探究水電站設(shè)備的改造技術(shù)

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1改造轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)介紹

1.1背景分析

HL683轉(zhuǎn)輪是當(dāng)時(shí)最高水頭段可以使用的唯一轉(zhuǎn)輪。(1)HL683轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)如下:曾用名:HL133;導(dǎo)葉相對高度(B0):0.1;最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速(n10):61r/min;限制工況點(diǎn)單位流量:228L/s;汽蝕系數(shù)σ:0.035(限制工況點(diǎn));使用水頭:250～400m;(2)電站主要參數(shù)如下:最大水頭(Hmax):331m;最小水頭(Hmin):295m;設(shè)計(jì)水頭(Hp):305m;額定轉(zhuǎn)速(n):750r/min;水輪機(jī)額定出力(N水):15630kW;吸出高度(Hs):－1m;單位轉(zhuǎn)速(n'):60r/min;單位流量(Q'):0.218;汽蝕安全系數(shù)(K):1.024。從上述數(shù)據(jù)可以看出3號機(jī)組水輪機(jī)選型基本不合理，單位轉(zhuǎn)速略偏低，汽蝕安全余量嚴(yán)重不足，按現(xiàn)在技術(shù)要求，汽蝕安全系數(shù)應(yīng)大于1.5，故電站4號水輪機(jī)汽蝕嚴(yán)重在預(yù)料之中。電站2號、3號機(jī)組改造時(shí)采用D261轉(zhuǎn)輪，汽蝕系數(shù)為0.025，汽蝕安全系數(shù)為1.98，完全滿足電站安裝高程。本次改造任務(wù)技術(shù)要求出力由15MW增容到18MW，在電站水頭不變情況下，流量增加20%，流速基本增加20%，同時(shí)，需滿足汽蝕性能不下降和流道基本不變的要求。由于導(dǎo)葉高度和轉(zhuǎn)輪出口尺寸不能改變，能量指標(biāo)、汽蝕性能和穩(wěn)定性同時(shí)滿足要求的現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪基本不存在，只能在各項(xiàng)指標(biāo)接近的轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪。高水頭機(jī)組水力損失有50%左右由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計(jì)充分考慮了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的匹配問題，對改造后的水輪機(jī)進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算。

1.2葉片設(shè)計(jì)

1.2.1參數(shù)確定

設(shè)計(jì)水頭:Hp=305m;額定轉(zhuǎn)速:n=750r/min;水輪機(jī)出力:N水=18000kW/η發(fā)=18000/0.95=18947kW;額定流量:QP=N水/(9.81Hp×η水)=18947/(9.81×305×0.91)=6.96m3/s;最優(yōu)點(diǎn)流量:Q優(yōu)=QP/1.15=6.96/1.15=6.05m3/s;尾水管進(jìn)口直徑:D=951mm;轉(zhuǎn)輪出口直徑確定:D2=945mm;轉(zhuǎn)輪出口軸面流速:Cm2=Q優(yōu)/(πD22/4)=8.59m/s;轉(zhuǎn)輪出口旋轉(zhuǎn)流速:U2=nD2π/60=37.11m/s;轉(zhuǎn)輪最優(yōu)出口角:β2=arctan(Cm2/U2)=13°;為設(shè)計(jì)方便，將轉(zhuǎn)輪直徑D1調(diào)整為1420mm。導(dǎo)葉高度:B0=140mm;轉(zhuǎn)輪直徑:D1=1420mm;轉(zhuǎn)輪進(jìn)口軸面流速:Cm1=Q優(yōu)/(πD1B0)=9.689m/s;根據(jù)歐拉公式:ηh=U1Cu1－U2Cu2gHηh=2(u1cu1－u2cu2)假設(shè)轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率為96%，且cu2=0，則u1cu1=0.48轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處旋轉(zhuǎn)速度:U1=nD1π/60=750×1.42×3.1415926/60=55.76m/s;轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處無量綱旋轉(zhuǎn)速度:u1=U1/(2gH)0.5=55.76/(2×9.81×305)0.5=0.72081;圓周方向無量綱速度分量:cu1=0.48/u1=0.66591;圓周方向速度分量:Cu1=cu1(2gH)0.5=0.66591×(2×9.81×305)0.5=51.51m/s;轉(zhuǎn)輪最優(yōu)進(jìn)口角:β1=arctan(Cm1/(U1－Cu1))=66.3°。汽蝕性能初步校核:Hs=10-NPSHNPSH=(aCm22+bU22)/(2g)=(1.12×8.592+0.055×37.112)/(2×9.81)=8.2mHs=10-NPSH=1.8m上述參數(shù)基本滿足汽蝕要求。

1.2.2CFD仿真計(jì)算

在確定了轉(zhuǎn)輪上述參數(shù)后，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪CFD仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖1為最終計(jì)算成果。為使設(shè)計(jì)樣機(jī)盡可能與真機(jī)工況接近，在進(jìn)行CFD仿真計(jì)算時(shí)將導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了聯(lián)合仿真計(jì)算，分別計(jì)算了導(dǎo)葉開度在8°、10°、13°、15°、20°的5種工況，導(dǎo)葉在小開度8°、10°時(shí)，葉片進(jìn)水邊低壓產(chǎn)生，同時(shí)，中可以清晰看出不同開度下水流出流狀況，在個(gè)工況下葉片壓力分布合理，機(jī)組的出力和額定點(diǎn)效率完全可以保證。

2改造部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電站為高水頭電站，水輪機(jī)為兩段軸型式中拆結(jié)構(gòu)，在檢修水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時(shí)，不用拆發(fā)電機(jī)，在水機(jī)層，拆除中段軸、副頂蓋、軸承、控制環(huán)等后就可以直接取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。本次改造轉(zhuǎn)輪與原轉(zhuǎn)輪在結(jié)構(gòu)尺寸中略有變化，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪最大外徑和轉(zhuǎn)輪出口到底環(huán)平面距離增加。為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量按原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將局部尺寸進(jìn)行了修改，保證在不拆除頂蓋的情況下可以取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。將原下密封梳齒結(jié)構(gòu)改為臺階密封結(jié)構(gòu)，這樣可以防止發(fā)生密封處自激現(xiàn)象，原尾水管未改動(dòng)。在解決頂蓋變形方面電站積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，將最初的鑄件頂蓋改為實(shí)心鑄件頂蓋，將套筒結(jié)構(gòu)改為無套筒結(jié)構(gòu)，將頂蓋法蘭由原來85mm加厚為135mm。經(jīng)過改造，頂蓋變形量由2mm左右減小到接近0mm，克服了導(dǎo)葉運(yùn)行中發(fā)卡現(xiàn)象，頂蓋變形問題得到解決，保證了軸承和密封的安全可靠運(yùn)行。本次改造沿用該方案。導(dǎo)葉采用表面相對流速較低的帶有偏心的負(fù)曲率導(dǎo)葉，提高導(dǎo)葉本體的抗磨蝕性能?；顒?dòng)導(dǎo)葉選用16只，采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造而成。活動(dòng)導(dǎo)葉翼型與一般水輪機(jī)導(dǎo)葉不同，有較大偏心，使負(fù)壓面平順光滑，上、下軸徑的過渡凸肩偏置于正壓面，從而避免凸肩在背壓面誘發(fā)磨蝕。

3改造部件加工工藝

3.1轉(zhuǎn)輪加工

轉(zhuǎn)輪采用19個(gè)葉片，轉(zhuǎn)輪全不銹鋼材料(ZG06Cr13Ni4Mo)。為保證型線要求，葉片正背面采用數(shù)控設(shè)備加工，上冠、下環(huán)過流面采用數(shù)控車床加工，轉(zhuǎn)輪葉片型線及焊接剖口為三維造型數(shù)控加工，保證了葉片型線與設(shè)計(jì)型線完全相符，同時(shí)也保證了裝焊轉(zhuǎn)輪時(shí)葉片進(jìn)口角度，以及葉片間開口誤差遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)手冊要求值。

3.2導(dǎo)葉加工

導(dǎo)葉數(shù)為16個(gè)，材料ZG06Cr13Ni4Mo，導(dǎo)葉板體型面在數(shù)控加工中心完成，導(dǎo)葉板體型線、軸頸尺寸、密封面完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配時(shí)一次檢查合格。

3.3頂蓋加工

本次改造由于頂蓋沒有套筒，軸套為銅基石墨自潤滑，頂蓋導(dǎo)葉孔的加工非常重要。首先，在頂蓋半精加工時(shí)需采用數(shù)控設(shè)備，分度圓精度達(dá)到0.03mm/m以內(nèi)，把16個(gè)導(dǎo)葉孔加工好，軸套位置的尺寸全部進(jìn)入公差，再將軸套冷凍后放入，保證軸套與軸套孔有一定緊量，防止軸套滑動(dòng)。頂蓋抗磨板在軸套裝入后才能裝焊。為防止高壓水進(jìn)入抗磨板和頂蓋的間隙，將每一塊抗磨板和頂蓋焊實(shí)，保證高壓水不能進(jìn)入。將每個(gè)靠近軸套的抗磨板作為一個(gè)環(huán)形部件與頂蓋和抗磨板焊牢。最后將軸套內(nèi)孔在車序完成后，重新找正加工。軸套與導(dǎo)葉軸頸間隙0.06mm左右，以改善導(dǎo)葉受力狀況，銅基石墨自潤滑軸套具有摩擦系數(shù)低、承載能力高等特點(diǎn)，可以減少導(dǎo)葉與軸套配合面的磨損，軸套按十年使用壽命設(shè)計(jì)。

3.4其他改造

頂蓋上原有控制環(huán)導(dǎo)向環(huán)為鑄鐵材料，本次改造更換為銅基石墨自潤滑環(huán)，能減少摩擦阻力，提升產(chǎn)品品質(zhì)。導(dǎo)葉軸套本次改造更換為銅基石墨自潤滑軸套，為內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)，大修時(shí)不用更換。

4實(shí)際運(yùn)行效果

本次更換設(shè)備制造質(zhì)量較好，安裝順利。機(jī)組在空轉(zhuǎn)24h后，帶負(fù)荷運(yùn)行，對各個(gè)開度進(jìn)行了試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)區(qū)域，機(jī)組出力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，業(yè)主非常滿意。2012年3月，4號水輪機(jī)改造后投入運(yùn)行，至今效果良好。

5總結(jié)

筆者從實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中取得了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對高水頭、高轉(zhuǎn)速及中拆結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。本次改造經(jīng)驗(yàn)可為同類型電站水輪機(jī)改造所借鑒。

作者：長金全 蘭舟 單位：四川國眾發(fā)電設(shè)備有限公司