水利工程論文-HL160型水輪機(jī)的增容改造技術(shù).doc

水利工程論文-HL160型水輪機(jī)的增容改造技術(shù)摘要：在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪實(shí)測(cè)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定了葉片出水邊的切割量，使HL160.84水輪機(jī)增容25%；對(duì)新舊型譜系列模型轉(zhuǎn)輪性能分析結(jié)果表明，D06A轉(zhuǎn)輪能量特性及空化特性都優(yōu)于HL160轉(zhuǎn)輪，經(jīng)流道對(duì)比得出兩種轉(zhuǎn)輪互換性很強(qiáng)，用D06A轉(zhuǎn)輪替代HL160轉(zhuǎn)輪可增容20%。這兩個(gè)結(jié)論在青海曲庫(kù)水電站1號(hào)機(jī)的增容改造中得到了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)增容改造切割葉片新型轉(zhuǎn)輪曲庫(kù)水電站曲庫(kù)水電站位于青海省同仁縣隆務(wù)河流域上游，該站引水流量為6.5m3s，而隆務(wù)河多年平均流量為15.64m3s，在豐水季節(jié)存在大量棄水。電站裝機(jī)3臺(tái)，設(shè)計(jì)容量3000kW，其中1臺(tái)HL160-WJ-84水輪機(jī)，在65m設(shè)計(jì)水頭下過(guò)流能力為3.81m3s，機(jī)組最大出力為2000kW，而所配發(fā)電機(jī)額定出力為2500kW。水能資源和機(jī)組狀況提供了增容改造的必要性和可行性。1995年，筆者利用該機(jī)組1個(gè)閑置的轉(zhuǎn)輪，在維修工作的基礎(chǔ)上通過(guò)切割出水邊等手段，使機(jī)組出力達(dá)到了2500kW，以極低的成本獲得了增容改造的成功；1998年，又結(jié)合電站購(gòu)置新轉(zhuǎn)輪的需要，用HLD06A轉(zhuǎn)輪取代了HL160轉(zhuǎn)輪，使機(jī)組出力達(dá)到2400kW，以轉(zhuǎn)輪換型的方式達(dá)到了大幅增容的目的。1通過(guò)切割葉片出水邊增容1.1轉(zhuǎn)輪的增容改造，主要形式為調(diào)整葉片形狀和切割葉片出水邊。其中，葉片修型的目的是在提高效率的同時(shí)，加大過(guò)流能力。而切割葉片出水邊則主要是在基本不使效率下降的前提下，增大轉(zhuǎn)輪的過(guò)流能力。由于調(diào)整葉片形狀必須基于流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，且改造工藝過(guò)程復(fù)雜，工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，一般小水電站不易接受，故本文只能就筆者所進(jìn)行的水輪機(jī)實(shí)際改造方法作以介紹，以期對(duì)小型機(jī)組的增容改造提供借鑒。式中，Q為流量；為旋轉(zhuǎn)角速度；r2為葉片出水邊半徑；為水輪機(jī)效率；F2為轉(zhuǎn)輪出口過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；H為水頭；g為重力加速度；a0為導(dǎo)葉開(kāi)度；b0為導(dǎo)葉高度；2為葉片出口邊安放角。上式明確地反映出葉片出口邊幾何參數(shù)對(duì)機(jī)組過(guò)流能力的影響。當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度最大即a0為最大值時(shí)，水輪機(jī)過(guò)流能力取決于葉片出水邊半徑r2、水輪機(jī)過(guò)流面面積F2、葉片出口邊安放角2這3個(gè)幾何參數(shù)值，這3個(gè)參數(shù)中任何1轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)時(shí)，要求從出水邊至進(jìn)水邊，相對(duì)速度與圓周方向的夾角的變化規(guī)律呈單調(diào)增加，這意味著對(duì)葉片出口邊的切割將使出水邊處相對(duì)速度與圓周方向的夾角2增大；轉(zhuǎn)輪流道從進(jìn)口到出口呈收縮狀態(tài)，切割出水邊將使r2、F2也增大。因此，適當(dāng)切割葉片出水邊可使過(guò)流能力增強(qiáng)。轉(zhuǎn)輪出水邊切割量是個(gè)非常敏感的參數(shù)，稍有不妥，便會(huì)使水力效率過(guò)分降低，導(dǎo)致流量加大而出力不增加甚至下降，因此，葉片出口邊切割量需在理論分析計(jì)算基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能確定。圖1所示為兩相鄰葉片的出水邊部分，圖中t表示周向式中，W2r為葉片出口相對(duì)速度徑向分量。若將切割前后的微元流量分別以Q1和Q2來(lái)表示，相應(yīng)地將切割前后的出口相對(duì)速度及葉片開(kāi)口分別以W21、a01和W22、a02來(lái)表示，則由式（2）推出下列關(guān)系式：出水邊切割量不可能很大，可近似認(rèn)為切割前后葉片長(zhǎng)度基本不變，則W21W22，由此可得：式中，aoi為葉片出水邊第i個(gè)點(diǎn)上的開(kāi)口值；ri為從水輪機(jī)軸心線(xiàn)至各開(kāi)口測(cè)點(diǎn)間的距離；N用式（5）計(jì)算加權(quán)平均開(kāi)口，若所選開(kāi)口點(diǎn)數(shù)在下環(huán)部分較多，則其值偏大，因下環(huán)部分葉片開(kāi)口大；反之，若所選開(kāi)口點(diǎn)數(shù)上冠部分較多，則其值偏小。準(zhǔn)確的計(jì)算方法應(yīng)按下式：式中，rA為葉片出水邊與上冠交點(diǎn)半徑；rB為葉片出水邊與下環(huán)交點(diǎn)半徑。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可作開(kāi)口值a與開(kāi)口點(diǎn)處半徑r的乘積ar在rA至rB間曲線(xiàn)，再計(jì)算曲線(xiàn)所圍的面積。式(4)中開(kāi)口值用加權(quán)平均開(kāi)口代替，則可得出水邊切割前后水輪機(jī)過(guò)流能力Q1、Q2與切割前后加權(quán)平均開(kāi)口值aO1CP、aO2CP關(guān)系式：據(jù)此可求出在期望的過(guò)流能力時(shí)開(kāi)口的加權(quán)平均值，由此可進(jìn)一步確定葉片出水邊切割量。1.2據(jù)轉(zhuǎn)輪實(shí)測(cè)結(jié)果，得出切割前葉片出水邊平均開(kāi)口值aO1CP=48.3mm。假設(shè)切割后轉(zhuǎn)輪效率不下降，當(dāng)機(jī)組出力從2000kW增至2500kW時(shí)，流量將從3.81m3s增至4.8m3s，根據(jù)式（7）求得切割后平均開(kāi)口值應(yīng)為61mm。測(cè)量后確定此時(shí)出水邊切割量應(yīng)為25mm，考慮其可靠性，最終確定切割量為20mm。為使改造費(fèi)用降低，利用該機(jī)組1個(gè)報(bào)廢閑置轉(zhuǎn)輪，經(jīng)堆焊、車(chē)削、打磨恢復(fù)到設(shè)計(jì)圖紙要求后，割去葉片出水邊20mm。增容改造一次成功，取得了預(yù)期效果，空蝕磨損狀況略有惡化但無(wú)大的影響，機(jī)組出力達(dá)到2500kW，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。2以更換新型轉(zhuǎn)輪的形式增容改造2.1D06A與HL160曲庫(kù)水電站HL160機(jī)組導(dǎo)葉相對(duì)高度是0.224，單位轉(zhuǎn)速62.5rmin，額定出力時(shí)單位流量0.67m3s，而改造后的轉(zhuǎn)輪限制單位流量期望值是0.835m3s。經(jīng)分析已有幾何參數(shù)相近的性能較優(yōu)轉(zhuǎn)輪后，初選D06A轉(zhuǎn)輪。二者參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。2.2機(jī)組預(yù)期最大出力D06A-84轉(zhuǎn)輪的過(guò)流能力遠(yuǎn)大于HL160。查其綜合特性曲線(xiàn)，在單位轉(zhuǎn)速62.5rmin時(shí)，Q11達(dá)到0.825m3s，模型效率M為87%。設(shè)發(fā)電機(jī)效率保持在2000kW時(shí)的值不變，機(jī)組出力可達(dá)到2420kW，增幅在20%左右，可使發(fā)電機(jī)容量得到比較充分的利用。2.3空化系數(shù)比較一般來(lái)說(shuō)，空化系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的增加而增加。由表1可見(jiàn)，D06A轉(zhuǎn)輪與HL160轉(zhuǎn)輪相比，前者的過(guò)流能力遠(yuǎn)大于后者，而空化系數(shù)卻明顯小于后者，體現(xiàn)了D06A轉(zhuǎn)輪的優(yōu)越性能。曲庫(kù)水電站HL160機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速是62.5rmin，據(jù)此查兩種轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線(xiàn)，HL160轉(zhuǎn)輪的限制單位流量是0.67m3s，空化系數(shù)是0.06；而D06A轉(zhuǎn)輪的限制單位流量是0.83m3s，空化系數(shù)是0.054。由此可見(jiàn)，D06A轉(zhuǎn)輪比起HL160轉(zhuǎn)輪，過(guò)流能力大為提高，空化系數(shù)不但沒(méi)有增加反而有較大幅度下降。2.4效率特性比較根據(jù)D06A和HL160轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線(xiàn)，得兩轉(zhuǎn)輪的Q11對(duì)應(yīng)的模型效率M在n11=62.5rmin時(shí)的對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可知，在Q110.6m3s的運(yùn)行區(qū)域，D06A的M比HL160的M要小2%左右，但1號(hào)機(jī)組和另外兩臺(tái)小機(jī)組合理分配負(fù)荷完全可避免在此小流量區(qū)域運(yùn)行。而在0.6m3sQ110.67m3s的運(yùn)行范圍內(nèi)，即HL160從最優(yōu)到限制單位流量范圍內(nèi)，處在D06A的最優(yōu)單位流量附近，M較前者高出