施利民，姜小龍，郭佳燕

（杭州杭發(fā)發(fā)電設備有限公司，浙江 杭州 311251）

高處落下的流水是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的唯一動能，這一過程實現(xiàn)了動能和勢能的轉(zhuǎn)換，下落水流推動發(fā)電機主軸，發(fā)電機被流水推動以后即可發(fā)電，轉(zhuǎn)輪在這一過程中發(fā)揮主要作用，因此轉(zhuǎn)輪是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)可以按照機型進行細分。

設計性能更高的沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)可以有效解決部分偏遠地區(qū)的用電問題，運用更先進的技術設計沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)無論是對于我國水電開發(fā)，還是水電設備制造都具有積極意義。

1 沖擊式水輪加工技術

1.1 關鍵技術

關于沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中于轉(zhuǎn)輪設計，因為轉(zhuǎn)輪是整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換中心，并且轉(zhuǎn)輪的水平直接關系到?jīng)_擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的運作效果。高性能的沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)水電轉(zhuǎn)換率>90%。高速水流的周期性沖擊是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的一大特點，在此過程中會出現(xiàn)明顯的交變應力，系統(tǒng)的水斗在應力的變換下發(fā)生斷裂，致使機組無法繼續(xù)運行[1]。對沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)進行設計，首先要對高速流水進行力學分析。將系統(tǒng)水斗內(nèi)部的水流作為突破口，水流周圍是一種復雜的、非常態(tài)氣液兩相流動，同時因為水斗的不規(guī)則性，越臨近邊緣時曲率變化越快。

1.2 沖擊式轉(zhuǎn)輪加工

因為轉(zhuǎn)輪是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，直接關系到?jīng)_擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的運作效率，所以其在加工制造的過程中運用多樣化的技術。轉(zhuǎn)輪尺寸大、重量大、曲面變化大，因此加工空間狹窄。

1.2.1 整鑄鏟磨

整鑄鏟磨是小型轉(zhuǎn)輪加工常用技術，經(jīng)過整體鑄造隨后進行精細打磨，導致水斗的型線極易出現(xiàn)誤差，進而無法滿足系統(tǒng)的水力性能需求，使用整鑄鏟磨制造的轉(zhuǎn)輪、水斗會導致水輪機出力不足，并且水斗之間型線缺少一致性，在機組運行期間極容易由重量不均衡導致整個機組出現(xiàn)振動[2]。倘若轉(zhuǎn)輪、水斗所使用的材料性能較差，在運作過程中的水斗根部會出現(xiàn)大面積的應力集中，將這種轉(zhuǎn)輪、水斗應用到大型轉(zhuǎn)輪當中，在強大的水流沖擊下水斗根部就會斷裂，嚴重時甚至會造成整個機組損毀。

1.2.2 鉚接

雙箍結構是一種特殊的鉚接工藝，使用這種工藝加工水斗，可以實現(xiàn)水斗的單獨鑄造加工，從根本上提升水斗的受力狀態(tài)并延長了水斗的使用壽命。不過雙箍結構不利于水力性能，隨著轉(zhuǎn)輪的重量不斷增加，相應的轉(zhuǎn)輪的剛度會呈現(xiàn)下降趨勢，圖1 為轉(zhuǎn)輪雙箍結構。

圖1 轉(zhuǎn)輪雙箍結構

1.3 整體鍛造

整體鍛造常見應用于中小型轉(zhuǎn)輪加工，使用整體鍛造工藝對轉(zhuǎn)輪進行加工，通常在對材料進行整體鍛造時，與轉(zhuǎn)輪的預計尺寸接近時選擇數(shù)控加工技術，具有很大的切削量[3]。通常使用整體鍛造、數(shù)控加工得到的轉(zhuǎn)輪性能更加出眾，但是成本更高。截至目前為止，全球范圍內(nèi)尚未存在使用整體鍛造技術加工制造直徑>4 m 的轉(zhuǎn)輪，這從根本上阻礙了超大容量沖擊式機組的發(fā)展。

2 沖擊式水輪機發(fā)電系統(tǒng)數(shù)值分析

2.1 相互作用力

沖擊式水輪機水斗、射流相互作用的數(shù)值關系可以基于動量定理進行推導，得出每個參數(shù)水輪機運行效率產(chǎn)生的影響，圖2 為沖擊式水輪機速度三角形，圖3 為原理模型。

圖2 沖擊式水輪機速度三角形

圖3 原理模型

結合動量定律對水斗方向射流段進行分析，得：

式中：△t為時間段；W1u為U方向進口速度相對分量；W2u為U方向出口速度相對分量；Fu為U方向水斗對射流作用力的分力；m 為流體質(zhì)量。

則△t受力流體質(zhì)量：

式中，Q為流量；r為重度；g為重力加速度。

假定水斗速度U與射流速度V1比值為速度比，記為ψ，則：

此時假設進出口流水速度相同，則按照余弦定理結合圖2 可得：

隨即進一步計算W1u、W2u：

式中，W1為進口相對速度；W2為出口相對速度；α 為射流速度V1與水斗速度U夾角。

則有：

結合牛頓第三定律計算射流對水斗的功率N：

水輪機投入功率Nw：

式中：H為水頭。

式中：φ2為噴嘴效率。

得到?jīng)_擊式水輪機原理模型方程式：

式中，η 為效率。

2.2 斗根曲率均勻度

本次研究中的斗根曲率均勻度可以視為不同位置深度均勻度，如圖4 所示，展現(xiàn)出應力缺口曲面不同曲率的變化，由上至下方案分別為A1~A6，并建立針對性結構方案有限元模型，各結構的應力結果詳見表1[4]?？梢钥闯霭殡S對斗根曲率均勻度的不斷調(diào)整，相應的應力水平不斷下降，A6 應力水平處于最低水平，即最終優(yōu)化方案，綜合應力下降9.1%，交變應力幅值下降7%，平均值下降5.7%[5]。

表1 斗根曲率均勻度對應力水平的影響

圖4 斗根曲率均勻度

2.3 斗根深度

力不同缺口深度由上至下為B1~B5，B3 與優(yōu)化方案A6 相對應，構建有限元模型的同時施加相應的邊界條件和載荷，最終獲得每個方案的應力結果，見表2。伴隨斗根深度減小，相應的應力水平下降，B5 應力水平最低，即深度優(yōu)化最終方案[6]。

表2 斗根深度對應力水平的影響

3 綜合效益分析

3.1 流量測定

對沖擊式水輪發(fā)電機流量進行測定，結合沖擊式水輪發(fā)電機的屬性使用美國7410 型超聲波流量計度進行流量測定。測定結果顯示各項指標均達到相應的生產(chǎn)標準。為了進一步驗證流量監(jiān)測的可靠性，在更換流量測定儀后獲得的數(shù)據(jù)與第一次測定的結果近似，因此可以驗證本次沖擊式水輪發(fā)電機流量已經(jīng)達到預期標準。

3.2 功率測定

沖擊式水輪發(fā)電機的功率決定了其綜合效益，因此對本次設計的沖擊式水輪發(fā)電機功率進行測定，使用0.2 級高精度功率變送器從發(fā)電機出口儀用電壓、電流互感器二次端子接線測定。以預先設定的公平功率變送器標定為基準，經(jīng)測定后方證實本次設計的沖擊式水輪發(fā)電機符合設計要求。

3.3 出力特性

表3為沖擊式水輪發(fā)電機最大出力情況，經(jīng)測定得知符合生產(chǎn)標準要求，同時保留相應的裕量。

表3 沖擊式水輪發(fā)電機最大出力

3.4 效率特性

已知沖擊式水輪發(fā)電機工作水頭，測得沖擊式水輪發(fā)電機效率高達94.25%，比出廠時廠家保障的效率提高了1.15%，且沖擊式水輪發(fā)電機出力區(qū)間為33~34 MW，對提升綜合效益具有積極意義。

3.5 經(jīng)濟效益

本次設計的沖擊式水輪發(fā)電機，電站水頭整體變化幅度有限，最大出力得到顯著提升，總計提升最大出力約10 MW。沖擊式水輪發(fā)電機年運行時長6 000 h、累計增加發(fā)電量約為2 700 萬KW·h，以0.15 元/KW·h計算則年均增加產(chǎn)值約400 萬元。

4 結論

本次設計的水輪發(fā)電系統(tǒng)可以大力提升發(fā)電效率與水能利用率，避免傳統(tǒng)水輪發(fā)電系統(tǒng)制造工藝當中存在的由多次裝夾造成的設計誤差進而無法提升發(fā)電效率的問題。改善水力性能、對水輪發(fā)電系統(tǒng)構件尺寸進行合理控制，提升設備精度與對稱性。同時有效縮短了水輪發(fā)電系統(tǒng)設計時間，提升經(jīng)濟效益。