HL160型水輪機的增容改造技術

HL160型水輪機的增容改造技術

摘要在理論計算的基礎上，結(jié)合水輪機轉(zhuǎn)輪實測與實踐經(jīng)驗，確定了葉片出水邊的切割量，使水輪機增容25%；對新舊型譜系列模型轉(zhuǎn)輪性能分析結(jié)果表明，D06A轉(zhuǎn)輪能量特性及空化特性都優(yōu)于HL160轉(zhuǎn)輪，經(jīng)流道對比得出兩種轉(zhuǎn)輪互換性很強，用D06A轉(zhuǎn)輪替代HL160轉(zhuǎn)輪可增容20%。這兩個結(jié)論在青海曲庫水電站1號機的增容改造中得到了驗證。

關鍵詞混流式水輪機增容改造切割葉片新型轉(zhuǎn)輪曲庫水電站

曲庫水電站位于青海省同仁縣隆務河流域上游，該站引水流量為m3／s，而隆務河多年平均流量為m3／s，在豐水季節(jié)存在大量棄水。電站裝機3臺，設計容量3000kW，其中1臺HL160-WJ-84水輪機，在65m設計水頭下過流能力為m3／s，機組最大出力為2000kW，而所配發(fā)電機額定出力為2500kW。水能資源和機組狀況提供了增容改造的必要性和可行性。1995年，筆者利用該機組1個閑置的轉(zhuǎn)輪，在維修工作的基礎上通過切割出水邊等手段，使機組出力達到了2500kW，以極低的成本獲得了增容改造的成功；1998年，又結(jié)合電站購置新轉(zhuǎn)輪的需要，用HLD06A轉(zhuǎn)輪取代了HL160轉(zhuǎn)輪，使機組出力達到2400kW，以轉(zhuǎn)輪換型的方式達到了大幅增容的目的。

1通過切割葉片出水邊增容

葉片切割量的計算

轉(zhuǎn)輪的增容改造，主要形式為調(diào)整葉片形狀和切割葉片出水邊。其中，葉片修型的目的是在提高效率的同時，加大過流能力。而切割葉片出水邊則主要是在基本不使效率下降的前提下，增大轉(zhuǎn)輪的過流能力。由于調(diào)整葉片形狀必須基于流場計算的基礎上，且改造工藝過程復雜，工期長、費用高，一般小水電站不易接受，故本文只能就筆者所進行的水輪機實際改造方法作以介紹，以期對小型機組的增容改造提供借鑒。

水輪機流量調(diào)節(jié)方程式為：

式中，Q為流量；ω為旋轉(zhuǎn)角速度；r2為葉片出水邊半徑；η為水輪機效率；F2為轉(zhuǎn)輪出口過水斷面面積；H為水頭；g為重力加速度；a0為導葉開度；b0為導葉高度；β2為葉片出口邊安放角。

上式明確地反映出葉片出口邊幾何參數(shù)對機組過流能力的影響。當機組導葉開度最大即a0為最大值時，水輪機過流能力取決于葉片出水邊半徑r2、水輪機過流面面積F2、葉片出口邊安放角β2這3個幾何參數(shù)值，這3個參數(shù)中任何1個的增大都將使轉(zhuǎn)輪過流能力提高。

轉(zhuǎn)輪葉片設計時，要求從出水邊至進水邊，相對速度與圓周方向的夾角β的變化規(guī)律呈單調(diào)增加，這意味著對葉片出口邊的切割將使出水邊處相對速度與圓周方向的夾角β2增大；轉(zhuǎn)輪流道從進口到出口呈收縮狀態(tài)，切割出水邊將使r2、F2也增大。因此，適當切割葉片出水邊可使過流能力增強。轉(zhuǎn)輪出水邊切割量是個非常敏感的參數(shù)，稍有不妥，便會使水力效率過分降低，導致流量加大而出力不增加甚至下降，因此，葉片出口邊切割量需在理論分析計算基礎上結(jié)合實踐經(jīng)驗才能確定。圖1所示為兩相鄰葉片的出水邊部分，圖中t表示周向

式中，W2r為葉片出口相對速度徑向分量。

若將切割前后的微元流量分別以ΔQ1和ΔQ2來表示，相應地將切割前后的出口相對速度及葉片開口分別以W21、a01和W22、a02來表示，則由式推出下列關系式：

出水邊切割量不可能很大，可近似認為切割前后葉片長度基本不變，則W21≈W22，由此可得：

式中，aoi為葉片出水邊第i個點上的開口值；ri為從水輪機軸心線至各開口測點間的距離；N為所選開口點的數(shù)量。

用式計算加權平均開口，若所選開口點數(shù)在下環(huán)部分較多，則其值偏大，因下環(huán)部分葉片開口大；反之，若所選開口點數(shù)上冠部分較多，則其值偏小。準確的計算方法應按下式：

式中，rA為葉片出水邊與上冠交點半徑；rB為葉片出水邊與下環(huán)交點半徑。

實際計算時，可作開口值a與開口點處半徑r的乘積ar在rA至rB間曲線，再計算曲線所圍的面積。

式(4)中開口值用加權平均開口代替，則可得出水邊切割前后水輪機過流能力Q1、Q2與切割前后加權平均開口值aO1CP、aO2CP關系式：

據(jù)此可求出在期望的過流能力時開口的加權平均值，由此可進一步確定葉片出水邊切割量。

實際切割量的確定及改造結(jié)果

據(jù)轉(zhuǎn)輪實測結(jié)果，得出切割前葉片出水邊平均開口值aO1CP=。假設切割后轉(zhuǎn)輪效率不下降，當機組出力從2000kW增至2500kW時，流量將從m3／s增至m3／s，根據(jù)式求得切割后平均開口值應為61mm。測量后確定此時出水邊切割量應為25mm，考慮其可靠性，最終確定切割量為20mm。

為使改造費用降低，利用該機組1個報廢閑置轉(zhuǎn)輪，經(jīng)堆焊、車削、打磨恢復到設計圖紙要求后，割去葉片出水邊20mm。增容改造一次成功，取得了預期效果，空蝕磨損狀況略有惡化但無大的影響，機組出力達到2500kW，取得了很好的經(jīng)濟效益。

2以更換新型轉(zhuǎn)輪的形式增容改造

D06A與HL160轉(zhuǎn)輪的性能比較

曲庫水電站HL160機組導葉相對高度是，單位轉(zhuǎn)速／min，額定出力時單位流量m3／s，而改造后的轉(zhuǎn)輪限制單位流量期望值是m3／s。經(jīng)分析已有幾何參數(shù)相近的性能較優(yōu)轉(zhuǎn)輪后，初選D06A轉(zhuǎn)輪。二者參數(shù)對比見表1。

機組預期最大出力

D06A-84轉(zhuǎn)輪的過流能力遠大于HL160。查其綜合特性曲線，在單位轉(zhuǎn)速r／min時，Q11達到m3／s，模型效率ηM為87%。設發(fā)電機效率保持在2000kW時的值不變，機組出力可達到2420kW，增幅在20%左右，可使發(fā)電機容量得到比較充分的利用。

空化系數(shù)比較

一般來說，空化系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的增加而增加。由表1可見，D06A轉(zhuǎn)輪與HL160轉(zhuǎn)輪相比，前者的過流能力遠大于后者，而空化系數(shù)σ卻明顯小于后者，體現(xiàn)了D06A轉(zhuǎn)輪的優(yōu)越性能。

曲庫水電站HL160機組的單位轉(zhuǎn)速是r／min，據(jù)此查兩種轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，HL160轉(zhuǎn)輪的限制單位流量是m3／s，空化系數(shù)是；而D06A轉(zhuǎn)輪的限制單位流量是m3／s，空化系數(shù)是。由此可見，D06A轉(zhuǎn)輪比起HL160轉(zhuǎn)輪，過流能力大為提高，空化系數(shù)不但沒有增加反而有較大幅度下降。

效率特性比較

根據(jù)D06A和HL160轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，得兩轉(zhuǎn)輪的Q11對應的模型效率ηM在n11=r／min時的對比數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，在Q11＜m3／s的運行區(qū)域，D06A的ηM比HL160的ηM要小2%左右，但1號機組和另外兩臺小機組合理分配負荷完全可避免在此小流量區(qū)域運行。而在m3／s＜Q11＜m3／s的運行范圍內(nèi)，即HL160從最優(yōu)到限制單位流量范圍內(nèi)，處在D06A的最優(yōu)單位流量附近，ηM較前者高出0～%左右；／s＜Q11＜m3／s的范圍即增容流量區(qū)，處于D06A的最優(yōu)到限制單位流量段，其效率在87%～90%之間。也就是說，除增加過流量帶來的發(fā)電量外，更換轉(zhuǎn)輪還能額外獲得水力效率提高而增加的發(fā)電量。

轉(zhuǎn)輪流道形狀比較

將改造前后轉(zhuǎn)輪剖面圖繪在一起，見圖2。圖中虛線所示為曲庫電站轉(zhuǎn)輪剖面圖，實線所示為D06A-84轉(zhuǎn)輪剖面圖。

D06A轉(zhuǎn)輪下環(huán)錐角是6°10′，與HL160的6°30′相差不大，下環(huán)外徑尺寸可不改變；由圖2可見，D06A轉(zhuǎn)輪的上冠流道曲線比HL160抬高了很多，使上冠部分變得較薄，從強度角度考慮，新型轉(zhuǎn)輪上冠頂蓋側(cè)形狀在原HL160轉(zhuǎn)輪基礎上做了修改，把凹面改為平面，使上冠厚度增加；隨上冠型線的改變，上冠中心鑄造空腔做了相應改變；泄水孔出口在D06A葉片流道出水邊之后，泄水孔位置、角度均不發(fā)生變化。

綜上所述，D06A轉(zhuǎn)輪的性能優(yōu)于HL160，且與D06A轉(zhuǎn)輪的互換性很好。用D06A-84轉(zhuǎn)輪替換，可使機組出力從2000kW增至2420kW。

導水機構的改造

幾何相似導葉位置可表達為：

據(jù)模型參數(shù)推算出該導水機構設計最大開度為6574mm，而更換D06A轉(zhuǎn)輪后要求最大開度達到82mm?，F(xiàn)場實測表明，導水機構開度增至82mm時，導葉出水邊仍然不會與葉片進水邊相碰。

參考HL160-WJ-84導水機構S-a0圖和實測結(jié)果，確定了改造后控制環(huán)耳環(huán)的最大行程Smax。但調(diào)速軸轉(zhuǎn)臂的最大轉(zhuǎn)角45°是不可更改的，那么，Smax取決于調(diào)速軸轉(zhuǎn)臂銷孔的旋轉(zhuǎn)半徑R，其值愈大則Smax越大。它們的關系可表達為：

式中，θ為調(diào)速軸轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角。

據(jù)此制造了新尺寸的調(diào)速軸轉(zhuǎn)臂，并與調(diào)速軸重新配鉆了鍵孔。

轉(zhuǎn)輪換型增容的結(jié)果

改造后的機組實際最高出力達到2400kW。運行1年3個月，累計增發(fā)電量200萬kW·h，電價按元／kW·h計，增容改造直接經(jīng)濟效益達40萬元，全部增容改造費用僅12萬元，不到5個月便可收回全部成本。

3結(jié)論

(1)HL160-WJ-84型水輪機轉(zhuǎn)輪切割出水邊20mm，機組出力可增加25%。

(2)用HLD06A轉(zhuǎn)輪替代HL160轉(zhuǎn)輪后，增容幅度可達20%，且空化性能也能大幅改善。

(3)在增容改造工作中，