HL240型水輪機葉片出水邊切削對增容的影響

林 愉，盛 敏，陳太全

（1.江西理工大學機電工程學院，贛州 314000；2.贛州發(fā)電設備成套制造有限公司，贛州 314000）

1 背景

我國相當一部分中小型水電站由于設備選型問題或水資源狀況的改變，水輪機工作效率呈逐年下降趨勢，若徹底改造、整體更換轉輪，經(jīng)濟效益改觀并不十分顯著，可通過改造原設備，在節(jié)省大量經(jīng)濟支出的同時達到提高生產(chǎn)效率的目的。工程實踐中不難發(fā)現(xiàn)轉輪葉片進出口角、葉片數(shù)量等因素對水輪機流量和功率有重要影響，本文針對江西會昌某電站型號為HL240型水輪機進行技術改造，通過對轉輪葉片出水邊切削的理論分析，探尋不同切削條件下葉片表面的壓力分布對設備增容的效果，并為其他增容方案或改型措施提供參考。

2 數(shù)學模型及計算方法

用S1流面即回轉面截取葉片得到一翼型，將該翼型線分成m段，以m多邊形代替翼型，計算翼型如圖1所示。

圖1 計算翼型

對于給定來流角α，任意節(jié)點處的渦強度為[1]

其中 γxj和 γyj分別表示 j點對應來流角 α=0°和α=90°的渦強度 （j=2，3，…，m），構成向量 γx和γy，可由以下方程組解得

方程組中系數(shù)矩陣K為氣動影響系數(shù)矩陣或系數(shù)矩陣，常數(shù)向量R為與來流角α相關的常數(shù)向量。

3 流場模擬

通過奇點分布法可以計算得出葉片翼型周圍流場的分布情況。解得翼型壓力分布如圖2(a)所示，橫坐標Arclength為切割后翼型上各點離進水邊的弧線距離，縱坐標為翼型上各點的靜壓分布。其中pressure線為翼型正面靜壓力，suction線為背面靜壓力。

NUMECA公司的核心軟件是在比利時布魯塞爾自由大學流體力學系80年代為歐洲宇航局（ESA）編寫的CFD軟件-歐洲空氣動力數(shù)值求解器 （EURANUS）的基礎上發(fā)展起來的。其中FINE/TURBO軟件包可用于任何可壓或不可壓、定?；蚍嵌ǔ?、二維或三維的粘性或無粘內部流動的數(shù)值模擬。其中包括任何葉輪機械：軸流或離心；單級或多級?；蛉魏纹渌麅炔苛鲃樱汗芰?，渦流以及閥門等。利用該軟件包解三維雷諾時均N-S方程得圖2（b）。由于圖 （a）尾翼部分忽略粘性影響，數(shù)值上稍有偏差。從以下兩圖可見，翼型背面出水邊處壓力較低，進水邊處壓力較高，兩圖壓力分布情況吻合，與實際葉片背面出口處腐蝕較嚴重相符。在圖2（b）中發(fā)現(xiàn)葉片出口處壓力差值較大且壓力最低點靠近出水邊，故可采取適量切削出水邊使得壓力谷點內移，但切削葉片出水邊時應控制切割量以免破壞翼型使效率驟降。

圖2 翼型壓力分布

對葉片出水邊分別作5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、35mm、45mm切削，切削示意圖如下：（圖3）較高壓力。其壓力分布指出，切削葉片出水邊時，在葉片工作面會形成一個低壓區(qū)。且低壓區(qū)隨切割量的增加逐漸往上游進水邊沿移動，切割量達

圖3 切削示意圖

計算葉片靜壓分布，部分截面翼型附近流場如下圖所示：（圖4）

圖中色階反映壓力大小，深藍色壓力最小，深紅色壓力最大，翼型頭部 （即進水點）附近有到45mm時甚至低壓區(qū)完全出現(xiàn)在正面。低壓區(qū)移動情況如上圖4。當葉片出水邊切削過多時會導致葉片工作面也發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，受損面積加大，從而加劇葉片和轉輪損壞，降低使用壽命。

圖4 部分切割情況葉片靜壓分布

4 改型計算

切削葉片出水邊對流量產(chǎn)生影響，水輪機的流量相似定律為[2]：

其中V2m為水流在轉輪出口處的軸面流速；F2為轉輪出口處的過水面積。V′2m為切削后的出口軸面流速；F′2為切削后的出口過水面積。又

其中n為葉片數(shù)，l為出水邊長度，a為葉片間距。

由于同一水輪機在相似工況下，符合上式（4）條件。其中軸面流速和出水邊長度l在小改變翼型情況下可視為不變，故流量與轉輪出口過水面積及葉片開口成正比。切割葉片出水邊可以增大葉片間距 （葉片開口），即增加了出口過水面積，理論上表明能增加水輪機流量。

對于葉片的平均開口，有[2]

式中：ai為轉輪葉片出口邊某點開口值；ri為轉輪葉片出口邊某點至水輪機軸線的距離。

水輪機流量與轉輪葉片的平均開口有直接關系，考慮到葉片平均開口的影響，計算點在上冠和下環(huán)間取值應適中。當切削量對于整個葉片所占百分比較小時，流量的變化量與平均開口有如下關系[2]：

從而得到各切割量下的開口、流量和效率值的變化如表1

對于流量Q、效率η和切削量x，有關系如下圖5：

左圖 （a）中橫坐標x為出口邊切割量，Δa為開口變化值 （流量變化），Δη為效率改變值；右圖 （b）縱坐標為流量與效率的乘積，表示整體出力情況。

表1 葉片出水邊各切削量下的參數(shù)變化

圖5 流量、效率與切削量的關系

當小范圍切削時，水輪機總體出力N為[3]：

式中Q為轉輪的過水流量，η為轉輪整體效率；H為輪機水頭，為恒定值。

從圖5及上述三參數(shù)之間的關系找出水輪機出力變化曲線的拐點，即當切削量在9.4mm時總體出力最高。經(jīng)測量，此時切削量為葉片上冠邊和下環(huán)邊平均值的6.42%。于是對此種情況再進行系統(tǒng)仿真，得到葉片靜壓分布如圖6所示。

圖6 切割9.4mm時葉片靜壓分布

此時，流量從1.3m3/s提高為1.47m3/s，效率下降了5.76%，忽略其他因素影響且水頭H按25m計算，根據(jù)公式 （8）及表1數(shù)據(jù)得總體出力從279kW提高至295kW，提高了5.7%。從圖6可看出葉片低壓分布區(qū)和工作面易損耗區(qū)域的壓力分布情況良好，與無切削時變化比較甚微，沒有造成氣蝕或其他惡劣情況的條件。

基于以上分析，對江西會昌某電站型號為HLA548-WJ-50的轉輪進行增容改型。由于該轉輪的工作水頭不足而達不到額定功率，但其他狀況皆系正常，故可采取較經(jīng)濟的方法，即采用切削葉片出水邊的措施進行改型。測量葉片與上冠、下環(huán)相交邊的長度，考慮實際切割量精度要求，同時避免過大量切割，取切割量為其平均值的5%。切削后測試轉輪功率由232kW提高到了253kW，出力達到電站要求。由于重新選擇轉輪可能對電站造成經(jīng)濟負擔，同時挑選適合當前環(huán)境的新轉輪也頗有難度?？梢娗邢魅~片出水邊能以較小的經(jīng)濟代價得到較好的改造目標，適合小型水電站轉輪改型的實施。

4 結論

（1）由于工作環(huán)境變化使得中小型水輪機轉輪出力不足時，適當切削葉片出水邊可增加轉輪出力，提高轉輪功率，且并不造成轉輪整體效率下降。

（2）隨著切割量占葉片長度比率的增加，出水邊附近的低壓區(qū)向進水邊移動，導致葉片的受損面加大、水力性能急劇惡化。

（3）結合轉輪開口和流量關系，并考慮效率對整體出力的影響，切削HL240_WJ50出水邊量為9.4mm時，流量增加13.79%，最大出力提高5.7%，效率小降5.76，同時無明顯氣蝕惡化。

（4）對于其他混流式轉輪，鑒于出力與切削量的關系，同時考慮小水電站需求，建議切割量以葉片上冠和下環(huán)邊平均值的5.0%-6.5%為宜。

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