高水头混流式水轮机水力结构的开发与原型试验

2015-04-06德国奥托

水利水电快报 2015年2期

[德国] A.W.奥托等

[德国] A.W.奥托等

描述了高水头混流式机组在水力和机械开发方面的某些关键点。这些关键点表明，作为近年来设计过程细化的结果，在早期设计阶段，采用数值方法预测动态特性是可能的。给出了最新的原型试验结果，并同时与数值分析和模型试验结果进行了比较。对项目的开发背景及其必要性、试验模拟过程以及优化设计等作了介绍。

高水头;水力结构;结构开发;混流式水轮机

与中、低水头的混流式水轮机相比，高水头混流式水轮机不仅具有较高的静载荷，而且还具有不同的流动方式和较高的动载荷。在开发一台高水头水轮机的过程中，设计者必须面对各种挑战，其中包括水力性能、水力系统动力学、机械强度以及安全性能的限制，对于水力性能方面的解决措施包括结构研究和制造处理等，这些都必须加以考虑。

在过去几年，已经在开发高效水轮机方面取得了显著进步。然而，高水头混流式水轮机的特性有时会引起转轮叶片的破坏。

近年来，针对这些现象开展了广泛的研究。为了避免对叶片造成破坏，必须采取以下措施：①要从设计上提出改进方法;②应将制造质量提高到一个崭新的水平以保证达到设计要求。按照这种思路，可推广所谓的定制水轮机，以确保其在服役期内能够安全运行。

近些年来，伏伊特水电公司开发交付了几台高水头混流式水轮机，其最大毛水头达557m，其中几台大机组的最大单机容量达659 MW。

1 背景

混流式机组是一类常见的水力机组，其应用水头和尺寸可出现较大的变化。但很明显的是，根据不同的水头、转速及尺寸，混流式水轮机可因其水力形状和载荷的不同而会有显著的不同，进而也导致其机械设计不同。

对1台高水头水轮机来说，相对于水头而言，流量是相当低的，对应于其水力形状的一个主要特性参数是比转速，nq=nQ0.5/H0.75,显然，其值较低。所以，高水头水轮机也被称为低比速水轮机。图1所示为比速与原型水头之间的关系。根据地形及水文条件，一般来说，高水头的厂址流量较低，结果是在高水头条件下，水轮机尺寸较小。然而，最近有一工程，在水头直到318.8 m的情况下，流量仍然非常大，从而导致在电厂规划中要求多台非常巨大的高水头混流式机组。

比较2台尺寸近似的高水头和低水头水轮机，即可发现其明显的差别。其中，高水头水轮机比速为30，低水头水轮机比速为80，见表1。2台水轮机的转轮尺寸近似，然而，高水头水轮机必须承担较高的压力并发更多的电。

对于300 m及以上的水头，水轮机及转轮的设计倾向于径向设计，与中低水头的设计相比，这就导致了导叶与转轮叶片进水边之间的距离较小。在这种情况下，定子与转子之间的相互作用(RSI)会使转轮产生强大的动态激励，因而必须在机械设计中加以考虑。

由于径向尺寸加长，高水头混流式转轮一般进口高度较小，与较低水头的混流式水轮机相比，相邻叶片在出口边的距离也非常小，这些逼窄处使焊接打磨时不易接近，导致制造处理更难，即使是大机组也会存在同样的问题。如果转轮带有辅助分流叶片，即主叶片之间的短叶片，那么，要想接近逼窄处则更难。

2 近期研发并交付的高水头混流式机组

近年来，伏伊特水电公司已交付了几台高水头混流式水轮机，其最大水头大于300 m，见图2。在这些水轮机的设计中，大多数水头分布在最大达500 m以上的范围，机组容量分布在最大约100 MW的范围，转轮直径分布在最大达2.5 m的范围。只有一台大容量机组例外。

2.1 研发、制造与交付

以一台高水头混流式水轮机为例，来描述其从水力和机械设计到运行一段时间后进行检验的整个研发过程。研发的最终目标是在综合考虑水力性能、机械强度和制造程序等所有因素的基础上，最终找到一个最优方案。

2.2 水力翼形的设计

水力设计主要是进行几何设计和流量分析，在借助于现有的计算方法进行流量分析的基础上，提出针对电厂边界条件的优化设计方案。所开展的水轮机转轮分流叶片影响的数值研究工作，实际上是针对最大水头和额定容量下的运行工况进行的CFD分析，该分析是将速度矢量投影到旋转的表面，该表面的长度固定不变，为转轮上冠到下环间距的50%。结果表明，与无分流叶片的转轮相比，分流叶片减小了叶间流道中速度的变化，提供了更平稳的水流分布，正是由于这种平稳的水流动，使带分流叶片的转轮比无分流叶片的转轮效率更高。

2.3 模型试验

为了研究实际运行状态，必须进行模型试验。

图3所示为2个转轮的模型试验结果，其中一个带有分流叶片。2个转轮安装在同一个试验台上，并使用同一个蜗壳、导水机构及尾水管。显然，分流叶片对效率的影响是正向的，2台转轮的压力脉动非常相似。在部分负荷下，带分流叶片的转轮的压力脉动略小，表明潜在的流速分布更平稳。

2.4 利用先进的数值分析法预测动态响应

高水头混流式水轮机的动态激励，基本上是受定子与转子相互作用(RSI)所诱导的压力脉动而引起的。对于运行在最优工况点或满负荷下的低比速水轮机来说，由RSI诱导的动应力大约要占总动应力的80%。

近年来，通过原型测试和高级数值分析，一直在对RSI进行研究。对相关的数值分析程序，包括非恒定的CFD分析和水中谐波响应分析等程序，也一直在不断地开发研究，并将其结果与原型试验结果进行比较，以使其能够准确地预测原型动应力，并最终为优化动态设计提供可靠的工具。

在试验过程中，采用遥测系统配合应变计进行应力测量。开发该系统的目的是为了使测量信号的非接触传输成为可能，即通过使用一台固定在旋转系统(转轮)上的发射器和一台布置在静止系统上的接收器来完成。如果轴是空心的，该信号可通过空气传输；如果轴是实心的，那么该信号则可通过水传输。

对RSI诱导应力的数值进行预报的方法相当复杂，其中，非恒定的CFD分析用于确定导叶与转轮之间的无叶区域的压力脉动。沿时间和空间展开的压力脉动的傅里叶级数，表明了基本的压力模式形状及其幅值。通过对整个转轮结构在水中的谐波响应进行分析，可得到由RSI诱导的转轮的动态响应，结果包括主激励频率与共振频率的差值及动应力。这种分析方法是基于声波——流体结构干涉方法(FSI)。

该程序已应用于各种比速转轮的测量，而且已与原型应变测量结果进行过比较，其中包括一台nq=20的高水头混流式水轮机。对应变是采用6位应变片测量，为了识别定子与转子相互作用而引起的动应力所占的比例，仅考虑了转轮的导叶通过频率(GPF)的幅值，因而，测量信号主要是围绕GPF滤波。比较结果表明，数值计算结果与测量结果相当一致，这就表明，采用该程序进行未来的新项目设计计算将成为可能。

2.5 机械设计

对于水头大于250～300 m的机组，其机械设计准则与中、低水头的机组是不同的，它强调的是动应力的优化、振动及允许变形，而不是针对整体的刚度及最小偏转。

同时，由于要面对高水头转轮典型的高交变载荷，还应进行疲劳分析。这些交变载荷常见于高水头机组用作调峰运行的情况，此时，机组启停次数较多，而且由RSI引起的压力脉动总是存在，这就要求在机械设计中，除了应考虑预期寿命以外，还必须考虑足够的强度以抵抗这些载荷而不至出现失效或裂纹。此外，还必须开展研究以确定是否存在由水力或机械共振所引起的问题。

2.6 水力—结构设计优化

综上所述，机械与稳定性研究从一开始就必须与水力设计保持一致。这就要求在整个开发过程中，水力与机械设计应时刻保持平行作业。水力和机械作业组是紧密联系的，在进行模型试验之前，必须检查水力部分的作业状况，以确认它们能够满足原型水轮机的机械限制条件。

2.7 不同尺寸转轮的制造程序

通常，高水头混流式水轮机的可达度有限，相对于整个转轮尺寸，其进口高度非常窄小，叶片相当长，不论大型和小型水轮机，相邻叶片之间的距离都很小。伏伊特水电公司已生产出了各种尺寸的高水头混流式水轮机，因而具备了选择合适的制造程序的经验。

传统的组装方法是将单个的转轮叶片焊接到转轮上冠和下环上。如果需要修改其进口，就有可能沿周向来割裂转轮的上冠或下环，当然还可进一步通过割开转轮叶片来修改进口。

2.8 质量控制

为了适应各种个别的机械载荷，必须具有较高的质量标准。这些标准必须包括对各种水力表面和出口公差、表面糙度和材料方面的要求，以及非破坏性试验条款和一些其他的条款。质量是按最新的研究成果定义的，并据此控制整个制造过程。

2.9 交付

在交付之前，应将全尺寸机械的动态数据与研发期间获得的模型试验结果进行比较。在验收试验期间，水轮机必须在各种负载条件下，从空载到高载运行，以便测试系统同时测量压力和振动信号。在甩负荷运行试验中，还必须校核诸如转速升高、最大蜗壳压力、最小尾水管压力和最大调压井水位等数值。只有这样，才能确保电厂的安全运行。

3 实例

2012年12月，已经交付了几台额定容量为610 MW、最大容量为659 MW、最大运行水头为318.8 m的大型混流式机组。这些机组的转轮直径为6.6 m，除了主叶片外都装有分流叶片，每台水轮机的额定流量都近似为229 m3/s。这些高水头的机组是目前世界上尺寸最大和出力最大的混流式机组。

该电站为径流式，其上坝布置有4条引水隧道，河水需流经150 km才能到达山的另一边，而进口与尾水的直线距离只有16 km，落差有310 m；4条引水隧洞中，每条均给2台水轮机供水，共装有8台水轮机。该水力系统非常复杂，所以需考虑几种瞬变负荷情况。由于蜗壳的进口直径巨大，大约有6 m,因而在水轮机固定导叶和活动导叶之间，安装了1台圆筒阀作为截止阀,以代替进口阀。

同其他的现有水电厂相比，这些水轮机的所有边界条件变化巨大，因此，从设计方面来说，没有可供借用或参考的经验及实物，所以必须进行全新的研发。在这一过程中，清楚地理解其中隐含的物理现象非常重要。在这种背景下，制定了机械设计准则并定义了相关限值。

由于高水头混流式水轮机具有较高的能量通量，所以，这些大型机械，尤其是转轮，不论是在正常运行状态下还是在过渡过程状态下，都必须承受巨大的静态和动态力。因此，很早以前，在项目建议阶段，就开始了详细的机械和水力学研究，其中，水轮机的开发包括广泛的设计优化、数值分析和模型试验。模拟水力结构设计优化，包括转轮动应力的数值预报等先进方法，已成功地应用于这些水轮机的开发。

机械力必须安全地传递给所有部件，然而，对于结构设计来说，要保证足够的强度，而可用的空间却较小；顶盖与座环连接螺栓的尺寸也提出了类似的挑战，圆筒阀与顶盖应连成一体，为了满足要求，必须开发全新的顶盖形状。而且，从一开始就应考虑可用的板材厚度和制造条件，例如，制造座环的高强度板材的厚度必须接近于钢厂所有板材的最大厚度。不仅如此，剪板机器、焊接程序等都必须能满足这些特殊的要求。

由于目前世界上还没有类似的大型分流叶片式转轮，所以，该转轮的制造也是独一无二的。为了优化生产，制定了一个特殊的组装和焊接程序，极限区域的铸造缺陷受到了严格限制，并将严格的质量控制贯穿于整个制造过程。

在试验验收过程中，水轮机的动应力是连续采集的，为了获得机器运行状态的初步印象，可直接从监视器上读取尾水管动压力的峰峰值，并与模型试验中获得的类似水头与出力条件下的峰峰特性幅值(可能性97%)进行比较。比较结果表明，模型试验结果与原型试验数据相当一致。

平稳和非平稳运行区域位于相同的出力范围，而且，其幅值大小也非常接近。

将甩负荷试验结果与过渡过程计算结果进行了比较，结果表明，二者相当吻合。