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)計水頭54 m，最高運行水頭66 m，最低水頭47 m，設(shè)計最大引用流量為240 m3/s。原初步設(shè)計電站裝機容量為3×37 MW，實際裝機容量為3×45 MW，實際最大發(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，多年平均過機含沙量為0.33～0.37 kg/m3。電站三臺機組全部為哈爾濱電機廠制造，第一臺機組于1971年9月投產(chǎn)發(fā)電，電站于1972年全部竣工。

原水輪機主要技術(shù)參數(shù):

水輪機型號:HL002－LJ－410

轉(zhuǎn)輪型號: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 原水輪機在運行中存在的主要問題

映秀灣電站始建于1966年8月，1971年9月第一臺機組發(fā)電，運行至今已有40余年。由于機電設(shè)備為20世紀60年代的產(chǎn)品，水輪機的性能指標較低。雖然水輪機轉(zhuǎn)輪選用的是從日本引進的鏡泊湖轉(zhuǎn)輪、在60年代末期由哈爾濱電機廠自行設(shè)計制造的混流式水輪機機組，但是，由于受當時設(shè)計和制造技術(shù)的限制，轉(zhuǎn)輪沒有進行計算機輔助設(shè)計和數(shù)控加工，導(dǎo)致水輪機效率設(shè)計值偏低;其次，映秀灣電站所處岷江河段屬山區(qū)河流，流經(jīng)水輪機過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，從而造成水輪機過流部件泥沙磨損嚴重，導(dǎo)致機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，致使大修后水輪機效率快速降低;第四，轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過多次大修補焊、鏟磨，葉片變形嚴重，局部已呈蜂窩狀且多處出現(xiàn)裂紋;第五，多年統(tǒng)計資料表明，電站的引用流量很少達到水輪機設(shè)計的額定流量，機組長期在大大低于設(shè)計的額定工況下運行，導(dǎo)致機組運行振動大、穩(wěn)定性差，從而大大降低了水輪機效率。

3 水輪機改造的目標

在現(xiàn)有水工建筑物和水輪機埋入部件基本不變的條件下，通過運用計算流體動力學數(shù)值求解(CFD)技術(shù)分析設(shè)計并進行數(shù)控機床加工制造，使改造后的水輪機達到以下目標:

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

(2)提高水輪機抗磨蝕能力，延長機組大修周期至8 a以上。

(3)提高機組的水力穩(wěn)定性。

4 轉(zhuǎn)輪的設(shè)計與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。從對電站近年來水輪機運行情況進行的統(tǒng)計得知，機組主要運行在兩個區(qū)域:一個是汛期，低水頭(47～48 m)三臺機運行，單臺機實際運行工況為38～40 MW;另一個是枯水期，高水頭(57～58 m)運行，單臺機帶60%～100%負荷。表1為根據(jù)機組運行情況得出的不同水頭、不同負荷的加權(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運行區(qū)域圖，各特征水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速見表1。

由于映秀灣電站受引水隧洞限制，三臺機組運行時，水輪機引用流量不能達到設(shè)計額定流量，故機組不需要提高過流能力來增容，只要求提高水輪機效率，改善機組的穩(wěn)定性，提高水輪機抗磨蝕能力。因此，電站的改造最終選擇哈爾濱大電機研究所最新開發(fā)的A982轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪經(jīng)過哈爾濱大電機研究所高水頭試驗臺模型試驗得知，其能量指標及空化、壓力脈動等性能指標均達到很高的水平，并且經(jīng)過了北京水科院同臺對比試驗的檢驗。

4.2 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982性能指標

A982轉(zhuǎn)輪不僅具有較高的能量指標，而且空化和壓力脈動等指標也非常理想。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)，錐管上游壓力脈動幅值＜7%。從模型壓力脈動判斷，A982轉(zhuǎn)輪運行穩(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)輪軸面對比

實施轉(zhuǎn)輪軸面對比的目的是比較A982轉(zhuǎn)輪在映秀灣電站真機安裝中與原結(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，映秀灣電站水輪機的導(dǎo)葉高度bo/D1為0.25。

(2)通過將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

從對新舊轉(zhuǎn)輪在各工況下的CFD計算結(jié)果進行分析看，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，沒有出現(xiàn)葉片進口頭部水流撞擊產(chǎn)生的回流現(xiàn)象，整個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，同樣沒有出現(xiàn)葉片進口頭部水流撞擊產(chǎn)生的回流現(xiàn)象。通過多工況CFD分析結(jié)果可以預(yù)計，葉片正、背面脫流在映秀灣電站水輪機運行范圍內(nèi)基本不會出現(xiàn)，流態(tài)分布的均勻性將對整個機組的穩(wěn)定性非常有利。

4.4.2 數(shù)值效率比較

數(shù)值計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)時的不同流量工況點。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大小非常吻合。

4.4.3 葉片表面最低壓力比較

在計算各個過流部件中，壓力最低點常發(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為對新舊轉(zhuǎn)輪各工況計算時葉片表面最低壓力值比較，其計算壓力零點設(shè)在葉片進口附近。

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。計算結(jié)果表明，在額定水頭下，無論是低負荷工況、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。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，水輪機在最優(yōu)工況點為法向出口時，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，環(huán)量為零，此時為無渦帶;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，此時渦帶為柱型渦帶，為穩(wěn)定渦帶。出力限制線流量與最優(yōu)流量之比越大，水輪機穩(wěn)定運行區(qū)域越大。故適當減小葉片出水邊環(huán)量，可以擴大水輪機穩(wěn)定運行區(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)渦帶的強度將會有所降低，從而降低尾水管壓力脈動幅值，且其水力穩(wěn)定性亦會得到改善。

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)輪葉片出口相對流速量化分析的比較結(jié)果。

圖6 葉片表面相對流速最大的位置示意圖

圖7 最優(yōu)工況相對速度比較圖

圖8 額定水頭、額定出力工況相對速度比較圖

圖9 蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進口安放角比較圖

從圖中可以看出，A606c轉(zhuǎn)輪葉片出口附近位置的相對流速在上述兩個工況下，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)流場計算結(jié)果計算了蝸殼內(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)葉進口安放角的比較情況見圖9。

從計算結(jié)果得知，在整個蝸殼包角范圍內(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計算結(jié)果是比較理想的。從圖10可以看出，固定導(dǎo)葉進口安放角約為27°，與蝸殼的匹配基本合適。

6 固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉的CFD分析

圖10為轉(zhuǎn)輪計算得出的導(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，活動導(dǎo)葉進口角約為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)葉和活動導(dǎo)葉匹配情況是合理的。

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

為了進一步分析導(dǎo)葉區(qū)域流場分布情況，同時還做了固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉的CFD聯(lián)合計算分析。

從導(dǎo)葉CFD分析結(jié)果看，最優(yōu)開口下，活動導(dǎo)葉進口頭部壓力駐點基本位于導(dǎo)葉頭部中間附近，速度矢量、流線分布均勻，說明轉(zhuǎn)輪計算最優(yōu)開口時導(dǎo)葉區(qū)域流態(tài)分布良好。

根據(jù)CFD分析結(jié)果，計算了不同開口導(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，固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉聯(lián)合計算的最優(yōu)開口與活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計算的最優(yōu)開口是基本一致的，說明改造后的轉(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)過對轉(zhuǎn)輪進行改型設(shè)計，使改型后的A606c轉(zhuǎn)輪性能指標得到進一步提高。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改造的預(yù)想曲線見圖12。

圖12 水輪機綜合特性曲線圖

8 結(jié)語

在基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982上改型設(shè)計得到的新轉(zhuǎn)輪A606c相對于A36轉(zhuǎn)輪存在的問題，新轉(zhuǎn)輪速度矢量、流態(tài)分布更加合理，各個工況下轉(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，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)葉進口安放角的匹配也很合理，固定導(dǎo)葉、活動導(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效率、穩(wěn)定性和延長大修周期的目的。該方案還能保證活動導(dǎo)葉翼型不變，尾水錐管不變，進而可以降低水輪機改造工程量及工程造價。