专利名称：低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法
技术领域：
本发明涉及一种水电站设备改造方法，即低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法。
背景技术：
在现有技术中，吉林红石电站机组是哈尔滨电机厂有限责任公司生产的50丽轴流定桨式机组，是我国最大的轴流定桨式机组，型号为ZDA190-LH-600(新转轮型号 DA944-LH-600)，机组投入运行至今已近20年。到2005年止，4台机组不同程度出现了裂纹问题。初步分析认为，由于当时设计和制造水平的限制，加上机组的振动等原因，转轮叶片已到寿命，叶片改造势在必行，需要更换转轮。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足而提供一种改造效果好，方法可行的低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法。本发明的技术解决方案是低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法的步骤如下(1)设计加工原有电站水轮机全模拟模型装置；(2)设计加工原转轮模型和新设计一个以上模型转轮；(3)利用高水头水力机械模型试验台，在原电站全模拟的模型装置上分别进行原转轮模型及新转轮模型对比试验；总结新转轮效率、稳定性方面数据；(4)对新设计模型转轮在全模拟通道下试验，并进行验收，确定以新设计模型转轮生产水轮机真机转轮。对原型转轮模型喝新设计模型转轮均进行效率、飞逸特性、空化、压力脉动等试验。应用Tascflow软件对原转轮模型和新设计模型转轮进行CFD分析，不断地进行优化设计。红石电站水轮机转轮改造总的原则是在保证机组稳定性和可靠性的基础上，考虑提高机组的效率和功率。改造的基本方向为在流道不变的情况下只更换转轮，固定导叶根据蜗壳流动分析的结果来定是否有局部修型的必要。本发明的优点是通过设计原转轮模型和新设计模型转轮，在全模拟通道下进行试验，确定新转轮合理、先进的技术参数，新转轮无论效率还是稳定性方面均有明显的改善，作为轮机真机制造依据，不仅可以满足设备改造，而且还提高了原有设备性能，延长了使用寿命。下面将结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
具体实施例方式
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试验例1-转轮优化选型模型试验报告试验完成单位哈尔滨电机厂有限责任公司1、试验目的哈电重设计加工了与红石电站全模拟的模型装置，进行了原型模型转轮与新设计模型转轮的全面对比试验，通过全面模型试验并与原型模型转轮的对比，新设计模型转轮无论效率还是稳定性方面均有明显的改善，符合要求。2、试验内容模型初步试验在哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所水轮机研究室高水头试验II台进行，原型转轮及新设计转轮均进行了效率、飞逸特性、空化、压力脉动等试验。3、模型试验装置主要参数转轮型号原型模型转轮与新设计模型转轮转轮名义直径Dl= 400mm转轮叶片数5固定导叶数16活动导叶数32活动导叶高度b0 = 0. 4D1高压侧测压断面面积Al = 0. 52747m2低压侧测压断面面积A2 = 0. 437116m24、模型试验结果a、效率试验试验水头为Sm。效率试验将测定模型水轮机的综合特性曲线，包括原型水轮机全部运行水头范围内，导叶开度从16mm至40mm(导叶开度级差为2mm)所对应的单位流量、单位转速的等效率线，每一工况点的采集时间为60s。效率试验的单位转速范围是从lOOr/min至200r/min，试验是在等开口和水头为常数的条件下进行。试验结果；原型模型转轮最优工况点为nll = 131r/minQll = 1. 320m3/s η = 88. 2%新设计模型转轮最优工况点为nll = 128r/minQll = 1. 298m3/s η = 90. 04%。从比较结果可看出新转轮效率全面超过原型模型转轮，最优效率达到90. 04%，比A190最优效率提高了 1. 84%。b、飞逸转速特性试验根据原型机运行范围决定试验工况点，数据采集时间为 30s.飞逸转速特性试验是在测功机转速为常数(1200r/min)的条件下进行，通过调节试验水头使测功机输出力矩近似为零，采集数点，然后确定飞逸转速值，将试验结果中的导叶开口、飞逸转速及飞逸流量关系画在一张曲线上。以求得水轮机飞逸特性，用以检验原型水轮机的飞逸转速保证值。试验将覆盖原型机的运行导叶全开度范围。试验结果根据新设计模型转轮试验结果，在最大水头额定出力时的开度为观讓，经换算在最大水头HP = 25. 6m 时，原型机的最大飞逸转速值为191. 4r/min，与原型模型转轮相当，满足改造规定的不大于 220r/min的要求。C、空化试验试验水头为Sm。数据采集时间为30s。空化试验是定单位转速情况下，通过改变尾水箱的压力来改变空化系数的方法进行，即对尾水箱逐步改变真空度，使转轮发生空化(或者达到真空设备的极限为止)，然后将空化系数与效率、力矩、单位流量的关系画在同一张曲线上，并绘出等临界空化系数特性曲线。测出给定的每个运行条件对应的临界空化系数。试验结果新设计模型转轮水轮机额定水头额定出力工况临界空化系数为0. 32，空化安全系数1. 74，优于原型模型转轮(原型模型转轮额定出力工况临界空化系数为0. 34，空化安全系数1. 64)，满足改造要求的不小于1. 4的指标。d、压力脉动试验试验水头为Sm。试验在水轮机全部运行水头与出力范围内，在空载、飞逸、各水头不同负荷和尾水位下运行范围电站装置空化系数条件下，测定与水流不稳定或尾水管有关的压力脉动振幅与频率，测点在蜗壳进口、锥管上游、锥管下游、锥管-X 偏-Y 20°处。压力脉动幅值采用97%置信度取法。试验结果新设计模型转轮压力脉动幅值在水轮机运行范围内锥管下游处的最大值幅为23. 65%，比原型模型转轮明显降低(原型模型转轮压力脉动幅值在水轮机运行范围内锥管下游处的最大值幅为35. 66% )，满足改造不超过30%的要求。e、叶片脱流观测试验对原型模型转轮原型模型转轮、新设计模型转轮在典型工况进行了叶片脱流的观测，成像观测结果表明，新设计模型转轮与原型模型转轮转轮相比， 在相应工况条件下的叶片背面脱流程度明显减轻，振动和噪音大幅度降低。f、尺寸检查对模型流道尺寸及形状进行了检查确认，检测结果与设计值的偏差满足标准要求。总结论(1)新转轮的最优效率达到90. 04%，比原转轮最优效率提高了 1. 84%。(2)按照新转轮飞逸试验结果，换算成真机的最大飞逸转速为191. 4r/min,与原转轮相当，满足要求的不大于220r/min的要求。(3)新转轮水轮机额定水头额定出力工况临界空化系数为0.32，空化安全系数 1. 74，优于原转轮(原转轮额定出力工况临界空化系数为0. 34，空化安全系数1. 64)，满足红石改造要求的不小于1. 4的指标。(4)新转轮压力脉动幅值在水轮机运行范围内锥管下游处的最大值幅为 23. 65%，比原转轮明显降低(原转轮压力脉动幅值在水轮机运行范围内锥管下游处的最大值幅为35. 66% )，满足红石改造协议提到的不超过30%的要求。(5)成像观测结果表明新转轮与原转轮转轮相比，在相应工况条件下的叶片背面脱流程度明显减轻，振动和噪音大幅度降低。认为可以按新转轮模型转轮生产红石水轮机真机转轮。
试验例2-红石电站转轮CFD分析报告 此次红石改造研究最终设计出的新转轮，从CFD分析来看，其转轮叶片正、背面压力分布更加均勻，转轮流道内速度分布、流线分布更加合理，数值效率全面提高。从试验结果来看，新转轮各项性能指标完全符合红石电站改造的要求，特别是稳定性指标与红石原转轮相比有了较大的改善，达到了红石电站改造的主要目标。新转轮完全可以应用于红石电站改造中，并将会在水力方面对整个机组稳定性的提高奠定良好的基础。
权利要求
1.一种低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法，其特征在于步骤如下(1)设计加工原有电站水轮机全模拟模型装置；(2)设计加工原转轮模型和新设计模型转轮；(3)利用高水头水力机械模型试验台，在原电站全模拟的模型装置上分别进行原转轮模型及新转轮模型对比试验；总结新转轮效率、稳定性方面数据；(4)对新设计模型转轮试验进行验收，确定以新设计模型转轮生产水轮机真机转轮。
2.按照权利要求1所述的低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法，其特征在于对原型转轮模型喝新设计模型转轮均进行效率、飞逸特性、空化、压力脉动试验。
3.按照权利要求1或2所述的低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法，其特征在于应用Tascflow软件对原转轮模型和新设计模型转轮进行CFD分析，不断地进行优化设
全文摘要
本发明涉及低水头水电站轴流定桨式机组转轮改造方法。即(1)设计加工原有电站水轮机全模拟模型装置；(2)设计加工原转轮模型和新设计一个以上模型转轮；(3)利用高水头水力机械模型试验台，在原电站全模拟的模型装置上分别进行原转轮模型及新转轮模型对比试验；总结新转轮效率、稳定性方面数据；(4)对新设计模型转轮在全模拟通道下试验，并进行验收，确定以新设计模型转轮生产水轮机真机转轮。通过设计原转轮模型和新设计模型转轮，在全模拟通道下进行试验，确定新转轮合理、先进的技术参数，新转轮无论效率还是稳定性方面均有明显的改善，作为轮机真机制造依据，不仅可以满足设备改造，而且还提高了原有设备性能，延长了使用寿命。
文档编号F03B3/12GK102418646SQ201210000189
公开日2012年4月18日 申请日期2012年1月1日 优先权日2012年1月1日
发明者乔木, 刘淑娟, 唐公友, 姜枫, 尉青连, 张德浩, 徐大山, 胡海平, 辛峰, 高连伟 申请人:白山发电厂