祁英明，王 超，劉興勝

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西 674600）

1 電站概況

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段規(guī)劃8個(gè)梯級(jí)中的第3級(jí)電站,上接烏弄龍電站，下接托巴電站。電站為河床式電站，總裝機(jī)容量420 MW，裝有3臺(tái)單機(jī)容量140 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)單機(jī)額定功率14.75 MW，由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造。2018年10月31日首臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，2019年4月30日最后一臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。

水輪機(jī)主要參數(shù)如下：最大水頭 41.2 m，加權(quán)平均水頭36.6 m，額定水頭34.0 m，最小水頭28.9 m，水輪機(jī)額定出力142.9 MW，轉(zhuǎn)輪直徑7 400 mm，同步轉(zhuǎn)速 107.1 r/min，水輪機(jī)的安裝高程1 770.4 m（導(dǎo)葉中心線高程），水輪機(jī)吸出高度 -12.04 m（槳葉中心線）。

2 水輪機(jī)及其過流部件的水力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

里底水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及其通流部件的水力設(shè)計(jì)是以里底電站相近水頭段的安谷、銅街子電站作為參考，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 水輪機(jī)及其流道水力設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及參數(shù)選擇

（1）過流通道設(shè)計(jì)。為了全面提高水輪機(jī)的各項(xiàng)水力性能，選擇合適的流道特征幾何參數(shù)是必不可少的。設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：①優(yōu)化蝸殼斷面的面積變化規(guī)律、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉葉型，從而獲得具有合理水頭損失的引水部件；優(yōu)化固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉匹配數(shù)量，有利于均勻?qū)畽C(jī)構(gòu)中水流的分布。②優(yōu)化尾水管過流面積變化規(guī)律，最大可能地提高尾水管的能量恢復(fù)系數(shù)，減輕尾水管的壓力脈動(dòng)，減少水力損失。

（2）轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)輪在水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換中起著最為關(guān)鍵的作用，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)水輪機(jī)的水力性能。設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：①優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)位置，適當(dāng)提高單位轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域水輪機(jī)的效率，改善轉(zhuǎn)輪的空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。②電站運(yùn)行水頭高，為保證轉(zhuǎn)輪具有足夠的剛強(qiáng)度以滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，適當(dāng)增大葉片厚度和葉片重量。③在葉片進(jìn)、出水邊設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注在電站主要運(yùn)行范圍內(nèi)消除葉片進(jìn)水邊水流脫流情況，從而改善或避免葉片進(jìn)水邊因水流脫流帶來的空蝕破壞，同時(shí)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪出口水流的流速分布規(guī)律，提高水輪機(jī)效率，減小尾水管壓力脈動(dòng)，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。④在葉片幾何設(shè)計(jì)及流態(tài)分析計(jì)算中，將電站整個(gè)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)最大相對(duì)流速控制在合理范圍內(nèi)，避免或減緩因相對(duì)流速過高帶來的泥沙磨損。

（3）主要幾何尺寸參數(shù)選擇。①葉片數(shù)Z的選擇。近10年來，已投運(yùn)的或正在建設(shè)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，槳葉數(shù)為5片的轉(zhuǎn)輪完全可以應(yīng)用到40 m以上水頭范圍，根據(jù)水頭的高低配以不同的輪轂比，完全能夠滿足強(qiáng)度、空化和穩(wěn)定性的要求。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，采用5葉片轉(zhuǎn)輪是完全可行的。②輪轂比的選擇。輪轂比是軸流式水輪機(jī)的一個(gè)重要的幾何參數(shù)，其數(shù)值直接決定著水輪機(jī)過流通道的大小及轉(zhuǎn)輪高效率區(qū)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量，從而對(duì)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。減小輪轂比可使最優(yōu)效率增加，改善空化性能。另一方面，輪轂比的大小也受到了電站最高使用水頭的限制。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，在該水頭段，通常采用較大的轉(zhuǎn)輪輪轂比。但近些年來，由于新材料和新工藝的不斷進(jìn)步，使轉(zhuǎn)輪在采用較小的輪轂比時(shí)也不會(huì)存在強(qiáng)度上的問題。因此，轉(zhuǎn)輪輪轂比的選擇主要考慮效率和空化性能的影響。通過參考相近水頭段電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)和CFD分析，選擇里底電站轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.46。③導(dǎo)葉相對(duì)高度的確定。導(dǎo)葉相對(duì)高度的選擇對(duì)于保證水輪機(jī)各項(xiàng)水力性能非常重要，同時(shí)的選擇對(duì)控制轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)的最大流速非常重要,但的選擇還必須考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的機(jī)械強(qiáng)度特性以及機(jī)組的尺寸限制和制造成本。一般說來，水輪機(jī)水頭愈高，愈小。近年來，由于先進(jìn)可靠的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算軟件的應(yīng)用和高強(qiáng)度新材料的使用，在相同最大水頭下有逐漸增大的趨勢(shì)。在最大水頭小于40 m范圍內(nèi)，宜選擇在0.35～0.40范圍內(nèi)。通過比較分析，選擇的里底電站導(dǎo)葉相對(duì)高度=0.375。

2.2 全三維粘性流動(dòng)分析技術(shù)（CFD）

運(yùn)用CFD對(duì)轉(zhuǎn)輪、蝸殼、雙列葉柵以及尾水管進(jìn)行全三維粘性流動(dòng)數(shù)值仿真，可以得到過流部件內(nèi)部流場(chǎng)流線分布、速度分布、壓力分布等信息，對(duì)于評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)輪以及過流部件設(shè)計(jì)水平非常有價(jià)值。

（1）控制方程與湍流模型

對(duì)不可壓流體的流動(dòng)，采用均化的Navier-Storkes方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行解算[1]，其方程如下[1]。

a.連續(xù)性方程：

b.運(yùn)動(dòng)方程組：

c.湍動(dòng)能和耗散率計(jì)算公式：

式中：

C1=1.44；C2=1.92；Cμ=0.09；σk=1.0；σε=1.3；

μI——速度在坐標(biāo)方向的分量；

ρ——流體密度；

P——壓力；

κ——湍動(dòng)能；

ε——湍動(dòng)能耗散率。

（2）蝸殼、雙列葉柵以及尾水管的三維建模以及網(wǎng)格劃分

依據(jù)水力設(shè)計(jì)結(jié)果，采用三維建模軟件分別對(duì)水輪機(jī)各個(gè)過流部件計(jì)算域進(jìn)行三維建模，以便于下一步網(wǎng)格劃分。各部件三維模型如圖1所示，共包括蝸殼、雙列葉柵、轉(zhuǎn)輪、尾水管四大部分。

圖1 里底水輪機(jī)三維模型

采用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)各個(gè)部件計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)有限葉片數(shù)旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的葉片內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算。因轉(zhuǎn)輪流道具有周期性，選取包含1個(gè)葉片在內(nèi)的單通道作為計(jì)算區(qū)域，如圖2，這樣可以較好地模擬實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)，又能縮短計(jì)算時(shí)間。依據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮網(wǎng)格劃分經(jīng)濟(jì)型與實(shí)用性，蝸殼計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，雙列葉柵、轉(zhuǎn)輪以及尾水管計(jì)算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為保證計(jì)算精度，對(duì)于固壁面、進(jìn)出口、計(jì)算域交界面進(jìn)行網(wǎng)格加密。

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及硬件資源進(jìn)行網(wǎng)格總量的控制，根據(jù)軸流式水輪機(jī)的特點(diǎn)，電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片控制體的網(wǎng)格采用了161×61×21的網(wǎng)格規(guī)模，迭代的收斂精度設(shè)定為0.000 001，該規(guī)模的網(wǎng)格和精度大大提高了流動(dòng)計(jì)算結(jié)果，能更好地反映實(shí)際的流動(dòng)情況。

圖2 轉(zhuǎn)輪單周期計(jì)算域

（3）數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對(duì)機(jī)組額定工況、最優(yōu)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析過流部件內(nèi)部的流態(tài)和壓力分布，可以優(yōu)化過流部件斷面的面積變化規(guī)律，減少水力損失，提高水輪機(jī)效率及穩(wěn)定性。額定工況引水部件流速分布見圖3、圖4，額定工況尾水管流速分布及流線分布見圖5、圖6。最優(yōu)工況的轉(zhuǎn)輪流速分布及壓力分布見圖7、圖8。

圖3 額定工況蝸殼流速分布

圖4 額定工況導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流速分布

從圖3、圖4可以看出，蝸殼內(nèi)蝸型部分和非蝸型部分的流速分布較為合理，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配關(guān)系較好,優(yōu)化設(shè)計(jì)的蝸殼斷面面積變化規(guī)律、固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的葉型及數(shù)量選擇是合理的。

圖5 額定工況尾水管流速分布

圖6 額定工況尾水管流線分布

從圖5、圖6可以看出，水流在尾水管內(nèi)流態(tài)良好，流線分布均勻，減少了機(jī)組的水力損失，最大可能地提高尾水管的能量恢復(fù)系數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的尾水管斷面面積變化規(guī)律是合理的。

圖7 最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪出口流速

從圖7、圖8可知，在最優(yōu)工況下轉(zhuǎn)輪葉片出水邊流速分布合理，使尾水管的流動(dòng)更趨均勻，減小了尾水管的水力損失；葉片表面的流線分布都比較均勻，提高機(jī)組效率的同時(shí)，提高了轉(zhuǎn)輪的空化性能。

圖8 最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪工作面流線分布

3 水輪機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借鑒國內(nèi)外軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中將已投運(yùn)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)存在的轉(zhuǎn)輪裂紋、轉(zhuǎn)輪密封、抬機(jī)、空蝕等突出問題的解決措施作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體考慮的最重要任務(wù)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體、葉片、槳葉操作機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)、抬機(jī)防范措施作為里底電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)制造廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及電站實(shí)際情況，主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式選擇如下：

（1）轉(zhuǎn)輪體

轉(zhuǎn)輪體是軸流式水輪機(jī)的重要部件，過流球面影響轉(zhuǎn)輪與葉片的間隙大小，軸孔的同軸度和各組軸孔的精度會(huì)影響到葉片在運(yùn)行過程的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性。為確保加工精度要求，轉(zhuǎn)輪體采用數(shù)控機(jī)床精確定位加工。為防磨蝕，轉(zhuǎn)輪體采用ZG20SiMn整體鑄造而成，球面過流表面粗加工后堆焊10 mm厚的不銹鋼層，加工后的不銹鋼層厚度為5 mm。轉(zhuǎn)輪體最大外徑3 394 mm，高度1 970 mm，質(zhì)量約為39.5 t，整體運(yùn)輸?shù)焦さ亍?/p>

（2）葉片

葉片是水輪機(jī)最重要的部件，其制造質(zhì)量直接影響到轉(zhuǎn)輪的水力效率、出力以及運(yùn)行的穩(wěn)定性。葉片采用材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo整體鑄造而成，在葉片外緣設(shè)抗空蝕裙邊。葉片采用數(shù)控加工工藝，使過流面線性與葉片翼型設(shè)計(jì)高精度貼合,大大提高葉片和轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量，保證機(jī)組具有良好的性能。葉片與葉片軸焊縫選擇適當(dāng)?shù)倪^渡圓角，以降低葉片根部的應(yīng)力集中，防止轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生。

（3）缸動(dòng)式槳葉操作機(jī)構(gòu)

槳葉操作機(jī)構(gòu)采用缸動(dòng)式接力器操作結(jié)構(gòu)。葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過受油器、操作油管將6.3 MPa油壓等級(jí)的壓力油引入轉(zhuǎn)輪接力器上下腔，活塞固定，缸體在油壓作用下上、下移動(dòng)，帶動(dòng)連接在活塞缸上的連桿結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉。

（4）轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)

借鑒國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，里底電站轉(zhuǎn)輪葉片密封采用雙向多層“V”型耐油聚氨酯密封結(jié)構(gòu)，密封壓板采用抗磨性能好的0Cr13Ni5Mo不銹鋼，槳葉在運(yùn)行中可在不拆卸葉片的情況下更換密封件。經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐證明，該密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、密封效果好。

（5）抬機(jī)防范措施

抬機(jī)現(xiàn)象是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的固有特性[3]。吸取國內(nèi)外電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)防抬機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，里底水電站抬機(jī)的防范措施如下：一是在水輪機(jī)頂蓋上裝設(shè)4個(gè)Φ300 mm真空破壞閥，當(dāng)導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時(shí)，真空破壞閥自動(dòng)打開補(bǔ)氣。尾水回流時(shí)，將受到封閉于轉(zhuǎn)輪室空氣的阻擋，不觸及轉(zhuǎn)輪從而消除抬機(jī)。二是在支持蓋上設(shè)有鋁青銅材質(zhì)止推環(huán)，止推環(huán)與轉(zhuǎn)輪體的距離為15 mm。經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐證明，里底電站抬機(jī)防范措施效果顯著，機(jī)組100%甩負(fù)荷時(shí)，最大上抬量?jī)H為6 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)上抬量。

4 結(jié)語

里底水電站水輪機(jī)為國內(nèi)少有的高水頭、大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，在水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中借鑒國內(nèi)外已投運(yùn)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)水輪機(jī)及流道水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行全三維粘性流動(dòng)分析技術(shù)，優(yōu)化水力設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中將轉(zhuǎn)輪裂紋、轉(zhuǎn)輪密封、抬機(jī)、空蝕等突出問題解決措施作為水輪機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最重要任務(wù)。

里底電站機(jī)組已投入商業(yè)運(yùn)行一年多，機(jī)組運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，未發(fā)生因非安裝原因造成的非停，水輪機(jī)未出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、轉(zhuǎn)輪磨蝕、抬機(jī)現(xiàn)象、漏油等問題，說明里底水電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的，設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)方案是可靠的，可為以后同類型機(jī)組的電站設(shè)計(jì)提供借鑒。