楊 聃

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

石塘水電站位于浙江省云和縣，系甌江流域大溪支流的第二級電站，上距緊水灘電站約25 km，距麗水市40 km[1]。石塘水電站主要供電浙江，并與華東電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行。石塘水電站以發(fā)電為主，兼有航運、過木等效益。[2-3]。

石塘電站水輪機增容改造只更換轉(zhuǎn)輪，在不改變轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速及額定水頭的前提下，將水輪機額定出力從26.8 MW增加到29.5 MW，改造以后的水輪機主要參數(shù)如表1所示。

表1 水輪機主要參數(shù)

1 轉(zhuǎn)輪通道優(yōu)化

改造前的水輪機存在支持蓋內(nèi)腔空間狹小導致軸承密封漏水不能及時排出的問題。因此，在此次改造中，通過優(yōu)化導流錐形狀，增加支持蓋內(nèi)腔空間尺寸來解決排水的問題。

在石塘水輪機改造中，由于轉(zhuǎn)輪直徑和額定水頭保持不變，而提高效率對出力增加的貢獻有限，因此需要通過增大轉(zhuǎn)輪的過流能力從而增大流量來增加出力。石塘電站的最高水頭為24.21 m，原轉(zhuǎn)輪的輪轂比為0.43，葉片數(shù)為5個。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該水頭下的轉(zhuǎn)輪輪轂比可以進一步縮小，從而實現(xiàn)增加轉(zhuǎn)輪過流能力的目的。改造轉(zhuǎn)輪的輪轂比定為0.42，縮小輪轂比也有利于提高轉(zhuǎn)輪的空化性能，葉片數(shù)不變。

2 效率性能優(yōu)化

表2 效率加權(quán)因子分布表

首先分析加權(quán)因子分布。從表2中可以很明顯看出，石塘電站在21 m到23 m水頭運行得最多，并且主要在80%到100%出力工況上，權(quán)重占到了85%以上。

因此，要想提高改造后轉(zhuǎn)輪的加權(quán)效率，就需要提高21 ～23 m水頭滿發(fā)出力工況的效率。在模型綜合特性曲線上，就是要將最優(yōu)點流量偏小的小流量效率圈優(yōu)化到最優(yōu)點流量偏大的大流量效率圈，增加轉(zhuǎn)輪的過流能力，提高大流量工況的效率。

在實際操作中，主要采用以下幾個手段來實現(xiàn)前面提到的優(yōu)化目標：①通過增大葉片出口角，縮小輪轂比，增加過流能力；②適當增大撓度，提高正背面壓差，提高效率；③調(diào)整厚度、撓度分布，使葉片表面光滑無突變，減小脫流損失。

在額定水頭上進行原始轉(zhuǎn)輪和優(yōu)化轉(zhuǎn)輪從小轉(zhuǎn)角到大轉(zhuǎn)角的斜連點CFD計算，并且與模型試驗結(jié)果進行比較。從CFD效率計算結(jié)果可以看出，相比于原始轉(zhuǎn)輪，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪效率更高，最高效率值提高了1%以上，最高效率的流量更大，因而大流量工況的效率更高。從效率計算結(jié)果上看，達到了設(shè)計目標。

3 空化性能優(yōu)化

葉片的正背面存在壓差，產(chǎn)生力矩，進而做功。因此，正背面之間的壓差大小決定效率高低，而背面的低壓則決定轉(zhuǎn)輪的空化性能。如圖1中所示，從基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪到優(yōu)化轉(zhuǎn)輪，背面最低壓力點向進水邊移動，最低壓力值升高，低壓區(qū)更分散，空化性能得到改善。

圖1 優(yōu)化前后的葉片表面壓力分布比較

隨著流道內(nèi)的壓力降低，空化系數(shù)隨之減小，當轉(zhuǎn)輪中出現(xiàn)第一個可見氣泡時，定義此時的空化系數(shù)為初生空化系數(shù)。繼續(xù)降低壓力，減小空化系數(shù)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的氣泡越來越多，空化越來越嚴重，但此時的空化仍然沒有影響到效率，效率維持不變。當壓力下降得很多，空化系數(shù)很小時，葉片背面大面積進入汽化，壓力保持在汽化壓力上，而正面壓力繼續(xù)下降，空化已經(jīng)對葉片正背面的壓差造成很大的影響，效率開始下降。當效率下降1%時，定義此時的空化系數(shù)為臨界空化系數(shù)。優(yōu)化后的石塘2號轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)小，臨界空化余量大，額定工況空化余量超過1.2倍，轉(zhuǎn)輪的空化性能優(yōu)良。

經(jīng)過優(yōu)化的葉片頭部進口角與來流角度適應(yīng)得更好，水流撞擊在葉片頭部鼻端，沖擊損失小，沒有進水邊正背面空化，如圖2所示。

圖2 葉片頭部進口安放角的優(yōu)化

4 結(jié)語

石塘水電站水輪機增容改造在不改變轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速及額定水頭的前提下，只更換轉(zhuǎn)輪，將水輪機額定出力從26.8 MW增加到29.5 MW。在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計中，通過縮小輪轂比來提高轉(zhuǎn)輪過流能力、優(yōu)化葉片翼型、調(diào)整葉片表面壓力分布、優(yōu)化進口安放角使其更適應(yīng)來流減小損失、增大葉片根部厚度及倒圓角半徑尺寸等手段，從轉(zhuǎn)輪流道優(yōu)化、效率性能優(yōu)化、空化性能優(yōu)化、葉片強度優(yōu)化等方面提高轉(zhuǎn)輪的性能。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪已經(jīng)通過模型水輪機驗收試驗，各項性能都滿足改造合同要求。