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摘 要:在分析了我国中小型水轮机组运行现状和水轮机转轮改型设计的必要性和可行性后,对水轮机转轮改型设计过程中应考虑的问题和改型设计内容进行了详细的分析研究。
关键词:中小型水电站转轮设计空化性能
中图分类号:TK7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(a)-0133-01
我国早期己建成的大多中小型水电站中,由于受当时建设技术水平和综合投资资金的制约,水轮机在设计过程中主要借鉴前苏联早期的一些技术文件资料和建设经验,由于没有结合我国电站的实际地质、水质等特殊情况,从而导致绝大多数水轮发电机组普遍存在性能指标较落后、制造工艺差、选型设计不合理等问题。因此,对存在问题的中小型水电站水轮机转轮进行改型设计,已成为水电站提高其机组综合运行效率的重要技术措施,同时也是电站水动研究人员研究的一个重要课题。
1 中小型水电站水轮机运行现状
前面已经介绍了我国早期建设的大量中小型电站大多采用前苏联四五十年代的技术和资料,而且受我国机械制造工业发展较其它先进国家落后等原因的影响,水轮机制造工艺技术相对较落后。在运行过程中普遍发现存在质量较差、效率较低、水轮叶片过流能力差等问题,加上早期该类电站受当时历史政治原因的影响,很多电站的水轮机机组在制作过程中没有充分考虑电站自身特殊情况要求,而是死板硬套相关工程定型图纸,或仅是按相关水工模型试验所获得的静态结果来硬性定性设计,导致很多水轮机组在实际运行过程中水利效率不高,机组长期运行在转轮低效工况区,使得机组综合转换效率较低。另外,很多中小型电站组已经并网运行达40余年,受水力冲击、泥沙磨损等外力破坏作用,机组很多过流部件已经出现严重的损害现象,其在性能和结构等方面已不能满足水电站高效经济调节运行的需要,尤其是机组转轮叶片、导叶等过流部件,已经出现严重的汽蚀和磨损现象。转轮叶片曲线遭到严重破坏,导致机组叶片间隙增加偏离设计的高效轨迹,造成转轮综合转换效率严重下降。因此,对中小型水电站水轮机组的转轮进行改造设计,通过优化水轮机外形结构等技术手段,改善水轮机组的空蚀性能水平,增加其综合出力,有效提高其运行调节效率,将会给水电站带来巨大的社会经济效益[1]。
2 水轮机转轮改型设计可行性分析
通过计算机三维数字化仿真分析软件,自动分析水轮机转轮、叶片等过流部件的综合性能,同时设计人员还可以根据电站实际特性要求,通过相关条件约束项的设置,利用计算机高速运算分析,获得具有最大转换效率的最优水轮曲线结构,为水轮机结构改造设计提高精确可靠的数据信息。高指标性能的水轮机已经在很多水轮机转轮改造工程中得到了实际应用,其运行条件效率不断被提高,为我国中小型水电站水轮机转轮改型设计提高了重要的技术支持和丰富的转轮改造应用借鉴资料。据相关文献表明,我国水輪机转轮效率大约平均每隔10年可以提高一个百分点,一些大型水轮机组其转轮模型的能量转换效率已经普遍达到93%以上,而且在一些外部条件较优越的电站中,水轮机模型效率可以高达95%,也就是我国现有转轮设计和制造技术已经达到一个相当高的水平,与在六七十年代设计的水轮机转轮结构相比,其效率大约增加了5%～10%。随着水力发电技术研究的进一步加深,新的效率高、运行稳定性强的水轮机转轮将会在水电站中投运使用,使得对中小型水电站水轮机转轮改型和增容改造设计变为可能。
3 水轮机转轮改型设计过程中应考虑的问题
水轮机转轮改型设计是提高水电站水轮机调节运行效率的重要技术改造措施,在转轮改型设计过程中要充分考虑提高转轮运行调节效率和稳定性的多个限制因素。
3.1 水轮机特性参数
通过转轮改型设计提高水轮机转轮运行效率,必然会引起水轮机相关参数的变化,因此,必须考虑水轮机转轮效率、流量、综合出力等参数水平。同时,为了提高转轮改型设计的综合社会经济效益,应在尽量不破坏电站原有基础结构的基础上进行转轮改型设计。
3.2 水轮机和发电机参数匹配
由于水轮发电机组是一个同步运行的机械整体,在对转轮进行增容改型设计时,不能使水轮机组的单位转速增加或降低过多,否则会出现参数不匹配情况,不能到达预计转轮改造设计功能效果。
4 水轮机转轮改型设计内容
水轮机转轮改型设计的关键技术是利用相关仿真软件和分析软件,结合电站实际特性,通过水力设计分析和模型仿真试验,在尽量不改变水电站水轮发电机组其它部件结构的基础上,设计出一个满足电站实际运行需求的高效稳定转轮。
4.1 水轮机出力运算分析
水轮机出力是水轮机转轮效率的重要技术指标,其具体函数表达式为:
(1)
从式(1)可知,当水轮机水头一定(恒定)、输水通道截面不变的前提下,可以通过增加水轮机组的过流能力(增加水轮机效率)和增加流量()来提高水轮机组的综合出力。从前面分析可知,现代高性能转轮其效率已经比较高,要提高一个百分点效率十分困难,因此,在水电站基本特性条件不改变的前提下,增加水轮机流量来提高水轮机综合出力是一个比较可行的方法。通过对水轮机转轮进行改型设计就能增加水轮机流量,以提高其综合出力。但同时在进行转轮改型设计时,要兼顾转轮的空化性能和机组尾水管压力脉动幅值[3]。
4.2 提高水轮机组运行稳定性
机组运行稳定性能是水轮机组运行调节性能的另一大技术指标。在进行水轮机转轮改型设计时,为了适应电站运行时水头幅值实时变化的要求,降低单位转速,从而有效提高水轮机组综合运行调节稳定性能,需要通过相关结构优化运算软件,在满足转轮机械强度的前提下,获得最优的转轮出水边几何曲线,减小转轮叶片出水边厚度,通过结构优化改变转轮叶片出水边的卡门涡振动频率,从而有效提高水轮机组运行稳定性能。
4.3 保证水轮机组空化性能技术指标
在输水管道截面不变时,通过增加流量来提高转轮的综合出力,必然会引起转轮出口动能的增加,导致转轮空化性能变恶化。因此,在转轮改型设计时,要通过改变转轮翼型几何曲线形状、转轮翼型面上的压力分布,通过减小转轮出口水流动能,有效保证水轮机组的空化性能技术指标。
5 结语
在进行水轮机转轮改型设计时,不仅要对电站实际运行特性进行详细分析研究,同时还要结合先进的技术手段,从转轮机械结构、制造加工工艺、以及转轮表面防护等方面进行系统考虑,形成完善合理的改型设计措施方案,有效提高转轮综合性能水平,保证水轮机组安全稳定、节能经济的高效运行。
参考文献
[1] 张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2] C.Rodneysehnridt,R.AlnaKerstein,Se6ttwunseh,Vebjomlisen,newaarll LES closure based on one一dimensional turbulence modeling,Joumal of Computational flows,Computer physics,2003.186(l).
[3] 王国海,陶星明.水轮机增容改造与新技术的应用[C].2001.
关键词:中小型水电站转轮设计空化性能
中图分类号:TK7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(a)-0133-01
我国早期己建成的大多中小型水电站中,由于受当时建设技术水平和综合投资资金的制约,水轮机在设计过程中主要借鉴前苏联早期的一些技术文件资料和建设经验,由于没有结合我国电站的实际地质、水质等特殊情况,从而导致绝大多数水轮发电机组普遍存在性能指标较落后、制造工艺差、选型设计不合理等问题。因此,对存在问题的中小型水电站水轮机转轮进行改型设计,已成为水电站提高其机组综合运行效率的重要技术措施,同时也是电站水动研究人员研究的一个重要课题。
1 中小型水电站水轮机运行现状
前面已经介绍了我国早期建设的大量中小型电站大多采用前苏联四五十年代的技术和资料,而且受我国机械制造工业发展较其它先进国家落后等原因的影响,水轮机制造工艺技术相对较落后。在运行过程中普遍发现存在质量较差、效率较低、水轮叶片过流能力差等问题,加上早期该类电站受当时历史政治原因的影响,很多电站的水轮机机组在制作过程中没有充分考虑电站自身特殊情况要求,而是死板硬套相关工程定型图纸,或仅是按相关水工模型试验所获得的静态结果来硬性定性设计,导致很多水轮机组在实际运行过程中水利效率不高,机组长期运行在转轮低效工况区,使得机组综合转换效率较低。另外,很多中小型电站组已经并网运行达40余年,受水力冲击、泥沙磨损等外力破坏作用,机组很多过流部件已经出现严重的损害现象,其在性能和结构等方面已不能满足水电站高效经济调节运行的需要,尤其是机组转轮叶片、导叶等过流部件,已经出现严重的汽蚀和磨损现象。转轮叶片曲线遭到严重破坏,导致机组叶片间隙增加偏离设计的高效轨迹,造成转轮综合转换效率严重下降。因此,对中小型水电站水轮机组的转轮进行改造设计,通过优化水轮机外形结构等技术手段,改善水轮机组的空蚀性能水平,增加其综合出力,有效提高其运行调节效率,将会给水电站带来巨大的社会经济效益[1]。
2 水轮机转轮改型设计可行性分析
通过计算机三维数字化仿真分析软件,自动分析水轮机转轮、叶片等过流部件的综合性能,同时设计人员还可以根据电站实际特性要求,通过相关条件约束项的设置,利用计算机高速运算分析,获得具有最大转换效率的最优水轮曲线结构,为水轮机结构改造设计提高精确可靠的数据信息。高指标性能的水轮机已经在很多水轮机转轮改造工程中得到了实际应用,其运行条件效率不断被提高,为我国中小型水电站水轮机转轮改型设计提高了重要的技术支持和丰富的转轮改造应用借鉴资料。据相关文献表明,我国水輪机转轮效率大约平均每隔10年可以提高一个百分点,一些大型水轮机组其转轮模型的能量转换效率已经普遍达到93%以上,而且在一些外部条件较优越的电站中,水轮机模型效率可以高达95%,也就是我国现有转轮设计和制造技术已经达到一个相当高的水平,与在六七十年代设计的水轮机转轮结构相比,其效率大约增加了5%～10%。随着水力发电技术研究的进一步加深,新的效率高、运行稳定性强的水轮机转轮将会在水电站中投运使用,使得对中小型水电站水轮机转轮改型和增容改造设计变为可能。
3 水轮机转轮改型设计过程中应考虑的问题
水轮机转轮改型设计是提高水电站水轮机调节运行效率的重要技术改造措施,在转轮改型设计过程中要充分考虑提高转轮运行调节效率和稳定性的多个限制因素。
3.1 水轮机特性参数
通过转轮改型设计提高水轮机转轮运行效率,必然会引起水轮机相关参数的变化,因此,必须考虑水轮机转轮效率、流量、综合出力等参数水平。同时,为了提高转轮改型设计的综合社会经济效益,应在尽量不破坏电站原有基础结构的基础上进行转轮改型设计。
3.2 水轮机和发电机参数匹配
由于水轮发电机组是一个同步运行的机械整体,在对转轮进行增容改型设计时,不能使水轮机组的单位转速增加或降低过多,否则会出现参数不匹配情况,不能到达预计转轮改造设计功能效果。
4 水轮机转轮改型设计内容
水轮机转轮改型设计的关键技术是利用相关仿真软件和分析软件,结合电站实际特性,通过水力设计分析和模型仿真试验,在尽量不改变水电站水轮发电机组其它部件结构的基础上,设计出一个满足电站实际运行需求的高效稳定转轮。
4.1 水轮机出力运算分析
水轮机出力是水轮机转轮效率的重要技术指标,其具体函数表达式为:
(1)
从式(1)可知,当水轮机水头一定(恒定)、输水通道截面不变的前提下,可以通过增加水轮机组的过流能力(增加水轮机效率)和增加流量()来提高水轮机组的综合出力。从前面分析可知,现代高性能转轮其效率已经比较高,要提高一个百分点效率十分困难,因此,在水电站基本特性条件不改变的前提下,增加水轮机流量来提高水轮机综合出力是一个比较可行的方法。通过对水轮机转轮进行改型设计就能增加水轮机流量,以提高其综合出力。但同时在进行转轮改型设计时,要兼顾转轮的空化性能和机组尾水管压力脉动幅值[3]。
4.2 提高水轮机组运行稳定性
机组运行稳定性能是水轮机组运行调节性能的另一大技术指标。在进行水轮机转轮改型设计时,为了适应电站运行时水头幅值实时变化的要求,降低单位转速,从而有效提高水轮机组综合运行调节稳定性能,需要通过相关结构优化运算软件,在满足转轮机械强度的前提下,获得最优的转轮出水边几何曲线,减小转轮叶片出水边厚度,通过结构优化改变转轮叶片出水边的卡门涡振动频率,从而有效提高水轮机组运行稳定性能。
4.3 保证水轮机组空化性能技术指标
在输水管道截面不变时,通过增加流量来提高转轮的综合出力,必然会引起转轮出口动能的增加,导致转轮空化性能变恶化。因此,在转轮改型设计时,要通过改变转轮翼型几何曲线形状、转轮翼型面上的压力分布,通过减小转轮出口水流动能,有效保证水轮机组的空化性能技术指标。
5 结语
在进行水轮机转轮改型设计时,不仅要对电站实际运行特性进行详细分析研究,同时还要结合先进的技术手段,从转轮机械结构、制造加工工艺、以及转轮表面防护等方面进行系统考虑,形成完善合理的改型设计措施方案,有效提高转轮综合性能水平,保证水轮机组安全稳定、节能经济的高效运行。
参考文献
[1] 张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2] C.Rodneysehnridt,R.AlnaKerstein,Se6ttwunseh,Vebjomlisen,newaarll LES closure based on one一dimensional turbulence modeling,Joumal of Computational flows,Computer physics,2003.186(l).
[3] 王国海,陶星明.水轮机增容改造与新技术的应用[C].2001.