高水頭混流式水輪機水力結構的開發與原型試驗

[德國] A.W.奧托 等

高水頭混流式水輪機水力結構的開發與原型試驗

[德國] A.W.奧托 等

描述了高水頭混流式機組在水力和機械開發方面的某些關鍵點。這些關鍵點表明，作為近年來設計過程細化的結果，在早期設計階段，采用數值方法預測動態特性是可能的。給出了最新的原型試驗結果，并同時與數值分析和模型試驗結果進行了比較。對項目的開發背景及其必要性、試驗模擬過程以及優化設計等作了介紹。

高水頭;水力結構;結構開發;混流式水輪機

與中、低水頭的混流式水輪機相比，高水頭混流式水輪機不僅具有較高的靜載荷，而且還具有不同的流動方式和較高的動載荷。在開發一臺高水頭水輪機的過程中，設計者必須面對各種挑戰，其中包括水力性能、水力系統動力學、機械強度以及安全性能的限制，對于水力性能方面的解決措施包括結構研究和制造處理等，這些都必須加以考慮。

在過去幾年，已經在開發高效水輪機方面取得了顯著進步。然而，高水頭混流式水輪機的特性有時會引起轉輪葉片的破壞。

近年來，針對這些現象開展了廣泛的研究。為了避免對葉片造成破壞，必須采取以下措施：①要從設計上提出改進方法;②應將制造質量提高到一個嶄新的水平以保證達到設計要求。按照這種思路，可推廣所謂的定制水輪機，以確保其在服役期內能夠安全運行。

近些年來，伏伊特水電公司開發交付了幾臺高水頭混流式水輪機，其最大毛水頭達557m，其中幾臺大機組的最大單機容量達659 MW。

1 背 景

混流式機組是一類常見的水力機組，其應用水頭和尺寸可出現較大的變化。但很明顯的是，根據不同的水頭、轉速及尺寸，混流式水輪機可因其水力形狀和載荷的不同而會有顯著的不同，進而也導致其機械設計不同。

對1臺高水頭水輪機來說，相對于水頭而言，流量是相當低的，對應于其水力形狀的一個主要特性參數是比轉速，nq=nQ0.5/H0.75,顯然，其值較低。所以，高水頭水輪機也被稱為低比速水輪機。圖1所示為比速與原型水頭之間的關系。根據地形及水文條件，一般來說，高水頭的廠址流量較低，結果是在高水頭條件下，水輪機尺寸較小。然而，最近有一工程，在水頭直到318.8 m的情況下，流量仍然非常大，從而導致在電廠規劃中要求多臺非常巨大的高水頭混流式機組。

比較2臺尺寸近似的高水頭和低水頭水輪機，即可發現其明顯的差別。其中，高水頭水輪機比速為30，低水頭水輪機比速為80，見表1。2臺水輪機的轉輪尺寸近似，然而，高水頭水輪機必須承擔較高的壓力并發更多的電。

對于300 m及以上的水頭，水輪機及轉輪的設計傾向于徑向設計，與中低水頭的設計相比，這就導致了導葉與轉輪葉片進水邊之間的距離較小。在這種情況下，定子與轉子之間的相互作用(RSI)會使轉輪產生強大的動態激勵，因而必須在機械設計中加以考慮。

由于徑向尺寸加長，高水頭混流式轉輪一般進口高度較小，與較低水頭的混流式水輪機相比，相鄰葉片在出口邊的距離也非常小，這些逼窄處使焊接打磨時不易接近，導致制造處理更難，即使是大機組也會存在同樣的問題。如果轉輪帶有輔助分流葉片，即主葉片之間的短葉片，那么，要想接近逼窄處則更難。

2 近期研發并交付的高水頭混流式機組

近年來，伏伊特水電公司已交付了幾臺高水頭混流式水輪機，其最大水頭大于300 m，見圖2。在這些水輪機的設計中，大多數水頭分布在最大達500 m以上的范圍，機組容量分布在最大約100 MW的范圍，轉輪直徑分布在最大達2.5 m的范圍。只有一臺大容量機組例外。

2.1 研發、制造與交付

以一臺高水頭混流式水輪機為例，來描述其從水力和機械設計到運行一段時間后進行檢驗的整個研發過程。研發的最終目標是在綜合考慮水力性能、機械強度和制造程序等所有因素的基礎上，最終找到一個最優方案。

2.2 水力翼形的設計

水力設計主要是進行幾何設計和流量分析，在借助于現有的計算方法進行流量分析的基礎上，提出針對電廠邊界條件的優化設計方案。所開展的水輪機轉輪分流葉片影響的數值研究工作，實際上是針對最大水頭和額定容量下的運行工況進行的CFD分析，該分析是將速度矢量投影到旋轉的表面，該表面的長度固定不變，為轉輪上冠到下環間距的50%。結果表明，與無分流葉片的轉輪相比，分流葉片減小了葉間流道中速度的變化，提供了更平穩的水流分布，正是由于這種平穩的水流動，使帶分流葉片的轉輪比無分流葉片的轉輪效率更高。

2.3 模型試驗

為了研究實際運行狀態，必須進行模型試驗。

圖3所示為2個轉輪的模型試驗結果，其中一個帶有分流葉片。2個轉輪安裝在同一個試驗臺上，并使用同一個蝸殼、導水機構及尾水管。顯然，分流葉片對效率的影響是正向的，2臺轉輪的壓力脈動非常相似。在部分負荷下，帶分流葉片的轉輪的壓力脈動略小，表明潛在的流速分布更平穩。

2.4 利用先進的數值分析法預測動態響應

高水頭混流式水輪機的動態激勵，基本上是受定子與轉子相互作用(RSI)所誘導的壓力脈動而引起的。對于運行在最優工況點或滿負荷下的低比速水輪機來說，由RSI誘導的動應力大約要占總動應力的80%。

近年來，通過原型測試和高級數值分析，一直在對RSI進行研究。對相關的數值分析程序，包括非恒定的CFD分析和水中諧波響應分析等程序，也一直在不斷地開發研究，并將其結果與原型試驗結果進行比較，以使其能夠準確地預測原型動應力，并最終為優化動態設計提供可靠的工具。

在試驗過程中，采用遙測系統配合應變計進行應力測量。開發該系統的目的是為了使測量信號的非接觸傳輸成為可能，即通過使用一臺固定在旋轉系統(轉輪)上的發射器和一臺布置在靜止系統上的接收器來完成。如果軸是空心的，該信號可通過空氣傳輸；如果軸是實心的，那么該信號則可通過水傳輸。

對RSI誘導應力的數值進行預報的方法相當復雜，其中，非恒定的CFD分析用于確定導葉與轉輪之間的無葉區域的壓力脈動。沿時間和空間展開的壓力脈動的傅里葉級數，表明了基本的壓力模式形狀及其幅值。通過對整個轉輪結構在水中的諧波響應進行分析，可得到由RSI誘導的轉輪的動態響應，結果包括主激勵頻率與共振頻率的差值及動應力。這種分析方法是基于聲波——流體結構干涉方法(FSI)。

該程序已應用于各種比速轉輪的測量，而且已與原型應變測量結果進行過比較，其中包括一臺nq=20的高水頭混流式水輪機。對應變是采用6位應變片測量，為了識別定子與轉子相互作用而引起的動應力所占的比例，僅考慮了轉輪的導葉通過頻率(GPF)的幅值，因而，測量信號主要是圍繞GPF濾波。比較結果表明，數值計算結果與測量結果相當一致，這就表明，采用該程序進行未來的新項目設計計算將成為可能。

2.5 機械設計

對于水頭大于250～300 m的機組，其機械設計準則與中、低水頭的機組是不同的，它強調的是動應力的優化、振動及允許變形，而不是針對整體的剛度及最小偏轉。

同時，由于要面對高水頭轉輪典型的高交變載荷，還應進行疲勞分析。這些交變載荷常見于高水頭機組用作調峰運行的情況，此時，機組啟停次數較多，而且由RSI引起的壓力脈動總是存在，這就要求在機械設計中，除了應考慮預期壽命以外，還必須考慮足夠的強度以抵抗這些載荷而不至出現失效或裂紋。此外，還必須開展研究以確定是否存在由水力或機械共振所引起的問題。

2.6 水力—結構設計優化

綜上所述，機械與穩定性研究從一開始就必須與水力設計保持一致。這就要求在整個開發過程中，水力與機械設計應時刻保持平行作業。水力和機械作業組是緊密聯系的，在進行模型試驗之前，必須檢查水力部分的作業狀況，以確認它們能夠滿足原型水輪機的機械限制條件。

2.7 不同尺寸轉輪的制造程序

通常，高水頭混流式水輪機的可達度有限，相對于整個轉輪尺寸，其進口高度非常窄小，葉片相當長，不論大型和小型水輪機，相鄰葉片之間的距離都很小。伏伊特水電公司已生產出了各種尺寸的高水頭混流式水輪機，因而具備了選擇合適的制造程序的經驗。

傳統的組裝方法是將單個的轉輪葉片焊接到轉輪上冠和下環上。如果需要修改其進口，就有可能沿周向來割裂轉輪的上冠或下環，當然還可進一步通過割開轉輪葉片來修改進口。

2.8 質量控制

為了適應各種個別的機械載荷，必須具有較高的質量標準。這些標準必須包括對各種水力表面和出口公差、表面糙度和材料方面的要求，以及非破壞性試驗條款和一些其他的條款。質量是按最新的研究成果定義的，并據此控制整個制造過程。

2.9 交 付

在交付之前，應將全尺寸機械的動態數據與研發期間獲得的模型試驗結果進行比較。在驗收試驗期間，水輪機必須在各種負載條件下，從空載到高載運行，以便測試系統同時測量壓力和振動信號。在甩負荷運行試驗中，還必須校核諸如轉速升高、最大蝸殼壓力、最小尾水管壓力和最大調壓井水位等數值。只有這樣，才能確保電廠的安全運行。

3 實 例

2012年12月，已經交付了幾臺額定容量為610 MW、最大容量為659 MW、最大運行水頭為318.8 m的大型混流式機組。這些機組的轉輪直徑為6.6 m，除了主葉片外都裝有分流葉片，每臺水輪機的額定流量都近似為229 m3/s。這些高水頭的機組是目前世界上尺寸最大和出力最大的混流式機組。

該電站為徑流式，其上壩布置有4條引水隧道，河水需流經150 km才能到達山的另一邊，而進口與尾水的直線距離只有16 km，落差有310 m；4條引水隧洞中，每條均給2臺水輪機供水，共裝有8臺水輪機。該水力系統非常復雜，所以需考慮幾種瞬變負荷情況。由于蝸殼的進口直徑巨大，大約有6 m,因而在水輪機固定導葉和活動導葉之間，安裝了1臺圓筒閥作為截止閥,以代替進口閥。

同其他的現有水電廠相比，這些水輪機的所有邊界條件變化巨大，因此，從設計方面來說，沒有可供借用或參考的經驗及實物，所以必須進行全新的研發。在這一過程中，清楚地理解其中隱含的物理現象非常重要。在這種背景下，制定了機械設計準則并定義了相關限值。

由于高水頭混流式水輪機具有較高的能量通量，所以，這些大型機械，尤其是轉輪，不論是在正常運行狀態下還是在過渡過程狀態下，都必須承受巨大的靜態和動態力。因此，很早以前，在項目建議階段，就開始了詳細的機械和水力學研究，其中，水輪機的開發包括廣泛的設計優化、數值分析和模型試驗。模擬水力結構設計優化，包括轉輪動應力的數值預報等先進方法，已成功地應用于這些水輪機的開發。

機械力必須安全地傳遞給所有部件，然而，對于結構設計來說，要保證足夠的強度，而可用的空間卻較小；頂蓋與座環連接螺栓的尺寸也提出了類似的挑戰，圓筒閥與頂蓋應連成一體，為了滿足要求，必須開發全新的頂蓋形狀。而且，從一開始就應考慮可用的板材厚度和制造條件，例如，制造座環的高強度板材的厚度必須接近于鋼廠所有板材的最大厚度。不僅如此，剪板機器、焊接程序等都必須能滿足這些特殊的要求。

由于目前世界上還沒有類似的大型分流葉片式轉輪，所以，該轉輪的制造也是獨一無二的。為了優化生產，制定了一個特殊的組裝和焊接程序，極限區域的鑄造缺陷受到了嚴格限制，并將嚴格的質量控制貫穿于整個制造過程。

在試驗驗收過程中，水輪機的動應力是連續采集的，為了獲得機器運行狀態的初步印象，可直接從監視器上讀取尾水管動壓力的峰峰值，并與模型試驗中獲得的類似水頭與出力條件下的峰峰特性幅值(可能性97%)進行比較。比較結果表明，模型試驗結果與原型試驗數據相當一致。

平穩和非平穩運行區域位于相同的出力范圍，而且，其幅值大小也非常接近。

將甩負荷試驗結果與過渡過程計算結果進行了比較，結果表明，二者相當吻合。

4 高水頭混流式轉輪運行狀態

在經過長期運行后，最近對幾個水電廠轉輪的運行狀態進行了檢查。檢查結果表明，在經過幾千個小時的運行后，受檢查的高水頭混流式轉輪未見裂紋或汽蝕破壞現象。出力為610 MW的高水頭混流式水輪機轉輪的運行狀態和受檢結果，是對該水力結構設計優化程序的最好肯定。

5 結 語

近年來，利用高級數值方法預報動態過程，可以使高水頭混流式水輪機的設計程序得到細化和補充；反過來，又可以將動態過程的原型試驗運用到對數值方法的修改和驗證過程中。

由此，利用數值方法，在設計階段的早期就可對動態過程作出預報，而且這些已被最近的幾個工程所驗證。

將從水力機械設計到現場試驗的一套完整方法作為一整套開發程序，且得到了具有長期實踐經驗的伏伊特水電公司的支持。在這種背景下,水電機械設計師和制造專家們將會開發出嶄新的、能夠滿足客戶要求且安全可靠的高水頭的水輪機。

(范春生 白 韌 編譯)

2014-12-07

試驗與研究

1006-0081(2015)02-0008-04

TK733.1

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