導(dǎo)語(yǔ)：水輪機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化思考一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:本文結(jié)合某大型高水頭混流式水輪機(jī)的參數(shù)以及實(shí)際運(yùn)行情況，依托對(duì)轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了該水輪機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，使用模擬運(yùn)行與試驗(yàn)的方式分析了優(yōu)化結(jié)果，證實(shí)了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān)鍵詞:高水頭;混流式水輪機(jī);穩(wěn)定性

在我國(guó)當(dāng)前的水力發(fā)電中，混流式水輪機(jī)的使用范圍更廣，同時(shí)，為了更好滿足人們實(shí)際的用電需求，混流式水輪機(jī)不斷向著水頭與單機(jī)容量擴(kuò)大的方向發(fā)展。在這樣的情況下，水力發(fā)電站更加傾向于使用大型高水頭混流式水輪機(jī)，為了確保實(shí)際生產(chǎn)的安全，對(duì)這種水輪機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定性方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)極為必要。

一、某大型高水頭混流式水輪機(jī)的情況概述

某水力利發(fā)電站使用的大型高水頭混流式水輪機(jī)的單機(jī)容量達(dá)到600兆瓦，總裝機(jī)容量在4800兆瓦，保證出力1972兆瓦。其中，應(yīng)用的大型高水頭混流式水輪機(jī)主要參數(shù)如下:額定水頭為288米、設(shè)計(jì)水頭為295米、額定轉(zhuǎn)速為每分鐘166．7轉(zhuǎn)、額定出力為610兆瓦、額定流量為每秒鐘228．6立方米、模型最高效率不低于94%、比轉(zhuǎn)速為109．72m•kW、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為長(zhǎng)葉片15個(gè)與短葉片15個(gè)。依托對(duì)主要參數(shù)的分析能夠看出，該大型高水頭混流式水輪機(jī)使用了相對(duì)穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)，有著較高的空化性能。對(duì)該大型高水頭混流式水輪機(jī)展開(kāi)模型驗(yàn)收，結(jié)果顯示該水輪機(jī)的各項(xiàng)水力性能均達(dá)到預(yù)期，且運(yùn)行中不存在破壞性強(qiáng)的渦帶。為了進(jìn)一步提升本水力發(fā)電站機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，筆者對(duì)相應(yīng)大型高水頭混流式水輪機(jī)展開(kāi)了穩(wěn)定性方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

二、大型高水頭混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

(一)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)。總體來(lái)看，大型高水頭混流式水輪機(jī)的運(yùn)行中，穩(wěn)定性下降的主要原因包括:運(yùn)行中轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間發(fā)生了動(dòng)靜干涉;導(dǎo)葉出口發(fā)生脫流［1］。基于這樣的情況，需要在優(yōu)化過(guò)程盡可能消除動(dòng)靜干涉，并避免導(dǎo)葉出口脫流問(wèn)題的發(fā)生，以此達(dá)到提升大型高水頭混流式水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的效果。在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要結(jié)合本水力發(fā)電廠中水輪機(jī)的實(shí)際情況，對(duì)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)展開(kāi)了調(diào)整，具體操作包括:對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的直徑展開(kāi)合理下調(diào)，以此促進(jìn)無(wú)葉區(qū)間距的增大;為了避免飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生過(guò)大的問(wèn)題，將轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑的下調(diào)大小控制在合理范圍內(nèi)，多次計(jì)算發(fā)現(xiàn)，減少0．2%即可達(dá)到無(wú)葉區(qū)間距增大與飛逸轉(zhuǎn)速控制之間的平衡;調(diào)整子午面上進(jìn)水邊的形狀，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧形，并將平均進(jìn)口直徑降低1．4%、中間截面位置的直徑下調(diào)2%。(二)活動(dòng)導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了最大程度消除由導(dǎo)葉出口脫流造成的水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性下降問(wèn)題，筆者還在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)實(shí)踐中對(duì)該大型高水頭混流式水輪機(jī)的活動(dòng)導(dǎo)葉展開(kāi)了優(yōu)化調(diào)整，具體的操作如下:對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉壓力側(cè)的型線展開(kāi)調(diào)整，使得下緣范圍擴(kuò)大、上緣范圍所有減少;將導(dǎo)葉分布圓的直徑從原有的7360毫米調(diào)整至7404毫米，促使無(wú)葉區(qū)間距進(jìn)一步增大。(三)成果分析。本次穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用了數(shù)值模擬與模擬試驗(yàn)的方法確定大型高水頭混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，確保優(yōu)化措施的科學(xué)性與合理性。主要對(duì)比了優(yōu)化前后同一水輪機(jī)的性能與內(nèi)部流場(chǎng)。其中，水輪機(jī)性能使用了動(dòng)態(tài)應(yīng)力與運(yùn)行效率兩指標(biāo)完成評(píng)價(jià)［2］。對(duì)甩負(fù)荷工況、剪斷銷剪短工況、全關(guān)工況下水輪機(jī)優(yōu)化前后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行分析與對(duì)比，得到的結(jié)果具體如下:在甩負(fù)荷工況下，優(yōu)化前的水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為370MPa、優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為315MPa;在剪斷銷剪短工況下，優(yōu)化前的水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為529MPa、優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為472MPa;在全關(guān)工況下，優(yōu)化前的水輪機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力為332MPa、優(yōu)化后的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力為292MPa。能夠看出，在優(yōu)化后，水輪機(jī)在不同工況下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力均下降，使得機(jī)組葉片受損概率減小，提升了運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉在優(yōu)化前后的水中自振頻率進(jìn)行分析與對(duì)比，結(jié)果顯示:在優(yōu)化前，活動(dòng)導(dǎo)葉水中自振頻率為74．1Hz、與激振頻率的安全余量為-11．1%;在優(yōu)化后，活動(dòng)導(dǎo)葉水中自振頻率為70．4Hz、與激振頻率的安全余量為-15．6%。能夠看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，活動(dòng)導(dǎo)葉的自振頻率與發(fā)生共振的概率均有所下降。對(duì)優(yōu)化前后的水輪機(jī)運(yùn)行效率進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如下:優(yōu)化前，水輪機(jī)額定工況下的效率為93．51%、額定水頭部分出力工況下的效率為91．0%、最高水頭最大出力工況下的效率為93．49%;優(yōu)化后，水輪機(jī)額定工況下的效率為93．38%、額定水頭部分出力工況下的效率為91．28%、最高水頭最大出力工況下的效率為93．42%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后并不會(huì)影響水輪機(jī)的運(yùn)行效率。對(duì)比額定工況條件下優(yōu)化前后的導(dǎo)葉壓力分布情況能夠發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化后，無(wú)葉區(qū)的壓力脈動(dòng)有所下降，整個(gè)水輪機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)性更好，不存在明顯的脫流與撞擊，達(dá)到了運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)的效果。

三、總結(jié)

綜上所述，通過(guò)下調(diào)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的直徑、調(diào)整子午面上進(jìn)水邊的形狀、提升導(dǎo)葉分布圓的直徑、對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉壓力側(cè)的型線展開(kāi)調(diào)整，即可完成大型高水頭混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性提升。模擬實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示，這樣的優(yōu)化調(diào)整不會(huì)影響水輪機(jī)的運(yùn)行效率，且達(dá)到了增強(qiáng)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的效果。

參考文獻(xiàn):

［1］張梁．大型高水頭混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］．水電與抽水蓄能，2019，5(01):71-74+61．

［2］劉韶春，杜榮幸．高水頭混流式水輪機(jī)技術(shù)在南椰2電站的應(yīng)用［J］．紅水河，2018，37(01):24-28．

作者:詹詩(shī)文 單位:浙江富春江水電設(shè)備有限公司