高水頭混流式水輪機(jī)水力結(jié)構(gòu)的開發(fā)與原型試驗(yàn)

[德國] A.W.奧托 等

高水頭混流式水輪機(jī)水力結(jié)構(gòu)的開發(fā)與原型試驗(yàn)

[德國] A.W.奧托 等

描述了高水頭混流式機(jī)組在水力和機(jī)械開發(fā)方面的某些關(guān)鍵點(diǎn)。這些關(guān)鍵點(diǎn)表明，作為近年來設(shè)計(jì)過程細(xì)化的結(jié)果，在早期設(shè)計(jì)階段，采用數(shù)值方法預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)特性是可能的。給出了最新的原型試驗(yàn)結(jié)果，并同時(shí)與數(shù)值分析和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)項(xiàng)目的開發(fā)背景及其必要性、試驗(yàn)?zāi)M過程以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等作了介紹。

高水頭;水力結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)開發(fā);混流式水輪機(jī)

與中、低水頭的混流式水輪機(jī)相比，高水頭混流式水輪機(jī)不僅具有較高的靜載荷，而且還具有不同的流動(dòng)方式和較高的動(dòng)載荷。在開發(fā)一臺(tái)高水頭水輪機(jī)的過程中，設(shè)計(jì)者必須面對(duì)各種挑戰(zhàn)，其中包括水力性能、水力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械強(qiáng)度以及安全性能的限制，對(duì)于水力性能方面的解決措施包括結(jié)構(gòu)研究和制造處理等，這些都必須加以考慮。

在過去幾年，已經(jīng)在開發(fā)高效水輪機(jī)方面取得了顯著進(jìn)步。然而，高水頭混流式水輪機(jī)的特性有時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)輪葉片的破壞。

近年來，針對(duì)這些現(xiàn)象開展了廣泛的研究。為了避免對(duì)葉片造成破壞，必須采取以下措施：①要從設(shè)計(jì)上提出改進(jìn)方法;②應(yīng)將制造質(zhì)量提高到一個(gè)嶄新的水平以保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按照這種思路，可推廣所謂的定制水輪機(jī)，以確保其在服役期內(nèi)能夠安全運(yùn)行。

近些年來，伏伊特水電公司開發(fā)交付了幾臺(tái)高水頭混流式水輪機(jī)，其最大毛水頭達(dá)557m，其中幾臺(tái)大機(jī)組的最大單機(jī)容量達(dá)659 MW。

1 背 景

混流式機(jī)組是一類常見的水力機(jī)組，其應(yīng)用水頭和尺寸可出現(xiàn)較大的變化。但很明顯的是，根據(jù)不同的水頭、轉(zhuǎn)速及尺寸，混流式水輪機(jī)可因其水力形狀和載荷的不同而會(huì)有顯著的不同，進(jìn)而也導(dǎo)致其機(jī)械設(shè)計(jì)不同。

對(duì)1臺(tái)高水頭水輪機(jī)來說，相對(duì)于水頭而言，流量是相當(dāng)?shù)偷?，?duì)應(yīng)于其水力形狀的一個(gè)主要特性參數(shù)是比轉(zhuǎn)速，nq=nQ0.5/H0.75,顯然，其值較低。所以，高水頭水輪機(jī)也被稱為低比速水輪機(jī)。圖1所示為比速與原型水頭之間的關(guān)系。根據(jù)地形及水文條件，一般來說，高水頭的廠址流量較低，結(jié)果是在高水頭條件下，水輪機(jī)尺寸較小。然而，最近有一工程，在水頭直到318.8 m的情況下，流量仍然非常大，從而導(dǎo)致在電廠規(guī)劃中要求多臺(tái)非常巨大的高水頭混流式機(jī)組。

比較2臺(tái)尺寸近似的高水頭和低水頭水輪機(jī)，即可發(fā)現(xiàn)其明顯的差別。其中，高水頭水輪機(jī)比速為30，低水頭水輪機(jī)比速為80，見表1。2臺(tái)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪尺寸近似，然而，高水頭水輪機(jī)必須承擔(dān)較高的壓力并發(fā)更多的電。

對(duì)于300 m及以上的水頭，水輪機(jī)及轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)傾向于徑向設(shè)計(jì)，與中低水頭的設(shè)計(jì)相比，這就導(dǎo)致了導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊之間的距離較小。在這種情況下，定子與轉(zhuǎn)子之間的相互作用(RSI)會(huì)使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，因而必須在機(jī)械設(shè)計(jì)中加以考慮。

由于徑向尺寸加長(zhǎng)，高水頭混流式轉(zhuǎn)輪一般進(jìn)口高度較小，與較低水頭的混流式水輪機(jī)相比，相鄰葉片在出口邊的距離也非常小，這些逼窄處使焊接打磨時(shí)不易接近，導(dǎo)致制造處理更難，即使是大機(jī)組也會(huì)存在同樣的問題。如果轉(zhuǎn)輪帶有輔助分流葉片，即主葉片之間的短葉片，那么，要想接近逼窄處則更難。

2 近期研發(fā)并交付的高水頭混流式機(jī)組

近年來，伏伊特水電公司已交付了幾臺(tái)高水頭混流式水輪機(jī)，其最大水頭大于300 m，見圖2。在這些水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)水頭分布在最大達(dá)500 m以上的范圍，機(jī)組容量分布在最大約100 MW的范圍，轉(zhuǎn)輪直徑分布在最大達(dá)2.5 m的范圍。只有一臺(tái)大容量機(jī)組例外。

2.1 研發(fā)、制造與交付

以一臺(tái)高水頭混流式水輪機(jī)為例，來描述其從水力和機(jī)械設(shè)計(jì)到運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行檢驗(yàn)的整個(gè)研發(fā)過程。研發(fā)的最終目標(biāo)是在綜合考慮水力性能、機(jī)械強(qiáng)度和制造程序等所有因素的基礎(chǔ)上，最終找到一個(gè)最優(yōu)方案。

2.2 水力翼形的設(shè)計(jì)

水力設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)和流量分析，在借助于現(xiàn)有的計(jì)算方法進(jìn)行流量分析的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)電廠邊界條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。所開展的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪分流葉片影響的數(shù)值研究工作，實(shí)際上是針對(duì)最大水頭和額定容量下的運(yùn)行工況進(jìn)行的CFD分析，該分析是將速度矢量投影到旋轉(zhuǎn)的表面，該表面的長(zhǎng)度固定不變，為轉(zhuǎn)輪上冠到下環(huán)間距的50%。結(jié)果表明，與無分流葉片的轉(zhuǎn)輪相比，分流葉片減小了葉間流道中速度的變化，提供了更平穩(wěn)的水流分布，正是由于這種平穩(wěn)的水流動(dòng)，使帶分流葉片的轉(zhuǎn)輪比無分流葉片的轉(zhuǎn)輪效率更高。

2.3 模型試驗(yàn)

為了研究實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，必須進(jìn)行模型試驗(yàn)。

圖3所示為2個(gè)轉(zhuǎn)輪的模型試驗(yàn)結(jié)果，其中一個(gè)帶有分流葉片。2個(gè)轉(zhuǎn)輪安裝在同一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上，并使用同一個(gè)蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及尾水管。顯然，分流葉片對(duì)效率的影響是正向的，2臺(tái)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)非常相似。在部分負(fù)荷下，帶分流葉片的轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)略小，表明潛在的流速分布更平穩(wěn)。

2.4 利用先進(jìn)的數(shù)值分析法預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

高水頭混流式水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，基本上是受定子與轉(zhuǎn)子相互作用(RSI)所誘導(dǎo)的壓力脈動(dòng)而引起的。對(duì)于運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)或滿負(fù)荷下的低比速水輪機(jī)來說，由RSI誘導(dǎo)的動(dòng)應(yīng)力大約要占總動(dòng)應(yīng)力的80%。

近年來，通過原型測(cè)試和高級(jí)數(shù)值分析，一直在對(duì)RSI進(jìn)行研究。對(duì)相關(guān)的數(shù)值分析程序，包括非恒定的CFD分析和水中諧波響應(yīng)分析等程序，也一直在不斷地開發(fā)研究，并將其結(jié)果與原型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以使其能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)原型動(dòng)應(yīng)力，并最終為優(yōu)化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供可靠的工具。

在試驗(yàn)過程中，采用遙測(cè)系統(tǒng)配合應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。開發(fā)該系統(tǒng)的目的是為了使測(cè)量信號(hào)的非接觸傳輸成為可能，即通過使用一臺(tái)固定在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(轉(zhuǎn)輪)上的發(fā)射器和一臺(tái)布置在靜止系統(tǒng)上的接收器來完成。如果軸是空心的，該信號(hào)可通過空氣傳輸；如果軸是實(shí)心的，那么該信號(hào)則可通過水傳輸。

對(duì)RSI誘導(dǎo)應(yīng)力的數(shù)值進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法相當(dāng)復(fù)雜，其中，非恒定的CFD分析用于確定導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)域的壓力脈動(dòng)。沿時(shí)間和空間展開的壓力脈動(dòng)的傅里葉級(jí)數(shù)，表明了基本的壓力模式形狀及其幅值。通過對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)在水中的諧波響應(yīng)進(jìn)行分析，可得到由RSI誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果包括主激勵(lì)頻率與共振頻率的差值及動(dòng)應(yīng)力。這種分析方法是基于聲波——流體結(jié)構(gòu)干涉方法(FSI)。

該程序已應(yīng)用于各種比速轉(zhuǎn)輪的測(cè)量，而且已與原型應(yīng)變測(cè)量結(jié)果進(jìn)行過比較，其中包括一臺(tái)nq=20的高水頭混流式水輪機(jī)。對(duì)應(yīng)變是采用6位應(yīng)變片測(cè)量，為了識(shí)別定子與轉(zhuǎn)子相互作用而引起的動(dòng)應(yīng)力所占的比例，僅考慮了轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉通過頻率(GPF)的幅值，因而，測(cè)量信號(hào)主要是圍繞GPF濾波。比較結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相當(dāng)一致，這就表明，采用該程序進(jìn)行未來的新項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算將成為可能。

2.5 機(jī)械設(shè)計(jì)

對(duì)于水頭大于250～300 m的機(jī)組，其機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與中、低水頭的機(jī)組是不同的，它強(qiáng)調(diào)的是動(dòng)應(yīng)力的優(yōu)化、振動(dòng)及允許變形，而不是針對(duì)整體的剛度及最小偏轉(zhuǎn)。

同時(shí)，由于要面對(duì)高水頭轉(zhuǎn)輪典型的高交變載荷，還應(yīng)進(jìn)行疲勞分析。這些交變載荷常見于高水頭機(jī)組用作調(diào)峰運(yùn)行的情況，此時(shí)，機(jī)組啟停次數(shù)較多，而且由RSI引起的壓力脈動(dòng)總是存在，這就要求在機(jī)械設(shè)計(jì)中，除了應(yīng)考慮預(yù)期壽命以外，還必須考慮足夠的強(qiáng)度以抵抗這些載荷而不至出現(xiàn)失效或裂紋。此外，還必須開展研究以確定是否存在由水力或機(jī)械共振所引起的問題。

2.6 水力—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

綜上所述，機(jī)械與穩(wěn)定性研究從一開始就必須與水力設(shè)計(jì)保持一致。這就要求在整個(gè)開發(fā)過程中，水力與機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)時(shí)刻保持平行作業(yè)。水力和機(jī)械作業(yè)組是緊密聯(lián)系的，在進(jìn)行模型試驗(yàn)之前，必須檢查水力部分的作業(yè)狀況，以確認(rèn)它們能夠滿足原型水輪機(jī)的機(jī)械限制條件。

2.7 不同尺寸轉(zhuǎn)輪的制造程序

通常，高水頭混流式水輪機(jī)的可達(dá)度有限，相對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)輪尺寸，其進(jìn)口高度非常窄小，葉片相當(dāng)長(zhǎng)，不論大型和小型水輪機(jī)，相鄰葉片之間的距離都很小。伏伊特水電公司已生產(chǎn)出了各種尺寸的高水頭混流式水輪機(jī)，因而具備了選擇合適的制造程序的經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的組裝方法是將單個(gè)的轉(zhuǎn)輪葉片焊接到轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)上。如果需要修改其進(jìn)口，就有可能沿周向來割裂轉(zhuǎn)輪的上冠或下環(huán)，當(dāng)然還可進(jìn)一步通過割開轉(zhuǎn)輪葉片來修改進(jìn)口。

2.8 質(zhì)量控制

為了適應(yīng)各種個(gè)別的機(jī)械載荷，必須具有較高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)必須包括對(duì)各種水力表面和出口公差、表面糙度和材料方面的要求，以及非破壞性試驗(yàn)條款和一些其他的條款。質(zhì)量是按最新的研究成果定義的，并據(jù)此控制整個(gè)制造過程。

2.9 交 付

在交付之前，應(yīng)將全尺寸機(jī)械的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與研發(fā)期間獲得的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在驗(yàn)收試驗(yàn)期間，水輪機(jī)必須在各種負(fù)載條件下，從空載到高載運(yùn)行，以便測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量壓力和振動(dòng)信號(hào)。在甩負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)中，還必須校核諸如轉(zhuǎn)速升高、最大蝸殼壓力、最小尾水管壓力和最大調(diào)壓井水位等數(shù)值。只有這樣，才能確保電廠的安全運(yùn)行。

3 實(shí) 例

2012年12月，已經(jīng)交付了幾臺(tái)額定容量為610 MW、最大容量為659 MW、最大運(yùn)行水頭為318.8 m的大型混流式機(jī)組。這些機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑為6.6 m，除了主葉片外都裝有分流葉片，每臺(tái)水輪機(jī)的額定流量都近似為229 m3/s。這些高水頭的機(jī)組是目前世界上尺寸最大和出力最大的混流式機(jī)組。

該電站為徑流式，其上壩布置有4條引水隧道，河水需流經(jīng)150 km才能到達(dá)山的另一邊，而進(jìn)口與尾水的直線距離只有16 km，落差有310 m；4條引水隧洞中，每條均給2臺(tái)水輪機(jī)供水，共裝有8臺(tái)水輪機(jī)。該水力系統(tǒng)非常復(fù)雜，所以需考慮幾種瞬變負(fù)荷情況。由于蝸殼的進(jìn)口直徑巨大，大約有6 m,因而在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間，安裝了1臺(tái)圓筒閥作為截止閥,以代替進(jìn)口閥。

同其他的現(xiàn)有水電廠相比，這些水輪機(jī)的所有邊界條件變化巨大，因此，從設(shè)計(jì)方面來說，沒有可供借用或參考的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)物，所以必須進(jìn)行全新的研發(fā)。在這一過程中，清楚地理解其中隱含的物理現(xiàn)象非常重要。在這種背景下，制定了機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并定義了相關(guān)限值。

由于高水頭混流式水輪機(jī)具有較高的能量通量，所以，這些大型機(jī)械，尤其是轉(zhuǎn)輪，不論是在正常運(yùn)行狀態(tài)下還是在過渡過程狀態(tài)下，都必須承受巨大的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力。因此，很早以前，在項(xiàng)目建議階段，就開始了詳細(xì)的機(jī)械和水力學(xué)研究，其中，水輪機(jī)的開發(fā)包括廣泛的設(shè)計(jì)優(yōu)化、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)。模擬水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力的數(shù)值預(yù)報(bào)等先進(jìn)方法，已成功地應(yīng)用于這些水輪機(jī)的開發(fā)。

機(jī)械力必須安全地傳遞給所有部件，然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，要保證足夠的強(qiáng)度，而可用的空間卻較??；頂蓋與座環(huán)連接螺栓的尺寸也提出了類似的挑戰(zhàn)，圓筒閥與頂蓋應(yīng)連成一體，為了滿足要求，必須開發(fā)全新的頂蓋形狀。而且，從一開始就應(yīng)考慮可用的板材厚度和制造條件，例如，制造座環(huán)的高強(qiáng)度板材的厚度必須接近于鋼廠所有板材的最大厚度。不僅如此，剪板機(jī)器、焊接程序等都必須能滿足這些特殊的要求。

由于目前世界上還沒有類似的大型分流葉片式轉(zhuǎn)輪，所以，該轉(zhuǎn)輪的制造也是獨(dú)一無二的。為了優(yōu)化生產(chǎn)，制定了一個(gè)特殊的組裝和焊接程序，極限區(qū)域的鑄造缺陷受到了嚴(yán)格限制，并將嚴(yán)格的質(zhì)量控制貫穿于整個(gè)制造過程。

在試驗(yàn)驗(yàn)收過程中，水輪機(jī)的動(dòng)應(yīng)力是連續(xù)采集的，為了獲得機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的初步印象，可直接從監(jiān)視器上讀取尾水管動(dòng)壓力的峰峰值，并與模型試驗(yàn)中獲得的類似水頭與出力條件下的峰峰特性幅值(可能性97%)進(jìn)行比較。比較結(jié)果表明，模型試驗(yàn)結(jié)果與原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)一致。

平穩(wěn)和非平穩(wěn)運(yùn)行區(qū)域位于相同的出力范圍，而且，其幅值大小也非常接近。

將甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果與過渡過程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，二者相當(dāng)吻合。

4 高水頭混流式轉(zhuǎn)輪運(yùn)行狀態(tài)

在經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行后，最近對(duì)幾個(gè)水電廠轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了檢查。檢查結(jié)果表明，在經(jīng)過幾千個(gè)小時(shí)的運(yùn)行后，受檢查的高水頭混流式轉(zhuǎn)輪未見裂紋或汽蝕破壞現(xiàn)象。出力為610 MW的高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行狀態(tài)和受檢結(jié)果，是對(duì)該水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化程序的最好肯定。

5 結(jié) 語

近年來，利用高級(jí)數(shù)值方法預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)過程，可以使高水頭混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)程序得到細(xì)化和補(bǔ)充；反過來，又可以將動(dòng)態(tài)過程的原型試驗(yàn)運(yùn)用到對(duì)數(shù)值方法的修改和驗(yàn)證過程中。

由此，利用數(shù)值方法，在設(shè)計(jì)階段的早期就可對(duì)動(dòng)態(tài)過程作出預(yù)報(bào)，而且這些已被最近的幾個(gè)工程所驗(yàn)證。

將從水力機(jī)械設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一套完整方法作為一整套開發(fā)程序，且得到了具有長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的伏伊特水電公司的支持。在這種背景下,水電機(jī)械設(shè)計(jì)師和制造專家們將會(huì)開發(fā)出嶄新的、能夠滿足客戶要求且安全可靠的高水頭的水輪機(jī)。

(范春生 白 韌 編譯)

2014-12-07

試驗(yàn)與研究

1006-0081(2015)02-0008-04

TK733.1

A