石塘水电站水轮机增容改造中的转轮水力设计

杨 聃

（国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

石塘水电站位于浙江省云和县，系瓯江流域大溪支流的第二级电站，上距紧水滩电站约25 km，距丽水市40 km[1]。石塘水电站主要供电浙江，并与华东电网联网运行。石塘水电站以发电为主，兼有航运、过木等效益。[2-3]。

石塘电站水轮机增容改造只更换转轮，在不改变转轮直径、额定转速及额定水头的前提下，将水轮机额定出力从26.8 MW增加到29.5 MW，改造以后的水轮机主要参数如表1所示。

表1 水轮机主要参数

1 转轮通道优化

改造前的水轮机存在支持盖内腔空间狭小导致轴承密封漏水不能及时排出的问题。因此，在此次改造中，通过优化导流锥形状，增加支持盖内腔空间尺寸来解决排水的问题。

在石塘水轮机改造中，由于转轮直径和额定水头保持不变，而提高效率对出力增加的贡献有限，因此需要通过增大转轮的过流能力从而增大流量来增加出力。石塘电站的最高水头为24.21 m，原转轮的轮毂比为0.43，叶片数为5个。根据统计数据，该水头下的转轮轮毂比可以进一步缩小，从而实现增加转轮过流能力的目的。改造转轮的轮毂比定为0.42，缩小轮毂比也有利于提高转轮的空化性能，叶片数不变。

2 效率性能优化

表2 效率加权因子分布表

首先分析加权因子分布。从表2中可以很明显看出，石塘电站在21 m到23 m水头运行得最多，并且主要在80%到100%出力工况上，权重占到了85%以上。

因此，要想提高改造后转轮的加权效率，就需要提高21 ～23 m水头满发出力工况的效率。在模型综合特性曲线上，就是要将最优点流量偏小的小流量效率圈优化到最优点流量偏大的大流量效率圈，增加转轮的过流能力，提高大流量工况的效率。

在实际操作中，主要采用以下几个手段来实现前面提到的优化目标：①通过增大叶片出口角，缩小轮毂比，增加过流能力；②适当增大挠度，提高正背面压差，提高效率；③调整厚度、挠度分布，使叶片表面光滑无突变，减小脱流损失。

在额定水头上进行原始转轮和优化转轮从小转角到大转角的斜连点CFD计算，并且与模型试验结果进行比较。从CFD效率计算结果可以看出，相比于原始转轮，优化后的转轮效率更高，最高效率值提高了1%以上，最高效率的流量更大，因而大流量工况的效率更高。从效率计算结果上看，达到了设计目标。

3 空化性能优化

叶片的正背面存在压差，产生力矩，进而做功。因此，正背面之间的压差大小决定效率高低，而背面的低压则决定转轮的空化性能。如图1中所示，从基础转轮到优化转轮，背面最低压力点向进水边移动，最低压力值升高，低压区更分散，空化性能得到改善。

图1 优化前后的叶片表面压力分布比较

随着流道内的压力降低，空化系数随之减小，当转轮中出现第一个可见气泡时，定义此时的空化系数为初生空化系数。继续降低压力，减小空化系数，转轮内的气泡越来越多，空化越来越严重，但此时的空化仍然没有影响到效率，效率维持不变。当压力下降得很多，空化系数很小时，叶片背面大面积进入汽化，压力保持在汽化压力上，而正面压力继续下降，空化已经对叶片正背面的压差造成很大的影响，效率开始下降。当效率下降1%时，定义此时的空化系数为临界空化系数。优化后的石塘2号转轮的临界空化系数小，临界空化余量大，额定工况空化余量超过1.2倍，转轮的空化性能优良。

经过优化的叶片头部进口角与来流角度适应得更好，水流撞击在叶片头部鼻端，冲击损失小，没有进水边正背面空化，如图2所示。

图2 叶片头部进口安放角的优化

4 结语

石塘水电站水轮机增容改造在不改变转轮直径、额定转速及额定水头的前提下，只更换转轮，将水轮机额定出力从26.8 MW增加到29.5 MW。在转轮的水力设计中，通过缩小轮毂比来提高转轮过流能力、优化叶片翼型、调整叶片表面压力分布、优化进口安放角使其更适应来流减小损失、增大叶片根部厚度及倒圆角半径尺寸等手段，从转轮流道优化、效率性能优化、空化性能优化、叶片强度优化等方面提高转轮的性能。优化后的转轮已经通过模型水轮机验收试验，各项性能都满足改造合同要求。