《HL160型水轮机的增容改造技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《HL160型水轮机的增容改造技术（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1HL160 型水轮机的增容改造技术摘要：在理论计算的基础上，结合水轮机转轮实测与实践经验，确定了叶片出水边的切割量，使 HL160.84 水轮机增容 25%；对新旧型谱系列模型转轮性能分析结果表明，D06A 转轮能量特性及空化特性都优于 HL160 转轮，经流道对比得出两种转轮互换性很强，用 D06A 转轮替代 HL160 转轮可增容 20%。这两个结论在青海曲库水电站 1 号机的增容改造中得到了验证。 关键词：混流式水轮机 增容改造 切割叶片 新型转轮 曲库水电站 曲库水电站位于青海省同仁县隆务河流域上游，该站引水流量为 6.5 m3s，而隆务河多年平均流量为 15.64 m3s，在丰水季
2、节存在大量弃水。电站装机 3 台，设计容量 3 000 kW，其中 1 台 HL160-WJ-84 水轮机，在 65 m 设计水头下过流能力为 3.81 m3s，机组最大出力为 2 000 kW，而所配发电机额定出力为 2 500 kW。水能资源和机组状况提供了增容改造的必要性和可行性。1995 年，笔者利用该机组 1 个闲置的转轮，在维修工作的基础上通过切割出水边等手段，使机组出力达到了 2 500 kW，以极低的成本获得了增容改造的成功；1998 年，又结合电站购置新转轮的需要，用 HLD06A 转轮取代了 HL160 转轮，使机组出力达到 2 400 kW，以转轮换型的方式达到了大幅增容
3、的目的。1 通过切割叶片出水边增容1.1 叶片切割量的计算 转轮的增容改造，主要形式为调整叶片形状和切割叶片出水边。其中，叶片修型的目的是在提高效率的同时，加大过流能力。而切割叶片出水边则主要是在基本2不使效率下降的前提下，增大转轮的过流能力。由于调整叶片形状必须基于流场计算的基础上，且改造工艺过程复杂，工期长、费用高，一般小水电站不易接受，故本文只能就笔者所进行的水轮机实际改造方法作以介绍，以期对小型机组的增容改造提供借鉴。水轮机流量调节方程式为： 式中，Q 为流量； 为旋转角速度；r2 为叶片出水边半径； 为水轮机效率；F2 为转轮出口过水断面面积；H 为水头；g 为重力加速度；a0 为导
4、叶开度；b0 为导叶高度；2 为叶片出口边安放角。上式明确地反映出叶片出口边几何参数对机组过流能力的影响。当机组导叶开度最大即 a0 为最大值时，水轮机过流能力取决于叶片出水边半径 r2、水轮机过流面面积 F2、叶片出口边安放角 2 这 3 个几何参数值，这 3 个参数中任何 1 个的增大都将使转轮过流能力提高。 转轮叶片设计时，要求从出水边至进水边，相对速度与圆周方向的夹角 的变化规律呈单调增加，这意味着对叶片出口边的切割将使出水边处相对速度与圆周方向的夹角 2 增大；转轮流道从进口到出口呈收缩状态，切割出水边将使 r2、F2 也增大。因此，适当切割叶片出水边可使过流能力增强。转轮出水边切割
5、量是个非常敏感的参数，稍有不妥，便会使水力效率过分降低，导致流量加大而出力不增加甚至下降，因此，叶片出口边切割量需在理论分析计算基础上结合实践经验才能确定。 图 1 所示为两相邻叶片的出水边部分，图中 t 表示周向3式中，W2r 为叶片出口相对速度径向分量。若将切割前后的微元流量分别以 Q1 和 Q2 来表示，相应地将切割前后的出口相对速度及叶片开口分别以 W21、a01 和 W22、a02 来表示，则由式（2）推出下列关系式：出水边切割量不可能很大，可近似认为切割前后叶片长度基本不变，则W21W22，由此可得：式中，aoi 为叶片出水边第 i 个点上的开口值；ri 为从水轮机轴心线至各开口测
6、点间的距离；N 为所选开口点的数量。 用式（5）计算加权平均开口，若所选开口点数在下环部分较多，则其值偏大，因下环部分叶片开口大；反之，若所选开口点数上冠部分较多，则其值偏小。准确的计算方法应按下式：式中，rA 为叶片出水边与上冠交点半径；rB 为叶片出水边与下环交点半径。实际计算时，可作开口值 a 与开口点处半径 r 的乘积 ar 在 rA 至 rB 间曲线，再计算曲线所围的面积。式(4)中开口值用加权平均开口代替，则可得出水边切割前后水轮机过流能力Q1、Q2 与切割前后加权平均开口值 aO1CP、aO2CP 关系式：据此可求出在期望的过流能力时开口的加权平均值，由此可进一步确定叶片出水边切
7、割量。1.2 实际切割量的确定及改造结果 据转轮实测结果，得出切割前叶片出水边平均开口值 aO1CP=48.3mm。假设切割后转轮效率不下降，当机组出力从 2 000 kW 增至 2 500 kW 时，流量将从 3.81 4m3s 增至 4.8 m3s，根据式（7）求得切割后平均开口值应为 61 mm。测量后确定此时出水边切割量应为 25 mm，考虑其可靠性，最终确定切割量为 20 mm。为使改造费用降低，利用该机组 1 个报废闲置转轮，经堆焊、车削、打磨恢复到设计图纸要求后，割去叶片出水边 20 mm。增容改造一次成功，取得了预期效果，空蚀磨损状况略有恶化但无大的影响，机组出力达到 2 50
8、0 kW，取得了很好的经济效益。2 以更换新型转轮的形式增容改造2.1 D06A 与 HL160 转轮的性能比较 曲库水电站 HL160 机组导叶相对高度是 0.224，单位转速 62.5rmin，额定出力时单位流量 0.67 m3s，而改造后的转轮限制单位流量期望值是 0.835 m3s。经分析已有几何参数相近的性能较优转轮后，初选 D06A 转轮。二者参数对比见表1。2.2 机组预期最大出力D06A-84 转轮的过流能力远大于 HL160。查其综合特性曲线，在单位转速 62.5 rmin 时，Q11 达到 0.825 m3s，模型效率 M 为 87%。设发电机效率保持在 2 000kW 时
9、的值不变，机组出力可达到 2 420 kW，增幅在 20%左右，可使发电机容量得到比较充分的利用。2.3 空化系数比较一般来说，空化系数随比转速的增加而增加。由表 1 可见，D06A 转轮与 HL160转轮相比，前者的过流能力远大于后者，而空化系数 却明显小于后者，体现了D06A 转轮的优越性能。曲库水电站 HL160 机组的单位转速是 62.5 rmin，据此查两种转轮模型综合特性曲线，HL160 转轮的限制单位流量是 0.67 m3s，空化系数是 0.06；而 D06A 转5轮的限制单位流量是 0.83 m3s，空化系数是 0.054。由此可见，D06A 转轮比起HL160 转轮，过流能力
10、大为提高，空化系数不但没有增加反而有较大幅度下降。2.4 效率特性比较根据 D06A 和 HL160 转轮模型综合特性曲线，得两转轮的 Q11 对应的模型效率M 在 n11=62.5 rmin 时的对比数据见表 2。由表 2 可知，在 Q110.6 m3s 的运行区域，D06A 的 M 比 HL160 的 M 要小 2%左右，但 1 号机组和另外两台小机组合理分配负荷完全可避免在此小流量区域运行。而在 0.6 m3sQ110.67 m3s 的运行范围内，即 HL160 从最优到限制单位流量范围内，处在 D06A 的最优单位流量附近，M 较前者高出 01.5%左右；0.67m3sQ110.825
11、 m3s 的范围即增容流量区，处于 D06A 的最优到限制单位流量段，其效率在 87%90%之间。也就是说，除增加过流量带来的发电量外，更换转轮还能额外获得水力效率提高而增加的发电量。3.5 转轮流道形状比较将改造前后转轮剖面图绘在一起，见图 2。图中虚线所示为曲库电站 HL160.84 转轮剖面图，实线所示为 D06A-84 转轮剖面图。D06A 转轮下环锥角是 610，与 HL160 的 630相差不大，下环外径尺寸可不改变；由图 2 可见，D06A 转轮的上冠流道曲线比 HL160 抬高了很多，使上冠部分变得较薄，从强度角度考虑，新型转轮上冠顶盖侧形状在原 HL160 转轮基础上做了修改
12、，把凹面改为平面，使上冠厚度增加；随上冠型线的改变，上冠中心铸造空腔做了相应改变；泄水孔出口在 D06A 叶片流道出水边之后，泄水孔位置、角度均不6发生变化。综上所述，D06A 转轮的性能优于 HL160，且与 D06A 转轮的互换性很好。用D06A-84 转轮替换 HL160.84，可使机组出力从 2 000 kW 增至 2 420 kW。2.6 导水机构的改造几何相似导叶位置可表达为：据模型参数推算出该导水机构设计最大开度为 65 74 mm，而更换 D06A 转轮后要求最大开度达到 82 mm。现场实测表明，导水机构开度增至 82 mm 时，导叶出水边仍然不会与叶片进水边相碰。参考 HL
13、160-WJ-84 导水机构 S-a0 图和实测结果，确定了改造后控制环耳环的最大行程 Smax。但调速轴转臂的最大转角 45是不可更改的，那么，Smax 取决于调速轴转臂销孔的旋转半径 R，其值愈大则 Smax 越大。它们的关系可表达为：式中， 为调速轴转臂转角。 据此制造了新尺寸的调速轴转臂，并与调速轴重新配钻了键孔。 2.7 转轮换型增容的结果 改造后的机组实际最高出力达到 2 400 kW。运行 1 年 3 个月，累计增发电量 200万 kWh，电价按 0.2 元kWh 计，增容改造直接经济效益达 40 万元，全部增容改造费用仅 12 万元，不到 5 个月便可收回全部成本。3 结论(1)HL160-WJ-84 型水轮机转轮切割出水边 20mm，机组出力可增加 25%。(2)用 HLD06A 转轮替代 HL160 转轮后，增容幅度可达 20%，且空化性能也能大幅改善。(3)在增容改造工作中，导叶最大开度的改变可通过更换旋转半径不同的调速轴7转臂来实现。(4)在类似机组增容改造中，应注意增容幅度要合理。因为机组流量增加过多，使管道水力损失增加，水轮机的工作水头会明显减小，会影响整体经济效益。此外，该方法在多泥沙河流上使用应慎重。参考文献1华东水利学院.水轮机(下册)M.北京：电力工业出版社，19802高建铭.水轮机设计原理M.北京：水利电力出版社，1982
