大型高水头混流式水轮机的稳定性设计优化

张 梁

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川省成都市 610056）

0 引言

混流式水轮机适应水头广、应用范围宽，在水力发电中广泛使用；随着水电开发的不断进展，混流式水轮机的应用水头和单机容量逐渐增大，稳定性成为非常关注的问题[1]。本文研究的混流式水轮机应用于大型水电站中，电站总装机容量4800MW，单机容量600 MW，额定水头288m，保证出力1972MW。该电站的水轮机运行水头高，部件尺寸大，且汛期有一定的过机泥沙，因此水轮机的整体设计、制造难度达到了世界先进水平[2]。

本文根据电站工程特点，首先对国内外相近水头和规模的大型水轮机主要参数进行了统计研究，分析了该电站水轮机设计参数特点；然后在模型试验和仿真计算的基础上，结合无叶区压力脉动的产生机理，对转轮叶片和活动导叶等关键部件进行了稳定性设计优化；最后通过优化前后的性能和流场的分析对比，表明优化设计提高了水轮机运行稳定性，保障了电站长期安全可靠运行。

1 水轮机设计参数

该电站的总装机容量为4800MW，水头范围为279.2～321.0m，水轮机运行水头高，单机容量巨大，参数设计非常关键。通过对国内外与其水力条件相近的大型水轮机主要参数的统计研究，并结合工程特点，对该电站水轮机的主要参数进行了比选，最后确定的主要参数如表1所示。

表1 水轮机主要参数表Table 1 Hydro-turbine main parameters

其中比转速ns是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的一个综合性指标。提高比转速，不仅可以减小机组尺寸，降低机组造价，同时还可以减小主厂房尺寸，降低土建投资[3]；但比转速的提高往往受到水轮机的平均效率、稳定性、抗空蚀性能，以及机组刚度和强度等性能的制约[4]。

图1 水轮机额定比转速统计图Figure 1 Rated specific speed statistics for Hydro-turbine

图1 是根据当前国内外已投产、在建和拟建的中、高水头段大型水轮机额定比转速ns统计曲线。

从图1中可以看出，随着不锈钢材料性能提高，近年来的比转速统计曲线略有提高，但是考虑到该电站的水头较高，而且存在一定的泥沙磨损，选择适中的比速系数，有利于机组的安全稳定运行，因此该电站水轮机的比转速值不宜过高，最后确定的比转速在110m·kW以内[5]。

通过主要参数的分析对比，可以看出该电站的水轮机采用了较为稳妥的设计，在保证高性能的同时，也具有较好的空化性能。2008年4月完成了水轮机的第一次模型验收，各项水力性能均满足合同要求，在整个运行范围内，转轮内部流动较为顺畅，没有出现大的破坏性强的涡带。

通过更细致的CFD模拟和转轮动态应力计算仿真，发现在原设计的水轮机中，活动导叶与转轮之间的无叶区存在较大的高频压力脉动。无叶区的高频压力脉动在水轮机内部传播，将大大增加转轮叶片的动态应力，并可能对机组结构造成破坏，是影响机组稳定运行的重要原因之一[6]。为了进一步提高机组的运行稳定性，结合水轮机内部流动特点，对原设计进行了更深入的稳定性优化。

2 水轮机稳定性设计优化

混流式水轮机无叶区产生压力脉动的主要原因是水轮机运行中导叶和转轮之间存在动静干涉，以及导叶出口的脱流[7]，因此要减小无叶区的压力脉动就要减弱动静干涉的影响和减小导叶出口的脱流。结合该电站水头范围和工况特点，本优化设计方案从优化转轮进水边和导叶翼型，以及增加无叶区距离等几方面入手，降低无叶区压力脉动，提高水轮机的运行稳定性。

2.1 转轮优化

（1）适当减少转轮进口直径，增加无叶区距离；同时为保证飞逸转速尽可能低，不能减少太多，通过多次研究计算，确定转轮进口直径减少0.2%。

（2）子午面上进水边修型为圆弧形，中间截面处的直径减少2%，平均进口直径减少1.4%。

如图2和图3所示，虚线为原设计，实线为优化设计。

2.2 活动导叶优化

（1）优化了活动导叶压力侧的型线，实线是优化后的新型线，它的低压侧型线比较平直，降低导叶后压力场的不均匀性。

（2）导叶分布圆直径由7360mm增加至7404mm，增加无叶区距离。

图2 转轮进口优化Figure 2 Runner inlet optimization

图3 转轮叶片进水边优化Figure 3 Runner blade inflow edge optimization

如图4和图5所示，虚线为原设计，实线为优化设计。

图4 活动导叶型线优化Figure 4 Guide vanes shape optimization

图5 导叶分布优化Figure 5 Guide vanes distribute optimization

3 稳定性优化成果分析

采用计算机数值模拟和模型试验测试的方法，对优化后的水轮机性能和内部流场进行研究，和原设计的水轮机进行了分析对比。

3.1 动态应力分析对比

表2是不同工况下的转轮叶片动态应力大小对比，可以看出优化后的动态应力明显小于原设计的动态应力，说明无叶区压力脉动的影响减小了，降低了机组叶片损坏的可能性，提高了使用寿命，提升了机组整体稳定性。

表2 不同工况下叶片动态应力Table 2 Blade dynamic stress under different conditions

表3是原设计和优化设计后的活动导叶的水中自振频率对比，可以看出优化设计后的自振频率降低了5%左右，其固有频率更加远离激振频率，降低了发生共振的可能性。

表3 活动导叶水中振动频率Table 3 Guide vane natural vibration under water

3.2 效率分析对比

表4是模型试验得出的各种工况下原设计和优化设计的效率值对比，可以看出优化设计的效率与原设计相比，一些工况下略有降低，相差不多，个别工况效率增加，加权效率基本不变。优化设计后对水轮机效率性能影响不大，保证了在较宽的运行范围内都有高效率。

表4 不同工况下的水轮机效率值Table 4 Hydro-turbine efficiency under different conditions

3.3 流场分析对比

采用CFD计算软件对原设计和优化设计的水轮机内部流动进行了模拟仿真，对内部流动的压力分布和流线轨迹进行了研究对比。

图6和图7是额定工况下固定导叶和活动导叶间压力分布和流线分布的对比，可以看出优化设计后的固定导叶和活动导叶间的压力变化相对较为均匀，逆压力梯度变化减少。

图6 额定工况下固定导叶和活动导叶间的压力分布（a）原设计；（b）优化设计Figure 6 Pressure between stay vanes and guide vanes under rated condition

图7 额定工况下固定导叶和活动导叶间的流线分布（a）原设计；（b）优化设计Figure 7 Streamline between stay vanes and guide vanes under rated condition

图8 和图9分别是额定工况下转轮内和尾水管内的流线分布，可以看出转轮内部和尾水管流线分布没有明显变化。

图8 额定工况下转轮内的流线分布（a）原设计；（b）优化设计Figure 8 Streamline in runner under rated condition

图9 额定工况下尾水管内的流线分布（a）原设计；（b）优化设计Figure 9 Streamline in draft tube under rated condition

通过额定工况下的流场分析可以看出：优化设计改善了固定导叶和活动导叶之间的压力分布，从而降低了无叶区的压力脉动；整个水轮机内部流动较为顺畅，没有明显的撞击和脱流，水力稳定性好。

在实际工程应用中，上海福伊特公司采用了稳定性优化设计后的方案并生产制造了8台水轮机。2012年12月，电站的首台机组投产运行，在5年多的电站运行中，水轮机运行稳定，安全可靠，表现优异。

4 结束语

该电站的大型高水头混流式水轮机采用了较为稳妥的设计理念，通过合理的参数设计，在保证高性能的同时，也具有较好的空化性能；同时针对原设计存在的无叶区压力脉动较大的问题，优化设计了转轮进水边和活动导叶翼型以及适当增加了无叶区距离，从而改善了导叶间的压力分布，减小了无叶区的压力脉动，显著降低了转轮叶片上的动态应力；实际运行结果证明了本次优化设计提高了水轮机运行稳定性，满足了机组长期安全可靠运行的需要。