三峡右岸水轮机水力性能优化设计

1、2004. V>1X电机技术312004. V>1X电机技术312004. V>1X电机技术312004. V>1X电机技术31三峡右岸水轮机水力性能优化设计刘胜柱，纪兴英(哈尔滨大电机研究所，黑龙江 哈尔滨150040)摘 要三峡左岸水轮机虽然通过模里验收，但具高部分负荷区仍存在诸多不稳定因素模型试验结果存在薛 部分负荷爪力脉动区。哈尔滨电机厂仃限贲任公同在三峡右岸水轮机优化设计中理论9实践相结介，通过人量水 力设计和模型试验,最终优选出的A858b转轮在稳定运行区内不仅无高部分负荷压力脉动，且空化性能、能量指 标及其他水力性能亦非常优秀，更适于三峽水电站氏期、安全、

2、稳定、高效运行的耍求.I中图分类号1TK73O.2 I茫献标识码A I丸章编号1100039X3(2(MM)()LOO3(U)5关键诃】三峽右岸水电站：水轮机：水力设计：模型试验：高部分负荷压力脉动：稳定性Hydraulic Performance Optimization of Turbine in Three GorgesRight Bank ydropower StationLIU Sheng-zlm. JI Xing-ying(Harbin Institute of Large Electnc Machine* Harl)in 150040,China)Abstract: In rHi

3、ree (Gorges left bank hydropower station. the pressure pulsation existed in the range of high piirtial load operation < which had l)een proved in acceptance model test. As a result, a great deal of hy- dniulic design and model test were conducted by HEC . the turbine runner A858ii was selected to

4、 use for the turl)ine in Three Gorges right bank hydropower station, which has no pressure pulsation in the range of high partial load o|)eration and tile hydraulic |>erfbniKin(:e of cavitation , efficiency, output etc are excellent It meets requirements of long time operaliun. safely stability a

5、nd hign efficiency of turbine in Three Gorges hydropower station Key words: Three Gorges nglit bank hydix)|x)wer station: hydraulic turbine: hydraulic design: model test: pressure pulsation in high partial load o|jeiation: stal)ility2004. V>1X电机技术311前言三峡水利枢纽是治理和开发长江的骨工程，具 有防洪、发电、航运等巨人综合效益。2003年左岸

6、第- 批6台机组现已投产发电；右岸12台机组计划于2007 年投产。作为世界上最大的水电站，三峽工程举世嘱II。哈 尔滨电机厂冇限责任公司(简称哈电)在三峡左岸机组 承包合同中，通过引进、消化、吸收国外先进的水力设 计方法，已完成了左岸机组的设计、生产，且第一批机 组运行状况良好。丨I前，KEN为三峡提供的1.241转轮 在稳定性方面运行良好，但山于11前水头较低还不能 反映整个运行区域的特性；1.241转轮在模型验收试验 中存在高部分负荷压力脉动，因此三峡左岸机组仍然 存在某些不稳定因索。为了能够为三峡右岸优化设计 出水力性能更为优秀的水轮机，五年前哈电就已经在 三峡用岸水轮机研究成果慕础上

7、积极开展三峡右岸水 轮机的优化设计匸作，乩研究过程大体分以下四个阶 段：第一阶段：三峡水轮机稳定性的研究探索阶段 ( 1999 - 2001年)。为解决模型高部分负荷压力脉动问 题，哈电对L241的复制转轮A722进行了全而细致的 模樂试验，主要研究高部分负荷压力脉动。同时设计 开发了 A743、A795、A796转轮，以研究比转速、叶片 数、不同形状泄水锥对高部分负荷爪力脉动的影响，进 一步研究高部分负荷压力脉动的规律。为三峡右岸参 数选择论证做了大最作，提出了提尚额定水头以扩 人水轮机尚水头稳定运行范用的建议。第二阶段：三峡水轮机稳定性的进一步研究探索 阶段(2001 2002年)。研究水

8、轮机结构对禹部分负荷 压力脉动的彩响，包括：不同总体结构布置对高部分负 荷压力脉动影响;不同导叶高度对高部分负荷压力脉 动的影响：不同蜗壳与转轮尺寸对高部分负荷压力脉 动的影响。设计了一套新装置及A823、A824、A825、 A826转轮。这一阶段还继续为三峡右岸参数论证选择 做了大量的匸作，提出降低机组安装高程或提烏尾水 位以增加吸出高度，从而消除简部分负荷斥力脉动，扩 大水轮机高水头稳定运行范用的建议。第三阶段：三峡右岸水轮机的研制阶段（2002 2003年4月）o通过询面两个阶段的研究，哈电已对高 部分负荷压力脉动及英规律冇了深刻而较淸晰的认 识，积累了丰富的经验，针对三峡公司的要求，

9、哈电进 入了三峡右用水轮机研制的总攻阶段。这-阶段分两 轮设计，第一轮设计开发了 A826、A84& A854等-批 转轮，试验后还进行了部分转轮局部修世，试验表明 A826a（A826修羽）和A848转轮在三峽水轮机运行范 用内不存在高部分负荷斥力脉动。在第一轮设计堆础 上,乂设计/ A852.A850转轮，结果A850转轮较优，不 仅不存在高部分负荷压力脉动，同时能量指标也较 优。同时还对额定转速为75 r/min>71.4 r/min两种悄 况进行了研究，结果农明低额定转速在能最特性和稳 定性上木见优势,且对空冷发电机方案不利，故哈电不 推荐额定转速71.4 r/niin的

10、方案。第四阶段:三峡右岸水轮机优化阶段（2003年4月 2003年10月）。针对三峽机组招标文件要求，哈电乂 进行了最后一轮的优化匸作，设计开发了 A858. A859. A860转轮，试验结果表明A858转轮较优，对A858 乂 优化设计出A858“转轮，该转轮不仅不存在高部分负 荷斥力脉动，同时空化、能最及英他水力指标亦趋完 美，完全满足三峡水轮机标书要求。根据数十年来在水电建设项I上积累的成熟经 验,结合三峽右岸水轮机组的实际运行条件，借助先进 的流体流动分析软件，经过近五年不断努力实践，通过 大宦、全而的水力优化设讣和扎实深入的理论与试验 研究，从22个方案中最终优选出A858a转轮。

11、该水轮 机在维持三峡左岸能鼠指标的同时，在空化、压力脉动 尊稳定性方而冇所突破，水轮机稳定性指标优于三峡 左岸机组，稳定运行范雨更为宽广。2研究方法三峡右岸水轮机水力设计采用基于止问题的优化 设让，通过CFI）数值计算后的压力场、速度矢彊、流线 分布、环最变化及数值效率等来判别水轮机的优劣，经 过人呈水轮机改型设计及模型试验，不断优化，放终达 到理想的结果。流体流动计算软件应用- TASCflow针对三峡右岸水轮机冬通流部件进行优化设计。3研究内容3.1稳定性研究影响水轮机稳定性的因素多样、复朵，水轮机运行 稳泄性问题t期闲扰国内外水电行业，是一个I比界性 的难题。三峡止岸水轮机虽然通过模型验

12、收，但真高 部分负荷区仍存仃诸多不稳定因索，模型试验结臭存 在高部分负荷压力脉动区（如图1所示），真机运行至 该区域衣现出激变，机组振动、颤抖、声音界常，对机组 的运行构成了危誉或限制。高部分负荷压力脉动区是 三峽右岸水轮机水力设计中急需解决的问题。爪力脉动足由不稳定涡流引起，现代数值流动分 析方法只涉及稳态流动，而不能预测涡流的稳定问 题。CFD数值分析只能显不稳态流动中会不会出现涡 流，但不能给出是否稳定的结论。因此水轮机稳定性 研究更多是基于模熨试验和真机实测。图2为部分负 荷况活动导叶与转轮数值联合计算涡流形态示例。应川流态观测成像系统可以清晰观测模型转轮进 口止、背面脱流、叶道涡以及

13、尾水管涡带等水轮机内部 由涡流引起的异常现彖。成像观测结果证明:涡流与 转轮出口环凰有看密切关系，出口环最对水轮机内部 流态，尤其是转轮出口流态冇较犬影响。如果把水轮 机运行范围内乞水头下的最优匚况（出口环晟近似为 零，值偏正）连接成为一条近似育线，并将其定义为零 环帚线，那么零环最线以右至97%出力限制线为：稳 定涡流区（可分为无涡区和柱状涡带区）；零环量线以 左为：可能不稳定涡流区（包含尚部分负荷爪力脉动 区）。图3为转轮出I和尾水管的流态观测结果示例。虽然不能用转轮出口环量来量化分析高部分负荷 压力脉动,但是由不稳定涡流引起的高部分负荷压力 脉动与转轮出口环星存在如下关系：2004. N

14、o 1人电机技术332004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术33图2 cm数值分析出的不同丁况（部分负荷）某转轮涡流形态2004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术33（b）图3某转轮尾水管流态成像观测结果（°）隐沱涡流（|）不稳泄涡流（1）高部分负荷压力脉动区位于转轮出I零环暈 线以左，与零环磺线近似平行，且存有一定距离。（2）高部分负荷压力脉动区转轮出I环量较大，为 正值，且该区域转轮出口环屋近似相等。因此在三峡右岸水轮机水力设计过程中，首先将 零坏蟻线向山移动，即减小故优单位流磺，使得高部分 负荷压力

15、脉动区向小流量方向移动；在满足水轮机出 力的同时拉人转轮放优流就与额定流最间的距离，以 扩人水轮机稳定运行范围；在数值流动分析过程门更 多地关注运行范围内的转轮出口环鼠变化，选取介理 的出水边环鼠分布规律，使高部分负荷脉动区向低水 头方向移动或消除，改善高部分负荷爪力脉动。通过 以上方法尽可能减小或消除运行区内高部分负荷压力 脉动带，改善简部分负荷X的水力稳定性，域大程度地 提高水轮机规定运行范用内的运行稳定性。三峡右岸还采用了一种新型泄水锥：圆柱形泄水 锥（如图4所示），以提高水轮机运行稳左性。哈电在减 振研究中通过人磺的泄水锥改型和试验发现：这种 新型泄水锥的圆柱形部分旦径和氏度足够时，水

16、轮机 运行范困内的压力脉动能够得到较犬程度的抑制。综 合起來圆柱形泄水锥具有以下优点：（1）导流作用。较大程度地扭转转轮进口的径向流 动，使英更大程度地沿轴向流入尾水管。（2）填补作用。与常规泄水锥相比,足够的直径和 K度使得该泄水锥占据更大的空间，达到与自然补气 相同的作用。阻止凹流。延长至尾水管进口的端面面积较 大，能够阻挡由于强烈旋转造成的尾水管中心区回 流。三峡左岸水轮机在挪威KEN公司经第一轮见证 试验后，高部分负荷压力脉动超标严巫，中方"家要求图4圆柱形泄水锥（左），常观泄水锥（右）其改善水轮机水力稳定性，并明确捉出了泄水锥的改 型方案，KEN公司经六轮试验确认圆柱形泄水

17、锥在减 压力脉动上确冇较大作用，能够使尾水管内的压力脉 动幅iff（降低10% 30%，使蜗克进口的压力脉动幅值 降低30% - 40% ,高部分负荷压力脉动得到了较大改 善，并最终确定了三峽左岸真机现有圆柱形泄水锥尺 寸。岩滩、三峡左岸电站的模世试验和真机运行均表 明：I员柱形泄水锥在降低爪力脉动，提简水轮机运行稳 定性方而作用明显。另外，在满足刚强度的前提下尽可能减小叶片出 水边厚度，选取合理的出水边儿何形状，以改变叶片出 水边的卡门涡振动频率，从而提舟水轮机运行稳定 性。3.2空化性能研究空化性能被普遍认为是水轮机不稳定因索之一。 筒部分负荷爪力脉动区对空化令极强的敬感性，因此 改善转轮

18、空化性能、捉筒转轮的抗空蚀能力，对提高机 组运行稳定性亦有着重要意义。在转轮CFD改型过程中注重叶片易发生空化处 （吸力而出水边低压处）的压力梯度变化，选取介理的 叶片厚度变化规律，改变转轮翼空儿何形状，使得转轮 与导叶联合数值计算、分析后的興根压力分布更为合 理，叶片吸力面低压区的压力梯度变化更为均匀（如图 5所示），降低单位面积上的爪力负荷，提尚转轮空化 性能。2004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术332004. No 1人电机技术33图5哈电峡右斥投标转轮吸力而爪力等值线（左为眾优丁况右为额定丁况）2004. No 1人电机技术

19、332004. No 1人电机技术333.3能最指标考虑水轮机设计参数选择的介理性，在水轮机通 道改动不大的条件下，拉大转轮最优流量与额定流就 间的距离，减小最优单位流帚:后，最优效率与额定效率 均会有所降低。因此在降低压力脉动、提尚机组运行 稳怎性的同时，维持机组的舟效率水平亦有较人难 度。在转轮改型过程中改变转轮进水边儿何形状，使 之与活动导叶出口达到垃佳匹配关系，应用转轮后处 理程序，注意每次流动分析后各1况点的数值效率变 化,优选出典型况数值效率冇较大提高的转轮，提高 转轮幣体效率，使水轮机效率不低于左岸水平。4哈电三峡右岸转轮的特点4.1无高部分负荷压力脉动模型试验表明，三峡左岸KE

20、N的L241转轮在要 求的运行区内存在高部分负荷压力脉动带（如图1所 示）。哈电为三峡右岸研制的新转轮在规定的运行范 用内经试验见证，尾水管和导叶后转轮询区域测点均2004. V>1人电机技术45A858aft机等压力脉动待性曲线齐（MW）图6哈电三峽右用转轮等压力脉动持性曲线 未发现高部分负荷爪力脉动现彖（如图6所示）。 4.2压力脉动幅值明显降低与三峡左岸I.24I转轮相比，哈电为三峡右岸设计 的转轮在蜗壳进口、导叶后、转轮前区域、尾水管内的 压力脉动双振幅值均小于三峡左岸L241转轮，斥力脉、A 858a弋；TT一020040060080010001200/V(MW>图7 /

21、= IO5n锥管下游0.3D处哈电A858a转轮与KEN的L241转轮爪力脉动的比较动双振幅值明显降低，尤其是在禹部分负荷I况圧力 脉动福值显著减小。比较结果见图7。4.3保证运行区无不稳定涡流与三峡左岸转轮相同，哈电为三峡右岸设计的转 轮在规定的水轮机稳定运行范围内，无初生叶道涡流、 叶片头部脱流以及叶片出水边可见卡门涡。流动观测 试验水头为30 mo试验在电站相应装置空化系数下进 行,观测了幣个运行范I节I内不稳定涡流的产生、发展过 程及梵程度（如图8所示）。2004. V>1人电机技术452004. V>1人电机技术45A858a-366涡潦示意图105 r100 F丰工二土

22、H j Hi- i6o王95908580乃cfe粮矣3&+&070 匸二二二二100 20012 014 0z：J715.0-叶道涵ir vjrd r» r4M* 么 'SBC24.01000 1100 1200hi I MW mini inkia itimai.iaa3004005006007008009002004. V>1人电机技术452004. V>1人电机技术45图8哈电T峡右岸转轮涡流示意图（试验水头为30m）2004. V>1人电机技术452004. V>1人电机技术45图屮淸晰地/Fili r哈电三峡右岸转轮在规定的稳

23、定运行范用内的涡带特征：无涡区宽广，螺旋状涡带区 较小。水轮机在规定运行范I制内表现出良好的稳定性。 4.4空化性能与三峡左岸转轮相比，哈电为三峡右岸设计的转 轮在空化性能方面更为优秀，在规定的水轮机稳定运 行范圉内临界空化系数低于0.1，明显优于三峡左岸 的L241转轮（临界空化系数为0.132），增加了电站的 空化安全系数，使水轮机的安全稳定性进一步提高，（下转第45页）和混流式水轮机两种机熨的优点，具冇了平直的贯流 式水轮机的流道形式，真正的混流式或斜流式的转轮 等结构特点，应用水头大大提高，同时貝有良好的水力 性能和空蚀性能,结构简单紧凑，体积小,径向尺寸小, 省水、出力大，运行平稳，

24、是一种优秀的水力能源开发 机型。丨参考文献I11宋文武.贯流混流式水轮机水力设计研究J.大 电机技术，1992,（6）:43 47.宋文武，杜同等.一种新型水轮机的研究与设 计J.农业机械学报，2000，（4）：4347.3宋文武，林其玉.贯流混流式水轮机结构设计探 讨J西北水电，1999,（3）:43-47.|4|宋文武.70m水头段贯流混流式水轮机转轮设计（编辑:尹继纟I）（上接第34页）同时对消除高部分负荷压力脉动也起到了一定作用。空化试验结果还衣明：应用数值流动分析捉禹转 轮空化性能是可行的。4.5具有先进的能暈指标哈电设计的三峡右岸转轮不仅最大程度地提高了 水轮机的运行稳定性，同时能届指标亦非常优秀，最优 效率达到94.63%,更为可喜的是通过对帀权匸况的 学握，模熨水轮机加权平均效率达到92.43%,根据 IEC995 - 1991规定的两步法换算，原型水轮机加权平 均效率为94.10%。哈电设计的三峡右岸水轮机对水 能的实际利川程度更高。5结论解决三峽电站部分负荷压力脉动问题属世界性的 难题，只冇进行深入的分析和大鼠的试验，了解夷发生 的机理和成因，才具备了解决的询捉条件，因此，扎实 认真的科研工作是必不可少的。通过三峡右岸水轮机水力设计及稳定性研