三峡右岸水轮机水力性能优化设计

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长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。 （ !） 阻止回流。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 +,- 公司经第一轮见证 试验后， 高部分负荷压力脉动超标严重， 中方专家要求
图 ! 某转轮尾水管流态成像观测结果
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脉动带， 改善高部分负荷区的水力稳定性， 最大程度地 提高水轮机规定运行范围内的运行稳定性。 三峡右岸还采用了一种新型泄水锥：圆柱形泄水 锥 （如图 $ 所示） ， 以提高水轮机运行稳定性。 哈电在减 振研究中通过大量的泄水锥改型和试验发现：当这种 新型泄水锥的圆柱形部分直径和长度足够时，水轮机 运行范围内的压力脉动能够得到较大程度的抑制。综 合起来圆柱形泄水锥具有以下优点： （’） 导流作用。 较大程度地扭转转轮进口的径向流 动， 使其更大程度地沿轴向流入尾水管。 （ "） 填补作用。与常规泄水锥相比， 足够的直径和
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三峡右岸水轮机水力性能优化设计
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水轮机部分
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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 ’(""$"） ) 摘 要 * 三峡左岸水轮机虽然通过模型验收， 但其高部分负荷区仍存在诸多不稳定因素， 模型试验结果存在高
针对三峡右岸水轮机各通流部件进行优化设计。
" 研究内容
" & # 稳定性研究 影响水轮机稳定性的因素多样、 复杂， 水轮机运行 稳定性问题长期困扰国内外水电Baidu Nhomakorabea业，是一个世界性 的难题。三峡左岸水轮机虽然通过模型验收，但其高 部分负荷区仍存有诸多不稳定因素，模型试验结果存 在高部分负荷压力脉动区 （如图 " 所示） ， 真机运行至 该区域表现出激变， 机组振动、 颤抖、 声音异常， 对机组 的运行构成了危害或限制。高部分负荷压力脉动区是 三峡右岸水轮机水力设计中急需解决的问题。
!"#$%&’() *+$,-$.%/)+ 012(.(3%2(-/ -, 4&$5(/+ (/ 46$++ 7-$8+9 :(862 ;%/< "#$-1-=+$ >2%2(-/ 567 89:;<1=9> ? @6 AB;<1CB;< （D-EFB; 6;GHBH>H: IJ 5-E<: KL:MHEBM N-M9B;:， D-EFB; ’(""$"， O9B;-） ?592$%)2 P 6; .9E:: QIE<:G L:JH F-;R 9CSEITIU:E GH-HBI; ? H9: TE:GG>E: T>LG-HBI; :VBGH:S B; H9: E-;<: IJ 9B<9 T-EHB-L LI-S IT:E-HBI; ? U9BM9 9-S F::; TEIW:S B; -MM:TH-;M: XIS:L H:GH % +G - E:G>LH ? - <E:-H S:-L IJ 9C1 SE->LBM S:GB<; -;S XIS:L H:GH U:E: MI;S>MH:S FC DKO ? H9: H>EFB;: E>;;:E +,(,- U-G G:L:MH:S HI >G: JIE H9: H>EFB;: B; .9E:: QIE<:G EB<9H F-;R 9CSEITIU:E GH-HBI; ? U9BM9 9-G ;I TE:GG>E: T>LG-HBI; B; H9: E-;<: IJ 9B<9 T-EHB-L LI-S IT:E-HBI; ? -;S H9: 9CSE->LBM T:EJIEX-;M: IJ M-WBH-HBI; ? :JJBMB:;MC ? I>HT>H :HM -E: :VM:LL:;H % 6H X::HG E:Y>BE:X:;HG IJ LI;< HBX: IT:E-HBI; ? G-J:HC ? GH-FBLBHC -;S 9B<; :JJBMB:;MC IJ H>EFB;: B; .9E:: QIE<:G 9CSEITIU:E GH-HBI; % @+" =-$#9 P .9E:: QIE<:G EB<9H F-;R 9CSEITIU:E GH-HBI; Z 9CSE->LBM H>EFB;: Z 9CSE->LBM S:GB<; Z XIS:L H:GH Z TE:GG>E: T>LG-HBI; B; 9B<9 T-EHB-L LI-S IT:E-HBI; Z GH-FBLBHC 三峡左岸水轮机研究成果基础上积极开展三峡右岸水 轮机的优化设计工作，其研究过程大体分以下四个阶 段： 第一阶段：三峡水轮机稳定性的研究探索阶段 （’222 ] #""’ 年） 。为解决模型高部分负荷压力脉动问 题，哈电对 5#$’ 的复制转轮 +0## 进行了全面细致的 模型试验，主要研究高部分负荷压力脉动。同时设计 开发了 +0$!、+02(、+02[ 转轮，以研究比转速、叶片 数、 不同形状泄水锥对高部分负荷压力脉动的影响， 进 一步研究高部分负荷压力脉动的规律。为三峡右岸参 数选择论证做了大量工作，提出了提高额定水头以扩 大水轮机高水头稳定运行范围的建议。 第二阶段：三峡水轮机稳定性的进一步研究探索 阶段 （#""’ ] #""# 年） 。研究水轮机结构对高部分负荷 压力脉动的影响， 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
（.） 稳定涡流 （/） 不稳定涡流
（ ’） 高部分负荷压力脉动区位于转轮出口零环量 线以左， 与零环量线近似平行， 且存有一定距离。 （ "） 高部分负荷压力脉动区转轮出口环量较大， 为 正值， 且该区域转轮出口环量近似相等。
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大电机技术
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定性方面作用明显。 另外，在满足刚强度的前提下尽可能减小叶片出 水边厚度， 选取合理的出水边几何形状， 以改变叶片出 水边的卡门涡振动频率，从而提高水轮机运行稳定 性。 ! % " 空化性能研究 空化性能被普遍认为是水轮机不稳定因素之一。
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大电机技术
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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 ()#!、()#%、()#*、 这一阶段还继续为三峡右岸参数论证选择 ()#+ 转轮。 做了大量的工作，提出降低机组安装高程或提高尾水 位以增加吸出高度， 从而消除高部分负荷压力脉动， 扩 大水轮机高水头稳定运行范围的建议。 第三阶段：三峡右岸水轮机的研制阶段（ #$$# , 。通过前面两个阶段的研究， 哈电已对高 #$$! 年 % 月） 部分负荷压力脉动及其规律有了深刻而较清晰的认 识， 积累了丰富的经验， 针对三峡公司的要求， 哈电进 入了三峡右岸水轮机研制的总攻阶段。这一阶段分两 轮设计，第一轮设计开发了 ()#+、()%)、()*% 等一批 转轮，试验后还进行了部分转轮局部修型，试验表明 和 ()%) 转轮在三峡水轮机运行范 ()#+- （()#+ 修型） 围内不存在高部分负荷压力脉动。在第一轮设计基础 上， 又设计了 ()*#、 结果 ()*$ 转轮较优， 不 ()*$ 转轮， 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 .* / 0 123、 ."& % / 0 123 两种情 况进行了研究，结果表明低额定转速在能量特性和稳 定性上未见优势， 且对空冷发电机方案不利， 故哈电不 推荐额定转速 ."& % / 0 123 的方案。 第四阶段： 三峡右岸水轮机优化阶段 （ #$$! 年 % 月 。 针对三峡机组招标文件要求， 哈电又 , #$$! 年 "$ 月） 进行了最后一轮的优化工作， 设计开发了 ()*)、 ()*4、 ()+$ 转轮，试验结果表明 ()*) 转轮较优，对 ()*) 又 优化设计出 ()*)- 转轮，该转轮不仅不存在高部分负 荷压力脉动，同时空化、能量及其他水力指标亦趋完 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目上积累的成熟经 验， 结合三峡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 大量、全面的水力优化设计和扎实深入的理论与试验 研究， 从 ## 个方案中最终优选出 ()*)- 转轮。该水轮 机在维持三峡左岸能量指标的同时， 在空化、 压力脉动 等稳定性方面有所突破，水轮机稳定性指标优于三峡 左岸机组， 稳定运行范围更为宽广。
A 前言
三峡水利枢纽是治理和开发长江的骨干工程，具 有防洪、 发电、 航运等巨大综合效益。#""! 年左岸第一 批 [ 台机组现已投产发电； 右岸 ’# 台机组计划于 #""0 年投产。 作为世界上最大的水电站， 三峡工程举世瞩目。 哈 尔滨电机厂有限责任公司 （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。目前， /K\ 为三峡提供的 5#$’ 转轮 在稳定性方面运行良好，但由于目前水头较低还不能 反映整个运行区域的特性；5#$’ 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 存在某些不稳定因素。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
部分负荷压力脉动区。 哈尔滨电机厂有限责任公司在三峡右岸水轮机优化设计中理论与实践相结合， 通过大量水 力设计和模型试验， 最终优选出的 +,(,- 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， 更适于三峡水电站长期、 安全、 稳定、 高效运行的要求。 ) 中图分类号 * ./0!"% # ) 文献标识码 * + ) 文章编号 * ’"""1!2,! 3 #""$ 4 "’1""!"1"( ) 关键词 * 三峡右岸水电站；水轮机；水力设计；模型试验；高部分负荷压力脉动；稳定性
图 " 三峡左岸 ABC 转轮高部分负荷压力脉动区
压力脉动是由不稳定涡流引起，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。567 数值分析只能显示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 研究更多是基于模型试验和真机实测。图 # 为部分负 荷工况活动导叶与转轮数值联合计算涡流形态示例。 应用流态观测成像系统可以清晰观测模型转轮进 口正、 背面脱流、 叶道涡以及尾水管涡带等水轮机内部 由涡流引起的异常现象。成像观测结果证明：涡流与 转轮出口环量有着密切关系，出口环量对水轮机内部 流态，尤其是转轮出口流态有较大影响。如果把水轮 机运行范围内各水头下的最优工况（出口环量近似为 零， 值偏正） 连接成为一条近似直线， 并将其定义为零 环量线，那么零环量线以右至 4.@ 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（包含高部分负荷压力脉动 区） 。 图 ! 为转轮出口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 脉动与转轮出口环量存在如下关系：
! 研究方法
三峡右岸水轮机水力设计采用基于正问题的优化 设计， 通过 567 数值计算后的压力场、 速度矢量、 流线 分布、环量变化及数值效率等来判别水轮机的优劣，经 过大量水轮机改型设计及模型试验，不断优化，最终达 到理想的结果。流体流动计算软件应用 568 9 :(;5<=>?
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三峡右岸水轮机水力性能优化设计
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图 " ()* 数值分析出的不同工况 （部分负荷） 某转轮涡流形态
因此在三峡右岸水轮机水力设计过程中，首先将 零环量线向左移动， 即减小最优单位流量， 使得高部分 负荷压力脉动区向小流量方向移动；在满足水轮机出 力的同时拉大转轮最优流量与额定流量间的距离，以 扩大水轮机稳定运行范围；在数值流动分析过程中更 多地关注运行范围内的转轮出口环量变化，选取合理 的出水边环量分布规律，使高部分负荷脉动区向低水 头方向移动或消除，改善高部分负荷压力脉动。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