500m水頭段高水頭混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)

本文介紹了為解決龔嘴電站水輪機(jī)存在的異常噪聲問(wèn)題所進(jìn)行的cfd分析、模型試驗(yàn)和真機(jī)實(shí)測(cè)。理論分析和模型及真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,噪聲產(chǎn)生的根源在于水輪機(jī)空載和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪的葉道渦。通過(guò)不同補(bǔ)氣方式的模型和真機(jī)試驗(yàn)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(shí)施。

聽(tīng)命河水電站運(yùn)行水頭范圍為875.20～921.50m,已經(jīng)超過(guò)了混流式水輪機(jī)的運(yùn)行范圍極限,只能選擇沖擊式水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)是按照動(dòng)量定理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的,與反擊式水輪機(jī)做功方式不同,因此,其選型的計(jì)算方法有自身的特點(diǎn),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(guò)對(duì)聽(tīng)命河水電站水輪機(jī)的選型計(jì)算,對(duì)超高水頭段沖擊式水輪機(jī)選擇進(jìn)行探討。

從水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、所必需的資料及主要參數(shù)選擇等幾個(gè)方面簡(jiǎn)述了小型水電站混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì),探討了混流式水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題,為小型水電站混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)及研究提供參考。

通過(guò)幾個(gè)電站混流式水輪機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)水壓脈動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在機(jī)組額定出力的20%～30%范圍內(nèi)出現(xiàn)過(guò)水系統(tǒng)整體(蝸殼進(jìn)口、頂蓋、尾水管)水力共振,頻率為轉(zhuǎn)頻的1～1.4倍,嚴(yán)重地影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。將在實(shí)際工程試驗(yàn)中遇到的有關(guān)混流式水輪機(jī)水力振動(dòng)及相關(guān)問(wèn)題解決方法進(jìn)行介紹。

介紹混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在制造過(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)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(jī)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(jī)組。由于機(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn),轉(zhuǎn)輪制作空間較小,無(wú)法采用整體組裝焊接的方式進(jìn)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(yán)格的質(zhì)量控制過(guò)程,通過(guò)實(shí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,該方法為今后制作同類(lèi)型的小型轉(zhuǎn)輪制作提供參考。

近年來(lái)，我國(guó)大力扶持國(guó)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(duì)即將來(lái)臨的新一輪的小水電市場(chǎng)的增容改造，這對(duì)于國(guó)內(nèi)新建中、小水電站日趨飽和，水電市場(chǎng)不景氣的大環(huán)境下，各個(gè)中、小水電設(shè)備制造廠家都想通過(guò)國(guó)家的一系列政策措施來(lái)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(jī)組改造所需要考慮的比新機(jī)組要多得多，一旦改造失敗就會(huì)面臨失去客戶(hù)的信任，失去龐大的小水電改造市場(chǎng)。

采用混合物空化模型對(duì)混流式水輪機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到了大流量工況、最優(yōu)流量工況、小流量工況水輪機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特性。計(jì)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(duì)應(yīng)的,壓力脈動(dòng)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(jìn)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(jī)內(nèi)部流動(dòng)比較紊亂。

通過(guò)混流式水輪機(jī)全流道的定常流動(dòng)數(shù)值模擬,研究混流式水輪機(jī)內(nèi)部尤其是尾水管在不同工況下的流動(dòng)特點(diǎn),目的在于探明引起混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定的真正原因。計(jì)算結(jié)果表明,引水部件的流動(dòng),蝸殼鼻端處壓力波動(dòng)均較為劇烈,周向分布不均勻,但是經(jīng)過(guò)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的過(guò)濾后周向分布基本對(duì)稱(chēng)。轉(zhuǎn)動(dòng)部分的流動(dòng),小開(kāi)度低單位轉(zhuǎn)速時(shí),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(dòng)和背面的葉道渦嚴(yán)重,轉(zhuǎn)輪出口靠上冠處有回流和橫向流動(dòng),泄水錐下方回流嚴(yán)重;大開(kāi)度時(shí),轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口流態(tài)都得到改善。尾水管內(nèi),小開(kāi)度時(shí),錐管中心回流嚴(yán)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(gè)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(kāi)度時(shí),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(kāi)度時(shí),尾水管主流向錐管中心聚攏,經(jīng)過(guò)肘管的轉(zhuǎn)彎時(shí),出現(xiàn)很多局部的旋渦流動(dòng),支墩右側(cè)水流相對(duì)平穩(wěn),而左側(cè)較為紊亂。研究結(jié)果為壓力脈動(dòng)測(cè)量位置的選擇提供理論依據(jù)。

通過(guò)一例水中尸塊的法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn),將水電站水輪機(jī)葉片對(duì)尸體的機(jī)械力碎尸與人力碎尸進(jìn)行比較、區(qū)別,以積累類(lèi)似案件的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

混流式水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)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(duì)磨蝕規(guī)律的分析,水輪機(jī)的磨蝕防護(hù)一般采取聚氨酯涂層防護(hù)、高速氧燃噴漆碳化鎢防護(hù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)、減少過(guò)機(jī)泥沙等綜合措施,取得了一定的效果。

1 混流式水輪機(jī)安裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū) 1、混流式水輪機(jī)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(diǎn)、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(jī)坑里襯、接力器里襯安裝 機(jī)坑測(cè)定與座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)加工 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)予裝 轉(zhuǎn)輪與主軸整體吊入機(jī)坑 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝 機(jī)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(dòng)試運(yùn)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(jī)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(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，編制施工技術(shù)措施。 2.1.3對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底。 2.1.4臨時(shí)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(jī)技術(shù) 一、技術(shù)名稱(chēng)：工業(yè)冷卻塔用混流式水輪機(jī)技術(shù) 二、適用范圍：化工、冶煉、輕紡等行業(yè)有重力勢(shì)能可利用的機(jī)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(tái)電動(dòng)機(jī)，用來(lái) 驅(qū)動(dòng)風(fēng)筒內(nèi)部的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，一座4500t/h流量的冷卻塔電機(jī)年耗電量約為175萬(wàn)kwh， 耗能折合612tce。 四、技術(shù)內(nèi)容： 1．技術(shù)原理 水輪機(jī)的工作動(dòng)力來(lái)自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水的重力勢(shì)能以及循環(huán)水泵的富余揚(yáng)程，工 作時(shí)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(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)連 接并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，取消了原電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)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(dòng)水輪機(jī)，替代電機(jī)； 2）轉(zhuǎn)速比為50的超低比速混流式水輪機(jī)，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(guò)某水電站2臺(tái)混流式水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、噪聲試驗(yàn),對(duì)1#機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常噪聲的振源進(jìn)行查找,同時(shí)采用錘擊法對(duì)水輪機(jī)蝶閥層壓力鋼管進(jìn)行固有頻率測(cè)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(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)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(mén)出水邊修型以及加裝蝸殼進(jìn)人門(mén)孔導(dǎo)流板的處理方案,最終通過(guò)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(cuò)頻消振效果。研究表明:通暢的流道環(huán)境對(duì)于有效避免由于水力激振或渦列振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題具有重要意義。

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

結(jié)合工程實(shí)例,介紹了高水頭水電站的水輪機(jī)選型過(guò)程,并采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法,列出了不同的影響評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合各指標(biāo)的影響程度,最終確定了水輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)方案,為高水頭水電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

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描述了高水頭混流式機(jī)組在水力和機(jī)械開(kāi)發(fā)方面的某些關(guān)鍵點(diǎn)。這些關(guān)鍵點(diǎn)表明,作為近年來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)程細(xì)化的結(jié)果,在早期設(shè)計(jì)階段,采用數(shù)值方法預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)特性是可能的。給出了最新的原型試驗(yàn)結(jié)果,并同時(shí)與數(shù)值分析和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)背景及其必要性、試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等作了介紹。

結(jié)合藏木水電站高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)參數(shù)優(yōu)化項(xiàng)目,通過(guò)cfd分析,對(duì)模型水輪機(jī)的蝸殼、尾水管、轉(zhuǎn)輪等水力過(guò)流部件進(jìn)行了全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,藏木水電站水輪機(jī)水力性能研究達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),cfd分析結(jié)果與模型試驗(yàn)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(jī)由于其運(yùn)行水頭高、額定轉(zhuǎn)速高和過(guò)流部件流速高等特點(diǎn)，要求水輪機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)與中低水頭的混流式水輪機(jī)相比有明顯的區(qū)別。

針對(duì)混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)及轉(zhuǎn)輪各部分網(wǎng)格的自動(dòng)劃分等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,闡述了可實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)混流式水輪機(jī)的水力不穩(wěn)定性原因進(jìn)行了分析，并提出了幾點(diǎn)保障水力穩(wěn)定性對(duì)策。