摘要：中小型水电站技术改造是水电事成长的重要组成部门，本文经由过程对我国中小型水电站成长现状的论述，分析了在中小型水电站技术改造中水轮机转轮改型设计的需要性和可行性，并介绍了当前水轮机转轮设计、测试和制造方面的新技术。要害词：中小型水电站；水轮机转轮；改型设计中图分类号：ＴＫ７３０．３＋２３文献标识码：Ａ１我国中小型水电站的成长现状开国以来，我国水电建设取得了庞大成就，据统计我国常规水电装机容已到达7700×104ｋＷ，其中，中小型水电站4．5×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容达2020×104ｋＷ，有近一半为50～60年月制造的装备［1］。由于那时条件限制，这些电站的水轮机大都是运用前苏联40～50年月的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能指标偏低。加上年夜部门国产机组生产于非凡年月，不按电厂各类条件而硬性套用定型图纸，或仅按模子实验的特定角度硬性划定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。还有性能指标较低，如高效区狭窄、振动区范围年夜、空化性能差等，对机组的平安稳定运行发生了严重的影响，很年夜水平上下降了电站装备的运行治理水安然平静效益。另外，由于年夜部门电站已运行了三四十年，机组装备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频仍。持久运行已使过流部件磨损，非凡是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。凭据国外有关资料介绍，效率下降约为２％。非凡有些电站或由于昔时是套用机组，或由于电站参数发生变化，使机组持久在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国平易近经济的成长和人平易近生活水平的不竭提高，电力负荷峰谷差越来越年夜，增年夜中小型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。而电力系统越来越多地要求水机电组非凡是中小型水机电组担负调峰、调频和事故备用使命，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得刻薄，对那些装备陈旧的老电站，担负这样使命显然力有未逮。同时，近几年年夜电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调理性能较好的水电站实行发电，多发电势必会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。２水轮机转轮改型的需要性和可行性２．１水轮机转轮改型的需要性从我国水电事的成长现状来看，年夜批水电站存在的主要问题及发生的严重后果主要是持久以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要浮现在下面几个方面［2］：（１）水轮机转轮效率低。水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年月至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一年夜批机组水轮机转轮系国内50、60年月产物，与90年月国内外进步前辈转轮相比，差距很年夜，真机效率约低2％～5％以上。造成可哄骗能源的庞大浪费。（２）水轮机与水轮发机电选型不合理。“六五”之前安装的水轮发机电组，由于设计条件限制，有些电站选择水轮机与发机电偏于守旧，使水能不能充实哄骗，有些电站选择水轮机与发机电容匹配不妥，从而年夜年夜限制了机组出力。（３）水轮机运行靠得住性差。水轮机受那时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不竭增加。严重影响水轮机的靠得住运行。（４）自然条件的变化。近年来随着经济的成长，有些电站的上游年夜力成长耗水较年夜的农企，工农用水突飞猛进。另外，随着人们生活的提高，生活用水、情况用水、生态用水等曩昔设计电站时疏忽的部门消耗也比增多。这样部门水轮发机电组经几十年投运，上、下流水位已发生较年夜变化，原有转轮运行已年夜年夜偏离设计工况，甚至没法正常运行。综上所述，８０年月之前建设的一年夜批电站，由于机电装备落后，技术老化，机组设计水平低，制造工艺差，技术参数低。和部件老化机组出力受阻和自然条件的变化，已不能充实哄骗已开发的水力资本，从而造成水力资本的再度浪费。再加上电网调峰的迫切需要。若何提高已开发的水力资本的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重年夜课题。众所周知，水轮机转轮水电站的焦点装备。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的劣对合理开发哄骗水能、保证电网靠得住性方面有着庞大影响。是以，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。经由过程对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加电站容，改善机组运行的平安稳定性。２．２水轮机转轮改型的可行性首先，从经济的角度分析，开发新电站投资年夜、周期长，而进行水轮机转轮的增容改造由于不需要再建年夜坝等水工建筑物，故投资很少，生效很快，经济效益很高。一般认为，对老电站的增容改造其单元千瓦投资要比新建电站低２/３以上［３］。是以，水电站水轮机转轮的改型是一项投进少产出多效益显著的项目，是提高水电站运行靠得住性和经济性的主要标的目的，已成为许多国家解决能源欠缺问题的手段。其次，从技术上来说，近年来计较机与计较技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很年夜的前进。使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足的前进。这些新的技术主要浮现在：（１）数值模拟技术。五六十年月，混流式转轮的设计根蒂根基是本世纪初罗伦兹提出的通流理论，即假定转轮中的叶片数无限多，无限薄，这样将三维流动简化成轴对称流动。从８０年月以后，随着计较机技术和计较流体动力学的迅速成长，水力机械过流部件的三维流动分析、三维设计和化算法都有了长足的成长，已成为过流部件水力设计与流动分析的重要工具。今朝，仅在水轮机研究领域就有清华、哈电和东方厂等国内近十家单元引进了进步前辈的ＣＦＤ分析软件。如哈电，哄骗ＣＦＤ分析软件进行模子转轮开发，完成了三峡右岸转轮的转化设计，对丰满、新安江、丹江口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行数值模拟和化，完成了洛溪渡、水布垭、小湾、龙滩、公伯峡等电站水轮机的水力设计。东方厂哄骗ＣＦＤ技术开发出福堂电站用Ｄ307模子转轮，其高效率为94．43％。空化性能也很高，其空化系数δ＝0．047，飞逸转速特征年夜为106．4ｒ/ｍｉｎ，年夜压力脉动混频双振幅值为5．5％。另外，西安理工年夜学从８０年月后期起头进行水轮机通流部件的反问题研究［４］，前后提出并建立了基于Ｓ1流面反问题计较的准三维设计模子和方式、基于Ｓ2流面反问题计较的准三维设计模子和方式、基于夹杂谱方式的全三维有旋流动的反问题计较模子和方式。近年来，在三维粘性流设计模子的根蒂根基上，又实现了设计方案的计较机自寻，到达了凭据厂站的现实水力参数进行“体载衣”式的设计，取得了水力机械转轮设计方式的重年夜突破。到今朝为止，用该模子已前后为有关电站、多家水轮机厂和有关研究单元的几十台水轮机转轮进行了改型设计，全数到达了用户提出的改造方针。这类针对某一电站进行门设计与制造的水轮机选型方式，可以保证让每个电站都可以选出适合自己电站条件的水轮机型式，从而到达好运行效果，取得年夜经济效益。经由过程采用进步前辈的计较机数值模拟技术对水轮机转轮进行增容改造，具有低投进、高产出、生效快的特点。在改善运行性能的同时削减了运行及维修费用、削减了机组的停机时间，使电厂费用下降并尽快受益。（２）模子测试技术。当前流体机械测试技术成长迅速，诸如压力丈技术、流丈技术和粒子图像测速技术有较年夜的提升，多媒体技术和计较机网络技术进一步运用到流体机械测试系统中。总之，以计较机为焦点的自动测试系统已成为现代测试系统的一个特点和通用形式。国内的哈电、东方、双富等厂家和清华、河海、水科院等科研院校都建设或对原水轮机模子实验台的电气、测试系统进行了周全的改造。其综合测试精度、运行稳定性和重复精度年夜年夜提高。今朝，全国已有５座经由过程部级鉴定的现代化实验台，其效率综合实验误差在±0．25％～±0．3％，为水轮机模子实验和电站改造验证研究提供了秀的条件。如哈电研制成功了转轮内部流态观察成像系统［5］，可经由过程光纤内窥镜和摄像头收集转轮进口处的脱流、叶道涡、空化和出口处的空化、涡带的信息，验证ＣＦＤ的分析成效。也可经由过程观察转轮在各工况的流态，为改型设计提供依据。（３）顽强度计较技术［５］。水轮机转轮不仅要有好的水力性能，还应具有高的顽强度性能，这样才能保证机组高效平安地运行。是以对转轮的顽强度计较和计较的准确性尤其重要。传统的设计方式采用简单的材料力学理论将叶片作为一悬臂梁在全水头均压下计较根部应力，计较成效与现实有较年夜收支，或经由过程模子实验和电站实测来为设计者提供参考。而且还没法计较叶片的静位移和固有频率。近年来随着有限元的成长，机械构件的顽强度计较技术有了很年夜的提高。用计较机模拟技术取代模子实验和电站实测以成为可能。今朝以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ为代表的一年夜批年夜型有限元结构分析计较软件在转轮顽强度计较中获得了普遍的运用，实现了水力与强度的交互式设计，计较成效更为准确，叶片应力状态也更趋合理。同时采用有限元鸿沟元法相连系来计较过流部件的流固耦合振动，由于斟酌了结构在流体中振动的附连水，可用计较来估算结构在水中的固有频率，这类方式可在改造项目中对机组的稳定性进行猜想。（４）叶片模压成形技术。水轮机转轮是水轮机的心脏，是以它的制造相当重要。直接影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。曩昔年夜多采用铸造方式制造叶片，打磨滑腻后与上冠、下环拼焊。该工艺方式有很多错误谬误：型线误差年夜、概况粗拙、打磨废工、抗空化性能差，而且铸造的叶片带有铸造缺陷，使得叶片使用性能变坏，对于年夜型叶片，叶型切确度更难控制，终也不容易到达要求。近几年来，模压成型技术普遍用于水轮机转轮叶片制造，它是一项可以获得叶型准确、铲磨小、价格适中、生产周期较短的转轮叶片制造技术。其方式是将叶片母材进行初步加工，然后放在用数控机床铣好的压模内用压力机压型，后做局部修磨。这类方式制成的叶片型线好，材好，抗空化磨损性能强，效率也易获得保证。如哈电运用ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ两个有限元软件开发了动态计较模压叶片中心和压力吨位的计较方式，已获得了成功。（５）叶片数控加工技术。对于叶片的加工曩昔采用“立体样板－铲磨”工艺，这是一种经由过程投进年夜手工劳动力，依据立体样板作为丈工具，把铸件毛坯酿成叶片制品的工艺。凭据文献［６］，使用这类加工工艺存在着丈精度差、使用操作坚苦和费用年夜的三年夜致命错误谬误。近年来，国内外各水轮机制造厂家已取消了传统的立体样板，采用数控加工技术，它是一种经由过程计较机系统的软件控制机床自动操作完成的一种理想的加工工艺。由于它能把叶片的理论曲面图形经由过程数据输出准确无误地传送到执行指令的操作机构上，解决了叶片丈与理论位置的自动找正问题和测点加工余的自动计较问题，使年夜型水轮机的叶片制造精度较传统立体样板工艺有了较年夜提高。如刘家峡２＃转轮和生成桥的５＃、６＃转轮都是采用数控加工。再者，从工程运用方面来说，近年来，老电站机组的技术改造工作已引发了列国的普遍关注，尤其在一些水力资本开发水平较高的国家，更为重视。我国的电站更新改造工作与国外进步前辈国家相比虽然起步较晚。但也于８０年月初起头索求性的工作。２０年来，各类水电站的技术改造工作已取得了很多的成就和经验，为各电厂和科研单元培育了年夜批技术人员和技术工人，从而为我国各电厂的增容改造工作奠基了根蒂根基，使各水电站的技术改造工作的顺遂完成成为可能。３结论开发新电站投资年夜、周期长，而老电站增容更新改造由于不需要再建年夜坝等水工建筑物，故投资少、周期短、收益年夜。可见，水电站更新改造已成为许多国家解决能源欠缺的重要手段，而水轮机转轮是水电站的主要装备，水轮机转轮性能的劣对合理开发哄骗水能、提高水电站运行靠得住性和经济性、保证电网靠得住性方面有着庞大影响。所以，水电站水轮机转轮改型设计已成为水电站更新改造的主要使命与要害途径。与此同时，现代计较机数值模拟技术、模子测试技术、顽强度计较技术和制造技术的不竭前进，为水轮机转轮的改型设计缔造了条件。是以，我们应充实哄骗现代科学技术功效，连系我国八十年月之前建造的中小型水电站的现实情况进行机组非凡是水轮机的技术改造。确保水轮机的高性能、高和平安靠得住运行。参考文献：［１］任柏青．小型水电站老式机组的增容改造［Ｊ］．浙江水利科技，１９９９，（２）［２］李吉川．水轮发机电组的增容改造［Ｊ］．广西电力技术，１９９９，（１）［３］李成家，等．安康电厂水轮发机电组增容改造分析［Ｊ］．西北电力技术，２０００，（５）［４］罗兴琦，等．混流式水轮机转轮的改型研究［Ｊ］．水利学报，１９９６，（１１）［５］王国海，等．水轮机增容改造与新技术的运用［Ｊ］．年夜机电技术，２００１，（７）［６］杨金华，等．水轮机叶片计较机辅助丈系统［Ｊ］．年夜机电技术，１９９７，（２）