儲(chǔ)能水管-沖擊式水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)電效益分析

施利民，姜小龍，郭佳燕

（杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311251）

高處落下的流水是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的唯一動(dòng)能，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，下落水流推動(dòng)發(fā)電機(jī)主軸，發(fā)電機(jī)被流水推動(dòng)以后即可發(fā)電，轉(zhuǎn)輪在這一過(guò)程中發(fā)揮主要作用，因此轉(zhuǎn)輪是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)可以按照機(jī)型進(jìn)行細(xì)分。

設(shè)計(jì)性能更高的沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)可以有效解決部分偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問(wèn)題，運(yùn)用更先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論是對(duì)于我國(guó)水電開(kāi)發(fā)，還是水電設(shè)備制造都具有積極意義。

1 沖擊式水輪加工技術(shù)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中于轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)，因?yàn)檗D(zhuǎn)輪是整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換中心，并且轉(zhuǎn)輪的水平直接關(guān)系到?jīng)_擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作效果。高性能的沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)水電轉(zhuǎn)換率>90%。高速水流的周期性沖擊是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，在此過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的交變應(yīng)力，系統(tǒng)的水斗在應(yīng)力的變換下發(fā)生斷裂，致使機(jī)組無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行[1]。對(duì)沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要對(duì)高速流水進(jìn)行力學(xué)分析。將系統(tǒng)水斗內(nèi)部的水流作為突破口，水流周?chē)且环N復(fù)雜的、非常態(tài)氣液兩相流動(dòng)，同時(shí)因?yàn)樗返牟灰?guī)則性，越臨近邊緣時(shí)曲率變化越快。

1.2 沖擊式轉(zhuǎn)輪加工

因?yàn)檗D(zhuǎn)輪是沖擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，直接關(guān)系到?jīng)_擊式水輪發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作效率，所以其在加工制造的過(guò)程中運(yùn)用多樣化的技術(shù)。轉(zhuǎn)輪尺寸大、重量大、曲面變化大，因此加工空間狹窄。

1.2.1 整鑄鏟磨

整鑄鏟磨是小型轉(zhuǎn)輪加工常用技術(shù)，經(jīng)過(guò)整體鑄造隨后進(jìn)行精細(xì)打磨，導(dǎo)致水斗的型線(xiàn)極易出現(xiàn)誤差，進(jìn)而無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的水力性能需求，使用整鑄鏟磨制造的轉(zhuǎn)輪、水斗會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)出力不足，并且水斗之間型線(xiàn)缺少一致性，在機(jī)組運(yùn)行期間極容易由重量不均衡導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)[2]。倘若轉(zhuǎn)輪、水斗所使用的材料性能較差，在運(yùn)作過(guò)程中的水斗根部會(huì)出現(xiàn)大面積的應(yīng)力集中，將這種轉(zhuǎn)輪、水斗應(yīng)用到大型轉(zhuǎn)輪當(dāng)中，在強(qiáng)大的水流沖擊下水斗根部就會(huì)斷裂，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐烧麄€(gè)機(jī)組損毀。

1.2.2 鉚接

雙箍結(jié)構(gòu)是一種特殊的鉚接工藝，使用這種工藝加工水斗，可以實(shí)現(xiàn)水斗的單獨(dú)鑄造加工，從根本上提升水斗的受力狀態(tài)并延長(zhǎng)了水斗的使用壽命。不過(guò)雙箍結(jié)構(gòu)不利于水力性能，隨著轉(zhuǎn)輪的重量不斷增加，相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪的剛度會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，圖1 為轉(zhuǎn)輪雙箍結(jié)構(gòu)。

圖1 轉(zhuǎn)輪雙箍結(jié)構(gòu)

1.3 整體鍛造

整體鍛造常見(jiàn)應(yīng)用于中小型轉(zhuǎn)輪加工，使用整體鍛造工藝對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行加工，通常在對(duì)材料進(jìn)行整體鍛造時(shí)，與轉(zhuǎn)輪的預(yù)計(jì)尺寸接近時(shí)選擇數(shù)控加工技術(shù)，具有很大的切削量[3]。通常使用整體鍛造、數(shù)控加工得到的轉(zhuǎn)輪性能更加出眾，但是成本更高。截至目前為止，全球范圍內(nèi)尚未存在使用整體鍛造技術(shù)加工制造直徑>4 m 的轉(zhuǎn)輪，這從根本上阻礙了超大容量沖擊式機(jī)組的發(fā)展。

2 沖擊式水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)值分析

2.1 相互作用力

沖擊式水輪機(jī)水斗、射流相互作用的數(shù)值關(guān)系可以基于動(dòng)量定理進(jìn)行推導(dǎo)，得出每個(gè)參數(shù)水輪機(jī)運(yùn)行效率產(chǎn)生的影響，圖2 為沖擊式水輪機(jī)速度三角形，圖3 為原理模型。

圖2 沖擊式水輪機(jī)速度三角形

圖3 原理模型

結(jié)合動(dòng)量定律對(duì)水斗方向射流段進(jìn)行分析，得：

式中：△t為時(shí)間段；W1u為U方向進(jìn)口速度相對(duì)分量；W2u為U方向出口速度相對(duì)分量；Fu為U方向水斗對(duì)射流作用力的分力；m 為流體質(zhì)量。

則△t受力流體質(zhì)量：

式中，Q為流量；r為重度；g為重力加速度。

假定水斗速度U與射流速度V1比值為速度比，記為ψ，則：

此時(shí)假設(shè)進(jìn)出口流水速度相同，則按照余弦定理結(jié)合圖2 可得：

隨即進(jìn)一步計(jì)算W1u、W2u：

式中，W1為進(jìn)口相對(duì)速度；W2為出口相對(duì)速度；α 為射流速度V1與水斗速度U夾角。

則有：

結(jié)合牛頓第三定律計(jì)算射流對(duì)水斗的功率N：

水輪機(jī)投入功率Nw：

式中：H為水頭。

式中：φ2為噴嘴效率。

得到?jīng)_擊式水輪機(jī)原理模型方程式：

式中，η 為效率。

2.2 斗根曲率均勻度

本次研究中的斗根曲率均勻度可以視為不同位置深度均勻度，如圖4 所示，展現(xiàn)出應(yīng)力缺口曲面不同曲率的變化，由上至下方案分別為A1~A6，并建立針對(duì)性結(jié)構(gòu)方案有限元模型，各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果詳見(jiàn)表1[4]?？梢钥闯霭殡S對(duì)斗根曲率均勻度的不斷調(diào)整，相應(yīng)的應(yīng)力水平不斷下降，A6 應(yīng)力水平處于最低水平，即最終優(yōu)化方案，綜合應(yīng)力下降9.1%，交變應(yīng)力幅值下降7%，平均值下降5.7%[5]。

表1 斗根曲率均勻度對(duì)應(yīng)力水平的影響

圖4 斗根曲率均勻度

2.3 斗根深度

力不同缺口深度由上至下為B1~B5，B3 與優(yōu)化方案A6 相對(duì)應(yīng)，構(gòu)建有限元模型的同時(shí)施加相應(yīng)的邊界條件和載荷，最終獲得每個(gè)方案的應(yīng)力結(jié)果，見(jiàn)表2。伴隨斗根深度減小，相應(yīng)的應(yīng)力水平下降，B5 應(yīng)力水平最低，即深度優(yōu)化最終方案[6]。

表2 斗根深度對(duì)應(yīng)力水平的影響

3 綜合效益分析

3.1 流量測(cè)定

對(duì)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)流量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合沖擊式水輪發(fā)電機(jī)的屬性使用美國(guó)7410 型超聲波流量計(jì)度進(jìn)行流量測(cè)定。測(cè)定結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相應(yīng)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證流量監(jiān)測(cè)的可靠性，在更換流量測(cè)定儀后獲得的數(shù)據(jù)與第一次測(cè)定的結(jié)果近似，因此可以驗(yàn)證本次沖擊式水輪發(fā)電機(jī)流量已經(jīng)達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 功率測(cè)定

沖擊式水輪發(fā)電機(jī)的功率決定了其綜合效益，因此對(duì)本次設(shè)計(jì)的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行測(cè)定，使用0.2 級(jí)高精度功率變送器從發(fā)電機(jī)出口儀用電壓、電流互感器二次端子接線(xiàn)測(cè)定。以預(yù)先設(shè)定的公平功率變送器標(biāo)定為基準(zhǔn)，經(jīng)測(cè)定后方證實(shí)本次設(shè)計(jì)的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 出力特性

表3為沖擊式水輪發(fā)電機(jī)最大出力情況，經(jīng)測(cè)定得知符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)保留相應(yīng)的裕量。

表3 沖擊式水輪發(fā)電機(jī)最大出力

3.4 效率特性

已知沖擊式水輪發(fā)電機(jī)工作水頭，測(cè)得沖擊式水輪發(fā)電機(jī)效率高達(dá)94.25%，比出廠時(shí)廠家保障的效率提高了1.15%，且沖擊式水輪發(fā)電機(jī)出力區(qū)間為33~34 MW，對(duì)提升綜合效益具有積極意義。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益

本次設(shè)計(jì)的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，電站水頭整體變化幅度有限，最大出力得到顯著提升，總計(jì)提升最大出力約10 MW。沖擊式水輪發(fā)電機(jī)年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)6 000 h、累計(jì)增加發(fā)電量約為2 700 萬(wàn)KW·h，以0.15 元/KW·h計(jì)算則年均增加產(chǎn)值約400 萬(wàn)元。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的水輪發(fā)電系統(tǒng)可以大力提升發(fā)電效率與水能利用率，避免傳統(tǒng)水輪發(fā)電系統(tǒng)制造工藝當(dāng)中存在的由多次裝夾造成的設(shè)計(jì)誤差進(jìn)而無(wú)法提升發(fā)電效率的問(wèn)題。改善水力性能、對(duì)水輪發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)件尺寸進(jìn)行合理控制，提升設(shè)備精度與對(duì)稱(chēng)性。同時(shí)有效縮短了水輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，提升經(jīng)濟(jì)效益。