水輪機穩定性設計優化思考

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摘要:本文結合某大型高水頭混流式水輪機的參數以及實際運行情況，依托對轉輪、活動導葉的優化設計，完成了該水輪機的穩定性設計優化。在此基礎上，使用模擬運行與試驗的方式分析了優化結果，證實了該優化設計方法的有效性。

關鍵詞:高水頭;混流式水輪機;穩定性

在我國當前的水力發電中，混流式水輪機的使用范圍更廣，同時，為了更好滿足人們實際的用電需求，混流式水輪機不斷向著水頭與單機容量擴大的方向發展。在這樣的情況下，水力發電站更加傾向于使用大型高水頭混流式水輪機，為了確保實際生產的安全，對這種水輪機進行穩定性方面的優化設計極為必要。

一、某大型高水頭混流式水輪機的情況概述

某水力利發電站使用的大型高水頭混流式水輪機的單機容量達到600兆瓦，總裝機容量在4800兆瓦，保證出力1972兆瓦。其中，應用的大型高水頭混流式水輪機主要參數如下:額定水頭為288米、設計水頭為295米、額定轉速為每分鐘166．7轉、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%、比轉速為109．72m•kW、轉輪葉片數為長葉片15個與短葉片15個。依托對主要參數的分析能夠看出，該大型高水頭混流式水輪機使用了相對穩妥的設計，有著較高的空化性能。對該大型高水頭混流式水輪機展開模型驗收，結果顯示該水輪機的各項水力性能均達到預期，且運行中不存在破壞性強的渦帶。為了進一步提升本水力發電站機組運行的安全性與穩定性，筆者對相應大型高水頭混流式水輪機展開了穩定性方面的設計優化。

二、大型高水頭混流式水輪機穩定性優化設計實踐

(一)轉輪優化設計。總體來看，大型高水頭混流式水輪機的運行中，穩定性下降的主要原因包括:運行中轉輪與導葉之間發生了動靜干涉;導葉出口發生脫流［1］。基于這樣的情況，需要在優化過程盡可能消除動靜干涉，并避免導葉出口脫流問題的發生，以此達到提升大型高水頭混流式水輪機運行穩定性的效果。在本次優化設計中，主要結合本水力發電廠中水輪機的實際情況，對轉輪結構展開了調整，具體操作包括:對轉輪進口的直徑展開合理下調，以此促進無葉區間距的增大;為了避免飛逸轉速發生過大的問題，將轉輪進口直徑的下調大小控制在合理范圍內，多次計算發現，減少0．2%即可達到無葉區間距增大與飛逸轉速控制之間的平衡;調整子午面上進水邊的形狀，將其轉變為圓弧形，并將平均進口直徑降低1．4%、中間截面位置的直徑下調2%。(二)活動導葉優化設計。為了最大程度消除由導葉出口脫流造成的水輪機運行穩定性下降問題，筆者還在穩定性設計實踐中對該大型高水頭混流式水輪機的活動導葉展開了優化調整，具體的操作如下:對活動導葉壓力側的型線展開調整，使得下緣范圍擴大、上緣范圍所有減少;將導葉分布圓的直徑從原有的7360毫米調整至7404毫米，促使無葉區間距進一步增大。(三)成果分析。本次穩定性優化設計中，主要應用了數值模擬與模擬試驗的方法確定大型高水頭混流式水輪機穩定性優化設計的效果，確保優化措施的科學性與合理性。主要對比了優化前后同一水輪機的性能與內部流場。其中，水輪機性能使用了動態應力與運行效率兩指標完成評價［2］。對甩負荷工況、剪斷銷剪短工況、全關工況下水輪機優化前后的動態應力進行分析與對比，得到的結果具體如下:在甩負荷工況下，優化前的水輪機的動態應力為370MPa、優化后的動態應力為315MPa;在剪斷銷剪短工況下，優化前的水輪機的動態應力為529MPa、優化后的動態應力為472MPa;在全關工況下，優化前的水輪機的瞬時動態應力為332MPa、優化后的瞬時動態應力為292MPa。能夠看出，在優化后，水輪機在不同工況下的動態應力均下降，使得機組葉片受損概率減小，提升了運行穩定性。對活動導葉在優化前后的水中自振頻率進行分析與對比，結果顯示:在優化前，活動導葉水中自振頻率為74．1Hz、與激振頻率的安全余量為-11．1%;在優化后，活動導葉水中自振頻率為70．4Hz、與激振頻率的安全余量為-15．6%。能夠看出，優化設計后，活動導葉的自振頻率與發生共振的概率均有所下降。對優化前后的水輪機運行效率進行對比，得到的結果如下:優化前，水輪機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%;優化后，水輪機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%。對比發現，調整后并不會影響水輪機的運行效率。對比額定工況條件下優化前后的導葉壓力分布情況能夠發現，在優化后，無葉區的壓力脈動有所下降，整個水輪機的內部流動性更好，不存在明顯的脫流與撞擊，達到了運行穩定性增強的效果。

三、總結

綜上所述，通過下調轉輪進口的直徑、調整子午面上進水邊的形狀、提升導葉分布圓的直徑、對活動導葉壓力側的型線展開調整，即可完成大型高水頭混流式水輪機的穩定性提升。模擬實驗分析結果顯示，這樣的優化調整不會影響水輪機的運行效率，且達到了增強水輪機運行穩定性的效果。

參考文獻:

［1］張梁．大型高水頭混流式水輪機的穩定性設計優化［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技術在南椰2電站的應用［J］．紅水河，2018，37(01):24-28．

作者:詹詩文 單位:浙江富春江水電設備有限公司