在改造工程中加速混流式水輪機轉輪設計的方法(下)

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

針對混流式水輪機的轉輪結構、受力特點及轉輪各部分網(wǎng)格的自動劃分等方面進行了簡要分析,闡述了可實現(xiàn)水輪機轉輪結構計算與優(yōu)化設計的有限元方法及改良復合形法。在不改變葉片型線的情況下合理地選擇上冠和下環(huán)的尺寸,從而改善轉輪各部分的應力分布,求得最優(yōu)的轉輪結構。

隨著水輪發(fā)電機組單機容量不斷增大,大型混流式水輪機轉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轉輪名義直徑已經(jīng)超過10m。尺寸如此巨大的轉輪,如果不具備水運碼頭,是無法完成內陸運輸?shù)摹楸阌谶\輸,一般采用分瓣式制造、工地組裝的方案,

將碳化鎢涂料運用到混流式水輪機的轉輪和導葉上,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已在最大含沙量和過機泥沙量分別達20g/l和240kg/s的條件下成功運行至今。以加華水電站為例,對其添加涂層后的新轉輪和導葉進行的效率試驗過程以及直觀檢查的結果進行了簡要介紹。

水輪機轉輪是整個水輪發(fā)電機組的核心工作部件,含沙水流中的轉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。長期的研究與實踐表明,恰當?shù)倪x型與良好的水力性能、合適的材質與優(yōu)良的制造工藝是水輪機抗磨蝕的最根本方法。但對已建成的水電站而言,采用合理的運行方式和一定的檢修措施,可延緩或減輕水輪機的磨蝕。

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

通過幾個電站混流式水輪機的現(xiàn)場水壓脈動檢測試驗發(fā)現(xiàn),在機組額定出力的20%～30%范圍內出現(xiàn)過水系統(tǒng)整體(蝸殼進口、頂蓋、尾水管)水力共振,頻率為轉頻的1～1.4倍,嚴重地影響機組穩(wěn)定運行。將在實際工程試驗中遇到的有關混流式水輪機水力振動及相關問題解決方法進行介紹。

介紹混流式水輪機導水機構在制造過程中需要注意的幾個問題,以及為了保證質量而采取的措施。

為了達到提升中小型混流式水輪機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之后,選擇翼型重新設計的方法對某電站的混流式水輪機組進行優(yōu)化改造。最后,通過cfd分析驗證了改造后的機組水力性能。結果顯示,重新設計翼型后的轉輪,提升了機組的水力特性,水輪機內部流場比較順暢,壓力分布也比較良好,且負壓區(qū)域較好,具有良好的抗汽蝕性。為后續(xù)相關機組的優(yōu)化改造提供了參考依據(jù)。

水輪機轉輪是水電站發(fā)電機組的重要核心部件,制造工藝復雜,整體尺寸龐大,重量多達幾十甚至幾百噸.混流式水輪發(fā)電機轉輪目前絕大多數(shù)采用不銹鋼材質,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.由于設計、工藝、加工、運行等因素造成絕大多數(shù)不銹鋼轉輪出現(xiàn)比較嚴重的貫穿性裂紋.本文通過轉輪裂紋成因分析,探索其解決方法,最終徹底消除裂紋,為機組長期安全穩(wěn)定運行提供了技術保障.

近年來，我國大力扶持國內小水電增容改造，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，可機組改造所需要考慮的比新機組要多得多，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。

水輪機轉輪是水電站水輪發(fā)電機組的心臟，其性能決定了電站的經(jīng)濟效益。由于用多功能水輪機轉輪設計軟件進行可靠性設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)，縮短水輪機的研制周期；對于中小型電站，可直接應用可靠性設計的結果進行轉輪加工制造。

介紹了彭水電站混流式水輪機轉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的內部流場進行了數(shù)值計算,得到了大流量工況、最優(yōu)流量工況、小流量工況水輪機的內部流動特性。計算結果表明: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,其尾水管進口段左右兩側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,尾水管內有明顯的回流現(xiàn)象,水輪機內部流動比較紊亂。

通過混流式水輪機全流道的定常流動數(shù)值模擬,研究混流式水輪機內部尤其是尾水管在不同工況下的流動特點,目的在于探明引起混流式水輪機內部流動不穩(wěn)定的真正原因。計算結果表明,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)過固定導葉和活動導葉的過濾后周向分布基本對稱。轉動部分的流動,小開度低單位轉速時,較小的導葉出流角,使轉輪葉片頭部受到撞擊,葉片上橫向流動和背面的葉道渦嚴重,轉輪出口靠上冠處有回流和橫向流動,泄水錐下方回流嚴重;大開度時,轉輪進出口流態(tài)都得到改善。尾水管內,小開度時,錐管中心回流嚴重,大部分水流流向外緣,受肘管的影響,錐管和肘管內部形成兩個渦流區(qū),主流流經(jīng)支墩左側,右側較為紊亂;最優(yōu)開度時,尾水管內部水流流線順暢,支墩兩側水流平穩(wěn)性基本一致;大開度時,尾水管主流向錐管中心聚攏,經(jīng)過肘管的轉彎時,出現(xiàn)很多局部的旋渦流動,支墩右側水流相對平穩(wěn),而左側較為紊亂。研究結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)學檢驗,將水電站水輪機葉片對尸體的機械力碎尸與人力碎尸進行比較、區(qū)別,以積累類似案件的檢驗經(jīng)驗。

混流式水輪機磨蝕嚴重的部位是葉片背面出口邊靠近下環(huán)處、下環(huán)內外表面等。根據(jù)黃河水流的特性和對磨蝕規(guī)律的分析,水輪機的磨蝕防護一般采取聚氨酯涂層防護、高速氧燃噴漆碳化鎢防護、優(yōu)化轉輪設計、減少過機泥沙等綜合措施,取得了一定的效果。

1 混流式水輪機安裝作業(yè)指導書 1、混流式水輪機安裝工藝流程圖 2、作業(yè)方法及要求 2.1施工準備 2.1.1熟悉圖紙及制造廠的技術資料，了解設備的結構特點、技術要求及 施工準備 尾水管里襯拼裝 座環(huán)、基礎環(huán)組裝及安裝 蝸殼掛裝及安裝 機坑里襯、接力器里襯安裝 機坑測定與座環(huán)、基礎環(huán)加工 導水機構予裝 轉輪與主軸整體吊入機坑 導水機構安裝 機組聯(lián)軸、軸線調整 主軸密封及水導軸承安裝 輔助設備及管路安裝 起動試運行 尾水管里襯砼澆筑 座環(huán)、基礎環(huán)支墩砼澆筑 蝸殼支墩砼澆筑 機組二期砼澆筑 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，結合現(xiàn)場的具體情況，編制施工技術措施。 2.1.3對施工人員進行技術交底。 2.1.4臨時工裝、器具制作，施工工器具準備。 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)尾水管到貨設備的具體情況（若為

1 工業(yè)冷卻塔用混流式水輪機技術 一、技術名稱：工業(yè)冷卻塔用混流式水輪機技術 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械通風式冷卻塔的改造 三、與該節(jié)能技術相關生產(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，用來 驅動風筒內部的風葉轉動，一座4500t/h流量的冷卻塔電機年耗電量約為175萬kwh， 耗能折合612tce。 四、技術內容： 1．技術原理 水輪機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)水泵的富余揚程，工 作時保證冷卻塔的技術參數(shù)，而且循環(huán)水泵的能耗不變。水輪機的輸出軸直接與風機連 接并帶動其轉動，取消了原電機驅動風機系統(tǒng)，節(jié)約了電能。 2．關鍵技術 1）利用循環(huán)水余壓驅動水輪機，替代電機； 2）轉速比為50的超低比速混流式水輪機，效率提高至88%以上，并將原雙列循環(huán)形 導流葉柵改為

通過某水電站2臺混流式水輪機現(xiàn)場振動、噪聲試驗,對1#機組運行時出現(xiàn)異常噪聲的振源進行查找,同時采用錘擊法對水輪機蝶閥層壓力鋼管進行固有頻率測試。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%以上負荷區(qū)域運行時發(fā)生耦合并引起壓力鋼管共振,是導致異常噪聲的主要原因。在此基礎上提出了活門出水邊修型以及加裝蝸殼進人門孔導流板的處理方案,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構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)濟評估?，F(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輪設計和制造方法。

蝸殼是水輪機中的重要過流部件。其模型精度的高低,直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)加工質量、機組運行的水力特性。因此,建立質量較高的蝸殼模型,對于機組有著重要的意義。在此,通過對模型尺寸進行分析,并利用軟件ug對進行建模,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。