中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性

摘要：中小型水电站技术改造是水电事业发展的重要组成部分，本文通过对我国中小型水电站发展现状的论述，分析了在中小型水电站技术改造中水轮机转轮改型设计的必要性和可行性，并介绍了当前水轮机转轮设计、测试和制造方面的新技术。

　　关键词：中小型水电站 水轮机转轮 改型设计

　　1我国中小型水电站的发展现状

　　建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计我国常规水电装机容量已达到7700×104kW，其中，中小型水电站4.5×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容量达2020×104kW，有近一半为50～60年代制造的设备[1].由于当时条件限制，这些电站的水轮机多数是应用前苏联40～50年代的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能量指标偏低。加上大部分国产机组生产于特殊年代，不按电厂各种条件而硬性套用定型图纸，或仅按模型试验的特定角度硬性规定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。还有性能指标较低，如高效区狭小、振动区范围大、空化性能差等，对机组的安全稳定运行产生了严重的影响，很大程度上降低了电站设备的运行管理水平和效益。

　　另外，由于大部分电站已运行了三四十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频繁。长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。根据国外有关资料介绍，效率下降约为2％。特别是有些电站或由于当年是套用机组，或由于电站参数发生变化，使机组长期在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷峰谷差愈来愈大，增大中小型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。而电力系统越来越多地要求水电机组特别是中小型水电机组担负调峰、调频和事故备用任务，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得苛刻，对那些设备陈旧的老电站，担负这样任务显然力不从心。同时，近几年大电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调节性能较好的水电站实行顶峰发电，多发电必将会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。

　　2水轮机转轮改型的必要性和可行性

　　2.1水轮机转轮改型的必要性

　　从我国水电事业的发展现状来看，大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要表现在下面几个方面[2]：

　　（1）水轮机转轮效率低。水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年代至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一大批机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪费。

　　（2）水轮机与水轮发电机选型不合理。“六五”以前安装的水轮发电机组，由于设计条件限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，使水能不能充分利用，有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而大大限制了机组出力。

　　（3）水轮机运行可靠性差。水轮机受当时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不断增加。严重影响水轮机的可靠运行。

　　（4）自然条件的变化。近年来随着经济的发展，有些电站的上游大力发展耗水量较大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。这样部分水轮发电机组经几十年投运，上、下游水位已发生较大变化，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行。

　　综上所述，80年代以前建设的一大批电站，由于机电设备落后，技术老化，机组设计水平低，制造工艺差，技术参数低。以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化，已不能充分利用已开发的水力资源，从而造成水力资源的再度浪费。再加上电网调峰的迫切需要。如何提高已开发的水力资源的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重大课题。

　　众所周知，水轮机转轮水电站的核心设备。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网可靠性方面有着巨大影响。因此，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。通过对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加电站容量，改善机组运行的安全稳定性。

　　2.2水轮机转轮改型的可行性

　　首先，从经济的角度分析，开发新电站投资大、周期长，而进行水轮机转轮的增容改造由于不需要再建大坝等水工建筑物，故投资很少，见效很快，经济效益很高。一般认为，对老电站的增容改造其单位千瓦投资要比新建电站低2/3以上[3].

　　因此，水电站水轮机转轮的改型是一项投入少产出多效益显著的项目，是提高水电站运行可靠性和经济性的最主要方向，已成为许多国家解决能源短缺问题的手段之一。

　　其次，从技术上来说，近年来计算机与计算技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很大的进步。使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足的进步。这些新的技术主要表现在：

　　（1）数值模拟技术。五六十年代，混流式转轮的设计基础是本世纪初罗伦兹提出的通流理论，即假定转轮中的叶片数无穷多，无限薄，这样将三维流动简化成轴对称流动。从80年代以后，随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，水力机械过流部件的三维流动分析、三维设计和优化算法都有了长足的发展，已成为过流部件水力设计与流动分析的重要工具。目前，仅在水轮机研究领域就有清华、哈电和东方厂等国内近十家单位引进了先进的CFD分析软件。

　　如哈电，利用CFD分析软件进行模型转轮开发，完成了三峡右岸转轮的转化设计，对丰满、新安江、丹江口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行数值模拟和优化，完成了洛溪渡、水布垭、小湾、龙滩、公伯峡等电站水轮机的水力设计。东方厂利用CFD技术开发出福堂电站用D307模型转轮，其最高效率为94.43％。空化性能也很高，其空化系数δ＝0.047，飞逸转速特性最大为106.4r/min，最大压力脉动混频双振幅值为5.5％。

　　另外，西安理工大学从80年代后期开始进行水轮机通流部件的反问题研究[4]，先后提出并建立了基于S1流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于S2流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于混合谱方法的全三维有旋流动的反问题计算模型和方法。近年来，在三维粘性流设计模型的基础上，又实现了设计方案的计算机自寻优，达到了根据厂站的实际水力参数进行“量体载衣”式的设计，取得了水力机械转轮设计方法的重大突破。到目前为止，用该模型已先后为有关电站、多家水轮机厂和有关研究单位的几十台水轮机转轮进行了改型设计，全部达到了用户提出的改造目标。

　　这种针对某一电站进行专门设计与制造的水轮机选型方法，可以保证让每一个电站都可以选出适合自己电站条件的最优水轮机型式，从而达到最佳运行效果，取得最大经济效益。通过采用先进的计算机数值模拟技术对水轮机转轮进行增容改造，具有低投入、高产出、见效快的特点。在改善运行性能的同时减少了运行及维修费用、减少了机组的停机时间，使电厂费用降低并尽快受益。

　　（2）模型测试技术。当前流体机械测试技术发展迅速，诸如压力测量技术、流量测量技术和粒子图像测速技术有较大的提升，多媒体技术和计算机网络技术进一步应用到流体机械测试系统中。总之，以计算机为核心的自动测试系统已成为现代测试系统的一个特点和通用形式。国内的哈电、东方、双富等厂家和清华、河海、水科院等科研院校都建设或对原水轮机模型试验台的电气、测试系统进行了全面的改造。其综合测试精度、运行稳定性和重复精度大大提高。目前，全国已有5座通过部级鉴定的现代化试验台，其效率综合试验误差在±0.25％～±0.3％，为水轮机模型试验和电站改造验证研究提供了良好的条件。如哈电研制成功了转轮内部流态观察成像系统[5]，可通过光纤内窥镜和摄像头采集转轮进口处的脱流、叶道涡、空化和出口处的空化、涡带的信息，验证CFD的分析结果。也可通过观察转轮在各工况的流态，为改型设计提供依据。

　　（3）刚强度计算技术[5].水轮机转轮不仅要有好的水力性能，还应具备高的刚强度性能，这样才能保证机组高效安全地运行。因此对转轮的刚强度计算以及计算的准确性尤为重要。传统的设计方法采用简单的材料力学理论将叶片作为一悬臂梁在全水头均压下计算根部应力，计算结果与实际有较大出入，或通过模型试验和电站实测来为设计者提供参考。而且还无法计算叶片的静位移和固有频率。近年来随着有限元的发展，机械构件的刚强度计算技术有了很大的提高。用计算机模拟技术代替模型试验和电站实测以成为可能。目前以ANSYS和IDEAS为代表的一大批大型有限元结构分析计算软件在转轮刚强度计算中得到

　　了广泛的应用，实现了水力与强度的交互式设计，计算结果更为准确，叶片应力状况也更趋合理。同时采用有限元边界元法相结合来计算过流部件的流固耦合振动，由于考虑了结构在流体中振动的附连水质量，可用计算来估算结构在水中的固有频率，这种方法可在改造项目中对机组的稳定性进行预测。

　　（4）叶片模压成形技术。水轮机转轮是水轮机的心脏，因此它的制造质量至关重要。直接影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。过去大多采用铸造方法制造叶片，打磨光滑后与上冠、下环拼焊。该工艺方法有很多缺点：型线偏差大、表面粗糙、打磨废工、抗空化性能差，并且铸造的叶片带有铸造缺陷，使得叶片使用性能变坏，对于大型叶片，叶型精确度更难控制，最终也不易达到要求。近几年来，模压成型技术广泛用于水轮机转轮叶片制造，它是一项可以获得叶型准确、铲磨量小、价格适中、生产周期较短的转轮叶片制造技术。其方法是将叶片母材进行初步加工，然后放在用数控机床铣好的压模内用压力机压型，最后做局部修磨。这种方式制成的叶片型线好，材质好，抗空化磨损性能强，效率也易得到保证。如哈电应用IDEAS和DEFORM－3D两个有限元软件开发了动态计算模压叶片中心和压力吨位的计算方法，已获得了成功。

（5）叶片数控加工技术。对于叶片的加工过去采用“立体样板－铲磨”工艺，这是一种通过投入大量手工劳动力，依据立体样板作为测量工具，把铸件毛坯变成叶片成品的工艺。根据文献[6]，使用这种加工工艺存在着测量精度差、使用操作困难和费用大的三大致命缺点。近年来，国内外各水轮机制造厂家已取消了传统的立体样板，采用数控加工技术，它是一种通过计算机系统的软件控制机床自动操作完成的一种理想的加工工艺。由于它能把叶片的理论曲面图形通过数据输出准确无误地传送到执行指令的操作机构上，解决了叶片测量与理论位置的自动找正问题和测点加工余量的自动计算问题，使大型水轮机的叶片制造精度较传统立体样板工艺有了较大提高。如刘家峡2＃转轮和天生桥的5＃、6＃转轮都是采用数控加工。再者，从工程应用方面来说，近年来，老电站机组的技术改造工作已引起了世界各国的普遍关注，尤其在一些水力资源开发程度较高的国家，更为重视。我国的电站更新改造工作与国外先进国家相比虽然起步较晚。但也于80年代初开始探索性的工作。20年来，各类水电站的技术改造工作已取得了不少的成绩和经验，为各电厂和科研单位培养了大批技术人员和技术工人，从而为我国各电厂的增容改造工作奠定了基础，使各水电站的技术改造工作的顺利完成成为可能。  

3结论

开发新电站投资大、周期长，而老电站增容更新改造由于不需要再建大坝等水工建筑物，故投资少、周期短、收益大。可见，水电站更新改造已成为许多国家解决能源短缺的重要手段之一，而水轮机转轮是水电站的主要设备之一，水轮机转轮性能的优劣对合理开发利用水能、提高水电站运行可靠性和经济性、保证电网可靠性方面有着巨大影响。所以，水电站水轮机转轮改型设计已成为水电站更新改造的主要任务与关键途径之一。与此同时，现代计算机数值模拟技术、模型测试技术、刚强度计算技术和制造技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。因此，我们应充分利用现代科学技术成果，结合我国八十年代之前建造的中小型水电站的实际情况进行机组特别是水轮机的技术改造。确保水轮机的高性能、高质量和安全可靠运行。