機的磨蝕防護一般采取聚氨酯涂層防護、高速氧燃噴漆碳化鎢防護、優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計、減少過機泥沙等綜合措施,取得了一定的效果。

1 混流式水輪機安裝作業(yè)指導(dǎo)書 1、混流式水輪機安裝工藝流程圖 2、作業(yè)方法及要求 2.1施工準(zhǔn)備 2.1.1熟悉圖紙及制造廠的技術(shù)資料，了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求及 施工準(zhǔn)備 尾水管里襯拼裝 座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)組裝及安裝 蝸殼掛裝及安裝 機坑里襯、接力器里襯安裝 機坑測定與座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)加工 導(dǎo)水機構(gòu)予裝 轉(zhuǎn)輪與主軸整體吊入機坑 導(dǎo)水機構(gòu)安裝 機組聯(lián)軸、軸線調(diào)整 主軸密封及水導(dǎo)軸承安裝 輔助設(shè)備及管路安裝 起動試運行 尾水管里襯砼澆筑 座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)支墩砼澆筑 蝸殼支墩砼澆筑 機組二期砼澆筑 尾水管里襯安裝 蝸殼拼裝 2 工藝要求。 2.1.2根據(jù)工程特點，結(jié)合現(xiàn)場的具體情況，編制施工技術(shù)措施。 2.1.3對施工人員進行技術(shù)交底。 2.1.4臨時工裝、器具制作，施工工器具準(zhǔn)備。 2.2尾水管里襯拼裝與安裝 2.2.1作業(yè)方法 2.2.1.1根據(jù)尾水管到貨設(shè)備的具體情況（若為

1 工業(yè)冷卻塔用混流式水輪機技術(shù) 一、技術(shù)名稱：工業(yè)冷卻塔用混流式水輪機技術(shù) 二、適用范圍：化工、冶煉、輕紡等行業(yè)有重力勢能可利用的機械通風(fēng)式冷卻塔的改造 三、與該節(jié)能技術(shù)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)狀： 目前的工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)耗電現(xiàn)狀是：每座冷卻塔的塔頂都裝有一臺電動機，用來 驅(qū)動風(fēng)筒內(nèi)部的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動，一座4500t/h流量的冷卻塔電機年耗電量約為175萬kwh， 耗能折合612tce。 四、技術(shù)內(nèi)容： 1．技術(shù)原理 水輪機的工作動力來自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水的重力勢能以及循環(huán)水泵的富余揚程，工 作時保證冷卻塔的技術(shù)參數(shù)，而且循環(huán)水泵的能耗不變。水輪機的輸出軸直接與風(fēng)機連 接并帶動其轉(zhuǎn)動，取消了原電機驅(qū)動風(fēng)機系統(tǒng)，節(jié)約了電能。 2．關(guān)鍵技術(shù) 1）利用循環(huán)水余壓驅(qū)動水輪機，替代電機； 2）轉(zhuǎn)速比為50的超低比速混流式水輪機，效率提高至88%以上，并將原雙列循環(huán)形 導(dǎo)流葉柵改為

通過某水電站2臺混流式水輪機現(xiàn)場振動、噪聲試驗,對1#機組運行時出現(xiàn)異常噪聲的振源進行查找,同時采用錘擊法對水輪機蝶閥層壓力鋼管進行固有頻率測試。分析發(fā)現(xiàn),某種水力激振頻率與壓力鋼管的固有頻率在92%以上負荷區(qū)域運行時發(fā)生耦合并引起壓力鋼管共振,是導(dǎo)致異常噪聲的主要原因。在此基礎(chǔ)上提出了活門出水邊修型以及加裝蝸殼進人門孔導(dǎo)流板的處理方案,最終通過改善流道環(huán)境,使水力激振頻率得到大幅提高,并降低了渦列能量,起到了很好的錯頻消振效果。研究表明:通暢的流道環(huán)境對于有效避免由于水力激振或渦列振動引起的結(jié)構(gòu)共振問題具有重要意義。

針對已建成的zjkf項目一期工程存在水輪機運行不能滿足穩(wěn)定運行要求的情況,業(yè)主在二期工程建設(shè)時,確定對二期工程水輪機的應(yīng)用進行研究;從水輪機比轉(zhuǎn)速的選擇著手,通過調(diào)研、數(shù)學(xué)計算和論證分析等方法對新舊機型進行技術(shù)經(jīng)濟比較,確定選用hla351型水輪機。研究表明,結(jié)合水輪機結(jié)構(gòu)及其過流部件材質(zhì)的選用,低比轉(zhuǎn)速的hla351型水輪機可以改善二期工程水輪機的運行穩(wěn)定性、抗泥沙磨蝕性和效率,提高zjkf項目的投資效益。該項研究可為多泥沙河流高水頭水輪機的選擇提供有益參考。

結(jié)合工程實例,介紹了高水頭水電站的水輪機選型過程,并采用綜合指標(biāo)評價法,列出了不同的影響評價指標(biāo),綜合各指標(biāo)的影響程度,最終確定了水輪機機組的設(shè)計方案,為高水頭水電站的水輪機選型設(shè)計提供了設(shè)計思路。

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描述了高水頭混流式機組在水力和機械開發(fā)方面的某些關(guān)鍵點。這些關(guān)鍵點表明,作為近年來設(shè)計過程細化的結(jié)果,在早期設(shè)計階段,采用數(shù)值方法預(yù)測動態(tài)特性是可能的。給出了最新的原型試驗結(jié)果,并同時與數(shù)值分析和模型試驗結(jié)果進行了比較。對項目的開發(fā)背景及其必要性、試驗?zāi)M過程以及優(yōu)化設(shè)計等作了介紹。

結(jié)合藏木水電站高比轉(zhuǎn)速水輪機參數(shù)優(yōu)化項目,通過cfd分析,對模型水輪機的蝸殼、尾水管、轉(zhuǎn)輪等水力過流部件進行了全面優(yōu)化設(shè)計。通過模型試驗驗證,藏木水電站水輪機水力性能研究達到了預(yù)期目標(biāo),cfd分析結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本吻合,為高比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪的水力性能優(yōu)化提供參考。

高水頭混流式水輪機由于其運行水頭高、額定轉(zhuǎn)速高和過流部件流速高等特點，要求水輪機主要部件的結(jié)構(gòu)與中低水頭的混流式水輪機相比有明顯的區(qū)別。

針對混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、受力特點及轉(zhuǎn)輪各部分網(wǎng)格的自動劃分等方面進行了簡要分析,闡述了可實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)計算與優(yōu)化設(shè)計的有限元方法及改良復(fù)合形法。在不改變?nèi)~片型線的情況下合理地選擇上冠和下環(huán)的尺寸,從而改善轉(zhuǎn)輪各部分的應(yīng)力分布,求得最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。

本文是筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗，并結(jié)合相關(guān)文獻資料，對混流式水輪機的水力不穩(wěn)定性原因進行了分析，并提出了幾點保障水力穩(wěn)定性對策。