水利工程論文-HL160型水輪機的增容改造技術(shù).doc

水利工程論文-HL160型水輪機的增容改造技術(shù)摘要：在理論計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合水輪機轉(zhuǎn)輪實測與實踐經(jīng)驗，確定了葉片出水邊的切割量，使HL160.84水輪機增容25%；對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)流道對比得出兩種轉(zhuǎn)輪互換性很強，用D06A轉(zhuǎn)輪替代HL160轉(zhuǎn)輪可增容20%。這兩個結(jié)論在青海曲庫水電站1號機的增容改造中得到了驗證。關(guān)鍵詞：混流式水輪機增容改造切割葉片新型轉(zhuǎn)輪曲庫水電站曲庫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3臺，設(shè)計容量3000kW，其中1臺HL160-WJ-84水輪機，在65m設(shè)計水頭下過流能力為3.81m3s，機組最大出力為2000kW，而所配發(fā)電機額定出力為2500kW。水能資源和機組狀況提供了增容改造的必要性和可行性。1995年，筆者利用該機組1個閑置的轉(zhuǎn)輪，在維修工作的基礎(chǔ)上通過切割出水邊等手段，使機組出力達到了2500kW，以極低的成本獲得了增容改造的成功；1998年，又結(jié)合電站購置新轉(zhuǎn)輪的需要，用HLD06A轉(zhuǎn)輪取代了HL160轉(zhuǎn)輪，使機組出力達到2400kW，以轉(zhuǎn)輪換型的方式達到了大幅增容的目的。1通過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，加大過流能力。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)輪的過流能力。由于調(diào)整葉片形狀必須基于流場計算的基礎(chǔ)上，且改造工藝過程復(fù)雜，工期長、費用高，一般小水電站不易接受，故本文只能就筆者所進行的水輪機實際改造方法作以介紹，以期對小型機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；為水輪機效率；F2為轉(zhuǎn)輪出口過水?dāng)嗝婷娣e；H為水頭；g為重力加速度；a0為導(dǎo)葉開度；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)對機組過流能力的影響。當(dāng)機組導(dǎo)葉開度最大即a0為最大值時，水輪機過流能力取決于葉片出水邊半徑r2、水輪機過流面面積F2、葉片出口邊安放角2這3個幾何參數(shù)值，這3個參數(shù)中任何1轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計時，要求從出水邊至進水邊，相對速度與圓周方向的夾角的變化規(guī)律呈單調(diào)增加，這意味著對葉片出口邊的切割將使出水邊處相對速度與圓周方向的夾角2增大；轉(zhuǎn)輪流道從進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流能力增強。轉(zhuǎn)輪出水邊切割量是個非常敏感的參數(shù)，稍有不妥，便會使水力效率過分降低，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算基礎(chǔ)上結(jié)合實踐經(jīng)驗才能確定。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為葉片出口相對速度徑向分量。若將切割前后的微元流量分別以Q1和Q2來表示，相應(yīng)地將切割前后的出口相對速度及葉片開口分別以W21、a01和W22、a02來表示，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)為切割前后葉片長度基本不變，則W21W22，由此可得：式中，aoi為葉片出水邊第i個點上的開口值；ri為從水輪機軸心線至各開口測點間的距離；N用式（5）計算加權(quán)平均開口，若所選開口點數(shù)在下環(huán)部分較多，則其值偏大，因下環(huán)部分葉片開口大；反之，若所選開口點數(shù)上冠部分較多，則其值偏小。準(zhǔn)確的計算方法應(yīng)按下式：式中，rA為葉片出水邊與上冠交點半徑；rB為葉片出水邊與下環(huán)交點半徑。實際計算時，可作開口值a與開口點處半徑r的乘積ar在rA至rB間曲線，再計算曲線所圍的面積。式(4)中開口值用加權(quán)平均開口代替，則可得出水邊切割前后水輪機過流能力Q1、Q2與切割前后加權(quán)平均開口值aO1CP、aO2CP關(guān)系式：據(jù)此可求出在期望的過流能力時開口的加權(quán)平均值，由此可進一步確定葉片出水邊切割量。1.2據(jù)轉(zhuǎn)輪實測結(jié)果，得出切割前葉片出水邊平均開口值aO1CP=48.3mm。假設(shè)切割后轉(zhuǎn)輪效率不下降，當(dāng)機組出力從2000kW增至2500kW時，流量將從3.81m3s增至4.8m3s，根據(jù)式（7）求得切割后平均開口值應(yīng)為61mm。測量后確定此時出水邊切割量應(yīng)為25mm，考慮其可靠性，最終確定切割量為20mm。為使改造費用降低，利用該機組1個報廢閑置轉(zhuǎn)輪，經(jīng)堆焊、車削、打磨恢復(fù)到設(shè)計圖紙要求后，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大的影響，機組出力達到2500kW，取得了很好的經(jīng)濟效益。2以更換新型轉(zhuǎn)輪的形式增容改造2.1D06A與HL160曲庫水電站HL160機組導(dǎo)葉相對高度是0.224，單位轉(zhuǎn)速62.5rmin，額定出力時單位流量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)對比見表1。2.2機組預(yù)期最大出力D06A-84轉(zhuǎn)輪的過流能力遠(yuǎn)大于HL160。查其綜合特性曲線，在單位轉(zhuǎn)速62.5rmin時，Q11達到0.825m3s，模型效率M為87%。設(shè)發(fā)電機效率保持在2000kW時的值不變，機組出力可達到2420kW，增幅在20%左右，可使發(fā)電機容量得到比較充分的利用。2.3空化系數(shù)比較一般來說，空化系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的增加而增加。由表1可見，D06A轉(zhuǎn)輪與HL160轉(zhuǎn)輪相比，前者的過流能力遠(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。曲庫水電站HL160機組的單位轉(zhuǎn)速是62.5rmin，據(jù)此查兩種轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，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，D06A轉(zhuǎn)輪比起HL160轉(zhuǎn)輪，過流能力大為提高，空化系數(shù)不但沒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，得兩轉(zhuǎn)輪的Q11對應(yīng)的模型效率M在n11=62.5rmin時的對比數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，在Q110.6m3s的運行區(qū)域，D06A的M比HL160的M要小2%左右，但1號機組和另外兩臺小機組合理分配負(fù)荷完全可避免在此小流量區(qū)域運行。而在0.6m3sQ110.67m3s的運行范圍內(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