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轴伸贯流式水轮机性能分析与技术改造

张庆  
【摘要】: 我国的低水头资源十分丰富,随着能源消费需求快速增长,供需矛盾等问题,合理、高效地开发低水头资源已成为迫切需要;贯流式水轮机因其过流量大,转速高,效率高,且高效区宽,结构紧凑,布置简单等优点成为开发低水头水能资源的一种最经济、适宜的水轮机型式;小水电除了具有水电的无污染、成本低廉、利用的是可再生的能源而无枯竭之虑等优点外,还具有对生态环境负面影响小,技术成熟,易于修建,投资少,见效快,资源分散等独具的优势。小水电的开发,对于加速农村电气化、现代化社会主义新农村建设,促进精神文明,构建和谐社会都具有重要的意义和积极的促进作用。但在目前的低水头小水电水力资源的开发中,还存在着许多不足和尚需完善之处。如,低水头段的水力模型很少,优秀的水力模型就更少;有限的已有水力模型的技术指标及其运行性能也有待于进一步提高。因而难以针对水力资源的具体水能参数合理、有效地开发利用。为此,根据现实和工程的需要,本文选择了低水头中小型水能资源开发所用的机型——贯流式水轮机进行水力模型的开发及其性能研究。 文中针对某水电站原选用的GD008-WZ-140轴伸贯流式水轮机运行中存在的出力不足,并伴随有振动和噪声等不能正常运行的问题,几经现场探查与测试,基本排除电气与机械原因后,决定从水力分析入手,采用CFD数值模拟的方法与手段,依据该电站原单机设计参数对水轮机过流全通道进行了不同叶片安放角、多工况点的流场数值模拟;再通过对计算结果的分析、比较,寻找产生问题的原因,从而寻求解决问题的办法。经不同条件下的各工况流场计算与分析,初步表明原机组运行中之所以出现上述问题,其主要原因是水力因素所致,即原所选用的水力模型及制造中均存在着一定缺陷,致使转轮叶片与翼型在机组运行范围内的流场分布不相适应:原叶片由翼展中部至轮缘处,叶栅稠密度偏小的程度愈来愈大;导叶出水角与叶片的进水角不相适应,从而产生负冲角,使容积损失、水力损失增大,效率显著下降。制造中的导叶也改变了原来的翼型等;因而,该机组在该电站的水力参数下不达到额定出力,并运行中伴随有较强的振动和噪声。 转轮是水力发电机组中直接进行能量转换的部件,它的性能如何基本上决定了整台机组性能的好坏;所以,转轮是水轮发电机组的心脏,是最关键部件。基于此,再加之电站的改造经费与工期的限制,因而,该机组的技术改造主要、也只能是针对转轮进行。本文依据产生问题的主要原因确定了翼型、叶片和整体转轮技术改造的基本思路:对原叶片由翼展中部至轮缘处的翼型分别进行适当延长即增大从翼展中部至轮缘处的叶栅稠密度;并调整了翼型头部翼型角及翼型厚度沿翼展方向的变化规律和叶片安放角;以使其更适合流场的分布和能量转换的需求。 遵循上述改造思路和拟定的实施方案,依据模拟结果对原叶片的木模图进行了翼型与叶片的修型与改造。通过CFD技术对转轮配以原过流通道进行全流道各工况的反复数值模拟、分析、修型以及性能预测,结果表明,该改造方案完全可行,达到性能指标要求;因而依此进行了翼型与叶片的修型,在不改变原安装尺寸的条件下,实施了对整个转轮的改造。将该改造的新转轮安装于电站原机位经试运行结果表明:机组出力达到并可超出原设计指标要求;振动和噪声明显减弱,噪声由95db(A)降低为83db(A)左右,振动亦基本消除。 由此可见,不仅本项目的转轮改造是成功的;而更重要的是,通过该项实际机组改造项目再次有力地证明了:基于CFD分析的叶片式流体机械的叶片修形及其修形的方法是有的放矢,易于实现改造或改进的目标;有助于水电站设计参数的选择和优化,以及过流部件的优化设计;对新水力模型的开发及对已有水电站机组的更新、改造有着很高的实用价值与重要的现实意义和工程意义。 作者虽在转轮改造和CFD计算中取得了一定的成果,但改造后转轮的最高效率仍与国际先进水平相差较大;数值模拟技术和方法,尤其上湍流模型的研究的欠缺等,都有待进一步学习、研究和提升。


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