映秀灣電站水輪機(jī)改造

王昌林

(映秀灣水力發(fā)電總廠，四川都江堰611830)

1 概述

映秀灣電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的岷江上游左岸，電站設(shè)計(jì)水頭54 m，最高運(yùn)行水頭66 m，最低水頭47 m，設(shè)計(jì)最大引用流量為240 m3/s。原初步設(shè)計(jì)電站裝機(jī)容量為3×37 MW，實(shí)際裝機(jī)容量為3×45 MW，實(shí)際最大發(fā)電能力為115 MW。電站采用徑流引水方式，河流多年平均含沙量為0.72 kg/m3，多年平均過(guò)機(jī)含沙量為0.33～0.37 kg/m3。電站三臺(tái)機(jī)組全部為哈爾濱電機(jī)廠制造，第一臺(tái)機(jī)組于1971年9月投產(chǎn)發(fā)電，電站于1972年全部竣工。

原水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù):

水輪機(jī)型號(hào):HL002－LJ－410

轉(zhuǎn)輪型號(hào):A36

最大水頭Hmax:66 m

最小水頭Hmin:47 m

額定水頭Hr:54 m

額定出力Pr:46.7 MW

額定流量Qr:98 m3/s

額定轉(zhuǎn)速nr:125 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速nR:250 r/min

吸出高度Hs:－0.5 m

最高效率:91.7%

導(dǎo)葉分布圓Do/D1:1.158 5

導(dǎo)葉高度bo/D1:0.25

尾水管高度h/D1:2.725

蝸殼包角φ:350°

2 原水輪機(jī)在運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題

映秀灣電站始建于1966年8月，1971年9月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，運(yùn)行至今已有40余年。由于機(jī)電設(shè)備為20世紀(jì)60年代的產(chǎn)品，水輪機(jī)的性能指標(biāo)較低。雖然水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選用的是從日本引進(jìn)的鏡泊湖轉(zhuǎn)輪、在60年代末期由哈爾濱電機(jī)廠自行設(shè)計(jì)制造的混流式水輪機(jī)機(jī)組，但是，由于受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的限制，轉(zhuǎn)輪沒(méi)有進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)控加工，導(dǎo)致水輪機(jī)效率設(shè)計(jì)值偏低;其次，映秀灣電站所處岷江河段屬山區(qū)河流，流經(jīng)水輪機(jī)過(guò)流部件的水流中含有大量泥沙。根據(jù)水文資料，電站所在的岷江河流中，多年平均含沙量為0.72 kg/m3，進(jìn)入沉沙池的多年平均含沙量約為0.41～0.45 kg/m3，泥沙平均粒徑為0.123 mm，中等粒徑為0.058 mm。特別是“5·12”汶川地震后，水流中的泥沙含量更大，從而造成水輪機(jī)過(guò)流部件泥沙磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)組檢修周期和壽命大大縮短;第三，映秀灣電站原轉(zhuǎn)輪采用2OSiMn鑄成，只是在轉(zhuǎn)輪葉片下部的背面和正面以及下環(huán)的內(nèi)表面堆焊或鋪焊有3 mm厚的Gr5Cu材料，沒(méi)有采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕能力較差，致使大修后水輪機(jī)效率快速降低;第四，轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過(guò)多次大修補(bǔ)焊、鏟磨，葉片變形嚴(yán)重，局部已呈蜂窩狀且多處出現(xiàn)裂紋;第五，多年統(tǒng)計(jì)資料表明，電站的引用流量很少達(dá)到水輪機(jī)設(shè)計(jì)的額定流量，機(jī)組長(zhǎng)期在大大低于設(shè)計(jì)的額定工況下運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)大、穩(wěn)定性差，從而大大降低了水輪機(jī)效率。

3 水輪機(jī)改造的目標(biāo)

在現(xiàn)有水工建筑物和水輪機(jī)埋入部件基本不變的條件下，通過(guò)運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值求解(CFD)技術(shù)分析設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工制造，使改造后的水輪機(jī)達(dá)到以下目標(biāo):

(1)在不增加過(guò)流能力的情況下，通過(guò)提高水輪機(jī)效率，提升電站的發(fā)電能力。

(2)提高水輪機(jī)抗磨蝕能力，延長(zhǎng)機(jī)組大修周期至8 a以上。

(3)提高機(jī)組的水力穩(wěn)定性。

4 轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)與CFD分析

4.1 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪的選擇

映秀灣電站最大水頭Hmax=66 m，額定水頭Hr=54 m，最小水頭Hmin=47 m。從對(duì)電站近年來(lái)水輪機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)得知，機(jī)組主要運(yùn)行在兩個(gè)區(qū)域:一個(gè)是汛期，低水頭(47～48 m)三臺(tái)機(jī)運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況為38～40 MW;另一個(gè)是枯水期，高水頭(57～58 m)運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)帶60%～100%負(fù)荷。表1為根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況得出的不同水頭、不同負(fù)荷的加權(quán)因子。

表1 加權(quán)因子表

根據(jù)電站水頭和改造前A36轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線，得出電站改造前水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域圖，各特征水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速見表1。

由于映秀灣電站受引水隧洞限制，三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)引用流量不能達(dá)到設(shè)計(jì)額定流量，故機(jī)組不需要提高過(guò)流能力來(lái)增容，只要求提高水輪機(jī)效率，改善機(jī)組的穩(wěn)定性，提高水輪機(jī)抗磨蝕能力。因此，電站的改造最終選擇哈爾濱大電機(jī)研究所最新開發(fā)的A982轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪經(jīng)過(guò)哈爾濱大電機(jī)研究所高水頭試驗(yàn)臺(tái)模型試驗(yàn)得知，其能量指標(biāo)及空化、壓力脈動(dòng)等性能指標(biāo)均達(dá)到很高的水平，并且經(jīng)過(guò)了北京水科院同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)的檢驗(yàn)。

4.2 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982性能指標(biāo)

A982轉(zhuǎn)輪不僅具有較高的能量指標(biāo)，而且空化和壓力脈動(dòng)等指標(biāo)也非常理想。A982轉(zhuǎn)輪基本能量參數(shù)見表2(相應(yīng)于模型轉(zhuǎn)輪直徑D1)。

表2 A982轉(zhuǎn)輪基本能量參數(shù)表

A982轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)最大值出現(xiàn)在錐管上游0.3 D2處，在n11=66.5～76.8 r/min，Q11=450～1 000 L/s范圍內(nèi)，錐管上游壓力脈動(dòng)幅值＜7%。從模型壓力脈動(dòng)判斷，A982轉(zhuǎn)輪運(yùn)行穩(wěn)定性非常優(yōu)秀，并且在A982轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)的新轉(zhuǎn)輪A606c葉片形狀基本能夠保持不變。

4.3 轉(zhuǎn)輪軸面對(duì)比

實(shí)施轉(zhuǎn)輪軸面對(duì)比的目的是比較A982轉(zhuǎn)輪在映秀灣電站真機(jī)安裝中與原結(jié)構(gòu)件的關(guān)系，它將決定改造工程量的大小。

圖1 新轉(zhuǎn)輪A606c與A36、A982軸面比較圖

從圖1可見:

(1)A982轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉高度bo/D1為0.288，映秀灣電站水輪機(jī)的導(dǎo)葉高度bo/D1為0.25。

(2)通過(guò)將A982轉(zhuǎn)輪上冠下壓，即導(dǎo)葉高度由0.288降低到0.25，如圖1中軸面流道所示，成為新轉(zhuǎn)輪A606c的軸面流道。顯然，在A982基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)得到的新轉(zhuǎn)輪A606c，比A982流量減小，在盡量保持原A982葉片形狀不變的前提下，基本適合于映秀灣電站的參數(shù)要求。

(3)A982轉(zhuǎn)輪下環(huán)軸面高度以及轉(zhuǎn)輪出口直徑D2與A36基本吻合，故決定采用A982做基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪的方案可使映秀灣電站原錐管保持不變，從而不增加改造工程量。

4.4 轉(zhuǎn)輪的CFD分析

4.4.1 流態(tài)分布比較

從對(duì)新舊轉(zhuǎn)輪在各工況下的CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析看，新轉(zhuǎn)輪A606c葉片工作面和背面壓力分布均勻，特別是背面壓力分布明顯好于A36轉(zhuǎn)輪。在最小水頭、額定出力工況下，新轉(zhuǎn)輪葉片頭部正面速度矢量分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)葉片進(jìn)口頭部水流撞擊產(chǎn)生的回流現(xiàn)象，整個(gè)液道間流線分布合理。在最大水頭、額定出力工況下，新轉(zhuǎn)輪葉片頭部背面速度矢量分布均勻，同樣沒(méi)有出現(xiàn)葉片進(jìn)口頭部水流撞擊產(chǎn)生的回流現(xiàn)象。通過(guò)多工況CFD分析結(jié)果可以預(yù)計(jì)，葉片正、背面脫流在映秀灣電站水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)基本不會(huì)出現(xiàn)，流態(tài)分布的均勻性將對(duì)整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定性非常有利。

4.4.2 數(shù)值效率比較

數(shù)值計(jì)算著重比較了額定水頭H=54 m(相應(yīng)單位轉(zhuǎn)速n11=71.1 r/min)時(shí)的不同流量工況點(diǎn)。從圖2數(shù)值效率比較結(jié)果可知，在不同工況下，A606c數(shù)值效率比A36提高了2.5%以上，比改型基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982提高了0.3%左右。

圖2 轉(zhuǎn)輪數(shù)值效率比較圖

圖3 轉(zhuǎn)輪數(shù)值效率與導(dǎo)葉開口關(guān)系圖

映秀灣電站原導(dǎo)葉為正曲率型導(dǎo)葉，而基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982通道中的導(dǎo)葉也為正曲率型。從圖3中可以看出，相應(yīng)于模型轉(zhuǎn)輪下，A36最優(yōu)開口在17 mm附近，而A982和改型后的轉(zhuǎn)輪A606c最優(yōu)開口在16 mm附近，并且以上各轉(zhuǎn)輪單位流量的計(jì)算結(jié)果與從葉片幾何出口面積的比較得出的單位流量相對(duì)大小非常吻合。

4.4.3 葉片表面最低壓力比較

在計(jì)算各個(gè)過(guò)流部件中，壓力最低點(diǎn)常發(fā)生在轉(zhuǎn)輪出口，這意味著該區(qū)域是最有可能發(fā)生空化的。圖4為對(duì)新舊轉(zhuǎn)輪各工況計(jì)算時(shí)葉片表面最低壓力值比較，其計(jì)算壓力零點(diǎn)設(shè)在葉片進(jìn)口附近。

圖4 葉片表面最低壓力值比較圖

n11=71.1 r/min相應(yīng)于映秀灣電站額定水頭54 m。計(jì)算結(jié)果表明，在額定水頭下，無(wú)論是低負(fù)荷工況、最優(yōu)工況還是額定工況，A606c葉片表面最低壓力與A36相比明顯得到提高;A606c與改型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982相比，在流量相同的條件下，最低壓力基本相當(dāng)。由于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982相應(yīng)于映秀灣電站參數(shù)條件下的空化裕度較大，改型后葉片表面最低壓力值的提高和壓力值分布的更加均勻，將會(huì)使轉(zhuǎn)輪空化性能比原A36有很大改善。

4.4.4 轉(zhuǎn)輪葉片出口環(huán)量比較

葉片出水邊環(huán)量的變化影響轉(zhuǎn)輪出口渦帶的變化，一般情況下，水輪機(jī)在最優(yōu)工況點(diǎn)為法向出口時(shí)，出口環(huán)量基本為零或出口環(huán)量較小。因此，控制出口環(huán)量，可以適當(dāng)控制出口旋轉(zhuǎn)渦帶的產(chǎn)生。在轉(zhuǎn)輪出口為法向出口時(shí)，環(huán)量為零，此時(shí)為無(wú)渦帶;在特性曲線最優(yōu)工況的左側(cè)，出口環(huán)量為正，此時(shí)渦帶為旋轉(zhuǎn)渦帶，為不穩(wěn)定渦帶;在特性曲線最優(yōu)工況的右側(cè)，出口環(huán)量為負(fù)，此時(shí)渦帶為柱型渦帶，為穩(wěn)定渦帶。出力限制線流量與最優(yōu)流量之比越大，水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域越大。故適當(dāng)減小葉片出水邊環(huán)量，可以擴(kuò)大水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。圖5為A36和A606c在各自的最優(yōu)工況和額定水頭、額定出力工況轉(zhuǎn)輪葉片出水邊環(huán)量分布的比較情況。

由比較得知，改型后A606c轉(zhuǎn)輪葉片出水邊環(huán)量在最優(yōu)工況和額定水頭、額定出力工況下均比A36有所減小，特別是靠近上冠附近出口環(huán)量的降低比較明顯。而葉片靠近上冠附近出口環(huán)量對(duì)轉(zhuǎn)輪出口至尾水管渦帶的影響較大。由此可以判斷，A606c轉(zhuǎn)輪出口旋轉(zhuǎn)渦帶的強(qiáng)度將會(huì)有所降低，從而降低尾水管壓力脈動(dòng)幅值，且其水力穩(wěn)定性亦會(huì)得到改善。

圖5 轉(zhuǎn)輪葉片出口環(huán)量比較圖

4.4.5 流速比較

經(jīng)CFD分析表明，葉片區(qū)流速最高的位置在葉片背面出口與轉(zhuǎn)輪下環(huán)附近(圖6)。圖7和圖8是映秀灣電站原型轉(zhuǎn)輪A36和A606c轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速量化分析的比較結(jié)果。

圖6 葉片表面相對(duì)流速最大的位置示意圖

圖7 最優(yōu)工況相對(duì)速度比較圖

圖8 額定水頭、額定出力工況相對(duì)速度比較圖

圖9 蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角比較圖

從圖中可以看出，A606c轉(zhuǎn)輪葉片出口附近位置的相對(duì)流速在上述兩個(gè)工況下，分別比原A36降低10%左右，具有較好的抗磨蝕性能。

5 蝸殼的CFD分析

根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果計(jì)算了蝸殼內(nèi)直徑為558.3 mm(模型尺寸D1=350 mm)圓周(固定導(dǎo)葉外切圓)上的出流角。蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角的比較情況見圖9。

從計(jì)算結(jié)果得知，在整個(gè)蝸殼包角范圍內(nèi)，蝸殼出流角變化從23.1°～31°，角度變化范圍為8°左右。蝸殼內(nèi)流態(tài)分布也顯示出蝸殼壓力分布、流線均勻合理。由此表明，映秀灣電站蝸殼CFD計(jì)算結(jié)果是比較理想的。從圖10可以看出，固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角約為27°，與蝸殼的匹配基本合適。

6 固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的CFD分析

圖10為轉(zhuǎn)輪計(jì)算得出的導(dǎo)葉最優(yōu)開口與固定導(dǎo)葉的幾何匹配情況。從圖中可以清楚地看出，改造后的轉(zhuǎn)輪A606c與正曲率導(dǎo)葉匹配的最優(yōu)開口(16 mm)時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口角約為25.9°，而映秀灣電站固定導(dǎo)葉出口角為24.3°，其最優(yōu)匹配關(guān)系很好。由此可以從固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉幾何位置關(guān)系上判斷，映秀灣電站原固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉匹配情況是合理的。

圖10 活動(dòng)導(dǎo)葉最優(yōu)開口與固定導(dǎo)葉幾何關(guān)系圖

為了進(jìn)一步分析導(dǎo)葉區(qū)域流場(chǎng)分布情況，同時(shí)還做了固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的CFD聯(lián)合計(jì)算分析。

從導(dǎo)葉CFD分析結(jié)果看，最優(yōu)開口下，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口頭部壓力駐點(diǎn)基本位于導(dǎo)葉頭部中間附近，速度矢量、流線分布均勻，說(shuō)明轉(zhuǎn)輪計(jì)算最優(yōu)開口時(shí)導(dǎo)葉區(qū)域流態(tài)分布良好。

根據(jù)CFD分析結(jié)果，計(jì)算了不同開口導(dǎo)葉區(qū)的水頭損失，并以數(shù)值效率的形式表示于圖11。

圖11 導(dǎo)葉區(qū)域數(shù)值效率示意圖

從圖中可以看出，導(dǎo)葉區(qū)水頭損失最小的開口為17 mm左右，也就是說(shuō)，固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉聯(lián)合計(jì)算的最優(yōu)開口與活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計(jì)算的最優(yōu)開口是基本一致的，說(shuō)明改造后的轉(zhuǎn)輪A606c用于映秀灣電站與其它通流部件的匹配關(guān)系是合適的。

7 預(yù)想曲線

本次映秀灣電站改造經(jīng)CFD分析設(shè)計(jì)選擇的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪為A982，其基本參數(shù)比較適合映秀灣電站的參數(shù)條件。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，使改型后的A606c轉(zhuǎn)輪性能指標(biāo)得到進(jìn)一步提高。考慮到映秀灣電站通道和A982通道中異型部件的影響(映秀灣電站蝸殼真機(jī)尺寸在X和Y方向分別比A982蝸殼小914.9 mm和865.7 mm;映秀灣電站尾水管高度為2.725 D1，A982尾水管高度為2.81 D1)，綜合特性曲線需根據(jù)CFD分析的結(jié)果扣除一些效率，由此得出映秀灣電站水輪機(jī)改造的預(yù)想曲線見圖12。

圖12 水輪機(jī)綜合特性曲線圖

8 結(jié)語(yǔ)

在基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982上改型設(shè)計(jì)得到的新轉(zhuǎn)輪A606c相對(duì)于A36轉(zhuǎn)輪存在的問(wèn)題，新轉(zhuǎn)輪速度矢量、流態(tài)分布更加合理，各個(gè)工況下轉(zhuǎn)輪的數(shù)值效率均得到了提高，葉片表面壓力分布有了明顯的改善，同時(shí)，葉片表面最低壓力也有所提高，轉(zhuǎn)輪葉片出口環(huán)量分布更加合理，轉(zhuǎn)輪葉片出口區(qū)流速得到了降低，并且蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角的匹配也很合理，固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)開口匹配關(guān)系亦良好。

綜上所述，映秀灣電站水輪機(jī)改造選用A606c轉(zhuǎn)輪替代原A36轉(zhuǎn)輪方案，能夠滿足電站提高水輪機(jī)效率、穩(wěn)定性和延長(zhǎng)大修周期的目的。該方案還能保證活動(dòng)導(dǎo)葉翼型不變，尾水錐管不變，進(jìn)而可以降低水輪機(jī)改造工程量及工程造價(jià)。