專利名稱：低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水電站設備改造方法，即低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中，吉林紅石電站機組是哈爾濱電機廠有限責任公司生產的50麗軸流定槳式機組，是我國最大的軸流定槳式機組，型號為ZDA190-LH-600(新轉輪型號 DA944-LH-600)，機組投入運行至今已近20年。到2005年止，4臺機組不同程度出現(xiàn)了裂紋問題。初步分析認為，由于當時設計和制造水平的限制，加上機組的振動等原因，轉輪葉片已到壽命，葉片改造勢在必行，需要更換轉輪。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述不足而提供一種改造效果好，方法可行的低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法。本發(fā)明的技術解決方案是低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法的步驟如下(1)設計加工原有電站水輪機全模擬模型裝置；(2)設計加工原轉輪模型和新設計一個以上模型轉輪；(3)利用高水頭水力機械模型試驗臺，在原電站全模擬的模型裝置上分別進行原轉輪模型及新轉輪模型對比試驗；總結新轉輪效率、穩(wěn)定性方面數(shù)據(jù)；(4)對新設計模型轉輪在全模擬通道下試驗，并進行驗收，確定以新設計模型轉輪生產水輪機真機轉輪。對原型轉輪模型喝新設計模型轉輪均進行效率、飛逸特性、空化、壓力脈動等試驗。應用Tascflow軟件對原轉輪模型和新設計模型轉輪進行CFD分析，不斷地進行優(yōu)化設計。紅石電站水輪機轉輪改造總的原則是在保證機組穩(wěn)定性和可靠性的基礎上，考慮提高機組的效率和功率。改造的基本方向為在流道不變的情況下只更換轉輪，固定導葉根據(jù)蝸殼流動分析的結果來定是否有局部修型的必要。本發(fā)明的優(yōu)點是通過設計原轉輪模型和新設計模型轉輪，在全模擬通道下進行試驗，確定新轉輪合理、先進的技術參數(shù)，新轉輪無論效率還是穩(wěn)定性方面均有明顯的改善，作為輪機真機制造依據(jù)，不僅可以滿足設備改造，而且還提高了原有設備性能，延長了使用壽命。下面將結合實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。
具體實施例方式
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試驗例1-轉輪優(yōu)化選型模型試驗報告試驗完成單位哈爾濱電機廠有限責任公司1、試驗目的哈電重設計加工了與紅石電站全模擬的模型裝置，進行了原型模型轉輪與新設計模型轉輪的全面對比試驗，通過全面模型試驗并與原型模型轉輪的對比，新設計模型轉輪無論效率還是穩(wěn)定性方面均有明顯的改善，符合要求。2、試驗內容模型初步試驗在哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所水輪機研究室高水頭試驗II臺進行，原型轉輪及新設計轉輪均進行了效率、飛逸特性、空化、壓力脈動等試驗。3、模型試驗裝置主要參數(shù)轉輪型號原型模型轉輪與新設計模型轉輪轉輪名義直徑Dl= 400mm轉輪葉片數(shù)5固定導葉數(shù)16活動導葉數(shù)32活動導葉高度b0 = 0. 4D1高壓側測壓斷面面積Al = 0. 52747m2低壓側測壓斷面面積A2 = 0. 437116m24、模型試驗結果a、效率試驗試驗水頭為Sm。效率試驗將測定模型水輪機的綜合特性曲線，包括原型水輪機全部運行水頭范圍內，導葉開度從16mm至40mm(導葉開度級差為2mm)所對應的單位流量、單位轉速的等效率線，每一工況點的采集時間為60s。效率試驗的單位轉速范圍是從lOOr/min至200r/min，試驗是在等開口和水頭為常數(shù)的條件下進行。試驗結果；原型模型轉輪最優(yōu)工況點為nll = 131r/minQll = 1. 320m3/s η = 88. 2%新設計模型轉輪最優(yōu)工況點為nll = 128r/minQll = 1. 298m3/s η = 90. 04%。從比較結果可看出新轉輪效率全面超過原型模型轉輪，最優(yōu)效率達到90. 04%，比A190最優(yōu)效率提高了 1. 84%。b、飛逸轉速特性試驗根據(jù)原型機運行范圍決定試驗工況點，數(shù)據(jù)采集時間為 30s.飛逸轉速特性試驗是在測功機轉速為常數(shù)(1200r/min)的條件下進行，通過調節(jié)試驗水頭使測功機輸出力矩近似為零，采集數(shù)點，然后確定飛逸轉速值，將試驗結果中的導葉開口、飛逸轉速及飛逸流量關系畫在一張曲線上。以求得水輪機飛逸特性，用以檢驗原型水輪機的飛逸轉速保證值。試驗將覆蓋原型機的運行導葉全開度范圍。試驗結果根據(jù)新設計模型轉輪試驗結果，在最大水頭額定出力時的開度為觀讓，經換算在最大水頭HP = 25. 6m 時，原型機的最大飛逸轉速值為191. 4r/min，與原型模型轉輪相當，滿足改造規(guī)定的不大于 220r/min的要求。C、空化試驗試驗水頭為Sm。數(shù)據(jù)采集時間為30s?？栈囼炇嵌▎挝晦D速情況下，通過改變尾水箱的壓力來改變空化系數(shù)的方法進行，即對尾水箱逐步改變真空度，使轉輪發(fā)生空化(或者達到真空設備的極限為止)，然后將空化系數(shù)與效率、力矩、單位流量的關系畫在同一張曲線上，并繪出等臨界空化系數(shù)特性曲線。測出給定的每個運行條件對應的臨界空化系數(shù)。試驗結果新設計模型轉輪水輪機額定水頭額定出力工況臨界空化系數(shù)為0. 32，空化安全系數(shù)1. 74，優(yōu)于原型模型轉輪(原型模型轉輪額定出力工況臨界空化系數(shù)為0. 34，空化安全系數(shù)1. 64)，滿足改造要求的不小于1. 4的指標。d、壓力脈動試驗試驗水頭為Sm。試驗在水輪機全部運行水頭與出力范圍內，在空載、飛逸、各水頭不同負荷和尾水位下運行范圍電站裝置空化系數(shù)條件下，測定與水流不穩(wěn)定或尾水管有關的壓力脈動振幅與頻率，測點在蝸殼進口、錐管上游、錐管下游、錐管-X 偏-Y 20°處。壓力脈動幅值采用97%置信度取法。試驗結果新設計模型轉輪壓力脈動幅值在水輪機運行范圍內錐管下游處的最大值幅為23. 65%，比原型模型轉輪明顯降低(原型模型轉輪壓力脈動幅值在水輪機運行范圍內錐管下游處的最大值幅為35. 66% )，滿足改造不超過30%的要求。e、葉片脫流觀測試驗對原型模型轉輪原型模型轉輪、新設計模型轉輪在典型工況進行了葉片脫流的觀測，成像觀測結果表明，新設計模型轉輪與原型模型轉輪轉輪相比， 在相應工況條件下的葉片背面脫流程度明顯減輕，振動和噪音大幅度降低。f、尺寸檢查對模型流道尺寸及形狀進行了檢查確認，檢測結果與設計值的偏差滿足標準要求?？偨Y論(1)新轉輪的最優(yōu)效率達到90. 04%，比原轉輪最優(yōu)效率提高了 1. 84%。(2)按照新轉輪飛逸試驗結果，換算成真機的最大飛逸轉速為191. 4r/min,與原轉輪相當，滿足要求的不大于220r/min的要求。(3)新轉輪水輪機額定水頭額定出力工況臨界空化系數(shù)為0.32，空化安全系數(shù) 1. 74，優(yōu)于原轉輪(原轉輪額定出力工況臨界空化系數(shù)為0. 34，空化安全系數(shù)1. 64)，滿足紅石改造要求的不小于1. 4的指標。(4)新轉輪壓力脈動幅值在水輪機運行范圍內錐管下游處的最大值幅為 23. 65%，比原轉輪明顯降低(原轉輪壓力脈動幅值在水輪機運行范圍內錐管下游處的最大值幅為35. 66% )，滿足紅石改造協(xié)議提到的不超過30%的要求。(5)成像觀測結果表明新轉輪與原轉輪轉輪相比，在相應工況條件下的葉片背面脫流程度明顯減輕，振動和噪音大幅度降低。認為可以按新轉輪模型轉輪生產紅石水輪機真機轉輪。
試驗例2-紅石電站轉輪CFD分析報告 此次紅石改造研究最終設計出的新轉輪，從CFD分析來看，其轉輪葉片正、背面壓力分布更加均勻，轉輪流道內速度分布、流線分布更加合理，數(shù)值效率全面提高。從試驗結果來看，新轉輪各項性能指標完全符合紅石電站改造的要求，特別是穩(wěn)定性指標與紅石原轉輪相比有了較大的改善，達到了紅石電站改造的主要目標。新轉輪完全可以應用于紅石電站改造中，并將會在水力方面對整個機組穩(wěn)定性的提高奠定良好的基礎。
權利要求
1.一種低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法，其特征在于步驟如下(1)設計加工原有電站水輪機全模擬模型裝置；(2)設計加工原轉輪模型和新設計模型轉輪；(3)利用高水頭水力機械模型試驗臺，在原電站全模擬的模型裝置上分別進行原轉輪模型及新轉輪模型對比試驗；總結新轉輪效率、穩(wěn)定性方面數(shù)據(jù)；(4)對新設計模型轉輪試驗進行驗收，確定以新設計模型轉輪生產水輪機真機轉輪。
2.按照權利要求1所述的低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法，其特征在于對原型轉輪模型喝新設計模型轉輪均進行效率、飛逸特性、空化、壓力脈動試驗。
3.按照權利要求1或2所述的低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法，其特征在于應用Tascflow軟件對原轉輪模型和新設計模型轉輪進行CFD分析，不斷地進行優(yōu)化設
全文摘要
本發(fā)明涉及低水頭水電站軸流定槳式機組轉輪改造方法。即(1)設計加工原有電站水輪機全模擬模型裝置；(2)設計加工原轉輪模型和新設計一個以上模型轉輪；(3)利用高水頭水力機械模型試驗臺，在原電站全模擬的模型裝置上分別進行原轉輪模型及新轉輪模型對比試驗；總結新轉輪效率、穩(wěn)定性方面數(shù)據(jù)；(4)對新設計模型轉輪在全模擬通道下試驗，并進行驗收，確定以新設計模型轉輪生產水輪機真機轉輪。通過設計原轉輪模型和新設計模型轉輪，在全模擬通道下進行試驗，確定新轉輪合理、先進的技術參數(shù)，新轉輪無論效率還是穩(wěn)定性方面均有明顯的改善，作為輪機真機制造依據(jù)，不僅可以滿足設備改造，而且還提高了原有設備性能，延長了使用壽命。
文檔編號F03B3/12GK102418646SQ201210000189
公開日2012年4月18日 申請日期2012年1月1日 優(yōu)先權日2012年1月1日
發(fā)明者喬木, 劉淑娟, 唐公友, 姜楓, 尉青連, 張德浩, 徐大山, 胡海平, 辛峰, 高連偉 申請人:白山發(fā)電廠