里底電站水輪機水力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及結(jié)構(gòu)特點

祁英明，王 超，劉興勝

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西 674600）

1 電站概況

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段規(guī)劃8個梯級中的第3級電站,上接烏弄龍電站，下接托巴電站。電站為河床式電站，總裝機容量420 MW，裝有3臺單機容量140 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。水輪機單機額定功率14.75 MW，由東方電氣集團東方電機有限公司設(shè)計制造。2018年10月31日首臺機組投入商業(yè)運行，2019年4月30日最后一臺機組投入商業(yè)運行。

水輪機主要參數(shù)如下：最大水頭 41.2 m，加權(quán)平均水頭36.6 m，額定水頭34.0 m，最小水頭28.9 m，水輪機額定出力142.9 MW，轉(zhuǎn)輪直徑7 400 mm，同步轉(zhuǎn)速 107.1 r/min，水輪機的安裝高程1 770.4 m（導(dǎo)葉中心線高程），水輪機吸出高度 -12.04 m（槳葉中心線）。

2 水輪機及其過流部件的水力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

里底水電站水輪機轉(zhuǎn)輪及其通流部件的水力設(shè)計是以里底電站相近水頭段的安谷、銅街子電站作為參考，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 水輪機及其流道水力設(shè)計關(guān)鍵點及參數(shù)選擇

（1）過流通道設(shè)計。為了全面提高水輪機的各項水力性能，選擇合適的流道特征幾何參數(shù)是必不可少的。設(shè)計關(guān)鍵點：①優(yōu)化蝸殼斷面的面積變化規(guī)律、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉葉型，從而獲得具有合理水頭損失的引水部件；優(yōu)化固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉匹配數(shù)量，有利于均勻?qū)畽C構(gòu)中水流的分布。②優(yōu)化尾水管過流面積變化規(guī)律，最大可能地提高尾水管的能量恢復(fù)系數(shù)，減輕尾水管的壓力脈動，減少水力損失。

（2）轉(zhuǎn)輪設(shè)計。轉(zhuǎn)輪在水輪機能量轉(zhuǎn)換中起著最為關(guān)鍵的作用，其設(shè)計的好壞直接影響整個水輪機的水力性能。設(shè)計關(guān)鍵點：①優(yōu)化設(shè)計點位置，適當提高單位轉(zhuǎn)速運行區(qū)域水輪機的效率，改善轉(zhuǎn)輪的空化性能和運行穩(wěn)定性。②電站運行水頭高，為保證轉(zhuǎn)輪具有足夠的剛強度以滿足機組安全穩(wěn)定運行，適當增大葉片厚度和葉片重量。③在葉片進、出水邊設(shè)計時重點關(guān)注在電站主要運行范圍內(nèi)消除葉片進水邊水流脫流情況，從而改善或避免葉片進水邊因水流脫流帶來的空蝕破壞，同時優(yōu)化轉(zhuǎn)輪出口水流的流速分布規(guī)律，提高水輪機效率，減小尾水管壓力脈動，提高機組運行的穩(wěn)定性。④在葉片幾何設(shè)計及流態(tài)分析計算中，將電站整個運行區(qū)域內(nèi)最大相對流速控制在合理范圍內(nèi)，避免或減緩因相對流速過高帶來的泥沙磨損。

（3）主要幾何尺寸參數(shù)選擇。①葉片數(shù)Z的選擇。近10年來，已投運的或正在建設(shè)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的實際運行情況表明，槳葉數(shù)為5片的轉(zhuǎn)輪完全可以應(yīng)用到40 m以上水頭范圍，根據(jù)水頭的高低配以不同的輪轂比，完全能夠滿足強度、空化和穩(wěn)定性的要求。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，采用5葉片轉(zhuǎn)輪是完全可行的。②輪轂比的選擇。輪轂比是軸流式水輪機的一個重要的幾何參數(shù)，其數(shù)值直接決定著水輪機過流通道的大小及轉(zhuǎn)輪高效率區(qū)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量，從而對轉(zhuǎn)輪的運行區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。減小輪轂比可使最優(yōu)效率增加，改善空化性能。另一方面，輪轂比的大小也受到了電站最高使用水頭的限制。里底電站最大水頭Hmax=41.2 m，在該水頭段，通常采用較大的轉(zhuǎn)輪輪轂比。但近些年來，由于新材料和新工藝的不斷進步，使轉(zhuǎn)輪在采用較小的輪轂比時也不會存在強度上的問題。因此，轉(zhuǎn)輪輪轂比的選擇主要考慮效率和空化性能的影響。通過參考相近水頭段電站的水輪機轉(zhuǎn)輪參數(shù)和CFD分析，選擇里底電站轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.46。③導(dǎo)葉相對高度的確定。導(dǎo)葉相對高度的選擇對于保證水輪機各項水力性能非常重要，同時的選擇對控制轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機構(gòu)內(nèi)的最大流速非常重要,但的選擇還必須考慮水輪機轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的機械強度特性以及機組的尺寸限制和制造成本。一般說來，水輪機水頭愈高，愈小。近年來，由于先進可靠的機械強度計算軟件的應(yīng)用和高強度新材料的使用，在相同最大水頭下有逐漸增大的趨勢。在最大水頭小于40 m范圍內(nèi)，宜選擇在0.35～0.40范圍內(nèi)。通過比較分析，選擇的里底電站導(dǎo)葉相對高度=0.375。

2.2 全三維粘性流動分析技術(shù)（CFD）

運用CFD對轉(zhuǎn)輪、蝸殼、雙列葉柵以及尾水管進行全三維粘性流動數(shù)值仿真，可以得到過流部件內(nèi)部流場流線分布、速度分布、壓力分布等信息，對于評價轉(zhuǎn)輪以及過流部件設(shè)計水平非常有價值。

（1）控制方程與湍流模型

對不可壓流體的流動，采用均化的Navier-Storkes方程和標準κ-ε模型進行解算[1]，其方程如下[1]。

a.連續(xù)性方程：

b.運動方程組：

c.湍動能和耗散率計算公式：

式中：

C1=1.44；C2=1.92；Cμ=0.09；σk=1.0；σε=1.3；

μI——速度在坐標方向的分量；

ρ——流體密度；

P——壓力；

κ——湍動能；

ε——湍動能耗散率。

（2）蝸殼、雙列葉柵以及尾水管的三維建模以及網(wǎng)格劃分

依據(jù)水力設(shè)計結(jié)果，采用三維建模軟件分別對水輪機各個過流部件計算域進行三維建模，以便于下一步網(wǎng)格劃分。各部件三維模型如圖1所示，共包括蝸殼、雙列葉柵、轉(zhuǎn)輪、尾水管四大部分。

圖1 里底水輪機三維模型

采用網(wǎng)格劃分軟件對各個部件計算域進行網(wǎng)格劃分，對有限葉片數(shù)旋轉(zhuǎn)流體機械的葉片內(nèi)部流動計算。因轉(zhuǎn)輪流道具有周期性，選取包含1個葉片在內(nèi)的單通道作為計算區(qū)域，如圖2，這樣可以較好地模擬實際的流動狀態(tài)，又能縮短計算時間。依據(jù)實際情況，綜合考慮網(wǎng)格劃分經(jīng)濟型與實用性，蝸殼計算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，雙列葉柵、轉(zhuǎn)輪以及尾水管計算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為保證計算精度，對于固壁面、進出口、計算域交界面進行網(wǎng)格加密。

依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗以及硬件資源進行網(wǎng)格總量的控制，根據(jù)軸流式水輪機的特點，電站水輪機轉(zhuǎn)輪葉片控制體的網(wǎng)格采用了161×61×21的網(wǎng)格規(guī)模，迭代的收斂精度設(shè)定為0.000 001，該規(guī)模的網(wǎng)格和精度大大提高了流動計算結(jié)果，能更好地反映實際的流動情況。

圖2 轉(zhuǎn)輪單周期計算域

（3）數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對機組額定工況、最優(yōu)工況進行數(shù)值模擬，分析過流部件內(nèi)部的流態(tài)和壓力分布，可以優(yōu)化過流部件斷面的面積變化規(guī)律，減少水力損失，提高水輪機效率及穩(wěn)定性。額定工況引水部件流速分布見圖3、圖4，額定工況尾水管流速分布及流線分布見圖5、圖6。最優(yōu)工況的轉(zhuǎn)輪流速分布及壓力分布見圖7、圖8。

圖3 額定工況蝸殼流速分布

圖4 額定工況導(dǎo)水機構(gòu)流速分布

從圖3、圖4可以看出，蝸殼內(nèi)蝸型部分和非蝸型部分的流速分布較為合理，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的匹配關(guān)系較好,優(yōu)化設(shè)計的蝸殼斷面面積變化規(guī)律、固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉的葉型及數(shù)量選擇是合理的。

圖5 額定工況尾水管流速分布

圖6 額定工況尾水管流線分布

從圖5、圖6可以看出，水流在尾水管內(nèi)流態(tài)良好，流線分布均勻，減少了機組的水力損失，最大可能地提高尾水管的能量恢復(fù)系數(shù)，優(yōu)化設(shè)計的尾水管斷面面積變化規(guī)律是合理的。

圖7 最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪出口流速

從圖7、圖8可知，在最優(yōu)工況下轉(zhuǎn)輪葉片出水邊流速分布合理，使尾水管的流動更趨均勻，減小了尾水管的水力損失；葉片表面的流線分布都比較均勻，提高機組效率的同時，提高了轉(zhuǎn)輪的空化性能。

圖8 最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪工作面流線分布

3 水輪機主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

借鑒國內(nèi)外軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的設(shè)計經(jīng)驗，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中將已投運軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機存在的轉(zhuǎn)輪裂紋、轉(zhuǎn)輪密封、抬機、空蝕等突出問題的解決措施作為結(jié)構(gòu)設(shè)計整體考慮的最重要任務(wù)，水輪機轉(zhuǎn)輪體、葉片、槳葉操作機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)、抬機防范措施作為里底電站結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。根據(jù)制造廠的設(shè)計經(jīng)驗及電站實際情況，主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式選擇如下：

（1）轉(zhuǎn)輪體

轉(zhuǎn)輪體是軸流式水輪機的重要部件，過流球面影響轉(zhuǎn)輪與葉片的間隙大小，軸孔的同軸度和各組軸孔的精度會影響到葉片在運行過程的轉(zhuǎn)動靈活性。為確保加工精度要求，轉(zhuǎn)輪體采用數(shù)控機床精確定位加工。為防磨蝕，轉(zhuǎn)輪體采用ZG20SiMn整體鑄造而成，球面過流表面粗加工后堆焊10 mm厚的不銹鋼層，加工后的不銹鋼層厚度為5 mm。轉(zhuǎn)輪體最大外徑3 394 mm，高度1 970 mm，質(zhì)量約為39.5 t，整體運輸?shù)焦さ亍?/p>

（2）葉片

葉片是水輪機最重要的部件，其制造質(zhì)量直接影響到轉(zhuǎn)輪的水力效率、出力以及運行的穩(wěn)定性。葉片采用材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo整體鑄造而成，在葉片外緣設(shè)抗空蝕裙邊。葉片采用數(shù)控加工工藝，使過流面線性與葉片翼型設(shè)計高精度貼合,大大提高葉片和轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量，保證機組具有良好的性能。葉片與葉片軸焊縫選擇適當?shù)倪^渡圓角，以降低葉片根部的應(yīng)力集中，防止轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生。

（3）缸動式槳葉操作機構(gòu)

槳葉操作機構(gòu)采用缸動式接力器操作結(jié)構(gòu)。葉片的轉(zhuǎn)動是通過受油器、操作油管將6.3 MPa油壓等級的壓力油引入轉(zhuǎn)輪接力器上下腔，活塞固定，缸體在油壓作用下上、下移動，帶動連接在活塞缸上的連桿結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)動槳葉。

（4）轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)

借鑒國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗，里底電站轉(zhuǎn)輪葉片密封采用雙向多層“V”型耐油聚氨酯密封結(jié)構(gòu)，密封壓板采用抗磨性能好的0Cr13Ni5Mo不銹鋼，槳葉在運行中可在不拆卸葉片的情況下更換密封件。經(jīng)過運行實踐證明，該密封結(jié)構(gòu)簡單可靠、密封效果好。

（5）抬機防范措施

抬機現(xiàn)象是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的固有特性[3]。吸取國內(nèi)外電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機防抬機的經(jīng)驗，里底水電站抬機的防范措施如下：一是在水輪機頂蓋上裝設(shè)4個Φ300 mm真空破壞閥，當導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時，真空破壞閥自動打開補氣。尾水回流時，將受到封閉于轉(zhuǎn)輪室空氣的阻擋，不觸及轉(zhuǎn)輪從而消除抬機。二是在支持蓋上設(shè)有鋁青銅材質(zhì)止推環(huán)，止推環(huán)與轉(zhuǎn)輪體的距離為15 mm。經(jīng)過運行實踐證明，里底電站抬機防范措施效果顯著，機組100%甩負荷時，最大上抬量僅為6 mm，遠小于設(shè)計上抬量。

4 結(jié)語

里底水電站水輪機為國內(nèi)少有的高水頭、大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，在水輪機設(shè)計過程中借鑒國內(nèi)外已投運軸流轉(zhuǎn)槳式機組的設(shè)計經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上對目標水輪機及流道水力設(shè)計的關(guān)鍵點進行全三維粘性流動分析技術(shù)，優(yōu)化水力設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中將轉(zhuǎn)輪裂紋、轉(zhuǎn)輪密封、抬機、空蝕等突出問題解決措施作為水輪機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的最重要任務(wù)。

里底電站機組已投入商業(yè)運行一年多，機組運行安全、穩(wěn)定、可靠，未發(fā)生因非安裝原因造成的非停，水輪機未出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、轉(zhuǎn)輪磨蝕、抬機現(xiàn)象、漏油等問題，說明里底水電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是成功的，設(shè)計技術(shù)及設(shè)計方案是可靠的，可為以后同類型機組的電站設(shè)計提供借鑒。