在改造工程中加速混流式水轮机转轮设计的方法(下)

因选型不当及下游修建电站的影响,周岗水电站的水轮机长期偏离最优工况区运行,不仅运行效率低,而且转轮空蚀破坏严重,导致机组稳定性差、出力严重不足。为了节省电站改造成本,在不改动水轮机其他通流部件的条件下,通过只更换转轮的技术手段来达到水轮机增容防蚀的目的。为此,新转轮的设计借助先进的数值模拟软件来评价其性能优劣,缩短了转轮的设计周期,降低了新转轮的生产成本,有效提高了水轮机的效率和出力,取得了显著的经济效益。

针对混流式水轮机的转轮结构、受力特点及转轮各部分网格的自动划分等方面进行了简要分析,阐述了可实现水轮机转轮结构计算与优化设计的有限元方法及改良复合形法。在不改变叶片型线的情况下合理地选择上冠和下环的尺寸,从而改善转轮各部分的应力分布,求得最优的转轮结构。

随着水轮发电机组单机容量不断增大,大型混流式水轮机转轮的制造尺寸和制造重量不断增加,目前世界上制造的最大的混流式水轮机转轮名义直径已经超过10m。尺寸如此巨大的转轮,如果不具备水运码头,是无法完成内陆运输的。为便于运输,一般采用分瓣式制造、工地组装的方案,

将碳化钨涂料运用到混流式水轮机的转轮和导叶上,是一种全新的抗冲蚀磨损的处理方法。经过该方法处理的水轮机已在最大含沙量和过机泥沙量分别达20g/l和240kg/s的条件下成功运行至今。以加华水电站为例,对其添加涂层后的新转轮和导叶进行的效率试验过程以及直观检查的结果进行了简要介绍。

水轮机转轮是整个水轮发电机组的核心工作部件,含沙水流中的转轮容易遭受磨蚀破坏,是一个普遍存在的问题,并且也是一直困扰多泥沙河流水电站的难题。长期的研究与实践表明,恰当的选型与良好的水力性能、合适的材质与优良的制造工艺是水轮机抗磨蚀的最根本方法。但对已建成的水电站而言,采用合理的运行方式和一定的检修措施,可延缓或减轻水轮机的磨蚀。

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明:小流量工况下泥沙磨损最严重;水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。

通过几个电站混流式水轮机的现场水压脉动检测试验发现,在机组额定出力的20%～30%范围内出现过水系统整体(蜗壳进口、顶盖、尾水管)水力共振,频率为转频的1～1.4倍,严重地影响机组稳定运行。将在实际工程试验中遇到的有关混流式水轮机水力振动及相关问题解决方法进行介绍。

介绍混流式水轮机导水机构在制造过程中需要注意的几个问题,以及为了保证质量而采取的措施。

为了达到提升中小型混流式水轮机组出力和效率的目的。本文在对比了目前3种主要改造方法的特点之后,选择翼型重新设计的方法对某电站的混流式水轮机组进行优化改造。最后,通过cfd分析验证了改造后的机组水力性能。结果显示,重新设计翼型后的转轮,提升了机组的水力特性,水轮机内部流场比较顺畅,压力分布也比较良好,且负压区域较好,具有良好的抗汽蚀性。为后续相关机组的优化改造提供了参考依据。

水轮机转轮是水电站发电机组的重要核心部件,制造工艺复杂,整体尺寸庞大,重量多达几十甚至几百吨.混流式水轮发电机转轮目前绝大多数采用不锈钢材质,其生产制造工艺大多采用将叶片铸造成型后,由不锈钢材料的上冠、下环和叶片3大部分组焊,打磨加工而成.由于设计、工艺、加工、运行等因素造成绝大多数不锈钢转轮出现比较严重的贯穿性裂纹.本文通过转轮裂纹成因分析,探索其解决方法,最终彻底消除裂纹,为机组长期安全稳定运行提供了技术保障.

近年来，我国大力扶持国内小水电增容改造，很多小水电制造企业都从中尝到了其中甜头，面对即将来临的新一轮的小水电市场的增容改造，这对于国内新建中、小水电站日趋饱和，水电市场不景气的大环境下，各个中、小水电设备制造厂家都想通过国家的一系列政策措施来摆脱目前企业所面临的困境，可改造是把双刃剑，效益很高，可机组改造所需要考虑的比新机组要多得多，一旦改造失败就会面临失去客户的信任，失去庞大的小水电改造市场。

水轮机转轮是水电站水轮发电机组的心脏，其性能决定了电站的经济效益。由于用多功能水轮机转轮设计软件进行可靠性设计具有很大的灵活性，可以根据电站的具体情况，即根据电站的具体参数，通过设计得到最优方案。这对于大型电站来说，既可满足论证需要，又可减少试验次数，缩短水轮机的研制周期；对于中小型电站，可直接应用可靠性设计的结果进行转轮加工制造。

介绍了彭水电站混流式水轮机转轮焊缝的超声波探伤方法。

采用混合物空化模型对混流式水轮机的内部流场进行了数值计算,得到了大流量工况、最优流量工况、小流量工况水轮机的内部流动特性。计算结果表明:在大流量工况和小流量工况下,尾水管中心截面的低压区与涡带是相对应的,压力脉动的幅值主要受尾水管涡带直径两端压力差的影响,其尾水管进口段左右两侧以及弯肘段附近均有较大的漩涡区域,造成较大的能量耗散,尾水管内有明显的回流现象,水轮机内部流动比较紊乱。

通过混流式水轮机全流道的定常流动数值模拟,研究混流式水轮机内部尤其是尾水管在不同工况下的流动特点,目的在于探明引起混流式水轮机内部流动不稳定的真正原因。计算结果表明,引水部件的流动,蜗壳鼻端处压力波动均较为剧烈,周向分布不均匀,但是经过固定导叶和活动导叶的过滤后周向分布基本对称。转动部分的流动,小开度低单位转速时,较小的导叶出流角,使转轮叶片头部受到撞击,叶片上横向流动和背面的叶道涡严重,转轮出口靠上冠处有回流和横向流动,泄水锥下方回流严重;大开度时,转轮进出口流态都得到改善。尾水管内,小开度时,锥管中心回流严重,大部分水流流向外缘,受肘管的影响,锥管和肘管内部形成两个涡流区,主流流经支墩左侧,右侧较为紊乱;最优开度时,尾水管内部水流流线顺畅,支墩两侧水流平稳性基本一致;大开度时,尾水管主流向锥管中心聚拢,经过肘管的转弯时,出现很多局部的旋涡流动,支墩右侧水流相对平稳,而左侧较为紊乱。研究结果为压力脉动测量位置的选择提供理论依据。

通过一例水中尸块的法医学检验,将水电站水轮机叶片对尸体的机械力碎尸与人力碎尸进行比较、区别,以积累类似案件的检验经验。

混流式水轮机磨蚀严重的部位是叶片背面出口边靠近下环处、下环内外表面等。根据黄河水流的特性和对磨蚀规律的分析,水轮机的磨蚀防护一般采取聚氨酯涂层防护、高速氧燃喷漆碳化钨防护、优化转轮设计、减少过机泥沙等综合措施,取得了一定的效果。

混流式水轮机叶片是水电站中关键的组成部分，它的设计与性能直接影响到水轮机的工作效率和电站的发电量。混流式水轮机叶片主要负责将水流的能量转换为旋转机械能，进而驱动发电机转动，产生电能。因此，对混流式水轮机叶片的研究和优化设计，对于提高水电站的经济效益和推动清洁能源的发展具有重要的意义。

1 混流式水轮机安装作业指导书 1、混流式水轮机安装工艺流程图 2、作业方法及要求 2.1施工准备 2.1.1熟悉图纸及制造厂的技术资料，了解设备的结构特点、技术要求及 施工准备 尾水管里衬拼装 座环、基础环组装及安装 蜗壳挂装及安装 机坑里衬、接力器里衬安装 机坑测定与座环、基础环加工 导水机构予装 转轮与主轴整体吊入机坑 导水机构安装 机组联轴、轴线调整 主轴密封及水导轴承安装 辅助设备及管路安装 起动试运行 尾水管里衬砼浇筑 座环、基础环支墩砼浇筑 蜗壳支墩砼浇筑 机组二期砼浇筑 尾水管里衬安装 蜗壳拼装 2 工艺要求。 2.1.2根据工程特点，结合现场的具体情况，编制施工技术措施。 2.1.3对施工人员进行技术交底。 2.1.4临时工装、器具制作，施工工器具准备。 2.2尾水管里衬拼装与安装 2.2.1作业方法 2.2.1.1根据尾水管到货设备的具体情况（若为

1 工业冷却塔用混流式水轮机技术 一、技术名称：工业冷却塔用混流式水轮机技术 二、适用范围：化工、冶炼、轻纺等行业有重力势能可利用的机械通风式冷却塔的改造 三、与该节能技术相关生产环节的能耗现状： 目前的工业循环冷却系统耗电现状是：每座冷却塔的塔顶都装有一台电动机，用来 驱动风筒内部的风叶转动，一座4500t/h流量的冷却塔电机年耗电量约为175万kwh， 耗能折合612tce。 四、技术内容： 1．技术原理 水轮机的工作动力来自循环冷却水系统水的重力势能以及循环水泵的富余扬程，工 作时保证冷却塔的技术参数，而且循环水泵的能耗不变。水轮机的输出轴直接与风机连 接并带动其转动，取消了原电机驱动风机系统，节约了电能。 2．关键技术 1）利用循环水余压驱动水轮机，替代电机； 2）转速比为50的超低比速混流式水轮机，效率提高至88%以上，并将原双列循环形 导流叶栅改为

通过某水电站2台混流式水轮机现场振动、噪声试验,对1#机组运行时出现异常噪声的振源进行查找,同时采用锤击法对水轮机蝶阀层压力钢管进行固有频率测试。分析发现,某种水力激振频率与压力钢管的固有频率在92%以上负荷区域运行时发生耦合并引起压力钢管共振,是导致异常噪声的主要原因。在此基础上提出了活门出水边修型以及加装蜗壳进人门孔导流板的处理方案,最终通过改善流道环境,使水力激振频率得到大幅提高,并降低了涡列能量,起到了很好的错频消振效果。研究表明:通畅的流道环境对于有效避免由于水力激振或涡列振动引起的结构共振问题具有重要意义。

在开放的能源市场中,目前的竞争形势迫切要求对现有和新建的电站作经济评估。现有水电站的更新改造变得越来越重要。介绍了欧洲的一个主要制造厂对改造工程的混流式转轮设计和制造方法。