在改造工程中加速混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計的方法(上)

因選型不當(dāng)及下游修建電站的影響,周崗水電站的水輪機(jī)長期偏離最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行,不僅運(yùn)行效率低,而且轉(zhuǎn)輪空蝕破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性差、出力嚴(yán)重不足。為了節(jié)省電站改造成本,在不改動水輪機(jī)其他通流部件的條件下,通過只更換轉(zhuǎn)輪的技術(shù)手段來達(dá)到水輪機(jī)增容防蝕的目的。為此,新轉(zhuǎn)輪的設(shè)計借助先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件來評價其性能優(yōu)劣,縮短了轉(zhuǎn)輪的設(shè)計周期,降低了新轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)成本,有效提高了水輪機(jī)的效率和出力,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

針對混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)及轉(zhuǎn)輪各部分網(wǎng)格的自動劃分等方面進(jìn)行了簡要分析,闡述了可實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)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)。

隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大,大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造尺寸和制造重量不斷增加,目前世界上制造的最大的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義直徑已經(jīng)超過10m。尺寸如此巨大的轉(zhuǎn)輪,如果不具備水運(yùn)碼頭,是無法完成內(nèi)陸運(yùn)輸?shù)摹楸阌谶\(yùn)輸,一般采用分瓣式制造、工地組裝的方案,

將碳化鎢涂料運(yùn)用到混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉上,是一種全新的抗沖蝕磨損的處理方法。經(jīng)過該方法處理的水輪機(jī)已在最大含沙量和過機(jī)泥沙量分別達(dá)20g/l和240kg/s的條件下成功運(yùn)行至今。以加華水電站為例,對其添加涂層后的新轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉進(jìn)行的效率試驗過程以及直觀檢查的結(jié)果進(jìn)行了簡要介紹。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是整個水輪發(fā)電機(jī)組的核心工作部件,含沙水流中的轉(zhuǎn)輪容易遭受磨蝕破壞,是一個普遍存在的問題,并且也是一直困擾多泥沙河流水電站的難題。長期的研究與實(shí)踐表明,恰當(dāng)?shù)倪x型與良好的水力性能、合適的材質(zhì)與優(yōu)良的制造工藝是水輪機(jī)抗磨蝕的最根本方法。但對已建成的水電站而言,采用合理的運(yùn)行方式和一定的檢修措施,可延緩或減輕水輪機(jī)的磨蝕。

為了探究混流式水輪機(jī)改造前后轉(zhuǎn)輪泥沙磨損情況,采用固液兩相流模型對某電站改造前后的混流式水輪機(jī)進(jìn)行全流道數(shù)值模擬,分析不同工況下轉(zhuǎn)輪葉片表面泥沙分布,轉(zhuǎn)輪葉片表面固液兩相速度差,以及水輪機(jī)效率。結(jié)果表明:小流量工況下泥沙磨損最嚴(yán)重;水輪機(jī)改造后,葉片表面泥沙體積分?jǐn)?shù)下降,固液兩相速度差減少,泥沙磨損減弱,水輪機(jī)效率較改造前提升了5.5%。該研究可為水輪機(jī)改造提供一定的參考。

通過幾個電站混流式水輪機(jī)的現(xiàn)場水壓脈動檢測試驗發(fā)現(xiàn),在機(jī)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(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)際工程試驗中遇到的有關(guān)混流式水輪機(jī)水力振動及相關(guān)問題解決方法進(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。

為了達(dá)到提升中小型混流式水輪機(jī)組出力和效率的目的。本文在對比了目前3種主要改造方法的特點(diǎn)之后,選擇翼型重新設(shè)計的方法對某電站的混流式水輪機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造。最后,通過cfd分析驗證了改造后的機(jī)組水力性能。結(jié)果顯示,重新設(shè)計翼型后的轉(zhuǎn)輪,提升了機(jī)組的水力特性,水輪機(jī)內(nèi)部流場比較順暢,壓力分布也比較良好,且負(fù)壓區(qū)域較好,具有良好的抗汽蝕性。為后續(xù)相關(guān)機(jī)組的優(yōu)化改造提供了參考依據(jù)。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站發(fā)電機(jī)組的重要核心部件,制造工藝復(fù)雜,整體尺寸龐大,重量多達(dá)幾十甚至幾百噸.混流式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪目前絕大多數(shù)采用不銹鋼材質(zhì),其生產(chǎn)制造工藝大多采用將葉片鑄造成型后,由不銹鋼材料的上冠、下環(huán)和葉片3大部分組焊,打磨加工而成.由于設(shè)計、工藝、加工、運(yùn)行等因素造成絕大多數(shù)不銹鋼轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)比較嚴(yán)重的貫穿性裂紋.本文通過轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析,探索其解決方法,最終徹底消除裂紋,為機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障.

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(jī)組改造所需要考慮的比新機(jī)組要多得多，一旦改造失敗就會面臨失去客戶的信任，失去龐大的小水電改造市場。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站水輪發(fā)電機(jī)組的心臟，其性能決定了電站的經(jīng)濟(jì)效益。由于用多功能水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計軟件進(jìn)行可靠性設(shè)計具有很大的靈活性，可以根據(jù)電站的具體情況，即根據(jù)電站的具體參數(shù)，通過設(shè)計得到最優(yōu)方案。這對于大型電站來說，既可滿足論證需要，又可減少試驗次數(shù)，縮短水輪機(jī)的研制周期；對于中小型電站，可直接應(yīng)用可靠性設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)輪加工制造。

介紹了彭水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊縫的超聲波探傷方法。

采用混合物空化模型對混流式水輪機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)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(jī)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(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)部流動比較紊亂。

通過混流式水輪機(jī)全流道的定常流動數(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特點(diǎn),目的在于探明引起混流式水輪機(jī)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(yán)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(yán)重;大開度時,轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(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(jī)葉片對尸體的機(jī)械力碎尸與人力碎尸進(jìn)行比較、區(qū)別,以積累類似案件的檢驗經(jīng)驗。

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、減少過機(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 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)場的具體情況，編制施工技術(shù)措施。 2.1.3對施工人員進(jìn)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(jī)技術(shù) 一、技術(shù)名稱：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電動機(jī)，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(jī)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(jī)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(yáng)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(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)連 接并帶動其轉(zhuǎn)動，取消了原電機(jī)驅(qū)動風(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

通過某水電站2臺混流式水輪機(jī)現(xiàn)場振動、噪聲試驗,對1#機(jī)組運(yùn)行時出現(xiàn)異常噪聲的振源進(jìn)行查找,同時采用錘擊法對水輪機(jī)蝶閥層壓力鋼管進(jìn)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(fù)荷區(qū)域運(yùn)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(jìn)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。

在開放的能源市場中,目前的競爭形勢迫切要求對現(xiàn)有和新建的電站作經(jīng)濟(jì)評估。現(xiàn)有水電站的更新改造變得越來越重要。介紹了歐洲的一個主要制造廠對改造工程的混流式轉(zhuǎn)輪設(shè)計和制造方法。

蝸殼是水輪機(jī)中的重要過流部件。其模型精度的高低,直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質(zhì)量、機(jī)組運(yùn)行的水力特性。因此,建立質(zhì)量較高的蝸殼模型,對于機(jī)組有著重要的意義。在此,通過對模型尺寸進(jìn)行分析,并利用軟件ug對進(jìn)行建模,探討了建模方法的可行性,為后續(xù)產(chǎn)品的加工提供了理論支持。