水轮机稳定性设计优化思考

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摘要:本文结合某大型高水头混流式水轮机的参数以及实际运行情况，依托对转轮、活动导叶的优化设计，完成了该水轮机的稳定性设计优化。在此基础上，使用模拟运行与试验的方式分析了优化结果，证实了该优化设计方法的有效性。

关键词:高水头;混流式水轮机;稳定性

在我国当前的水力发电中，混流式水轮机的使用范围更广，同时，为了更好满足人们实际的用电需求，混流式水轮机不断向着水头与单机容量扩大的方向发展。在这样的情况下，水力发电站更加倾向于使用大型高水头混流式水轮机，为了确保实际生产的安全，对这种水轮机进行稳定性方面的优化设计极为必要。

一、某大型高水头混流式水轮机的情况概述

某水力利发电站使用的大型高水头混流式水轮机的单机容量达到600兆瓦，总装机容量在4800兆瓦，保证出力1972兆瓦。其中，应用的大型高水头混流式水轮机主要参数如下:额定水头为288米、设计水头为295米、额定转速为每分钟166．7转、额定出力为610兆瓦、额定流量为每秒钟228．6立方米、模型最高效率不低于94%、比转速为109．72m•kW、转轮叶片数为长叶片15个与短叶片15个。依托对主要参数的分析能够看出，该大型高水头混流式水轮机使用了相对稳妥的设计，有着较高的空化性能。对该大型高水头混流式水轮机展开模型验收，结果显示该水轮机的各项水力性能均达到预期，且运行中不存在破坏性强的涡带。为了进一步提升本水力发电站机组运行的安全性与稳定性，笔者对相应大型高水头混流式水轮机展开了稳定性方面的设计优化。

二、大型高水头混流式水轮机稳定性优化设计实践

(一)转轮优化设计。总体来看，大型高水头混流式水轮机的运行中，稳定性下降的主要原因包括:运行中转轮与导叶之间发生了动静干涉;导叶出口发生脱流［1］。基于这样的情况，需要在优化过程尽可能消除动静干涉，并避免导叶出口脱流问题的发生，以此达到提升大型高水头混流式水轮机运行稳定性的效果。在本次优化设计中，主要结合本水力发电厂中水轮机的实际情况，对转轮结构展开了调整，具体操作包括:对转轮进口的直径展开合理下调，以此促进无叶区间距的增大;为了避免飞逸转速发生过大的问题，将转轮进口直径的下调大小控制在合理范围内，多次计算发现，减少0．2%即可达到无叶区间距增大与飞逸转速控制之间的平衡;调整子午面上进水边的形状，将其转变为圆弧形，并将平均进口直径降低1．4%、中间截面位置的直径下调2%。(二)活动导叶优化设计。为了最大程度消除由导叶出口脱流造成的水轮机运行稳定性下降问题，笔者还在稳定性设计实践中对该大型高水头混流式水轮机的活动导叶展开了优化调整，具体的操作如下:对活动导叶压力侧的型线展开调整，使得下缘范围扩大、上缘范围所有减少;将导叶分布圆的直径从原有的7360毫米调整至7404毫米，促使无叶区间距进一步增大。(三)成果分析。本次稳定性优化设计中，主要应用了数值模拟与模拟试验的方法确定大型高水头混流式水轮机稳定性优化设计的效果，确保优化措施的科学性与合理性。主要对比了优化前后同一水轮机的性能与内部流场。其中，水轮机性能使用了动态应力与运行效率两指标完成评价［2］。对甩负荷工况、剪断销剪短工况、全关工况下水轮机优化前后的动态应力进行分析与对比，得到的结果具体如下:在甩负荷工况下，优化前的水轮机的动态应力为370MPa、优化后的动态应力为315MPa;在剪断销剪短工况下，优化前的水轮机的动态应力为529MPa、优化后的动态应力为472MPa;在全关工况下，优化前的水轮机的瞬时动态应力为332MPa、优化后的瞬时动态应力为292MPa。能够看出，在优化后，水轮机在不同工况下的动态应力均下降，使得机组叶片受损概率减小，提升了运行稳定性。对活动导叶在优化前后的水中自振频率进行分析与对比，结果显示:在优化前，活动导叶水中自振频率为74．1Hz、与激振频率的安全余量为-11．1%;在优化后，活动导叶水中自振频率为70．4Hz、与激振频率的安全余量为-15．6%。能够看出，优化设计后，活动导叶的自振频率与发生共振的概率均有所下降。对优化前后的水轮机运行效率进行对比，得到的结果如下:优化前，水轮机额定工况下的效率为93．51%、额定水头部分出力工况下的效率为91．0%、最高水头最大出力工况下的效率为93．49%;优化后，水轮机额定工况下的效率为93．38%、额定水头部分出力工况下的效率为91．28%、最高水头最大出力工况下的效率为93．42%。对比发现，调整后并不会影响水轮机的运行效率。对比额定工况条件下优化前后的导叶压力分布情况能够发现，在优化后，无叶区的压力脉动有所下降，整个水轮机的内部流动性更好，不存在明显的脱流与撞击，达到了运行稳定性增强的效果。

三、总结

综上所述，通过下调转轮进口的直径、调整子午面上进水边的形状、提升导叶分布圆的直径、对活动导叶压力侧的型线展开调整，即可完成大型高水头混流式水轮机的稳定性提升。模拟实验分析结果显示，这样的优化调整不会影响水轮机的运行效率，且达到了增强水轮机运行稳定性的效果。

参考文献:

［1］张梁．大型高水头混流式水轮机的稳定性设计优化［J］．水电与抽水蓄能，2019，5(01):71-74+61．

［2］刘韶春，杜荣幸．高水头混流式水轮机技术在南椰2电站的应用［J］．红水河，2018，37(01):24-28．

作者:詹诗文 单位:浙江富春江水电设备有限公司