ZD560型水轮机技术改造的分析研究

李 胜

(安徽省淠史杭灌区管理总局淠东干渠管理处，安徽 六安 237009)

九里沟水电站2号水轮机型号为ZD560-LH-180，该机组额定容量1600kW，实际平均出力1418kW。要求通过现状参数分析，找出出力受阻的原因，并在厂房水工基础不变、预埋件和发电机部分不动的前提下，进行更新改造，达到额定出力。

1 机组出力受阻的原因分析

1.1 水轮机实际运行水头低于设计值

原始设计时对水位预测不尽准确，且经过多年运行，下游渠道产生淤积，壅高了尾水位，使得机组实际运行水头低于设计水头。整理实测水文资料，2号机实际运行的特征水头应为：额定水头11.19m，最大水头12.34m，最小水头10.67m。可见机组实际运行水头比设计值低较多，尤其是额定水头比设计值低1.31m，原叶片安放角度已明显不合适，这对低水头的轴流定桨水轮机的影响是巨大的，使其偏离高效区运行。

1.2 水轮机结构尺寸与模型有偏差，过流通道存在问题

该站3号机亦为ZD560(+10°)-LH-180水轮机，但生产厂家不同。在相同的水头下，2号机出力比3号机低150kW左右，因此除了运行水头原因之外，还需要对水轮机结构进行详细分析比较。水轮机真机与模型采用相似理论设计，以使水轮机的性能达到设计要求。按文[1]要求，原型与模型应完全相似。ZZ560的模型(编号A30)流道参数和2号机实际流道参数的比较如表1所列。

表1 ZZ560模型与2号机真机流道参数对比表

注：轴流定桨时转轮体(柱体)与转轮直径的比值 Db/D1=0.35，对应的转轮室为柱面；转桨时转轮体(球体)与转轮直径的比值Db/D1=0.4，对应的转轮室为球面。

由表1可见，2号机真机相对参数中，导叶和尾水管参数与模型机相对参数基本相符，主要差异在轮毂比，即2号机轮毂比应为0.35，实际为0.4，这使顶盖、转轮室至泄水锥的流道变狭窄，影响了水轮机流道的通流能力，造成出力不足。

2 技术改造方案研究

2.1 技术改造要求

针对九里沟电站的情况，本次改造要求如下：① 在净水头11.19m时,水轮机保证出力≥1720kW；②为控制工程量和工期，节约投资，蜗壳和尾水管不动，发电机部分不动；③原水轮机预埋件不动，导水机构不更换，如有需要，可增大导叶开口角度。

2.2 转轮选型分析

(1)转轮型号选择。ZD560转轮在我国早期建设的低水头电站中曾广泛应用，机型较老，效率偏低，近年来，很多电站对该型转轮成功进行了增容改造，用JP502转轮替换ZD560转轮比较多见。但对于九里沟电站，由于发电机部分不动(即不降速)，如使用JP502转轮，经计算和查模型转轮综合特性曲线，其运行区间大大偏离最优工况，设计点模型效率不到80%，故不可用JP502转轮。经反复比选，拟采用ZD660a转轮，其模型转轮综合特性曲线如图1所示。

图1 ZZ660a模型转轮综合特性曲线

(2)模型流道分析。将ZZ660a模型与2号机真机流道参数对比如表2所列。可见，真机与660a模型机相比，导叶数据略优，尾水管数据略差，整体流道差异不大，基本满足需要。

表2 ZZ660a模型与2号机真机流道参数对比表

(3)模型水力性能和汽蚀性能分析。将ZZ660a和ZZ560模型机主要性能对比如表3所列。可见①ZZ660a转轮比ZZ560转轮过流能力大，最优工况效率高3.7%，限制工况效率高6.2%。说明在转轮直径和额定转速相同的情况下，660a转轮流量和效率均高于560转轮，而且原机导水叶高度大于660a的模型值，水轮机过流能力更大。②ZZ660a转轮比ZZ560转轮的汽蚀性能略优，可保证在水轮机稳定运行范围内，不发生汽蚀。③ZZ660a转轮比ZZ560转轮飞逸转速略低，水轮机在事故飞逸时转速不超过原机，保证了原机组的强度和刚度安全性满足改造需求。

表3 ZZ660a与ZZ560模型机主要性能对比表

2.3 真机性能分析

上述是用模型参数进行选型分析的，拟采用ZD660a-LH-180转轮替换原ZD560-LH-180转轮，相应更换支持盖和泄水锥，保留原机的蜗壳、导水机构、转轮室、尾水管流道不变。由于改造机型无法做到和模型参数完全相似，因此存在较大不确定性，这也是水轮机换型改造的难点。为保证改造效果，对机组进行了CFD分析，按照改造数据进行全流道三维流场数值模拟，模拟机组在额定工况下运行时的流场流动特性，预测其性能。如图2和图3所示。

图2 导叶流场迹线

图3 蜗壳、尾水管流场迹线

通过CFD分析可知，蜗壳、导叶流场速度分布情况良好，叶片工作面、背面速度分布均匀，从叶片进口至出口没有脱流、回流，转轮室至泄水锥流线顺畅，但尾水管流线略差。结论是，真机出力能达到设计要求，但效率受原尾水管影响，需修正，综合分析，修正-3%。改造后真机额定工况下主要参数如表4所列。改造前后机组主要性能对比如表5所列。

表4 ZD660a-LH-180额定工况参数表

表5 改造前后机组主要性能对照表

2.4 导叶开口复核

原导水机构不动，通过绘制导水机构导叶开口布置图如图4所示。按原机导叶最大开口254mm复核，导叶转角可达到46°。额定工况时，660a转轮的导叶转角为43°，故原机导水机构满足改造需要，无需增大导叶开口。

图4 导叶开口复核图

2.5 吸出高度复核

水轮机的允许吸出高度按经验公式HS=10-▽/900-KσH计算，经验系数K取1.2, 安装高程为36.2m，σc查曲线在额定点为0.66，H为11.19m，经计算HS=1.1m，2号机现状吸出高度为-1.5m，满足要求。

2.6 调保计算复核

经计算(过程略)，机组甩去全负荷最大转速上升率β≤46.9%，蜗壳末端的最大压力上升率ξ≤46.6%，尾水管真空度为0.5mH2O，均在原设计调保要求范围内。

3 结 论

九里沟电站2号机组因运行水头偏离设计值和转轮轮毂比的差异，长期达不到设计出力。通过对模型参数和现状参数的比选，选用ZD660a(+27.5°)-LH-180转轮进行更新改造，经CFD模拟分析验证，并经各项复核，满足改造要求，改造后机组可达到设计出力，水轮机额定点效率提高8.8%，且改造只需要更换转轮(含泄水锥)和支持盖，工程量小，可结合大修进行，技术可行，效益明显。