柳海鵬，陳 柱

（1.新疆烏魯瓦提水利樞紐管理局，新疆 和田848000；2.重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶400054）

國內(nèi)某電站裝機(jī)6臺軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)組，為20世紀(jì)70年代生產(chǎn)機(jī)組。電站6臺軸流定槳式轉(zhuǎn)輪型號都為ZD510-LH-180，其額定水頭為10 m，額定轉(zhuǎn)速為250 r/min，機(jī)組額定出力為1 500 kW。2016年底，業(yè)主單位要求在不改變水輪機(jī)埋入部件前提下對6臺軸流定漿式機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容改造。規(guī)定額定水頭降到9 m，機(jī)組出力提高至1 600 kW。經(jīng)計算，機(jī)組額定工況時的單位轉(zhuǎn)速為166.4 r/min，單位流量為2 320 l/s，說明新轉(zhuǎn)輪要求具備很大的過流能力，但根據(jù)當(dāng)前行業(yè)技術(shù)水平，難以找到與之匹配的軸流式轉(zhuǎn)輪，為此需要改變轉(zhuǎn)輪的選擇方式，采用具有較大過流能力的貫流式轉(zhuǎn)輪。首臺機(jī)（1號機(jī)）安裝完成后，試運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)葉相對開度95%時機(jī)組出力達(dá)到1 520 kW，繼續(xù)增大導(dǎo)葉開度，出力不再變化，機(jī)組出力沒達(dá)到預(yù)期要求。

本文為了解決機(jī)組出力不足問題，首先，通過業(yè)主單位提供的現(xiàn)場試運(yùn)行的性能試驗數(shù)據(jù)資料，初步分析其原因；其次，運(yùn)用CFD技術(shù)確定導(dǎo)致機(jī)組出力不足的原因；最后，提出了加大槳葉轉(zhuǎn)角、葉片局部修型和頂蓋增設(shè)補(bǔ)氣孔的改進(jìn)方案。通過業(yè)主單位反饋的現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，該改進(jìn)方案能很好的解決此問題。

1 試運(yùn)行試驗

1.1 試驗方案

首臺機(jī)（1號機(jī)）完成安裝調(diào)試后，業(yè)主單位對機(jī)組進(jìn)行試運(yùn)行試驗。電站其余5臺機(jī)組同時開啟，此時壩前水位為176.2 m，尾水位為166.5 m，對1號機(jī)組做了空轉(zhuǎn)、400 kW、800 kW、1 000 kW、1 200 kW、1 400 kW、1 500 kW、1 520 kW負(fù)荷試驗，并進(jìn)行了記錄，整理成表1所示的試驗記錄表。需要說明：據(jù)現(xiàn)場觀測，所有試驗中，認(rèn)為壩前水位和尾水位基本保持不變；試驗機(jī)組在導(dǎo)葉開度95%時，發(fā)電機(jī)輸出有功功率1 520 kW左右，隨開度的增加機(jī)組出力基本不變，并且支持蓋測點壓力值接近蝸殼測點壓力值；空轉(zhuǎn)工況水輪機(jī)存在異響，機(jī)組頻率波動大。

1.2 結(jié)果及分析

根據(jù)表1中1號機(jī)組試運(yùn)行帶負(fù)荷試驗記錄表和現(xiàn)場觀測情況，仔細(xì)研究該貫流式轉(zhuǎn)輪模型資料后，筆者認(rèn)為造成機(jī)組出力不足和空載開機(jī)運(yùn)行時機(jī)組頻率波動大可能的原因有：

表1 1號機(jī)組試運(yùn)行帶負(fù)荷試驗記錄表

（1）工作水頭可能達(dá)不大額定水頭值。該機(jī)組尾水水面呈波浪形，不好通過觀測手段來準(zhǔn)確判斷尾水水位實際值。其次是在檢查時發(fā)現(xiàn)蝸殼流道表面凸凹不平，也會造成一定水力損失。

（2）槳葉轉(zhuǎn)角偏小，轉(zhuǎn)輪出流受阻。主要現(xiàn)象有：在導(dǎo)葉開度約90%后，機(jī)組出力基本不變，且頂蓋測點壓力與蝸殼測點基本相同。查閱該貫流式轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線圖時，發(fā)現(xiàn)槳葉轉(zhuǎn)角選取較為保守。

（3）空轉(zhuǎn)運(yùn)行時，輪轂和尾水管區(qū)域存在負(fù)壓區(qū)，造成機(jī)組頻率波動。

（4）貫流式轉(zhuǎn)輪與尾水管的匹配問題。

基于上述可能存在的原因，擬提出將槳葉轉(zhuǎn)角由原來的32.2°加大到34°，并在頂蓋處新增2處補(bǔ)氣孔[1]的初步方案。另外，筆者利用CFD技術(shù)手段，對該水輪機(jī)全流道流場開展了專門的數(shù)值模擬研究分析，以期對初步方案優(yōu)化及確定。

2 數(shù)值模擬

為找出原因，先對該水輪機(jī)在槳葉轉(zhuǎn)角（32.2°）調(diào)整前的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，再分析槳葉轉(zhuǎn)角調(diào)整后（34°）的情況。

2.1 幾何模型及離散化

計算流道區(qū)域為水輪機(jī)埋入件（包括蝸殼、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室和尾水管）和改造流道區(qū)域（包括導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、支持蓋、轉(zhuǎn)輪體、槳葉和泄水錐）[2]。本次數(shù)值模擬研究，筆者采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即計算流道區(qū)域均采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格。對于相對重要的固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪區(qū)域做了網(wǎng)格加密處理，最終全流道水體模型與網(wǎng)格離散化后模型如圖1所示。水輪機(jī)流道的網(wǎng)格數(shù)量如表2所示。

圖1 水體模型與網(wǎng)格離散化

表2 水輪機(jī)流道的網(wǎng)格數(shù)量

2.2 計算方法及邊界條件

在本次數(shù)值模擬研究中，湍流模型采用SST模型，將模型水輪機(jī)劃分蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，其中轉(zhuǎn)輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為272.7 r/min，其他部件設(shè)置為靜止域[3-5]。對于邊界條件的設(shè)置，全壓進(jìn)口，出口采用壓力出口，并設(shè)置出口平均靜壓為0，固壁邊界為無滑移壁面。

2.3 結(jié)果及改進(jìn)方案

通過CFD軟件計算，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組（槳葉轉(zhuǎn)角ψ=32.2°）在額定工況下，預(yù)測水輪機(jī)出力只有1 666.7 kW（換算到電機(jī)出力為1 550 kW），水輪機(jī)效率僅為86.38%，與由該貫流式模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線換算得到的真機(jī)效率（約92%）相差5.62個百分點，也與技術(shù)協(xié)議保證值（90%）相差3.62個百分點。仔細(xì)檢查該轉(zhuǎn)輪模型資料，發(fā)現(xiàn)真機(jī)葉片出水邊與輪緣間交界局部型狀與模型轉(zhuǎn)輪有異，真機(jī)葉片在該處進(jìn)行R25 mm倒圓處理，而模型在該處的修型要大得多，見圖2所示，懷疑此差異可能是影響機(jī)組出力不足的原因之一。將葉片按模型進(jìn)行修型處理，預(yù)測水輪機(jī)出力為1 740 kW（換算到電機(jī)出力為1 619 kW），此時水輪機(jī)效率為89.46%。由此可見，經(jīng)過槳葉局部修型后，水輪機(jī)效率得到很大提升，接近技術(shù)協(xié)議保證值。需要指出，該模型工況下導(dǎo)葉開度已開至94.8%。對電站來說，將導(dǎo)葉開度開至95%左右機(jī)組才能發(fā)到額定電量，余量小，有必要將槳葉轉(zhuǎn)角調(diào)至33°。槳葉轉(zhuǎn)角33°時，預(yù)測機(jī)組在導(dǎo)葉開度85%時的水輪機(jī)額定出力約1 720 kW（換算到電機(jī)出力為1 600 kW），此時水輪機(jī)效率為89.97%；在導(dǎo)葉開度94.48%時，預(yù)測額定水頭下水輪機(jī)出力約1 838.7 kW（換算到電機(jī)出力為1 710 kW），說明該機(jī)組具備出力超發(fā)條件。上述工況計算結(jié)果情況見表3所示。

圖2 真機(jī)和模型的葉片對比圖

表3 水輪機(jī)性能預(yù)測結(jié)果表

針對機(jī)組空轉(zhuǎn)試驗時出現(xiàn)異響、機(jī)組頻率波動大的情況，筆者亦運(yùn)用CFD仿真技術(shù)對該工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。將導(dǎo)葉開度開至41%，在額定水頭下，模擬得到如圖3所示的機(jī)組中截面壓力分布情況，可知在支持蓋及輪轂區(qū)域存在負(fù)壓區(qū)，尾水管直錐段和彎肘段亦存在負(fù)壓區(qū)。這是由于貫流式轉(zhuǎn)輪流道區(qū)域較原軸流式的更寬，導(dǎo)致在空轉(zhuǎn)工況時，轉(zhuǎn)輪支持蓋、輪轂區(qū)域更容易形成負(fù)壓區(qū)，惡化運(yùn)行工況。針對該情況，筆者認(rèn)為在頂蓋多增設(shè)2個補(bǔ)氣孔，是可以改善運(yùn)行工況的。

圖3 機(jī)組中截面靜壓分布

通過上述工作的研究，其改進(jìn)方案為：①葉片按模型進(jìn)行局部修型；②槳葉轉(zhuǎn)角由原32.2°調(diào)整至34°；③頂蓋多增設(shè)2個補(bǔ)氣孔；④對蝸殼流道表面進(jìn)行光滑處理。該改進(jìn)方案率先應(yīng)用在其余5套機(jī)組的改造中，最后應(yīng)用在1號機(jī)組上。

3 優(yōu)化后試運(yùn)行試驗

2號機(jī)組安裝完畢后進(jìn)行了72 h試運(yùn)行，并做了相關(guān)試驗。試驗時，同時開啟5臺機(jī)組，壩前水位為176.25 m，尾水位為166.45 m，對2號機(jī)組做了空轉(zhuǎn)、140%飛逸轉(zhuǎn)速、1 640 kW和滿負(fù)荷試驗，表4為試壓記錄表。根據(jù)現(xiàn)場觀測，機(jī)組運(yùn)行良好，發(fā)電機(jī)輸出有功功率在導(dǎo)葉開度87%時達(dá)到1 640 kW，而導(dǎo)葉開度93.93%時達(dá)到1 717 kW，由此表明該問題得到了徹底解決。

表4 2號機(jī)組試運(yùn)行試驗記錄表

4 結(jié)論

（1）在貫流式轉(zhuǎn)輪運(yùn)用于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組增效擴(kuò)容改造項目中，要注意葉片出水邊與葉緣交界處的型狀處理。不能按軸流式葉片的一般設(shè)計經(jīng)驗，將其設(shè)計成小倒圓，而是要保持該貫流式原有型狀。即便是在定槳式機(jī)組改造中，在將葉片外緣按趨勢延伸至轉(zhuǎn)輪室后，其葉片出水邊與葉緣交界處的型狀也要參照貫流式原型狀進(jìn)行處理。

（2）對于軸流式機(jī)組增效擴(kuò)容項目，在槳葉轉(zhuǎn)角選取上，建議將該值適當(dāng)加大。

（3）對于有大流量要求的軸流式機(jī)組增效擴(kuò)容項目，導(dǎo)葉后及轉(zhuǎn)輪流道區(qū)域一般比原來寬些，空轉(zhuǎn)工況容易在支持蓋、輪轂區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，惡化運(yùn)行工況，需要在頂蓋位置設(shè)置補(bǔ)氣裝置。

（4）本文采用的數(shù)值計算方法，可應(yīng)用于同類型水輪機(jī)水力設(shè)計與優(yōu)化，特別地適用于實際工程項目。