軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計

0輔助設(shè)備改造現(xiàn)狀麻石水電廠于1970年9月開始建設(shè)，電氣工程總收集量為1.6m，調(diào)節(jié)庫為0.625m。三個安裝了100米的機(jī)組。其中，#1號于1972年12月下旬退役。該裝置由芬蘭制成，該裝置與東方電機(jī)廠相連。1973年，#2號和#3號機(jī)組相繼建成，挖掘機(jī)和蒸汽機(jī)采用羅馬尼亞進(jìn)口裝置。自首臺機(jī)組投產(chǎn)至今運行時間已超過40年,機(jī)組與輔助設(shè)備的老化是必然的,其缺陷和隱患也影響著機(jī)組的安全運行。針對設(shè)備特別是輔助設(shè)備的狀況,近年來麻石電廠在一直進(jìn)行有計劃、有步驟的較大規(guī)模技術(shù)改造,如勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器、發(fā)變主保護(hù)、水車盤等,均已全面開展并大部分改造完畢,使電廠整個輔助設(shè)備的運行狀況大為改觀。對主機(jī)(發(fā)電機(jī)、水輪機(jī))而言,通過對#2機(jī)組的技術(shù)改造,包括更換定子、上機(jī)架加固、改造和更換上導(dǎo)瓦架等技術(shù)工作,于2004年解決了困擾多年的#2機(jī)振動問題;2006年和2008年分別成功對#2、#3機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換改造,實現(xiàn)了每臺機(jī)組增容3000kW;2010年9月～2011年5月,對1#機(jī)組進(jìn)行了整體更換,成功實現(xiàn)1#機(jī)組由28MW增容至36.5MW,增容量超過30%。#2、#3水輪機(jī)的葉片原廠是由羅馬尼亞進(jìn)口的不銹鋼葉片,機(jī)組運行十多年后由于葉片根部出現(xiàn)裂紋而進(jìn)行了更換,更換為國產(chǎn)的鑄鋼葉片,葉型流線也稍有改變,但隨后機(jī)組的出力總無法達(dá)到額定功率。經(jīng)過多年的運行,發(fā)電機(jī)定子也存在絕緣老化、定子松動等安全隱患,特別是隨著國內(nèi)水輪發(fā)機(jī)材料、技術(shù)、設(shè)計等進(jìn)步,對于六七十年代建設(shè)的老水電廠來說,進(jìn)行以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技術(shù)改造、過流流道改造為主的改擴(kuò)建工程是提高電廠發(fā)電容量,提高水能利用率,實現(xiàn)老電廠增值保值提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。1開發(fā)和提高水的性能我國七八十年代建設(shè)的中小型水電站比較多,軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用也比較多。但是,在技術(shù)開發(fā)的過程中,普遍技術(shù)指標(biāo)也比較低,經(jīng)過三四十年的發(fā)電運行,機(jī)組老化、安全隱患多,所以需要進(jìn)行改造,提高水電站的整體性能。并且隨著節(jié)能減排,提高水能利用及經(jīng)濟(jì)效益的需求,開發(fā)新的設(shè)計方案是必要的,也是必須的。按照我國的基本現(xiàn)狀和基本國情,在不斷提高性能軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī),在新技術(shù)的開發(fā)中,需要開發(fā)出一批3～6葉片,適合水頭6～40m的軸流轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪,要求效率不斷地提高。新的技術(shù)比普通技術(shù)的效率比較高,新技術(shù)具有更高的推廣價值。1.1軸流式水輪機(jī)最大應(yīng)用采用現(xiàn)代之一軸流式水輪機(jī)與混流式水輪一樣屬于反擊式水輪機(jī),二者結(jié)構(gòu)上最明顯的差別是轉(zhuǎn)輪,其次是導(dǎo)葉高度。根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片在運行中能否調(diào)節(jié),軸流式水輪機(jī)又分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式兩種型式。軸流式水輪機(jī)用于開發(fā)較低水頭(3～40m),較大流量的水能資源。它的比轉(zhuǎn)速大于混流式水輪機(jī),屬于高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)。在低水頭條件下,軸流式水輪機(jī)與混流式水輪機(jī)相比較具有較明顯的優(yōu)點,當(dāng)它們使用水頭和出力相同時,軸流式水輪機(jī)由于過流能力大,可以采用較小的轉(zhuǎn)輪直徑和較高的轉(zhuǎn)速,從而縮小了機(jī)組尺寸,降低了投資。當(dāng)兩者具有相同的直徑并使用在同一水頭時,軸流式水輪機(jī)能發(fā)出更多的功率。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),由于槳葉和導(dǎo)葉隨著工況的變化形成最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系,提高了水輪機(jī)的平均效率,擴(kuò)大了運行范圍,獲得了穩(wěn)定的運行特性,是一種值得廣泛使用的優(yōu)良機(jī)型,這一特點特別適合老水電廠的技術(shù)改造的應(yīng)用。限制軸流式水輪機(jī)最大應(yīng)用水頭的原因是空化和強(qiáng)度兩方面的條件。由于軸流式水輪機(jī)的過流能力大,單位流量和單位轉(zhuǎn)速都比較大,轉(zhuǎn)輪中水流的相對流速比相同直徑的混流式轉(zhuǎn)輪中的高,所以它具有較大的空化系數(shù)。在相同水頭下,軸流式水輪機(jī)由于槳葉數(shù)少,槳葉單位面積上所承受的壓差較混流式葉片的大,槳葉正背面的平均壓差較混流式的大,所以它的空化性能較混流式葉片的差。因此,在同樣水頭條件下,軸流式水輪機(jī)比混流式水輪機(jī)具有更小的吸出高度和更深的開挖量。隨著應(yīng)用水頭的增加,將會使電站的投資大量增加,從而限制了軸流式水輪機(jī)的最大應(yīng)用水頭。另一方面,由于軸流式水輪機(jī)槳葉數(shù)較少(3～8片),槳葉呈懸臂形式,所以強(qiáng)度條件較差。當(dāng)使用水頭增高時,為了保證足夠的強(qiáng)度,就必須增加槳葉數(shù)和槳葉的厚度,為了能夠方便地布置下槳葉和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)輪的輪轂比,亦要隨之增大,這些措施將減少轉(zhuǎn)輪流道的過流斷面面積,使得單位流量下降。當(dāng)達(dá)到某一水頭時,軸流式水輪機(jī)的單位流量甚至比混流式水輪機(jī)的還要小,這種情況也限制了軸流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭的提高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,通過改進(jìn)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計方法,選擇更加合理的流道幾何參數(shù)和槳葉的型線,使得槳葉背面的壓力分布更加均勻,降低槳葉正面和背面的平均壓差,從而達(dá)到改善水輪機(jī)空化性能的目的。此外,還可以通過采用新型的高強(qiáng)度的材料,改進(jìn)結(jié)構(gòu),使槳葉受力情況得到改善。相信通過以上措施會使軸流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭進(jìn)一步提高。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)有轉(zhuǎn)動槳葉的機(jī)構(gòu)及雙調(diào)設(shè)備等,通過發(fā)電機(jī)及水輪機(jī)大軸、操作油管、一套油壓設(shè)備等共用設(shè)備達(dá)到導(dǎo)葉和槳葉的控制。僅僅是水機(jī)和調(diào)速器還有油壓等幾項加工費就可以節(jié)省到一半左右,并且機(jī)組加工制造比較簡單,可以縮短工期,提高發(fā)電速率,增加發(fā)電效益。小型水電站的設(shè)備需求比例占市場需求總量的絕大部分,前幾年統(tǒng)計,目前全國中小水型電站已有4.8萬座以上,而大型、巨型水電站不足千座。新產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新使其加工成本,主要設(shè)備的生產(chǎn)加工及安裝成本都有大幅度下降,所以從設(shè)備制造廠家的角度來說,上述設(shè)備的需求量在將來的一段時期還是保有量增加,存在一定的盈利空間。1.2混流式、轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在水能利用上同樣具有一定的優(yōu)點:軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的體積比較小,流量比較大,空化比較小,效率也比較高;轉(zhuǎn)輪室及輪體都為圓柱形,轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流線比較平順,更能提高性能。水電站設(shè)計中最核心的工作就是設(shè)計選擇好水輪機(jī),從1824年起,世界各國相繼開發(fā)出了多種類型的水輪機(jī),水輪機(jī)的每一次進(jìn)步都對當(dāng)時水力發(fā)電效率與效益的大幅度提高產(chǎn)生決定性的作用。但是,現(xiàn)在最常采用的混流式、轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),因其結(jié)構(gòu)和作用方式?jīng)Q定其還是會產(chǎn)生空蝕、磨蝕、振動、漏損、高效區(qū)限制、效率低等問題,并且長期難于根本解決。因為混流式水輪機(jī)在中小水電站采用效率更低,所以目前中小水電站主要是采用定槳或轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),但一般理想轉(zhuǎn)化率不超過80%,且定槳式水輪機(jī)效率區(qū)限明顯,在全球范圍內(nèi)目前還沒有更加適合于中小型水電站采用的水輪機(jī)機(jī)型,而適合于大型水電站采用的混流式水輪機(jī)存在的問題也相同多,只是其水能轉(zhuǎn)化效率高些罷了。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)將使這一切情況發(fā)生根本改變,槳輪式水輪機(jī)在大型與巨型水電站也同樣適用,而且對水頭高度的限制也不是太嚴(yán)苛。2新設(shè)計的帶有浮動和沉淀的傾斜蒸汽機(jī)的性能2.1葉片的為葉片,其葉片的速度比為葉片頭部的形狀對轉(zhuǎn)輪性能的影響比較大。正常效率高的葉片形狀為葉片水邊較薄,頭部呈圓弧形,頭部較厚的葉片效率比較低。而頭部較薄也有一定的弊端就是具有較差的適應(yīng)性,在流角發(fā)生變化時,必然會產(chǎn)生重交,而較薄的葉片則會使性能降低。2.2向水邊推動的影響根據(jù)現(xiàn)代軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的最新設(shè)計觀念,葉片最大厚度則會向水邊推動,可以使水邊的形狀減小,水輪機(jī)內(nèi)部的流動出現(xiàn)收縮的情況,最大厚度向水邊移動,這樣可以降低翼型最大流速的數(shù)值,雖然這樣會導(dǎo)致頭部的速度有所增加,但是對空化性能有一定的影響。2.3放角差別比較加大流量則會提高大流量的效率,葉片扭角加大后,對內(nèi)部的放角差別也比較大,這樣更適用于不同的來流角。但是,這樣的角度不能保證所有的斷面能夠用接近于0沖角,從而無法保證最大限度上滿足根本要求。2.4機(jī)組選型時的確定近年來,由于水電能源的突出優(yōu)點和國家相應(yīng)的鼓勵政策,國內(nèi)水電開發(fā)力度十分明顯,大至三峽、龍灘等的巨型機(jī)組,小至1000kW的小型電站。麻石電廠原三臺機(jī)的過水流道相同,只是由于建廠時主機(jī)設(shè)備供貨的原因造成機(jī)組型號、出力不同,在進(jìn)行整體技術(shù)改造過程中,不再進(jìn)行機(jī)組模型試驗,但也沒有相應(yīng)的水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線作為可靠的設(shè)計依據(jù),考慮麻石電站現(xiàn)有水能條件的改變不大,考慮了近6年的電站加權(quán)平均水頭19.2m,經(jīng)初步選型與初算校核,確定的額定水頭維持與現(xiàn)有機(jī)型一樣,即同樣為18m。在機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速選擇問題,與額定水頭的選擇一樣,考慮對整臺機(jī)組的改造工作協(xié)調(diào)量,還是選定為107r/min。2.5通過增加和效率分析機(jī)組的效率2.5.1水三機(jī)項目水力設(shè)計中的三元理論應(yīng)用傳統(tǒng)的一元、二元水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計方法已逐漸被準(zhǔn)三元和完全三元流動的設(shè)計計算方法所代替。采用三元流動的計算方法進(jìn)行設(shè)計和校核,已成為水輪機(jī)設(shè)計的一個必要步驟。水輪機(jī)蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管的流動較為穩(wěn)定、簡單。對上述三個部件的水力設(shè)計,采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法就可較好地模擬三個部件的水輪機(jī)內(nèi)部流動規(guī)律。目前,對上述三個部件的水力設(shè)計基本采用傳統(tǒng)設(shè)計法,故設(shè)計人員把設(shè)計重點放在對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計上。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動是十分復(fù)雜的,實際流動是非定常、三維可壓縮、粘性流動。顯然要用數(shù)學(xué)解析的方法求解是不可能的,因此,在實際的數(shù)值求解過程中,在考慮了真實流體的流動情況之后,作一些近似合理的各種簡化假設(shè),可以對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流體流動進(jìn)行求解。故繼傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計之后水力機(jī)械學(xué)者把對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計重點放在三元理論數(shù)值求解上。麻石電廠原#1機(jī)轉(zhuǎn)輪是4葉片、轉(zhuǎn)輪直徑5.3m,新轉(zhuǎn)輪采用5葉片,葉片外圓直徑為5.5m,具有過流能力增大、流線變好等特點,且轉(zhuǎn)輪體采用整體鑄造,材質(zhì)為鑄鋼20SiMn,轉(zhuǎn)輪體外表面葉片根部掃過區(qū)域?qū)伜覆讳P鋼轉(zhuǎn)輪體具有足夠的強(qiáng)度和剛度,能承受在最大水頭和最大負(fù)荷工況下的綜合應(yīng)力。具有足夠的剛強(qiáng)度,滿足各種工況下的安全運行。新葉片選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo鑄造,葉片采用VOD精煉鑄造,翼型數(shù)控加工,增設(shè)了葉片裙邊,有效提高水能效率和減少空蝕及震動。2.5.2導(dǎo)葉保護(hù)及保護(hù)麻石電廠原#1機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑較小、24個導(dǎo)水葉、轉(zhuǎn)輪體體積過大等客觀原因直接影響了機(jī)組過水能力。新機(jī)組水輪機(jī)布有32個導(dǎo)葉,導(dǎo)葉瓣體高為2260mm,導(dǎo)葉采用整體熔鑄結(jié)構(gòu),材料為鑄鋼20SiMn。導(dǎo)葉從全開到接近空載位置范圍內(nèi)具有自關(guān)閉趨勢的水力矩特性。導(dǎo)葉采用三支點支承方式,支承軸承采用自潤滑金屬軸套,導(dǎo)葉軸頸與軸瓦配合處焊有不銹鋼軸套。導(dǎo)葉全關(guān)時立面密封采用三角形聚氨酯密封,端面密封采用三角形聚氨酯密封。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)連桿采用旋套連桿式傳動機(jī)構(gòu),導(dǎo)葉臂上有連接板、剪斷銷等保護(hù)裝置。導(dǎo)葉設(shè)有限位塊,在導(dǎo)葉臂和頂蓋之間,對導(dǎo)葉在全開和全關(guān)位置上進(jìn)行限制。導(dǎo)葉保護(hù)采用剪斷銷裝置,同時在每個導(dǎo)葉臂和連接板之間設(shè)有銅套卡緊式摩擦限位裝置。導(dǎo)葉的上中軸套采用長套筒結(jié)構(gòu),導(dǎo)葉中下軸徑密封均采用O型密封圈。2.5.3檢修密封與受油器發(fā)電機(jī)內(nèi)部采用內(nèi)循環(huán)空冷,主軸工作密封采用徑向密封,壓力清潔水潤滑,密封元件為自補(bǔ)償型,采用進(jìn)口高分子材料,主軸檢修密封采用空氣圍帶式結(jié)構(gòu),進(jìn)氣壓力為0.7MPa。受油器采用銅質(zhì)浮動瓦結(jié)構(gòu),滿足轉(zhuǎn)輪槳葉的操作要求,合理控制漏油量,受油器設(shè)置在發(fā)電機(jī)頂部,與發(fā)電機(jī)連接部位設(shè)置絕緣,以防止軸電流,操